Đầu dò xoay nội soi hay laser? Kiểm tra bên trong lỗ có đường kính 1,5 mm

Tổng Quan

Kiểm tra bên trong lỗ là phần của kiểm tra kích thước và khuyết tật thường vẫn được thực hiện thủ công nhất. Lý do là do khả năng tiếp cận: một lỗ khoan là một bề mặt hướng vào trong, và chỉ có hai cách để chụp ảnh nó — hoặc nhìn dọc theo trục bằng một hệ thống quang học đủ nhỏ để đưa vào bên trong, hoặc xoay một cảm biến bên trong lỗ và xây dựng ảnh từng đường quét một. Cả hai phương pháp này đều đang được áp dụng trong sản xuất, nhưng mỗi phương pháp lại thất bại theo những cách khác nhau.

Một đầu dò quang học kiểu nội soi cung cấp ảnh thật có màu, giúp người vận hành dễ hiểu và hiệu quả trong việc phát hiện các loại khuyết tật thị giác như vết xước, vết lõm và độ xốp khi đúc. Một đầu dò xoay bằng laser đo đường viền thay vì màu sắc, do đó không bị ảnh hưởng bởi các vấn đề về chiếu sáng vốn thường gặp ở hệ thống quang học có đường kính nhỏ và có khả năng phát hiện va chạm mà đầu dò quang học không có.

Big Bird Industrial (trước đây là Shimada Big Bird Industrial) đã chế tạo các hệ thống làm sạch và xử lý cạnh thừa cho các bộ phận truyền động ô tô kể từ năm 2001, và các số liệu kiểm tra dưới đây được thu thập từ các trạm sản xuất chứ không phải từ các thiết lập phòng thí nghiệm.

1. Những điều một đầu dò quang học dạng nội soi có thể và không thể thực hiện

Phương pháp quang học đặt một máy ảnh nhỏ hoặc một hệ thống gồm thấu kính và bộ truyền dẫn bên trong lòng ống. Ánh sáng được dẫn tới đầu xa và ảnh được truyền ngược trở lại cảm biến, trực tiếp hoặc thông qua bó sợi quang. Kết quả là một ảnh màu mà con người hoặc mô hình được huấn luyện có thể phân tích để nhận diện các loại khuyết tật.

Ba cấu hình quang học

Ống kính cứng có lớp vỏ bọc bảo vệ là bố trí phổ biến nhất cho các lỗ thẳng: một ống inox có hệ thống quang học ở đầu, cung cấp góc nhìn hướng về phía trước hoặc góc nhìn bên cố định. Ống kính toàn cảnh 360 độ ghi hình toàn bộ chu vi trong một lần chụp, hiệu quả đối với các lỗ lớn nhưng độ phân giải trên mỗi đơn vị diện tích bị hạn chế. Cấu hình kính mắt cá cho góc nhìn rộng ở khoảng cách làm việc ngắn, phù hợp với các rãnh nông và các lỗ chìm.

Ba loại này không thể thay thế lẫn nhau. Góc nhìn toàn cảnh chỉ cho biết khuyết tật tồn tại ở đâu đó trên chu vi, nhưng không xác định chính xác vị trí; ống kính cứng nhìn bên cho vị trí phương vị chính xác, nhưng phải xoay để quét toàn bộ chu vi, dẫn đến tăng thời gian chu kỳ.

Giới hạn độ phân giải

Độ phân giải quang học bên trong lỗ khoan bị giới hạn bởi khẩu độ mà bạn có thể chèn vào thực tế và bởi khoảng cách làm việc. Một hệ thống được thiết kế để phù hợp với lỗ khoan tối thiểu 1,5 mm có thể phân giải chi tiết ở độ chính xác 0,01 mm trên bề mặt khi quang học được lấy nét đúng cách; tuy nhiên, giá trị này chỉ đạt được tại một khoảng cách làm việc cụ thể và suy giảm khi đầu dò được rút ra. Khả năng đo chiều sâu trong dải tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 50 đến 200 mm, còn các cấu hình tùy chỉnh có thể đạt tới 310 mm.

2. Điều gì thay đổi khi sử dụng đầu dò xoay laser

Đầu dò xoay laser chiếu một đường tia laser lên thành lỗ khoan và xoay bên trong lỗ khoan, ghi lại một hồ sơ dạng đường viền tại mỗi vị trí góc. Kết quả là một đám mây điểm mô tả bề mặt bên trong thay vì một bức ảnh của bề mặt đó.

