Kiểm tra tấm van: 79 lỗ xuyên suốt và vấn đề dải dung sai

Tổng Quan

Một tấm van là một bộ phận phẳng có rất nhiều lỗ, và tất cả các lỗ này đều phải nằm đúng vị trí. Bộ phận này có kích thước nhỏ, số lượng lỗ lớn, đồng thời dải dung sai lại hẹp đến mức chỉ cần một lần khoan lệch cũng khiến toàn bộ tấm bị loại bỏ. Việc kiểm tra thủ công rất chậm, còn kiểm tra bằng cách lấy mẫu thì vô nghĩa: lỗi nằm ở quá trình khoan, do đó mỗi tấm hoặc đạt yêu cầu hoặc không.

Big Bird Industrial (trước đây là Shimada Big Bird Industrial) đã cung cấp các hệ thống kiểm tra kích thước và khuyết tật cho các bộ phận ô tô kể từ năm 2001. Bài viết này mô tả cách kiểm tra một tấm có 79 lỗ trong một lần duy nhất, lý do vì sao dải dung sai — chứ không phải số lượng lỗ — quyết định thiết kế quang học, và cách soạn thảo các tiêu chí chấp nhận sao cho vượt qua được cuộc kiểm toán.

1. Vì sao số lượng lỗ quyết định kiến trúc hệ thống

Một tấm có ba lỗ có thể được kiểm tra bằng một máy ảnh duy nhất và một đồ gá. Một tấm có bảy mươi chín lỗ thì không thể, vì một lý do đơn giản: phạm vi quan sát cần thiết để nhìn thấy toàn bộ tấm ở độ phân giải đủ cao nhằm đo vị trí của từng lỗ lớn hơn khả năng cung cấp của bất kỳ máy ảnh đơn lẻ nào ở độ phân giải đó.

Giải pháp thực tế là một trạm nhiều máy ảnh, chụp ảnh tấm theo các vùng chồng lấn (overlapping tiles) rồi ghép các phép đo vào một hệ tọa độ thống nhất. Phương án thay thế — dùng một máy ảnh duy nhất gắn trên bàn di chuyển — đạt được độ phân giải cao hơn nhưng lại làm tăng thời gian chu kỳ; trong khi thời gian chu kỳ lại là ràng buộc thứ hai.

Khi kiến trúc đã sử dụng nhiều máy ảnh, bài toán hiệu chuẩn trở thành nhiệm vụ kỹ thuật chính. Mỗi máy ảnh đều có độ méo riêng, vị trí và hướng (pose) riêng so với tấm, cũng như độ bất định đo lường riêng. Hệ thống chỉ tốt đến mức độ ghép ảnh cho phép, còn việc ghép ảnh chỉ tốt đến mức độ chính xác của vật chuẩn hiệu chuẩn.

2. Những thông số nào cần đo trên mỗi lỗ

Ba đại lượng quan trọng cần xem xét cho mỗi lỗ, và chúng có các dung sai khác nhau.

Chức danh

Vị trí tâm của lỗ so với các đặc điểm chuẩn của tấm. Đây là dung sai quyết định việc tấm có kín khít hay không và chi tiết ghép có thể bắt bu-lông được hay không.

Đường kính

Được đo dưới dạng một đường tròn tương đương hoặc dưới dạng đường tròn nội tiếp nhỏ nhất, tùy thuộc vào bản vẽ. Việc lựa chọn này có ý nghĩa đối với lỗ được đột hoặc khoan có độ côn nhẹ: hai định nghĩa này có thể chênh lệch nhau hơn cả giá trị dung sai.

Biểu mẫu

Độ tròn và sự hiện diện của ba-vơ. Một lỗ đạt yêu cầu về vị trí và đường kính nhưng lại có ba-vơ ở mặt thoát sẽ không kín khít, trong khi ba-vơ lại chính xác là thứ mà hình chiếu đứng hai chiều không thể hiển thị.

3. Dải dung sai quyết định quang học

Quy tắc rất đơn giản nhưng thường bị bỏ qua: độ bất định khi đo phải là một phần nhỏ của dung sai, chứ không phải một phần nhỏ của chi tiết. Nếu dung sai vị trí là ±0,05 milimét, thì một hệ thống có độ bất định 0,03 milimét sẽ không đủ khả năng, bởi vì nó sẽ loại bỏ các chi tiết đạt yêu cầu và chấp nhận các chi tiết không đạt yêu cầu với xác suất như nhau.

