دوربین داخل‌سوراخی یا پروب چرخشی لیزری؟ بازرسی داخل سوراخ‌ها در قطر ۱٫۵ میلی‌متر

مرور کلی

بازرسی داخل سوراخ بخشی از بازرسی ابعادی و نقص‌ها است که اغلب به‌صورت دستی انجام می‌شود. دلیل این امر دسترسی است: سوراخ سطحی است که به‌سوی درون باز می‌شود و تنها راه‌های تصویربرداری از آن، نگاه کردن در امتداد محور آن با سیستم نوری کوچکی است که بتواند وارد آن شود یا چرخاندن یک سنسور درون آن و ساخت تصویر خط‌به‌خط. هر دو رویکرد در تولید به‌کار می‌روند و به‌روش‌های متفاوتی شکست می‌خورند.

یک پروب نوری از نوع بوراسکوپ تصویری واقعی با رنگ ارائه می‌دهد که برای اپراتور شهودی است و در تشخیص نقص‌های بصری مانند خراش‌ها، فرورفتگی‌ها و تخلخل‌های ریخته‌گری مؤثر می‌باشد. پروب چرخشی لیزری به جای رنگ، پروفیل را اندازه‌گیری می‌کند؛ بنابراین در برابر مشکلات نورپردازی که در سیستم‌های نوری با قطر کوچک رخ می‌دهد، مقاوم است و قابلیت تشخیص برخوردی دارد که پروب نوری فاقد آن است.

شرکت بیگ برد اینداستریال (پیش از این شیمادا بیگ برد اینداستریال) از سال ۲۰۰۱ سیستم‌های تمیزکاری و برداشتن لبه‌های تیز را برای اجزای سیستم توان‌محرک خودرو ساخته است و اعداد بازرسی زیر از ایستگاه‌های تولیدی، نه از دستگاه‌های آزمایشگاهی، به دست آمده‌اند.

۱. امکانات و محدودیت‌های پروب نوری بور

در روش نوری، یک دوربین کوچک یا یک سیستم عدسی و انتقال‌دهنده درون سوراخ قرار می‌گیرد. نور به انتهای دورتر منتقل می‌شود و تصویر به سنسور بازگردانده می‌شود، یا مستقیماً یا از طریق بسته‌ای از فیبرهای نوری. نتیجه، تصویری رنگی است که انسان یا یک مدل آموزش‌دیده می‌تواند آن را برای تشخیص انواع نقص تفسیر کند.

سه پیکربندی نوری

لنز سخت‌افزاری زره‌پوش رایج‌ترین آرایش برای سوراخ‌های مستقیم است: لوله‌ای از فولاد ضدزنگ با عناصر نوری در انتهای آن که دیدی رو به جلو یا دیدی جانبی با زاویهٔ ثابت ایجاد می‌کند. لنز پانورامیک ۳۶۰ درجه در یک نمایش، تمام محیط دایره‌ای را تصویربرداری می‌کند که برای سوراخ‌های بزرگ کارآمد است اما وضوح آن در هر واحد سطح محدود است. پیکربندی چشم‌ماهی میدان دید گسترده‌ای در فاصلهٔ کاری کوتاه ارائه می‌دهد که برای جیب‌ها و شیارهای سطحی مناسب است.

این سه پیکربندی قابل تعویض نیستند. دید پانورامیک تنها وجود نقصی را در جایی بر روی محیط دایره‌ای نشان می‌دهد اما دقیقاً محل آن را مشخص نمی‌کند؛ در مقابل، لنز سخت‌افزاری جانبی موقعیت دقیق آزیموتال را می‌دهد اما برای پوشش کامل محیط دایره‌ای باید چرخانده شود که این امر زمان چرخه را افزایش می‌دهد.

حد وضوح

وضوح نوری درون سوراخ توسط دهانه‌ای که به‌صورت فیزیکی می‌توانید وارد کنید و همچنین توسط فاصلهٔ کاری محدود می‌شود. سیستمی که بر اساس حداقل قطر سوراخ ۱٫۵ میلی‌متر طراحی شده است، در صورت تنظیم دقیق اپتیک، قادر به تشخیص جزئیاتی با اندازهٔ ۰٫۰۱ میلی‌متر روی سطح است؛ اما این مقدار در یک فاصلهٔ کاری خاص حاصل می‌شود و با عقب‌نشینی پروب کاهش می‌یابد. قابلیت عمیق‌سنجی در محدودهٔ استاندارد از ۵۰ تا ۲۰۰ میلی‌متر است و در پیکربندی‌های سفارشی تا ۳۱۰ میلی‌متر افزایش می‌یابد.