Khả năng miễn nhiễm với ánh sáng môi trường

Vì phép đo dựa trên việc xác định vị trí bằng đường tia laser thay vì chụp ảnh ánh sáng trắng phản xạ, đầu dò không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường hay màu sắc của bề mặt. Điều này loại bỏ hai nguyên nhân chính gây ra cảnh báo sai trong kiểm tra lỗ khoan quang học: ánh sáng lạc vào lỗ khoan và các bề mặt phản chiếu hoặc tối làm thay đổi độ tương phản biểu kiến của khuyết tật.

Phát hiện va chạm và vật thể lạ

Một đầu dò quay có thể phát hiện chướng ngại vật trước khi va chạm, vì dạng đường viền mà nó đang đo thay đổi đột ngột. Trong thực tế, điều này cho phép đầu dò xác định vật thể lạ bên trong lỗ khoan và dừng lại — yêu cầu bắt buộc đối với các chi tiết mà một mảnh vụn hoặc u nổi từ quá trình đúc có thể làm hỏng công đoạn gia công tiếp theo. Đối với thân van, vật thể lạ có độ cao đường viền vượt quá 0,25 mm được coi là sự kiện có thể phát hiện; thời gian chu kỳ đạt được là 14 giây cho lỗ xi-lanh và 18 giây cho lỗ bộ tăng áp khi áp dụng phương pháp này.

3. Lựa chọn theo khẩu độ và độ sâu

Tiêu chí lựa chọn đầu tiên là khẩu độ, bởi vì tiêu chí này loại bỏ các lựa chọn trước khi bất kỳ yếu tố nào khác được xem xét. Các lỗ khoan có đường kính từ 5 đến 40 mm và từ 40 đến 120 mm đều được kiểm tra thường xuyên, với tỷ lệ độ sâu trên đường kính khoảng 1:1. Vượt quá tỷ lệ đó, đầu dò phải dài hơn tương ứng so với đường kính của nó, dẫn đến tăng độ võng và giảm độ chính xác vị trí tại đầu mút.

Sự đánh đổi giữa độ sâu và đường kính

Một đầu dò dài và mảnh sẽ bị uốn cong. Ngay cả một ống kính bọc giáp cứng cũng bị lệch đo được sau khoảng cách 300 mm, và độ lệch này làm thay đổi khoảng cách đứng (stand-off distance), do đó ảnh hưởng đến độ nét tiêu cự. Các hệ thống hoạt động ở độ sâu như vậy hoặc sử dụng vỏ bọc có đường kính lớn hơn, hoặc chấp nhận độ phân giải thấp hơn ở đầu xa; thông số kỹ thuật cần nêu rõ hiệu năng tại độ sâu đã chỉ định thay vì con số tốt nhất có thể đạt được.

4. Giới hạn phát hiện và những điều chúng che khuất

Giới hạn phát hiện được nêu rõ thường là con số tốt nhất đối với một khuyết tật tham chiếu. Con số quan trọng trong sản xuất là giới hạn tại vị trí kém nhất trong lòng lỗ, thường là đầu xa và khu vực mà đầu dò di chuyển nhanh nhất.

Chiếu sáng là biến số chủ đạo

Trong các hệ thống quang học, độ tương phản của khuyết tật phụ thuộc vào góc chiếu sáng so với bề mặt. Một vết xước trên lòng lỗ đã được mài bóng có thể nhìn thấy ở một góc chiếu nhất định nhưng lại vô hình ở góc chiếu khác; vì vậy, các trạm kiểm tra lòng lỗ thường sử dụng nhiều hơn một hướng chiếu sáng và kết hợp các kết quả thu được. Một trạm chỉ dùng đèn vòng đơn sẽ báo cáo một hình ảnh ổn định nhưng không đầy đủ.

Hiệu chuẩn và trôi lệch

Cả hai phương pháp đều cần một vật mẫu tham chiếu. Đối với đầu dò quang học, đó là một mục tiêu có các kích thước đặc trưng đã biết ở khoảng cách làm việc; còn đối với đầu dò laser, đó là một hình trụ hiệu chuẩn có đường kính và bước nhảy đã biết. Việc kiểm tra vật mẫu này vào đầu mỗi ca sản xuất là cách tiết kiệm nhất để phát hiện sự trôi chậm — nếu không thì hiện tượng này sẽ biểu hiện dưới dạng thay đổi tỷ lệ báo sai (false-call rate) thay vì dưới dạng thông báo lỗi. Một đầu dò bị mất nét vẫn trả về ảnh, và một đầu dò mất hiệu chuẩn vẫn trả về đường viền; cả hai đều không báo lỗi cho đến khi ai đó so sánh kết quả với một chi tiết đã biết.

