Chất lượng 4.0 – Nhu cầu kiểm tra hoàn toàn tự động ngày càng tăng

Một loạt các ngành công nghiệp sản xuất như ngành công nghiệp ô tô được hỗ trợ bởi khả năng vượt trội của các cơ sở sản xuất của họ. Sự chú ý của thế giới hiện đang tập trung vào một tương lai được hướng dẫn bởi các khái niệm ‘Công nghiệp 4.0’ và ‘Nhà máy thông minh’ nhằm hướng tới sự thay đổi căn bản hướng tới tự động hóa và hợp lý hóa nhà máy tích hợp. Khái niệm về Công nghiệp 4.0 ban đầu được đề xuất ở Đức nhưng nhiều quốc gia như Nhật Bản với năng lực sản xuất cực cao đã áp dụng lý tưởng của nó từ rất sớm. Ở những quốc gia đó, các nhà sản xuất đã nhanh chóng nhận ra những hạn chế trong hoạt động của con người và đã làm việc không mệt mỏi để tự động hóa các cơ sở sản xuất của họ.

Trên sàn nhà máy, việc sản xuất được thực hiện thông qua một loạt các quy trình: xử lý và gia công, vận chuyển, lắp ráp và tất nhiên là kiểm tra. Xử lý và gia công các bộ phận, vận chuyển chúng khắp khu vực nhà máy và lắp ráp các bộ phận thành sản phẩm hoàn chỉnh là các quy trình đã được tự động hóa ở giai đoạn đầu. Tuy nhiên, về quy trình kiểm tra, trong thế kỷ 21 này, nhiều nhà máy chỉ dựa vào mắt người để kiểm tra, bởi vì máy móc tự động không thể phù hợp với khả năng của nó. Xu hướng này rõ rệt khi kích thước của sản phẩm lớn và điều này đặc biệt đúng trong ngành công nghiệp ô tô hoặc hàng không.

Tại sao các quy trình kiểm tra kích thước và trực quan không được tự động hóa? Điều này là do mắt người có những khả năng độc đáo khó có thể sánh kịp: tốc độ thu nhận cao, trường quan sát lớn, dải động lớn, hoạt động mạnh mẽ trong các môi trường ánh sáng khác nhau và khả năng phát hiện các đặc điểm trong phạm vi 100 µm . Mặc dù kiểm tra trực quan tự động đã được giới thiệu ồ ạt để sản xuất các bộ phận rất nhỏ, cấu hình thấp như chip bán dẫn, nhưng điều này không đúng với các vật thể lớn hơn như nhiều bộ phận đúc, rèn và gia công mà người ta tìm thấy trong động cơ hoặc hộp số của một chiếc xe hơi. xe hơi.

Để thực hiện quy trình kiểm tra mạnh mẽ và tự động trên các bộ phận được sản xuất như vậy, thực sự cần phải đo các bất thường về hình dạng ở tốc độ cao, với độ chính xác cao, đồng thời hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng xung quanh của sàn nhà máy. Tuy nhiên, thiết bị đo lường nội tuyến với yêu cầu cao đó vẫn chưa có sẵn cho đến nay và tình hình hiện tại là các nhà sản xuất vẫn chủ yếu dựa vào mắt người. Do đó, chỉ có khoảng 20% ​​địa điểm sản xuất dựa vào các quy trình tự động để kiểm tra các bộ phận vừa và lớn, điều này đã dẫn đến các vấn đề lớn cho các nhà sản xuất.

Thanh tra dựa trên con người, một cuộc khủng hoảng đang diễn ra

Có những lý do cụ thể khiến các nhà sản xuất muốn tránh xa việc kiểm tra dựa trên con người và tự động hóa quy trình kiểm tra của họ.

Đầu tiên, kiểm tra dựa trên con người thiếu tính ổn định và độ tin cậy. Thay đổi người kiểm tra có thể dẫn đến thay đổi cách đánh giá, cùng một bộ phận, cùng một khuyết điểm, cùng một người kiểm tra có thể đánh giá khác nhau vào các thời điểm khác nhau trong ngày hoặc đêm, tùy thuộc vào thể trạng và tinh thần của người đó.

