ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวด: การตรวจสอบมิติในช่วง 500 ถึง 2000 มิลลิเมตร

ภาพรวม

ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ทำให้สมมุติฐานที่การตรวจสอบชิ้นส่วนขนาดเล็กอาศัยอยู่นั้นล้มเหลว โครงยึดที่มีความยาว 500 มิลลิเมตร กับโครงสร้างหลักที่มีความยาว 2000 มิลลิเมตร อาจใช้ระเบียบการเขียนแบบเดียวกัน แต่มีพฤติกรรมทางฟิสิกส์ที่ต่างกัน: พื้นที่ที่มองเห็น (field of view) เพิ่มขึ้นเร็วกว่าความละเอียดของการวัด จิ๊กยึดเกิดการโก่งตัวภายใต้น้ำหนักของชิ้นงานเอง และอุณหภูมิในห้องกลายเป็นตัวแปรที่ส่งผลต่อผลการวัด

บริษัท บิ๊ก เบิร์ด อินดัสเทรียล (Big Bird Industrial) (เดิมชื่อ ชิมาดะ บิ๊ก เบิร์ด อินดัสเทรียล) ได้จัดส่งระบบการตรวจสอบมิติสำหรับโครงสร้างยานพาหนะและชิ้นส่วนระบบขับเคลื่อนมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2001 บทความนี้กล่าวถึงข้อจำกัดทั้งสี่ประการที่มีผลต่อการตรวจสอบชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ได้แก่ พื้นที่ที่มองเห็น (field of view), การเชื่อมภาพ (stitching), พฤติกรรมจากอุณหภูมิ (thermal behaviour) และความมั่นคงของจุดอ้างอิง (datum stability) รวมทั้งอธิบายว่าแต่ละข้อจำกัดส่งผลต่อการเลือกฮาร์ดแวร์อย่างไร

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคือ ระบบสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่จะไม่ใช่เพียงแค่การขยายสัดส่วนของระบบสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กเท่านั้น แต่เป็นสถาปัตยกรรมที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ซึ่งมักประกอบด้วยเทคโนโลยีผสมผสานระหว่างโฟโตแกรมเมทรี (photogrammetry), ไลท์สตรัคเจอร์ (structured light) และการสัมผัสวัด (probing)

1. พื้นที่ที่มองเห็น (field of view) เทียบกับความละเอียด (resolution)

กล้องตัวเดียวที่ครอบคลุมระยะสองเมตร มีความละเอียดสูงสุดเพียงเศษส่วนของมิลลิเมตรต่อพิกเซล หากค่าความคลาดเคลื่อนยอมรับได้คือ ±0.2 มิลลิเมตร ความละเอียดดังกล่าวก็ถือว่าอยู่ในระดับขั้นวิกฤต; แต่หากค่าความคลาดเคลื่อนยอมรับได้แค่ ±0.05 มิลลิเมตร ความละเอียดดังกล่าวก็ใช้งานไม่ได้เลย

การคำนวณทางคณิตศาสตร์นั้นเข้มงวดมาก: จำนวนพิกเซลต่อมิลลิเมตรแปรผันโดยตรงกับความกว้างของเซนเซอร์ และแปรผกผันกับความกว้างของขอบเขตภาพ ดังนั้น หากต้องการครอบคลุมความกว้างที่เพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่าโดยใช้เซนเซอร์ตัวเดิม ความละเอียดจะลดลงเหลือเพียงหนึ่งในสี่เท่านั้น ไม่มีเทคนิคเชิงออปติกใดที่สามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้ จึงเป็นเหตุผลที่ระบบสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่เลือกใช้วิธีเลื่อนกล้อง เลื่อนชิ้นงาน หรือใช้กล้องหลายตัว

การเลื่อนกล้องเป็นวิธีที่พบบ่อยที่สุด แต่ก็เป็นวิธีที่ก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนมากที่สุดด้วย เพราะทุกครั้งที่เลื่อนต้องมีการวัดหรือสอบเทียบตำแหน่งอย่างแม่นยำ การเลื่อนชิ้นงานมักให้ผลแย่กว่า: โครงสร้างความยาวสองเมตรมีน้ำหนักมาก และทุกครั้งที่หมุนจะก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการตั้งค่าใหม่