Hai trong số các yêu cầu này liên quan đến quang học và một yêu cầu liên quan đến cơ khí. Một tấm phẳng không được giữ cố định phẳng và lặp lại sẽ dịch chuyển giữa lúc hiệu chuẩn và lúc đo; và dù có áp dụng kỹ thuật khớp cạnh ở mức dưới pixel đến đâu đi nữa thì cũng không thể khôi phục được độ chính xác đã mất.

4. Thời gian chu kỳ: Các giây được dùng vào việc gì

Việc kiểm tra 79 lỗ không tốn nhiều thời gian cho từng lỗ. Thời gian chủ yếu dành cho từng tấm, và được chi phối bởi ba yếu tố: thu nhận ảnh, xử lý ảnh và thao tác. Việc thu nhận bị giới hạn bởi thời gian phơi sáng và số lượng ô (tile); việc xử lý tỷ lệ thuận với số lượng lỗ và độ phức tạp của phép khớp (fitting); còn thao tác là tổng chi phí để tải vào, định vị và dỡ ra tấm.

Giải pháp kỹ thuật hiệu quả là chồng lấn các công đoạn này. Việc thu nhận ô thứ hai có thể diễn ra đồng thời khi ô thứ nhất đang được xử lý, và việc định vị tấm có thể thực hiện trong khi tấm vẫn đang di chuyển vào vị trí.

5. Tiêu chí chấp nhận đối với tấm có nhiều lỗ

Thử nghiệm chấp nhận kiểm tra kích thước không phải là một minh họa. Đây là phép đo hệ thống dựa trên một mẫu chuẩn đã biết, lặp lại đủ lần để xác định được độ bất định.

6. Những điểm yếu thực tế của các hệ thống này

Các sự cố hiếm khi liên quan đến quang học. Một đồ gá bị mài mòn sẽ làm dịch chuyển tấm kim loại hơn dung sai chỉ trong vòng một năm. Một mẫu hiệu chuẩn được đo một lần rồi lưu trữ sẽ trôi do thay đổi nhiệt độ. Một đơn vị chiếu sáng già đi sẽ làm thay đổi ngưỡng cạnh và khiến đường kính đo được thay đổi vài micromet — điều này đủ gây ảnh hưởng khi dung sai rất chặt.

Giải pháp phòng vệ là xây dựng lịch bảo trì coi việc hiệu chuẩn, tình trạng đồ gá và hệ thống chiếu sáng như những vật tư tiêu hao chứ không phải các công việc thiết lập ban đầu. Một hệ thống được kiểm tra xác nhận hàng tháng bằng mẫu hiệu chuẩn sẽ trôi chậm và dễ phát hiện; còn hệ thống chỉ kiểm tra một lần sẽ thất bại âm thầm.

7. Khi tấm kim loại là một phần của cụm xếp chồng

Một tấm van hiếm khi hoạt động độc lập. Tấm này nằm giữa một miếng đệm, một thân van và một nắp đậy; các lỗ khoan quan trọng là những lỗ phải thẳng hàng xuyên suốt toàn bộ cụm lắp ghép. Điều này làm thay đổi câu hỏi kiểm tra từ 'lỗ này có nằm trong dung sai hay không?' thành 'lỗ này có thẳng hàng với chi tiết ở phía trên nó hay không?', và hai câu hỏi này không giống nhau.

Hệ quả thực tiễn là chuẩn đo lường cho một cụm lắp ghép chồng lên nhau nên được chia sẻ. Nếu tấm van được đo dựa trên ba lỗ định vị, nhưng cụm lắp ghép lại được xây dựng từ cạnh ngoài, thì hai hệ tọa độ sẽ lệch dần nhau trong suốt quá trình sản xuất, dẫn đến việc tấm van có thể hoàn toàn đạt dung sai trong khi cụm lắp ghép lại bị lệch trục.

Cách tư duy theo cụm lắp ghép chồng cũng làm thay đổi định nghĩa về khuyết tật. Một mép sắc (burr) ở mặt thoát của lỗ khoan hướng về phía miếng đệm sẽ làm nén miếng đệm và tạo ra đường rò rỉ, trong khi cùng một mép sắc đó nếu hướng vào một khoang hở thì lại vô hại. Do đó, hai tấm van giống hệt nhau có thể được chấp nhận hoặc loại bỏ khác nhau tùy thuộc vào hướng lắp đặt, và trạm kiểm tra phải biết rõ mặt nào là mặt nào.

