กล้องส่องหลอดหรือหัววัดเลเซอร์แบบหมุน? การตรวจสอบภายในรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 มิลลิเมตร

ภาพรวม

การตรวจสอบภายในรูเป็นส่วนหนึ่งของการตรวจสอบมิติและข้อบกพร่อง ซึ่งโดยทั่วไปยังคงดำเนินการด้วยวิธีการแบบแมนนวลมากที่สุด เหตุผลหลักคือการเข้าถึงพื้นผิว: รูเป็นพื้นผิวที่หันเข้าด้านใน ดังนั้นวิธีเดียวที่จะถ่ายภาพได้คือการมองตามแกนกลางด้วยระบบออปติกที่มีขนาดเล็กพอจะสอดเข้าไปได้ หรือหมุนเซนเซอร์ภายในรูแล้วสร้างภาพทีละเส้น ทั้งสองวิธีนี้ใช้งานจริงในสายการผลิต แต่ล้มเหลวในลักษณะที่ต่างกัน

หัววัดแบบกล้องส่องรู (borescope) แบบออปติคัลให้ภาพจริงที่มีสี ซึ่งทำให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าใจได้ง่ายและมีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องประเภทต่าง ๆ เช่น รอยขีดข่วน รอยบุบ และรูพรุนจากการหล่อ

บริษัท บิก เบิร์ด อินดัสเทรียล (ชื่อเดิมคือ ชิมาดะ บิก เบิร์ด อินดัสเทรียล) ผลิตระบบทำความสะอาดและกำจัดเศษคมจากชิ้นส่วนระบบขับเคลื่อนยานยนต์มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2001 โดยตัวเลขการตรวจสอบที่แสดงด้านล่างนี้ได้มาจากระบบสายการผลิตจริง ไม่ใช่จากอุปกรณ์ทดลองในห้องปฏิบัติการ

1. ความสามารถและข้อจำกัดของหัววัดแบบกล้องส่องรู (bore probe) แบบออปติคัล

วิธีการแบบออปติคัลจะนำกล้องขนาดเล็ก หรือระบบที่ประกอบด้วยเลนส์และระบบส่งภาพต่อ (relay system) ไปวางไว้ภายในรู จากนั้นส่งแสงไปยังปลายอีกด้านหนึ่ง และนำภาพกลับมายังเซ็นเซอร์ ไม่ว่าจะโดยตรงหรือผ่านชุดเส้นใยแก้วนำแสง (fibre bundle) ผลลัพธ์ที่ได้คือภาพสี ซึ่งทั้งมนุษย์และโมเดลที่ผ่านการฝึกอบรมสามารถตีความเพื่อจำแนกประเภทข้อบกพร่องได้

การจัดเรียงเลนส์ออปติคัลสามแบบ

เลนส์เกราะที่มีความแข็งแรงเป็นการจัดเรียงที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับการตรวจสอบรูทรงตรง: ใช้ท่อกลมสแตนเลสที่มีชิ้นส่วนออปติคัลติดตั้งอยู่ที่ปลาย ซึ่งให้มุมมองไปข้างหน้า หรือมุมมองด้านข้างที่มีมุมคงที่ การจัดเรียงเลนส์แบบพาโนรามิก 360 องศา จะจับภาพขอบเขตโดยรอบทั้งหมดในครั้งเดียว ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสำหรับรูขนาดใหญ่ แต่มีความละเอียดต่อพื้นที่หน่วยต่ำ การจัดเรียงเลนส์แบบฟิชอายจะให้มุมมองกว้างในระยะทำงานสั้น จึงเหมาะกับร่องตื้นและรูเว้า

ทั้งสามแบบไม่สามารถใช้แทนกันได้ การมองแบบพาโนรามิกจะแจ้งว่ามีข้อบกพร่องเกิดขึ้นที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนขอบเขตโดยรอบ แต่ไม่สามารถระบุตำแหน่งแน่นอนได้ ในขณะที่เลนส์แบบแข็งที่มองด้านข้างจะระบุตำแหน่งแนวราบ (azimuthal position) ได้แม่นยำ แต่จำเป็นต้องหมุนเพื่อสำรวจขอบเขตโดยรอบทั้งหมด ซึ่งทำให้ใช้เวลานานขึ้นในแต่ละรอบการตรวจสอบ

