การตรวจสอบแผ่นวาล์ว: รูทะลุจำนวน 79 รู และปัญหาแถบความคลาดเคลื่อน

ภาพรวม

แผ่นวาล์วคือชิ้นส่วนแบบแบนที่มีรูจำนวนมาก ซึ่งแต่ละรูต้องอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องทั้งหมด ชิ้นส่วนนี้มีขนาดเล็ก จำนวนรูสูง และช่วงความคลาดเคลื่อนแคบมากจนเพียงการเจาะรูหนึ่งรูผิดตำแหน่งก็ทำให้แผ่นทั้งแผ่นต้องทิ้งทันที การตรวจสอบด้วยมือใช้เวลานาน ส่วนการตรวจสอบแบบสุ่มตัวอย่างนั้นไร้ประโยชน์ เพราะข้อบกพร่องเกิดจากการเจาะรู ดังนั้นแต่ละแผ่นจึงจะดีหรือไม่ดีเท่านั้น

บริษัท บิ๊กเบิร์ด อินดัสเทรียล (เดิมชื่อ ชิมาดะ บิ๊กเบิร์ด อินดัสเทรียล) จัดหาโซลูชันสำหรับการตรวจสอบมิติและข้อบกพร่องของชิ้นส่วนยานยนต์มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2001 บทความนี้อธิบายวิธีการตรวจสอบแผ่นที่มีรู 79 รูในครั้งเดียว เหตุใดช่วงความคลาดเคลื่อนจึงมีผลต่อการออกแบบระบบภาพมากกว่าจำนวนรู และวิธีการเขียนเกณฑ์การยอมรับที่ผ่านการตรวจสอบได้

1. เหตุใดจำนวนรูจึงกำหนดสถาปัตยกรรม

แผ่นที่มีรูสามรูสามารถตรวจสอบได้ด้วยกล้องตัวเดียวและอุปกรณ์ยึดจับหนึ่งชุด แต่แผ่นที่มีรูเจ็ดสิบรูเก้ารูไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ด้วยเหตุผลง่ายๆ คือ ขอบเขตการมองเห็นที่จำเป็นเพื่อให้เห็นแผ่นทั้งหมดในความละเอียดที่เพียงพอสำหรับวัดตำแหน่งของรูนั้นกว้างเกินกว่าความสามารถของกล้องตัวเดียวใดๆ ที่จะให้ความละเอียดระดับนั้น

คำตอบที่ใช้งานได้จริงคือสถานีแบบหลายกล้อง ซึ่งถ่ายภาพแผ่นเป็นชิ้นส่วนที่ทับซ้อนกันแล้วนำข้อมูลการวัดมาผสานเข้าด้วยกันภายใต้ระบบพิกัดเดียว ส่วนทางเลือกอื่น คือ ใช้กล้องตัวเดียวบนแท่นเคลื่อนที่ แม้จะได้ความละเอียดสูงขึ้น แต่ก็แลกมากับเวลาในการดำเนินรอบ (cycle time) ซึ่งเวลาในการดำเนินรอบนี้เองคือข้อจำกัดประการที่สอง

เมื่อสถาปัตยกรรมใช้หลายกล้องแล้ว ปัญหาการสอบเทียบจึงกลายเป็นงานวิศวกรรมหลัก กล้องแต่ละตัวมีการบิดเบือนเฉพาะตัว มีท่าทาง (pose) เฉพาะตัวเทียบกับแผ่น และมีความไม่แน่นอนของการวัดเฉพาะตัว ระบบโดยรวมจะดีได้เท่าที่การผสานข้อมูลจะดี และการผสานข้อมูลจะดีได้เท่าที่วัตถุที่ใช้สอบเทียบ (calibration artefact) จะดี