Cuối cùng, việc xếp chồng các tấm đòi hỏi độ phẳng nhất định — một yêu cầu thường bị bỏ qua trong kiểm tra riêng lẻ từng tấm. Một tấm có sai lệch lỗ nằm trong giới hạn cho phép nhưng bị cong vênh 0,1 mm sẽ không kín khít, và rò rỉ phát sinh sẽ bị quy cho gioăng thay vì cho tấm. Việc đo độ phẳng tại cùng trạm kiểm tra, khi tấm ở trạng thái tự do, giúp loại bỏ khoảng trống này với chi phí chỉ thêm một cảm biến.

8. Trạm kiểm tra tích hợp trên dây chuyền hoặc trạm kiểm tra độc lập

Quyết định bố trí thường dựa trên diện tích mặt bằng, nhưng thực tế nên dựa trên dữ liệu. Một trạm tích hợp trên dây chuyền kế thừa nhịp sản xuất (takt time) và phương thức xử lý của dây chuyền, nghĩa là không cần lao động bổ sung để nạp phôi và không phát sinh hàng đợi; còn một trạm độc lập có thể vận hành với tốc độ riêng và kiểm tra chi tiết từ nhiều dây chuyền khác nhau — điều này đặc biệt quan trọng khi khối lượng sản xuất không đồng đều.

Con số quyết định là số lượng chi tiết cần đảm bảo độ chính xác về kích thước mỗi giờ. Nếu mọi tấm phải được kiểm tra, thì hệ thống đo tích hợp (inline) là giải pháp kinh tế duy nhất vì chi phí xử lý đã được chi trả sẵn. Nếu việc kiểm tra một mẫu cho mỗi lô là đủ, thì một trạm đo độc lập (standalone) với đồ gá tốt hơn và thời gian đo dài hơn cho mỗi chi tiết sẽ mang lại độ bất định thấp hơn với chi phí thấp hơn.

Một giải pháp lai (hybrid) thực tiễn cũng rất phổ biến: một trạm đo tích hợp (inline) để đo các đặc trưng then chốt trên từng chi tiết, kết hợp với một trạm đo ngoại tuyến (offline) để kiểm tra toàn bộ bản vẽ trên các mẫu đại diện. Trạm đo tích hợp phát hiện sự trôi lệch (drift), trạm đo ngoại tuyến chứng minh năng lực quy trình, và cả hai đều không cần phải đánh đổi.

Các câu hỏi thường gặp

Một camera có thể kiểm tra được cả 79 lỗ hay không?

Chỉ khi dung sai đủ rộng để một trường nhìn rộng vẫn phân biệt được đường viền với độ chính xác bằng một phần nhỏ của dung sai. Trên thực tế, dung sai chặt và số lượng lỗ lớn tác động ngược chiều nhau, vì vậy kỹ thuật ghép ảnh từ nhiều camera (multi-camera stitching) đã trở thành tiêu chuẩn.

Chiếu sáng từ phía sau (backlighting) luôn luôn tốt hơn cho việc đo lỗ hay không?

Đối với đường kính, thường thì có, vì hình dáng ngoại vi tạo ra đường viền rõ ràng. Đối với ba-vơ và tình trạng bề mặt, thì không: hình dáng ngoại vi che khuất mọi thứ trên bề mặt, do đó cần một chế độ chụp ảnh thứ hai nếu phải phát hiện ba-vơ.

Hệ thống nên được hiệu chuẩn lại bao nhiêu lần?

Việc kiểm tra cần được thực hiện định kỳ theo khoảng thời gian xác định bằng một vật mẫu chuẩn, và việc hiệu chuẩn lại sẽ được kích hoạt dựa trên kết quả kiểm tra chứ không chỉ dựa vào lịch trình thời gian.

Cùng một trạm có thể kiểm tra lắp ráp sau đó không?

Có, nếu tấm phẳng được đặt vào đúng giá kẹp như trước và camera có thể quan sát được các chi tiết đã lắp ráp. Việc kết hợp kiểm tra kích thước và kiểm tra lắp ráp tại cùng một trạm giúp loại bỏ một bước xử lý, vốn thường là bước tốn nhiều thời gian nhất.

Kết luận

Một tấm phẳng có 79 lỗ là một bài toán đo lường được ngụy trang dưới dạng bài toán kiểm tra. Số lượng lỗ quyết định kiến trúc hệ thống, dải dung sai quyết định thông số quang học, còn giá kẹp quyết định xem cả hai yếu tố trên có duy trì được ổn định trong suốt một năm sản xuất hay không.

Xác định độ bất định trước tiên, sau đó là thời gian chu kỳ, rồi mới đến phần cứng. Các hệ thống được xây dựng theo thứ tự đó sẽ được chấp nhận ngay trong lần đầu; còn các hệ thống được xây dựng theo thứ tự ngược lại sẽ bị tranh luận trong nhiều tháng.