5. Tích hợp vào dây chuyền sản xuất

Đầu dò lỗ (bore probe) là cảm biến chậm hơn so với camera diện tích, do đó thường được di chuyển tới các đặc điểm cần kiểm tra thay vì di chuyển các đặc điểm đó tới đầu dò. Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng robot hoặc cơ cấu hai trục để mang đầu dò di chuyển giữa các lỗ, đồng thời trạm kiểm tra phải biết vị trí chính xác của từng lỗ trên chi tiết.

Hệ quả thực tiễn là thời gian chu kỳ tăng theo số lượng lỗ được kiểm tra, chứ không tăng theo kích thước chi tiết. Một chi tiết có bốn lỗ quan trọng cần kiểm tra sẽ mất khoảng bốn lần thời gian kiểm tra so với một chi tiết chỉ có một lỗ, và phép tính này phải được đưa vào ngân sách takt trước khi xác định trạm làm việc. Khi số lượng lỗ cao, việc lấy mẫu một tập con các lỗ trên mỗi chi tiết thay vì kiểm tra toàn bộ các lỗ thường là cách duy nhất để phù hợp với dây chuyền sản xuất.

Các câu hỏi thường gặp

Có thể sử dụng ống nội soi để kiểm tra 100 phần trăm không?

Có thể, nếu cơ chế và thời gian chu kỳ cho phép. Giải pháp phổ biến thường là kiểm tra toàn bộ mọi chi tiết đối với hai hoặc ba lỗ có rủi ro cao nhất, đồng thời kiểm tra ngẫu nhiên các lỗ còn lại.

Lỗ nhỏ nhất có thể kiểm tra là bao nhiêu?

Xuống tới 1,5 mm với hệ thống quang học chuyên dụng. Dưới kích thước đó, đường kính đầu dò giới hạn khả năng chiếu sáng và độ phân giải; do đó, các phương pháp thay thế như đo bằng đồng hồ khí thường khả thi hơn.

Phương pháp nào xử lý tốt hơn đối với lỗ tối hoặc phản chiếu?

Bộ dò quay bằng tia laze, bởi vì nó không phụ thuộc vào ánh sáng trắng phản xạ. Một bộ dò quang học trên bề mặt tối cần nhiều ánh sáng hơn và tạo ra độ tương phản thấp hơn, dẫn đến cả tỷ lệ bỏ sót và tỷ lệ báo sai đều tăng.

Bộ dò nên được hiệu chuẩn bao nhiêu lần?

Kiểm tra tham chiếu vào đầu mỗi ca làm việc và hiệu chuẩn lại đầy đủ theo lịch trình do nhà sản xuất quy định. Việc kiểm tra đầu ca giúp phát hiện hư hỏng cơ học và trôi tiêu điểm — những sự cố thường xảy ra giữa các lần hiệu chuẩn định kỳ.

Kết luận

Việc lựa chọn giữa bộ dò lỗ quang học và bộ dò quay bằng tia laze được quyết định bởi loại khuyết tật và đặc tính bề mặt, chứ không dựa vào các con số về độ phân giải. Nếu tiêu chí là một khuyết tật trực quan trên một lỗ dễ tiếp cận với điều kiện chiếu sáng được kiểm soát, thì hệ thống quang học sẽ cho hình ảnh phong phú hơn. Nếu tiêu chí liên quan đến hình học, vị trí hoặc sự hiện diện của vật thể lạ trong một lỗ có thể tối hoặc phản chiếu, thì hồ sơ đo bằng tia laze sẽ đáng tin cậy hơn.

Cả hai đều bị giới hạn bởi khẩu độ và độ sâu trước tiên, do đó thông số kỹ thuật nên bắt đầu từ những yếu tố này. Một giới hạn phát hiện được nêu ra mà không kèm theo đường kính lỗ khoan, độ sâu và điều kiện bề mặt nơi đạt được giới hạn đó thì không phải là một thông số kỹ thuật.