Đánh giá độ không chắc chắn liên quan đến việc đo lường tự động linh hoạt bị ảnh hưởng bởi các biến thiên trong quy trình thông qua phương pháp thiết kế thí nghiệm

Tác giả: Moschos Papananias, Simon Fletcher, Andrew Peter Longstaff, Alistair Barrie Forbes

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực đo kiểm tự động linh hoạt đã cho phép đánh giá dung sai hình học một cách chính xác ngay tại xưởng sản xuất. Bài nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá độ không đảm bảo đo trong phép đo tọa độ so sánh, sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments – DOE). Thiết bị được sử dụng là Renishaw Equator 300, một hệ thống đồng hồ so sánh điều khiển bằng phần mềm, hoạt động theo nguyên lý truyền thống: so sánh các chi tiết sản xuất với một chi tiết chuẩn đã được xác lập trước đó.

Yêu cầu về độ chính xác của việc gá kẹp chi tiết sản xuất sao cho khớp với chi tiết chuẩn là khoảng ±1 mm, để đảm bảo độ không đảm bảo đo của quá trình so sánh nằm trong mức ±2 µm. Do đó, bài nghiên cứu đã triển khai nhiều thiết kế thí nghiệm, với trọng tâm là khảo sát ảnh hưởng của sự sai lệch góc (do quay) giữa hệ tọa độ của chi tiết chuẩn và chi tiết đo đến độ không đảm bảo trong phép đo so sánh.

Ngoài ra, các yếu tố khác cũng được xem xét, bao gồm:

• Chế độ đo: Quét liên tục (scanning) và đầu dò chạm điểm (Touch-Trigger Probing – TTP).
• Phương pháp căn chỉnh hệ tọa độ (Coordinate Reference Frame – CRF): Số lượng điểm tiếp xúc được sử dụng cho mỗi đặc trưng hình học.
• Định dạng đầu dò: Chiều dài và đường kính bi đầu dò.
• Ảnh hưởng của cách gá kẹp và điều kiện môi trường.

Phân tích độ không đảm bảo đo bắt đầu bằng một phép đo đơn giản sử dụng khối chuẩn (gauge block) để đánh giá độ không đảm bảo ba chiều (3D) của phép đo chiều dài, dưới ảnh hưởng của độ nghiêng theo một phương (lệch góc 2D). Sau đó, một chi tiết đo được chế tạo riêng biệt được sử dụng để đánh giá độ không đảm bảo đo trong nhiều tác vụ đo thực tế khác nhau trong vùng làm việc của thiết bị đo linh hoạt.

Trong nghiên cứu thứ hai, các loại sai lệch khác nhau của chi tiết – bao gồm cả sai lệch góc 2D và 3D – cũng được áp dụng. Ngoài ra, thời gian cần thiết để quản lý quá trình hiệu chuẩn lại (re-mastering) cũng được nghiên cứu. Phân tích độ không đảm bảo cụ thể theo từng tác vụ được thực hiện bằng DOE, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của những biến thiên trong môi trường sản xuất – nơi thiết bị được sử dụng. Kết quả chỉ ra rằng các giá trị độ không đảm bảo đo thu được từ tất cả các thí nghiệm đều tương thích với các đặc điểm kỹ thuật đã định nghĩa của hệ thống.

Hơn nữa, khi vượt quá các điều kiện được chỉ định, độ không đảm bảo đo phụ thuộc rõ rệt vào:

• Bản chất của tác vụ đo,
• Chiến lược đo được áp dụng,
• Kích thước của đặc trưng hình học,
• Biên độ và hướng của góc lệch so với các trục tham chiếu của máy.

Đặc biệt, sai lệch trong gá kẹp (không đạt yêu cầu ±1 mm so với chi tiết chuẩn) có ảnh hưởng rất lớn đến phép đo chiều dài, nhưng ít ảnh hưởng hơn đến phép đo đường kính trong điều kiện đã kiểm tra.

Trong các thí nghiệm, thiết bị sử dụng hai chế độ đo: quét liên tục và đầu dò chạm điểm. Phép đo bằng TTP cho thấy độ không đảm bảo nhỏ hơn (chênh lệch dưới 0.5 µm) so với phép đo quét liên tục. Việc sử dụng nhiều điểm tiếp xúc trong TTP cũng cho kết quả chính xác hơn so với việc dùng ít điểm đo.

Một yếu tố quan trọng khác là tốc độ quét: nếu quét quá nhanh, độ không đảm bảo đo có thể tăng lên đáng kể, đặc biệt là đối với các đặc trưng hình học nhỏ hoặc yêu cầu độ chính xác cao. Trong khi đó, TTP ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ đo hơn, do không có lực quán tính lớn tác động trong quá trình đo.

Các kết quả từ thiết kế thí nghiệm toàn phần (full factorial DOE) cho thấy:

• Sự sai lệch trong căn chỉnh góc gây ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo theo chiều dài nhiều hơn so với đo đường kính.
• Việc căn chỉnh “tiết kiệm thời gian” (sử dụng ít điểm hơn) không làm tăng đáng kể độ không đảm bảo, do đó có thể tiết kiệm thời gian đo mà vẫn duy trì độ chính xác.
• Cấu hình đầu dò (về chiều dài và đường kính bi) cũng ảnh hưởng đến kết quả: các đầu dò ngắn, cứng (ví dụ: đầu dò 21 mm với bi 5 mm) cho độ không đảm bảo thấp hơn.

Bài nghiên cứu cũng thực hiện thử nghiệm quản lý hiệu chuẩn lại trong điều kiện nhiệt độ thay đổi (21.5°C, 24°C, 26.5°C và 29°C). Thiết bị Equator có cảm biến tích hợp và phần mềm đi kèm hỗ trợ quá trình hiệu chuẩn lại một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, đối với các phép đo có yêu cầu độ chính xác cao, cần kiểm soát chặt chẽ sự thay đổi nhiệt độ hoặc hiệu chuẩn lại thường xuyên.

Kết luận rút ra từ nghiên cứu:

• Renishaw Equator 300 là thiết bị đo so sánh linh hoạt, phù hợp sử dụng trực tiếp tại xưởng mà không cần phòng kiểm soát nhiệt độ.
• Cho phép đo nhanh, độ lặp lại cao, có thể sử dụng trong dây chuyền sản xuất liên tục.
• Độ không đảm bảo đo vẫn nằm trong ±2 µm đối với đa số các trường hợp, ngay cả khi có sai lệch nhỏ trong gá kẹp.
• Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát dung sai chặt, tốc độ cao, và điều kiện môi trường sản xuất thay đổi.
• Có thể tùy chỉnh chiến lược đo, đầu dò, và quy trình hiệu chuẩn để tối ưu độ chính xác và hiệu quả.

Để biết thêm chi tiết về Hệ thống đo lường và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.