2. การต่อกล้อง (Stitching) คือกระบวนการวัด ไม่ใช่การตัดต่อภาพ

เมื่อภาพหลายภาพถูกผสานเข้าด้วยกันในระบบพิกัดเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้จะมีคุณภาพเท่ากับความแม่นยำของการจัดแนวภาพเหล่านั้นเท่านั้น มีวิธีการหลักสองแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

การอ้างอิงเชิงกล

กล้องติดตั้งอยู่บนแท่นที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว และตำแหน่งของมันทราบได้จากเอนโคเดอร์ ความแม่นยำขึ้นอยู่กับคุณภาพของแท่น ความตรงของแท่น และความเสถียรทางอุณหภูมิ วิธีนี้สามารถคาดการณ์ผลและตรวจสอบย้อนกลับได้ แต่มีราคาสูง โดยเฉพาะเมื่อต้องการระยะการเคลื่อนที่มาก

การอ้างอิงด้วยโฟโตแกรมเมตรี

เป้าหมายที่มีรหัสพิเศษถูกวางไว้บนหรือรอบชิ้นงาน จากนั้นจึงคำนวณตำแหน่งและทิศทางของกล้องจากเป้าหมายเหล่านั้น ความแม่นยำขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของเป้าหมายและจำนวนมุมมองที่ใช้ และจะลดลงบริเวณใจกลางเขตเป้าหมายขนาดใหญ่หากเรขาคณิตไม่แข็งแรงพอ

ทั้งสองวิธีจำเป็นต้องใช้อาร์ติแฟกต์เพื่อตรวจสอบความถูกต้อง ซึ่งอาร์ติแฟกต์ขนาดสองเมตรนั้นเองก็ถือเป็นโครงการด้านมาตรวิทยาหนึ่งโครงการ: ต้องมีความเสถียร ผ่านการสอบเทียบแล้ว และเก็บรักษาไว้ในสถานที่ที่ไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายระหว่างการใช้งาน

3. อุณหภูมิเป็นส่วนหนึ่งของการวัด

เหล็กจะขยายตัวประมาณสิบเอ็ดส่วนต่อล้านส่วนต่อองศาเซลเซียส สำหรับชิ้นส่วนที่ยาวสองเมตร การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิห้าองศาจะทำให้ตำแหน่งของลักษณะหนึ่งๆ เคลื่อนที่ไปประมาณหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร ซึ่งอยู่ในระดับเดียวกับค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ส่วนอะลูมิเนียมมีค่านี้สูงกว่าประมาณสองเท่า

นั่นคือเหตุผลที่ห้องตรวจสอบชิ้นส่วนขนาดใหญ่ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด และเหตุผลที่ต้องปล่อยให้ชิ้นส่วนปรับอุณหภูมิให้สม่ำเสมอ (soak) ก่อนทำการวัด ชิ้นส่วนที่วัดทันทีหลังออกจากสายการกลึงจะมีความต่างของอุณหภูมิภายในตัวเอง (thermal gradient) ซึ่งความต่างนี้ไม่เพียงบิดเบือนรูปทรงเรขาคณิตเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อขนาดโดยรวมด้วย

แนวทางที่ใช้งานได้จริงคือ บันทึกอุณหภูมิของชิ้นส่วนขณะทำการวัด และนำแบบจำลองการปรับค่า (compensation model) มาใช้เมื่อรู้ชนิดของวัสดุ หากไม่มีการบันทึกอุณหภูมินี้ไว้ จะไม่สามารถแยกแยะได้ว่าความผันแปรของผลการวัดเกิดจากความผันแปรของชิ้นส่วน หรือเกิดจากความผันแปรของอุณหภูมิในห้อง