ขีดจำกัดของความละเอียด

ความละเอียดเชิงแสงภายในรูเจาะมีข้อจำกัดจากขนาดรูเปิดที่สามารถสอดเข้าไปได้จริง และระยะห่างระหว่างเลนส์กับพื้นผิวที่ใช้งานได้ ระบบหนึ่งที่ออกแบบมาสำหรับรูเจาะขั้นต่ำขนาด 1.5 มิลลิเมตร สามารถแยกแยะรายละเอียดบนพื้นผิวได้ถึง 0.01 มิลลิเมตร เมื่อเลนส์โฟกัสอย่างถูกต้อง แต่ค่าดังกล่าวเกิดขึ้นเฉพาะที่ระยะห่างระหว่างเลนส์กับพื้นผิวที่กำหนดเท่านั้น และจะลดลงเมื่อโพรบที่ใช้ตรวจจับถอยห่างออกจากพื้นผิว ความสามารถในการวัดความลึกในช่วงมาตรฐานครอบคลุม 50 ถึง 200 มิลลิเมตร โดยแบบที่ออกแบบพิเศษสามารถวัดได้ไกลถึง 310 มิลลิเมตร

2. สิ่งที่เลเซอร์โรตารีโพรบเปลี่ยนแปลง

เลเซอร์โรตารีโพรบฉายเส้นเลเซอร์ลงบนผนังรูเจาะ แล้วหมุนอยู่ภายในรูเจาะ เพื่อบันทึกโครงร่างของพื้นผิวในแต่ละตำแหน่งเชิงมุม ผลลัพธ์ที่ได้คือกลุ่มจุดข้อมูล (point cloud) ของพื้นผิวด้านใน แทนที่จะเป็นภาพถ่ายของพื้นผิวนั้น

ความทนทานต่อแสงแวดล้อม

เนื่องจากการวัดนี้อาศัยหลักการสามเหลี่ยมจากเส้นเลเซอร์ แทนที่จะอาศัยการจับภาพแสงสีขาวที่สะท้อนกลับ หัววัดจึงไม่ไวต่อระดับความสว่างแวดล้อม หรือสีของพื้นผิว ซึ่งช่วยกำจัดแหล่งที่มาหลักสองประการของผลตรวจผิดพลาดในการตรวจสอบรูทรงกระบอกด้วยแสง: แสงรบกวนที่ลอดเข้ามาทางเปิดของรู และพื้นผิวที่สะท้อนแสงหรือมืดเกินไปซึ่งเปลี่ยนความต่างของคอนทราสต์ที่มองเห็นได้ของข้อบกพร่อง

การตรวจจับการชนและสิ่งแปลกปลอม

หัววัดแบบหมุนสามารถตรวจจับสิ่งกีดขวางได้ก่อนที่จะชนเข้ากับมัน เนื่องจากรูปทรงที่กำลังวัดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้ทำให้หัววัดสามารถระบุสิ่งแปลกปลอมภายในรูทรงกระบอกและหยุดการทำงานได้ ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำหรับชิ้นส่วนที่อาจได้รับความเสียหายจากการตัดแต่งในขั้นตอนถัดไป หากมีเศษโลหะหรือเนื้อโลหะที่ยื่นออกมาจากแม่พิมพ์ (casting nodule) สำหรับตัวเรือนวาล์ว สิ่งแปลกปลอมที่มีรูปทรงสูงกว่า 0.25 มม. จะถูกตรวจจับได้ และสามารถบรรลุเวลาหนึ่งรอบ (cycle time) ที่ 14 วินาที สำหรับรูทรงกระบอก และ 18 วินาที สำหรับรูทรงกระบอกของตัวเสริมแรง (booster bore) ด้วยวิธีนี้

3. การเลือกตามรูรับแสงและความลึก

เกณฑ์การคัดเลือกข้อแรกคือรูรับแสง เนื่องจากมันช่วยตัดตัวเลือกออกก่อนที่จะพิจารณาปัจจัยอื่นใด ๆ รูเจาะที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 5 ถึง 40 มิลลิเมตร และระหว่าง 40 ถึง 120 มิลลิเมตร สามารถตรวจสอบได้เป็นประจำ โดยมีอัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งต่อหนึ่ง เมื่ออัตราส่วนนี้เพิ่มขึ้น โพรบที่ใช้จะต้องยาวขึ้นเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลาง ซึ่งทำให้เกิดการโก่งตัวมากขึ้นและลดความแม่นยำในการระบุตำแหน่งที่ปลายโพรบ