۲. تغییراتی که یک پروب چرخان لیزری ایجاد می‌کند

پروب چرخان لیزری خطی از نور لیزر را بر روی دیوارهٔ داخلی سوراخ تصویر می‌کند و درون آن می‌چرخد تا در هر موقعیت زاویه‌ای، یک نمایه (پروفایل) ثبت کند. نتیجهٔ این فرآیند، ابری از نقاط از سطح داخلی است، نه عکسی از آن.

مقاومت در برابر نور محیطی

از آنجا که اندازه‌گیری بر اساس مثلث‌سنجی خط لیزر انجام می‌شود و نه بر اساس تصویربرداری از نور سفید بازتابیده، این پروب به روشنایی محیط یا رنگ سطح بستگی ندارد. این ویژگی دو منبع اصلی خطاهای تشخیص در بازرسی سوراخ‌های اپتیکی را حذف می‌کند: نور پراکنده‌ای که از دهانه سوراخ وارد می‌شود و سطوح بازتابنده یا تیره‌ای که کنتراست ظاهری عیب را تغییر می‌دهند.

تشخیص برخورد و مواد خارجی

یک پروب چرخان می‌تواند مانعی را پیش از برخورد شناسایی کند، زیرا پروفیلی که اندازه‌گیری می‌کند به‌صورت ناگهانی تغییر می‌کند. در عمل، این امکان را فراهم می‌کند که پروب مواد خارجی موجود در سوراخ را شناسایی کرده و متوقف شود؛ این امر در قطعاتی که وجود یک تراشه یا گره ریخته‌گری ممکن است عملیات ماشین‌کاری بعدی را آسیب دهد، الزامی است. در بدنه‌های شیرها، هر جسم خارجی با پروفیلی بالاتر از ۰٫۲۵ میلی‌متر رویدادی قابل تشخیص محسوب می‌شود و زمان‌های چرخه‌ای ۱۴ ثانیه برای سوراخ استوانه‌ای و ۱۸ ثانیه برای سوراخ بوستر با این روش قابل دستیابی است.

۳. انتخاب بر اساس دهانه و عمق

معیار اولیه انتخاب، دهانه است، زیرا پیش از هر در نظر گرفتن دیگری، گزینه‌ها را حذف می‌کند. سوراخ‌هایی با قطر ۵ تا ۴۰ میلی‌متر و ۴۰ تا ۱۲۰ میلی‌متر به‌طور معمول مورد بازرسی قرار می‌گیرند، با نسبت عمق به قطر تقریبی یک به یک. فراتر از این نسبت، پروب باید نسبت به قطرش بلندتر باشد که منجر به افزایش انحراف و کاهش دقت موقعیت‌یابی در نوک آن می‌شود.

تعادل بین عمق و قطر

پروب بلند و باریک خم می‌شود. حتی لنز سخت‌شده با محافظ نیز در فاصله‌ای بیش از ۳۰۰ میلی‌متر به‌طور قابل‌اندازه‌گیری خم می‌شود و این خمیدگی فاصلهٔ جدایی (استند-آف) و در نتیجه تمرکز را تغییر می‌دهد. سیستم‌هایی که در این عمق کار می‌کنند یا از پوششی با قطر بزرگ‌تر استفاده می‌کنند یا اینکه کاهش وضوح در انتهای دور را می‌پذیرند؛ و مشخصات باید عملکرد را در عمق مشخص‌شده — نه در بهترین حالت ممکن — بیان کند.

۴. محدودیت‌های تشخیص و آنچه را که پنهان می‌کنند

حد تشخیص ذکر‌شده معمولاً عددی بهینه است که برای یک نقص مرجع تعیین می‌شود. عددی که در تولید اهمیت دارد، حد تشخیص در بدترین موضع در سوراخ است که معمولاً انتهای دور و ناحیه‌ای است که پروب با سرعت بیشتری حرکت می‌کند.

روشنایی به‌عنوان متغیر غالب

در سیستم‌های نوری، تضاد نقص به زاویه روشنایی نسبت به سطح بستگی دارد. خراشی روی سطحی که با روش هانینگ پرداخت شده، در یک زاویه دیده می‌شود و در زاویه‌ای دیگر نامشخص است؛ به همین دلیل ایستگاه‌های بازرسی سوراخ اغلب از بیش از یک جهت روشنایی استفاده می‌کنند و نتایج را ترکیب می‌نمایند. ایستگاهی که تنها از یک نور حلقه‌ای استفاده می‌کند، تصویری پایدار اما ناقص گزارش می‌دهد.