4. แท่นยึดชิ้นงานเกิดการโก่งตัวมากเกินไป

ส่วนประกอบขนาดใหญ่ชิ้นหนึ่งที่ติดตั้งบนอุปกรณ์ยึดจับจะทำให้อุปกรณ์ยึดจับนั้นรับน้ำหนักมาก โครงสร้างเหล็กจะโก่งตัวภายใต้น้ำหนักของตัวมันเอง และอุปกรณ์ยึดจับที่ออกแบบมาให้มีความแข็งแกร่งบริเวณจุดรองรับอาจยังคงหย่อนคล้อยบริเวณส่วนกลางได้ จุดอ้างอิง (datum) จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับการหย่อนคล้อยนั้น ผลการวัดจึงแสดงว่าชิ้นส่วนอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้เมื่อเทียบกับจุดอ้างอิง แต่จุดอ้างอิงนั้นไม่ได้อยู่ตำแหน่งที่แบบแปลนกำหนดไว้

มีเทคนิคสามประการที่ช่วยได้ ประการแรก รองรับชิ้นส่วนที่จุดที่แบบแปลนระบุไว้ ซึ่งมักเป็นสามจุดบวกอีกสองจุด แทนที่จะรองรับที่ตำแหน่งที่สะดวกต่อการปฏิบัติ ประการที่สอง วัดอุปกรณ์ยึดจับขณะไม่มีชิ้นส่วนติดตั้งอยู่ ตามช่วงเวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพื่อให้ทราบปริมาณการหย่อนคล้อยอย่างแน่ชัด ประการที่สาม เลือกวิธีการสแกนที่จับข้อมูลพื้นผิวทั้งหมดแทนที่จะเป็นเพียงชุดของจุดข้อมูลแบบแยกจากกัน เพราะข้อมูลพื้นผิวทั้งหมดสามารถแสดงรูปแบบการหย่อนคล้อยได้โดยตรง

5. การเลือกเทคโนโลยี

เทคโนโลยีสามกลุ่มที่สำคัญสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่แต่ละกลุ่มมีจุดแข็งที่แตกต่างกัน และระบบจริงส่วนใหญ่มักผสมผสานเทคโนโลยีเหล่านี้เข้าด้วยกัน

สถาปัตยกรรมทั่วไปหนึ่งแบบใช้เทคนิคโฟโตแกรมเมตรีเพื่อกำหนดกรอบอ้างอิงระดับโลก ใช้แสงโครงสร้างสำหรับพื้นผิวที่ต้องการข้อมูลรูปร่าง และใช้การวัดแบบสัมผัสเป็นครั้งคราวเพื่อเป็นเกณฑ์อ้างอิง การผสมผสานวิธีการเหล่านี้ให้ความแม่นยำสูงกว่าวิธีใดวิธีหนึ่งแยกต่างหาก และง่ายกว่าในการชี้แจงเหตุผลต่อผู้ตรวจสอบ

6. เวลาในการทำงานหนึ่งรอบและศักยภาพในการติดตั้งในสายการผลิต

การตรวจสอบชิ้นส่วนขนาดใหญ่มักทำแบบออฟไลน์ เพราะการวัดใช้เวลานาน และจำนวนชิ้นงานต่อชั่วโมงมีน้อย นี่เป็นทางเลือกเชิงการออกแบบ ไม่ใช่กฎตายตัว: สถานีวัดสามารถติดตั้งในสายการผลิตได้จริง หากจำนวนคุณลักษณะที่ต้องวัดมีน้อย และมีเวลาให้สำหรับการวัดอย่างเพียงพอ

หลักเกณฑ์การตัดสินใจคือเปรียบเทียบเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบกับเวลาทักท์ (takt time) หากเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบยาวนานกว่าเวลาทักท์ สถานีนั้นจะไม่สามารถติดตั้งในสายการผลิตได้โดยไม่มีเลนขนส่งแบบขนาน และการเพิ่มเลนขนส่งแบบขนานจะทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นเร็วกว่าการเพิ่มอัตราการผลิต