๒. สิ่งที่ต้องวัดบนรูแต่ละรู

มีปริมาณสามค่าที่สำคัญต่อดริลล์แต่ละรู และแต่ละค่ามีค่าความคลาดเคลื่อนที่ต่างกัน

ตำแหน่งงาน

จุดศูนย์กลางของรูเมื่อเปรียบเทียบกับลักษณะอ้างอิงของแผ่น ซึ่งเป็นค่าความคลาดเคลื่อนที่กำหนดว่าแผ่นจะสามารถปิดผนึกได้หรือไม่ และชิ้นส่วนที่ต้องประกอบเข้าด้วยกันจะสามารถยึดด้วยโบลต์ได้หรือไม่

เส้นผ่านศูนย์กลาง

วัดเป็นวงกลมสมมูล หรือวัดเป็นวงกลมที่เล็กที่สุดที่แนบในรู ขึ้นอยู่กับแบบแปลน การเลือกวิธีวัดมีผลต่อรูที่เจาะหรือตอกด้วยเครื่องจักรซึ่งมีความลาดเอียงเล็กน้อย เนื่องจากนิยามทั้งสองแบบอาจให้ผลต่างกันเกินกว่าค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้

แบบฟอร์ม

ความกลมและสิ่งสกปรกที่ติดอยู่รอบขอบรู (burr) รูที่ผ่านเกณฑ์ตำแหน่งและเส้นผ่านศูนย์กลาง แต่มีสิ่งสกปรกติดอยู่ที่ด้านออก จะไม่สามารถปิดผนึกได้ และสิ่งสกปรกนั้นคือสิ่งที่ภาพด้านบนแบบสองมิติไม่สามารถมองเห็นได้เลย

3. แถบความคลาดเคลื่อนกำหนดการมองเห็น

กฎนี้เรียบง่ายแต่มักถูกเพิกเฉย: ความไม่แน่นอนของการวัดต้องเป็นส่วนหนึ่งของค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ (tolerance) ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของชิ้นส่วนเอง หากค่าความคลาดเคลื่อนตำแหน่งคือ ±0.05 มิลลิเมตร ระบบซึ่งมีความไม่แน่นอน 0.03 มิลลิเมตรจะไม่สามารถใช้งานได้ เนื่องจากจะปฏิเสธชิ้นส่วนที่ดีและยอมรับชิ้นส่วนที่ผิดพลาดด้วยความน่าจะเป็นเท่ากัน

ข้อกำหนดสองข้อในนี้เกี่ยวข้องกับด้านออปติก ส่วนอีกข้อเกี่ยวข้องกับด้านกลไก แผ่นโลหะที่ไม่ถูกยึดให้อยู่ในแนวราบและไม่สามารถทำซ้ำได้ จะเคลื่อนที่ระหว่างขั้นตอนการสอบเทียบกับขั้นตอนการวัด และไม่ว่าจะใช้เทคนิคการจับขอบแบบย่อยพิกเซลอย่างแม่นยำเพียงใด ก็ไม่สามารถกู้คืนความแม่นยำที่สูญเสียไปได้

4. เวลาในการทำงานหนึ่งรอบ (Cycle Time): วินาทีต่าง ๆ ถูกใช้ไปที่ใด

การตรวจสอบรูจำนวน 79 รูไม่ใช่เรื่องที่ใช้เวลานานต่อรูหนึ่งรู แต่ใช้เวลานานต่อแผ่น และเวลาโดยรวมขึ้นอยู่กับสามสิ่งหลัก ได้แก่ การรับภาพ การประมวลผลภาพ และการจัดการภาพ การรับภาพมีข้อจำกัดจากเวลาในการรับแสงและจำนวนไทล์ที่ต้องถ่าย ส่วนการประมวลผลภาพจะใช้เวลามากขึ้นตามจำนวนรูและระดับความซับซ้อนของการจับค่าพิกัด ส่วนการจัดการภาพหมายถึงค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่เกิดขึ้นระหว่างการโหลด ระบุตำแหน่ง และปลดโหลดแผ่น