การแลกเปลี่ยนระหว่างความลึกกับเส้นผ่านศูนย์กลาง

โพรบที่มีความยาวมากแต่เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กจะเกิดการโก่งตัว แม้แต่เลนส์ที่มีเกราะป้องกันอย่างแข็งแรงก็ยังโก่งตัวได้ในระดับที่วัดได้เมื่อใช้ที่ระยะทางเกิน 300 มิลลิเมตร และการโก่งตัวนี้จะเปลี่ยนระยะห่างระหว่างปลายโพรบกับพื้นผิว (stand-off distance) ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อจุดโฟกัส ระบบตรวจจับที่ออกแบบมาสำหรับใช้งานที่ความลึกดังกล่าวมักเลือกใช้ปลอกหุ้มที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น หรือยอมรับว่าความละเอียดของภาพจะลดลงบริเวณปลายไกลสุด ดังนั้น ข้อกำหนดทางเทคนิคควรระบุประสิทธิภาพที่ความลึกที่ระบุไว้จริง แทนที่จะระบุเฉพาะค่าที่ดีที่สุดในสภาวะอุดมคติ

4. ขีดจำกัดของการตรวจจับและสิ่งที่ขีดจำกัดเหล่านั้นบดบัง

ขีดจำกัดการตรวจจับที่ระบุไว้มักเป็นค่าที่ดีที่สุดสำหรับข้อบกพร่องอ้างอิง แต่ตัวเลขที่สำคัญในการผลิตคือขีดจำกัดที่ตำแหน่งที่แย่ที่สุดภายในรูเจาะ ซึ่งมักอยู่ที่ปลายด้านไกลและบริเวณที่หัววัดเคลื่อนที่เร็วที่สุด

การให้แสงเป็นปัจจัยหลัก

ในระบบออปติก ความชัดเจนของข้อบกพร่องขึ้นอยู่กับมุมของแสงที่ตกกระทบพื้นผิว รอยขีดข่วนบนผิวที่ผ่านการขัดแบบฮอน (honed) จะมองเห็นได้ที่มุมหนึ่ง แต่ไม่สามารถมองเห็นได้ที่อีกมุมหนึ่ง จึงเป็นเหตุผลที่สถานีตรวจสอบรูเจาะมักใช้แหล่งกำเนิดแสงมากกว่าหนึ่งทิศทางแล้วรวมผลลัพธ์เข้าด้วยกัน สถานีที่ใช้แสงวงแหวนเพียงแบบเดียวจะรายงานภาพที่มีเสถียรภาพแต่ไม่สมบูรณ์

การปรับค่ามาตรฐานและการเบี่ยงเบน

วิธีทั้งสองแบบต้องใช้วัตถุอ้างอิง สำหรับหัววัดแบบแสงคือเป้าหมายที่มีขนาดลักษณะเฉพาะที่ทราบค่า ณ ระยะทำงาน ส่วนสำหรับหัววัดเลเซอร์คือทรงกระบอกสำหรับสอบเทียบซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางและขั้นบันไดที่ทราบค่า การตรวจสอบวัตถุอ้างอิงนี้ก่อนเริ่มกะแต่ละกะเป็นวิธีที่ประหยัดที่สุดในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงช้าๆ ซึ่งมิฉะนั้นจะปรากฏเป็นการเปลี่ยนแปลงอัตราการแจ้งเตือนผิดพลาด (false-call rate) แทนที่จะแสดงเป็นข้อความแจ้งข้อผิดพลาด หัววัดที่ไม่อยู่ในโฟกัสยังคงให้ภาพออกมาได้ และหัววัดที่สูญเสียการสอบเทียบแล้วยังคงให้รูปแบบการวัด (profile) ออกมาได้ ทั้งสองกรณีไม่แสดงข้อผิดพลาดใดๆ จนกว่าผู้ปฏิบัติงานจะนำผลที่ได้ไปเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนที่มีค่าอ้างอิงที่แน่นอน

5. การผสานเข้ากับสายการผลิต

หัววัดรูเจาะ (bore probe) มีความเร็วในการวัดช้ากว่ากล้องแบบพื้นที่ (area camera) ดังนั้นโดยทั่วไปจึงเคลื่อนหัววัดไปยังลักษณะเฉพาะต่างๆ แทนที่จะเคลื่อนลักษณะเฉพาะมาหาหัววัด ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้แขนหุ่นยนต์หรือกลไกสองแกนในการเคลื่อนหัววัดระหว่างรูเจาะแต่ละรู และหมายความว่าสถานีการตรวจสอบต้องทราบตำแหน่งของรูเจาะแต่ละรูบนชิ้นงาน

ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจริงคือ เวลาในการตรวจสอบแต่ละรอบจะแปรผันตามจำนวนรูที่ต้องตรวจสอบ ไม่ใช่ตามขนาดของชิ้นส่วน ดังนั้น ชิ้นส่วนที่มีรูสำคัญสี่รู จะใช้เวลาตรวจสอบโดยประมาณเป็นสี่เท่าของชิ้นส่วนที่มีรูสำคัญเพียงรูเดียว และการคำนวณเชิงเลขแบบนี้จำเป็นต้องรวมอยู่ในงบเวลา takt ก่อนที่จะกำหนดสถานีตรวจสอบอย่างเป็นทางการ สำหรับกรณีที่จำนวนรูสูงมาก การสุ่มตรวจสอบเฉพาะบางส่วนของรูในแต่ละชิ้นส่วนแทนที่จะตรวจสอบทุกรู มักเป็นวิธีเดียวที่จะทำให้กระบวนการพอดีกับสายการผลิต

คำถามที่พบบ่อย

สามารถใช้กล้องส่องรู (borescope) ในการตรวจสอบแบบร้อยละหนึ่งร้อยได้หรือไม่

ได้ ถ้ากลไกและเวลาในการทำงานแต่ละรอบเอื้ออำนวย ทางเลือกที่นิยมใช้คือ การตรวจสอบทุกชิ้นส่วนสำหรับรูสองหรือสามรูที่มีความเสี่ยงสูงที่สุด และตรวจสอบรูที่เหลือแบบสุ่มเป็นระยะ

รูที่เล็กที่สุดที่สามารถตรวจสอบได้มีขนาดเท่าใด

เล็กได้ลงถึง 1.5 มิลลิเมตร โดยใช้เลนส์เฉพาะทาง สำหรับรูที่เล็กกว่านั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกล้องจะจำกัดทั้งความสามารถในการส่องสว่างและความละเอียดของการตรวจสอบ จึงมักใช้วิธีอื่น เช่น การวัดด้วยเครื่องวัดความดันอากาศ (air gauge measurement) ซึ่งให้ผลที่เหมาะสมกว่า

วิธีใดเหมาะกับการตรวจสอบรูที่มืดหรือมีผิวสะท้อนแสงได้ดีกว่า

หัววัดแบบเลเซอร์หมุนได้ ไม่ขึ้นอยู่กับแสงสีขาวที่สะท้อนกลับมา ดังนั้นจึงให้ผลที่แม่นยำกว่า ขณะที่หัววัดแบบออปติคัลบนพื้นผิวสีเข้มจำเป็นต้องใช้แสงสว่างมากขึ้น และให้ความคมชัดต่ำลง ซึ่งส่งผลให้อัตราการพลาดตรวจและอัตราการแจ้งเตือนผิดเพิ่มสูงขึ้น

ควรสอบเทียบหัววัดบ่อยแค่ไหน

ควรตรวจสอบด้วยตัวอย่างอ้างอิงทุกครั้งก่อนเริ่มกะงาน และทำการปรับเทียบใหม่แบบเต็มรูปแบบตามกำหนดเวลาที่ผู้ผลิตกำหนด การตรวจสอบในแต่ละกะจะช่วยตรวจจับความเสียหายเชิงกลและการเปลี่ยนแปลงของระยะโฟกัส ซึ่งเป็นปัญหาหลักที่เกิดขึ้นระหว่างช่วงเวลาที่กำหนดไว้สำหรับการปรับเทียบ

สรุป

การเลือกระหว่างหัววัดแบบออปติคัลสำหรับรูทรงกระบอกกับหัววัดแบบเลเซอร์หมุนได้นั้น ขึ้นอยู่กับประเภทของข้อบกพร่องและลักษณะพื้นผิว ไม่ใช่จากค่าความละเอียดเพียงอย่างเดียว หากเกณฑ์การประเมินคือข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าบนรูทรงกระบอกที่สามารถเข้าถึงได้ภายใต้การควบคุมแสงอย่างเหมาะสม ระบบออปติคัลจะให้ภาพที่สมจริงและละเอียดกว่า แต่หากเกณฑ์คือรูปทรงเรขาคณิต ตำแหน่ง หรือการมีสิ่งแปลกปลอมภายในรูทรงกระบอกที่อาจมีพื้นผิวมืดหรือสะท้อนแสง ระบบเลเซอร์แบบสร้างโปรไฟล์จะให้ผลที่เชื่อถือได้และทนทานกว่า

ทั้งสองอย่างถูกจำกัดโดยรูรับแสงและความลึกเป็นอันดับแรก ดังนั้นข้อกำหนดจึงควรเริ่มต้นจากจุดนั้นก่อน ขีดจำกัดการตรวจจับที่ระบุไว้โดยไม่ระบุเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเจาะ ความลึก และสภาพพื้นผิวที่ใช้ในการวัดนั้น ไม่ถือเป็นข้อกำหนดที่สมบูรณ์