7. การตรวจสอบและการเปลี่ยนแปลงค่า

ระบบที่ใช้วัดชิ้นงานขนาดใหญ่มีแนวโน้มเกิดการเปลี่ยนแปลงค่า (drift) จากสาเหตุหลายประการ ซึ่งระบบวัดชิ้นงานขนาดเล็กไม่เคยประสบ เช่น อุณหภูมิในห้องเปลี่ยนแปลง ชิ้นงานอ้างอิงเองขยับตำแหน่ง และแท่นวางสึกหรอเป็นระยะทางหลายเมตร แทนที่จะเป็นเพียงไม่กี่มิลลิเมตร การตรวจสอบจึงต้องจัดตารางตามคาบเวลาเหล่านี้ โดยไม่ยึดตามกฎทั่วไปเช่น 'ทุกหนึ่งเดือน'

รูปแบบที่ใช้งานได้จริงคือ การตรวจสอบเบื้องต้นทุกวันบนชิ้นงานอ้างอิงที่มีเสถียรภาพ การตรวจสอบอย่างละเอียดทุกสัปดาห์บนชิ้นงานมาตรฐาน และการปรับเทียบใหม่ทุกปี ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตของแท่นวาง การตรวจสอบทุกวันช่วยตรวจจับกรณีที่กล้องถูกชนจนเอียง ส่วนการปรับเทียบใหม่ทุกปีจะช่วยตรวจจับการสูญเสียความตั้งฉากอย่างช้าๆ ซึ่งการวัดชิ้นงานเพียงชิ้นเดียวไม่สามารถเปิดเผยได้

การบันทึกผลการตรวจสอบเป็นแนวโน้มคือสิ่งที่เปลี่ยนการยืนยันให้กลายเป็นการพยากรณ์ ค่าความซ้ำได้ที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นจากยี่สิบเป็นสี่สิบไมโครเมตรภายในหกเดือน ถือเป็นสัญญาณเตือนว่าต้องบำรุงรักษาเป็นเวลานานก่อนที่ค่าดังกล่าวจะสูงจนทำให้ชิ้นส่วนถูกปฏิเสธ

8. หุ่นยนต์ โครงสร้างแบบแกนเลื่อน หรือโครงยึดคงที่

มีกลไกสามแบบที่ใช้เคลื่อนเซนเซอร์ผ่านชิ้นส่วนขนาดใหญ่ โดยการเลือกนั้นมักขึ้นอยู่กับรูปแบบการครอบคลุมพื้นที่เป็นหลัก หุ่นยนต์มีความยืดหยุ่นในการเคลื่อนไหวภายในขอบเขตการเข้าถึงของมัน แต่จำเป็นต้องใช้รางเลื่อนหากต้องการเคลื่อนเกินขอบเขตนั้น โครงสร้างแบบแกนเลื่อนสามารถครอบคลุมปริภูมิรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าได้อย่างแม่นยำและคาดการณ์ได้ แต่มีน้ำหนักมาก ขณะที่โครงยึดคงที่ที่ติดตั้งกล้องหลายตัวไม่มีส่วนที่เคลื่อนไหวเลย จึงไม่มีข้อผิดพลาดเชิงพลศาสตร์ แต่แลกกับต้นทุนฮาร์ดแวร์ที่สูงขึ้นตามจำนวนมุมมอง

สำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่ในมิติเดียว การใช้หุ่นยนต์ที่ติดตั้งบนรางเลื่อนมักเป็นทางเลือกที่สมดุลที่สุด: รางให้การเคลื่อนที่ในแนวยาว ส่วนแขนหุ่นยนต์ให้มุมการวางตัวที่หลากหลาย สำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่ในสองมิติ โครงสร้างแบบแกนเลื่อนหรือโครงยึดคงที่จะสามารถขยายระบบได้ดีกว่า