วิธีทางวิศวกรรมที่มีประสิทธิภาพคือการทับซ้อนขั้นตอนกัน เช่น การรับภาพของไทล์ที่สองสามารถดำเนินไปพร้อมกันกับการประมวลผลไทล์ที่หนึ่ง และการระบุตำแหน่งแผ่นสามารถทำได้ขณะที่แผ่นยังคงเคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่กำหนด ระบบซึ่งออกแบบให้ทำงานแบบลำดับขั้นตอนอย่างเคร่งครัดจะช้ากว่าระบบที่ออกแบบเป็นแบบพายไลน์หลายเท่า แม้จะใช้ฮาร์ดแวร์ในราคาเท่ากัน

5. เกณฑ์การยอมรับสำหรับแผ่นที่มีรูหลายรู

การทดสอบการยอมรับสำหรับการตรวจสอบมิติไม่ใช่การสาธิต แต่เป็นการวัดประสิทธิภาพของระบบเทียบกับวัตถุอ้างอิงที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว โดยทำการวัดซ้ำเพียงพอเพื่อกำหนดค่าความไม่แน่นอน

7. จุดที่ระบบเหล่านี้ล้มเหลวในการใช้งานจริง

ความล้มเหลวส่วนใหญ่ไม่เกิดจากปัญหาด้านแสง ตัวยึดชิ้นงานที่สึกหรอจะทำให้แผ่นโลหะขยับออกจากตำแหน่งที่กำหนดเกินค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ภายในหนึ่งปี วัตถุสำหรับสอบเทียบค่าที่วัดเพียงครั้งเดียวแล้วเก็บไว้จะเปลี่ยนค่าไปตามอุณหภูมิ ส่วนแหล่งกำเนิดแสงที่เสื่อมสภาพจะเปลี่ยนเกณฑ์การตรวจจับขอบ (edge threshold) และส่งผลให้ค่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่วัดได้เปลี่ยนแปลงไปหลายไมครอน ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดเมื่อค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้มีความแคบมาก

แนวทางป้องกันคือการจัดทำตารางบำรุงรักษาที่ถือว่าการสอบเทียบค่า สถานะของตัวยึดชิ้นงาน และระบบให้แสงเป็นสิ่งที่ต้องเปลี่ยนหมุนเวียนเป็นประจำ แทนที่จะถือว่าเป็นเพียงขั้นตอนการติดตั้งระบบครั้งแรก ระบบที่มีการตรวจสอบค่าความถูกต้องทุกเดือนโดยใช้วัตถุอ้างอิงจะค่อยๆ เปลี่ยนค่าไปอย่างช้าๆ และสังเกตเห็นได้ชัด ในขณะที่ระบบที่ตรวจสอบเพียงครั้งเดียวจะล้มเหลวโดยไม่มีสัญญาณเตือน

8. เมื่อแผ่นโลหะเป็นส่วนหนึ่งของชุดชิ้นส่วนที่ซ้อนกัน

แผ่นวาล์วมักไม่ทำงานโดดเดี่ยว แผ่นนี้ตั้งอยู่ระหว่างปะเก็น ตัวเรือน และฝาครอบ โดยรูที่สำคัญคือรูที่ต้องจัดแนวให้ตรงกันตลอดทั้งชุดประกอบ ซึ่งทำให้คำถามในการตรวจสอบเปลี่ยนจาก “รูนี้อยู่ในขอบเขตความคลาดเคลื่อนหรือไม่” เป็น “รูนี้จะจัดแนวตรงกับชิ้นส่วนด้านบนหรือไม่” — สองคำถามนี้ไม่เหมือนกัน

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคือ เดตัม (datum) สำหรับชุดประกอบแบบซ้อนกันควรใช้ร่วมกัน หากวัดแผ่นวาล์วโดยอ้างอิงกับรูตำแหน่งสามรู แต่การประกอบจริงกลับใช้ขอบด้านนอกเป็นจุดอ้างอิง ระบบพิกัดทั้งสองจะเบี่ยงเบนออกจากกันไปเรื่อย ๆ ระหว่างการผลิตชุดใหญ่ จนอาจเกิดกรณีที่แผ่นวาล์วอยู่ในขอบเขตความคลาดเคลื่อนทั้งหมด แต่ชุดประกอบโดยรวมกลับจัดแนวผิด