کالیبراسیون و انحراف

هر دو روش نیازمند یک قطعهٔ مرجع هستند. برای یک پروب نوری، این قطعهٔ مرجع، هدفی با ابعاد ویژگی‌های شناخته‌شده در فاصلهٔ کاری است؛ و برای یک پروب لیزری، استوانه‌ای کالیبره با قطر و گام شناخته‌شده است. بررسی این قطعهٔ مرجع در ابتدای هر شیفت، ارزان‌ترین راه برای تشخیص انحراف تدریجی است که در غیر این صورت به‌جای نمایش پیام خطایی، به‌صورت تغییر در نرخ تماس‌های نادرست ظاهر می‌شود. یک پروب خارج از فوکوس همچنان تصویری ارسال می‌کند و یک پروب از دست دادن کالیبراسیون خود همچنان یک نمودار پروفیل ارسال می‌کند؛ هیچ‌کدام پیام خطایی گزارش نمی‌کنند مگر اینکه کسی نتیجه را با قطعه‌ای با ابعاد شناخته‌شده مقایسه کند.

۵. ادغام در خط تولید

پروب سوراخ‌ها حسگری کند است نسبت به دوربین‌های مساحتی، بنابراین معمولاً آن را به سمت ویژگی‌ها حرکت می‌دهند نه اینکه ویژگی‌ها را به سمت آن ببرند. این یعنی استفاده از ربات یا مکانیزمی دو محوره برای جابه‌جایی پروب بین سوراخ‌ها، و این همچنین یعنی ایستگاه بازرسی باید محل دقیق هر سوراخ روی قطعه را بداند.

پیامد عملی این است که زمان چرخه با تعداد سوراخ‌های بررسی‌شده، نه با اندازه قطعه، تناسب دارد. زمان بازرسی قطعه‌ای با چهار سوراخ حیاتی تقریباً چهار برابر زمان بازرسی قطعه‌ای با یک سوراخ است و این محاسبه باید پیش از تعیین ایستگاه، در بودجه تاکت لحاظ شود. در مواردی که تعداد سوراخ‌ها زیاد است، نمونه‌برداری از زیرمجموعه‌ای از سوراخ‌ها در هر قطعه، به جای بازرسی تمامی سوراخ‌ها، اغلب تنها راه ممکن برای جا دادن این فرآیند در خط تولید است.

پرسش‌های رایج

آیا می‌توان از دوربین داخلی برای بازرسی صددرصدی استفاده کرد؟

بله، به شرطی که مکانیزم و زمان چرخه اجازه آن را بدهند. جبران رایج این است که هر قطعه را برای دو یا سه سوراخی که بالاترین خطر را دارند بازرسی کنیم و سایر سوراخ‌ها را به صورت نمونه‌برداری مورد ارزیابی قرار دهیم.

کوچک‌ترین قطر سوراخی که قابل بازرسی است چقدر است؟

تا ۱٫۵ میلی‌متر با اپتیک‌های اختصاصی. زیر این حد، قطر پروب محدودیت‌هایی در روشنایی و وضوح ایجاد می‌کند و روش‌های جایگزینی مانند اندازه‌گیری با مانومتر هوایی معمولاً عملی‌ترند.

کدام روش بازرسی سوراخ تاریک یا بازتاب‌دهنده را بهتر انجام می‌دهد؟

پروب چرخان لیزری، زیرا وابسته به نور سفید بازتابیده‌شده نیست. پروب نوری روی سطح تیره نیازمند نوردهی بیشتر و کنتراست کمتری ایجاد می‌کند که این امر هم نرخ خطای تشخیص و هم نرخ فراخوانی نادرست را افزایش می‌دهد.

پروب چقدر اغلب باید کالیبره شود؟

بررسی مرجع در ابتدای هر شیفت و کالیبراسیون کامل طبق زمان‌بندی تعیین‌شده توسط سازنده. بررسی شیفت آسیب‌های مکانیکی و انحراف فوکوس را شناسایی می‌کند که این دو نوع خرابی بین کالیبراسیون‌های زمان‌بندی‌شده رخ می‌دهند.

نتیجه‌گیری

انتخاب بین پروب سوراخ‌نگر نوری و پروب چرخان لیزری بر اساس نوع عیب و سطح تعیین می‌شود، نه بر اساس اعداد و ارقام وضوح. اگر معیار، عیبی بصری روی سوراخی قابل دسترس با نوردهی کنترل‌شده باشد، سیستم نوری تصویر غنی‌تری ارائه می‌دهد. اما اگر معیار، ابعاد هندسی، موقعیت یا وجود مواد خارجی در سوراخی باشد که ممکن است تیره یا بازتاب‌کننده باشد، پروفیل لیزری مقاوم‌تر است.

هر دو ابتدا توسط دهانه و عمق محدود می‌شوند، بنابراین مشخصات باید از اینجا آغاز شود. حد تشخیصی که بدون ذکر قطر سوراخ، عمق و شرایط سطحی که در آن به‌دست آمده است، ارائه شود، یک مشخصات معتبر نیست.