ไม่ว่าจะเลือกวิธีใด การปรับเทียบต้องครอบคลุมกลไกทั้งหมด ไม่ใช่เพียงแค่กล้องเท่านั้น หุ่นยนต์ที่มีความแม่นยำถึงหนึ่งในสิบของมิลลิเมตรที่ข้อมือของมัน จะไม่มีความแม่นยำระดับนั้นที่ปลายชิ้นส่วนยาวสองเมตร เว้นแต่ว่าแบบจำลองเชิงจลศาสตร์ (kinematic model) จะได้รับการตรวจสอบเทียบกับวัตถุอ้างอิง (artefact) ที่ระยะทางนั้นแล้ว

คำถามที่พบบ่อย

สามารถวัดชิ้นส่วนยาว 2000 มม. ให้มีความแม่นยำถึง 0.1 มม. ได้ในระหว่างกระบวนการผลิตหรือไม่

ได้ สำหรับจำนวนคุณลักษณะ (features) ที่จำกัด โดยใช้การจัดวางกล้องที่คงที่และอุปกรณ์ยึดชิ้นงาน (fixture) ที่มีเสถียรภาพ ความแม่นยำเกิดจากโครงสร้างการจัดวางและการปรับเทียบ ไม่ใช่เกิดจากตัวเซ็นเซอร์เพียงอย่างเดียว

จำเป็นต้องติดจุดอ้างอิง (targets) ลงบนชิ้นส่วนหรือไม่

ขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ — อาจติดบนชิ้นส่วนหรือบนอุปกรณ์ยึดชิ้นงานก็ได้ จุดอ้างอิงที่ติดบนอุปกรณ์ยึดชิ้นงานจัดการได้ง่ายกว่า แต่ไม่สามารถวัดการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนได้ ส่วนจุดอ้างอิงที่ติดบนชิ้นส่วนสามารถวัดการบิดเบี้ยวได้ แต่เพิ่มความซับซ้อนในการจัดการชิ้นงาน

วัตถุอ้างอิงขนาดใหญ่ต้องปรับเทียบใหม่บ่อยแค่ไหน

ขึ้นอยู่กับกำหนดเวลาที่ตั้งไว้ตามความต้องการด้านความแม่นยำ และความถี่ในการเคลื่อนย้ายวัตถุนั้น วัตถุอ้างอิงที่เก็บไว้โดยไม่เคลื่อนย้ายเลยจะเปลี่ยนแปลงค่าไปอย่างช้า ๆ ส่วนวัตถุอ้างอิงที่ต้องขนย้ายไปใช้งานที่ต่าง ๆ จำเป็นต้องตรวจสอบความถูกต้องก่อนใช้งานทุกครั้ง

การชดเชยอุณหภูมิมีความน่าเชื่อถือหรือไม่

มีความน่าเชื่อถือเมื่อรู้วัสดุและเกรเดียนต์อย่างแน่ชัด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเกิดขึ้นได้ยากบนสายการผลิต การวัดในห้องควบคุมได้ผลที่เชื่อถือได้มากกว่าการชดเชยในสภาพแวดล้อมที่ไม่ได้ควบคุม

สรุป

การตรวจสอบชิ้นส่วนขนาดใหญ่เป็นปัญหาด้านมาตรวิทยาที่ห่อหุ้มด้วยระบบอัตโนมัติ ขอบเขตการมองเห็นกำหนดความละเอียด การต่อกันของภาพกำหนดความแม่นยำ อุณหภูมิกำหนดความซ้ำได้ และตัวยึดชิ้นงานกำหนดว่าผลลัพธ์ใดๆ จะคงอยู่ผ่านกะการทำงานหรือไม่

ระบบที่ใช้งานได้จริงคือระบบที่ผสมผสานกัน ได้รับการสอบเทียบกับมาตรฐานอ้างอิง และโปร่งใสเกี่ยวกับฟีเจอร์ใดบ้างที่วัดแบบออนไลน์และฟีเจอร์ใดบ้างที่ตรวจสอบแบบออฟไลน์ ส่วนระบบที่ล้มเหลวมักให้คำมั่นสัญญาว่าใช้เซนเซอร์เพียงตัวเดียวและให้ค่าตัวเลขเพียงค่าเดียว แต่กลับไม่สามารถจัดส่งทั้งสองสิ่งนั้นได้จริง