การคิดแบบชุดประกอบยังเปลี่ยนนิยามของข้อบกพร่องด้วย รอยคม (burr) ที่ด้านออกของรูซึ่งหันหน้าเข้าหาปะเก็นจะบดอัดปะเก็นและสร้างทางรั่ว ในขณะที่รอยคมแบบเดียวกันที่หันหน้าเข้าหาโพรงเปิดจะไม่ก่อให้เกิดอันตราย ดังนั้น แผ่นวาล์วสองแผ่นที่เหมือนกันทุกประการอาจได้รับการยอมรับต่างกันขึ้นอยู่กับทิศทางการติดตั้ง และสถานีงานต้องรู้ว่าด้านใดคือด้านใด

สุดท้าย การซ้อนชิ้นส่วนกันจะกำหนดข้อกำหนดเรื่องความเรียบ ซึ่งการตรวจสอบแผ่นแยกต่างหากมักไม่ครอบคลุม แผ่นที่อยู่ในเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของรูแต่ละรู แต่มีลักษณะโค้งออกเพียง 0.1 มิลลิเมตร จะไม่สามารถปิดผนึกได้อย่างมิดชิด และการรั่วไหลที่เกิดขึ้นจะถูกกล่าวโทษว่าเป็นความผิดของจอยต์แทนที่จะเป็นของแผ่นเอง การวัดความเรียบในสถานีเดียวกัน โดยให้แผ่นอยู่ในสภาพอิสระ (free state) จะช่วยปิดช่องว่างนี้ได้ โดยใช้เซนเซอร์เพิ่มเพียงหนึ่งตัว

8. เซลล์แบบต่อเนื่องในสายการผลิต หรือเซลล์แบบแยกต่างหาก

การตัดสินใจเรื่องตำแหน่งติดตั้งมักขึ้นอยู่กับพื้นที่บนพื้นโรงงาน แต่ควรตัดสินใจจากข้อมูลเท่านั้น เซลล์แบบต่อเนื่องในสายการผลิตจะรับค่า takt time และระบบการจัดการของสายการผลิตมาใช้ จึงไม่จำเป็นต้องใช้แรงงานเพิ่มในการโหลดชิ้นงาน และไม่เกิดคิวรอคอย ส่วนเซลล์แบบแยกต่างหากสามารถทำงานด้วยความเร็วของตนเอง และสามารถตรวจสอบชิ้นส่วนจากหลายสายการผลิตพร้อมกัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อปริมาณการผลิตแต่ละสายไม่สม่ำเสมอ

ตัวเลขที่ตัดสินใจคือจำนวนชิ้นส่วนต่อชั่วโมงที่ต้องมีความมั่นใจในมิติ หากต้องตรวจสอบแผ่นทุกแผ่น การวัดแบบต่อเนื่อง (inline) คือคำตอบที่คุ้มค่าเพียงอย่างเดียว เพราะต้นทุนการจัดการชิ้นส่วนนั้นถูกครอบคลุมอยู่แล้ว แต่หากการสุ่มตรวจสอบเพียงตัวอย่างหนึ่งชิ้นต่อกลุ่มงานก็เพียงพอ ระบบวัดแบบแยกต่างหาก (standalone) ที่ใช้จิ๊กที่ดีกว่าและใช้เวลามากขึ้นต่อชิ้นจะให้ค่าความไม่แน่นอนต่ำกว่าด้วยต้นทุนที่น้อยกว่า

อีกทางเลือกที่ใช้งานได้จริงบ่อยครั้งคือระบบที่ผสมผสานกัน: สถานีวัดแบบต่อเนื่องที่ตรวจวัดเฉพาะฟีเจอร์สำคัญไม่กี่รายการบนชิ้นส่วนทุกชิ้น และสถานีวัดแบบแยกต่างหากที่ตรวจสอบแบบเต็มรูปแบบตามแบบแปลนบนตัวอย่างสุ่ม สถานีแบบต่อเนื่องทำหน้าที่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ (drift) ส่วนสถานีแบบแยกต่างหากยืนยันความสามารถของกระบวนการ (capability) โดยทั้งสองระบบไม่จำเป็นต้องมาพร้อมกับข้อเสียใดๆ

คำถามที่พบบ่อย

กล้องตัวเดียวสามารถตรวจสอบรูทั้ง 79 รูได้หรือไม่

ได้ก็ต่อเมื่อค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ (tolerance) มีขนาดหลวมพอสมควร จนพื้นที่ภาพ (field of view) กว้างสามารถแยกแยะขอบของรูได้แม่นยำถึงเศษส่วนหนึ่งของค่าความคลาดเคลื่อนนั้น แต่ในทางปฏิบัติ ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบกับจำนวนรูที่มากจะขัดแย้งกัน จึงเป็นเหตุผลที่การเชื่อมภาพจากหลายกล้อง (multi-camera stitching) กลายเป็นมาตรฐาน

การส่องแสงจากด้านหลัง (backlighting) ให้ผลดีกว่าเสมอในการวัดรูหรือไม่

สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลาง มักจะใช่ เพราะภาพเงาให้ขอบที่เรียบเนียน แต่สำหรับเศษโลหะที่ยื่นออกมา (burrs) และสภาพพื้นผิว คำตอบคือไม่: ภาพเงาซ่อนรายละเอียดทั้งหมดบนพื้นผิว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้โหมดการถ่ายภาพเพิ่มเติมหากต้องตรวจจับเศษโลหะที่ยื่นออกมา

ระบบควรปรับเทียบใหม่บ่อยแค่ไหน

ควรตรวจสอบความถูกต้องตามช่วงเวลาที่กำหนดโดยใช้วัตถุอ้างอิง (artefact) โดยการปรับเทียบใหม่จะเกิดขึ้นเมื่อผลการตรวจสอบระบุว่าจำเป็น ไม่ใช่เพียงตามปฏิทินเพียงอย่างเดียว

สถานีเดียวกันสามารถตรวจสอบการประกอบหลังจากนั้นได้หรือไม่

ได้ ถ้าแผ่นงานถูกจัดวางในอุปกรณ์ยึดเดิม และกล้องสามารถมองเห็นลักษณะที่ประกอบแล้วได้ การรวมการตรวจสอบมิติและการตรวจสอบการประกอบไว้ในสถานีเดียวกันจะช่วยลดขั้นตอนการจัดการวัสดุ ซึ่งมักเป็นต้นทุนเวลาที่สูงที่สุดเพียงรายการเดียว

สรุป

แผ่นงานที่มีรูจำนวน 79 รู คือปัญหาการวัดที่แฝงตัวอยู่ภายใต้รูปลักษณ์ของปัญหาการตรวจสอบ จำนวนรูกำหนดโครงสร้างของระบบ ช่วงความคลาดเคลื่อน (tolerance band) กำหนดคุณสมบัติของเลนส์ และอุปกรณ์ยึดกำหนดว่าโครงสร้างและเลนส์เหล่านั้นจะคงทนได้ตลอดระยะเวลาการผลิตหนึ่งปีหรือไม่

ระบุความไม่แน่นอนก่อน แล้วจึงระบุเวลาของรอบการทำงาน ตามด้วยฮาร์ดแวร์ ระบบใดก็ตามที่สร้างตามลำดับนี้จะได้รับการยอมรับในการลองครั้งแรก ส่วนระบบใดก็ตามที่สร้างในลำดับอื่นจะมีการถกเถียงกันเป็นเวลาหลายเดือน