Thứ hai, sự thiếu hụt nguồn nhân lực đang trở thành một vấn đề lớn, đặc biệt là ở các quốc gia và khu vực đang già đi nhanh chóng như Châu Âu, Nhật Bản và cả Trung Quốc. Do đó, ngày càng trở nên khó khăn hơn để đảm bảo các thanh tra viên hàng năm. Hơn nữa, vì các thanh tra viên là những kỹ thuật viên lành nghề cần được đào tạo đặc biệt nên việc tăng số lượng thanh tra viên và đáp ứng nhu cầu là đặc biệt khó khăn, điều này gây ra những rào cản đáng kể tại các địa điểm sản xuất.

Thứ ba, mặc dù đã có những cải tiến gần đây trong việc tự động hóa quy trình sản xuất và vận chuyển, nhưng việc kiểm tra thủ công vẫn là một chi phí cố định đối với các nhà sản xuất. Họ yêu cầu đào tạo định kỳ để đảm bảo rằng mức độ kiểm tra không giảm, làm tăng chi phí bảo trì và tạo gánh nặng cho ban quản lý nhà máy. Thứ tư, với sự phát triển của thiết kế CAD và sản xuất CNC, mức độ yêu cầu kiểm tra ngày càng cao hơn, và trong một số trường hợp ngày càng tăng, mức độ kiểm tra vượt quá giới hạn của mắt người.

Cuối cùng, nhu cầu tự động hóa không chỉ quy trình kiểm tra mà còn tích hợp quy trình kiểm tra tự động này vào chuỗi sản xuất đang gia tăng nhanh chóng. Sáng kiến ​​Công nghiệp 4.0 ở Đức và Chế tạo 2025 ở Trung Quốc đã dẫn đến một phong trào toàn cầu mà tất cả các quốc gia và nhà sản xuất cần tính đến. Những người không tận dụng được lợi thế của cuộc cách mạng sản xuất lớn này có thể mất đi lợi thế cạnh tranh và đối mặt với một cuộc khủng hoảng quản lý lớn trong tương lai gần.

Tại sao các nhà sản xuất không thể tự động hóa quy trình kiểm tra của họ?

Có một số trở ngại đối với việc kiểm tra tự động. Đầu tiên và quan trọng nhất là tốc độ kiểm tra cần thiết. Trên sàn sản xuất, nhiều bộ phận có thời gian hoạt động khoảng một phút, điều này gây gánh nặng lớn cho tất cả các quy trình sản xuất. Để thực hiện quy trình kiểm tra, có hai cách để kiểm tra kích thước của một bộ phận, với hiệu suất khác nhau đáng kể về tốc độ: (i) kiểm tra tiếp xúc, trong đó kim hoặc dụng cụ khác thăm dò phôi gia công và (ii) kiểm tra không tiếp xúc kiểm tra, trong đó laser hoặc các phương tiện khác được sử dụng để đo kích thước của bộ phận. Mặc dù phương pháp kiểm tra tiếp xúc có nhiều ứng dụng nhưng tốc độ đo của nó thường bị hạn chế. Do đó, nó được sử dụng để kiểm tra lấy mẫu, nhưng nó không phù hợp để kiểm tra tổng thể tất cả các bộ phận được sản xuất.

Các phương pháp kiểm tra không tiếp xúc thông thường cho phép phát hiện lỗi thường bao gồm xử lý hình ảnh dựa trên máy ảnh cũng như phép đo tam giác dựa trên tia laser, nhưng các phương pháp này không thể áp dụng cho các bộ phận lớn, không bằng phẳng cao như các bộ phận đúc, rèn và gia công của ô tô . Một mặt, máy ảnh quang học bị ảnh hưởng bởi môi trường ánh sáng của chúng và vẫn khó thu được dữ liệu ba chiều bằng phương pháp như vậy. Mặt khác, phép đo tam giác chịu hiệu ứng đổ bóng khi áp dụng cho các cấu trúc không đồng đều và phức tạp do góc giữa ánh sáng tới và ánh sáng phản xạ. Một phương pháp được giới thiệu gần đây hơn, lấy nét bằng ánh sáng trắng hoặc phương pháp quét giao thoa kế ánh sáng trắng, có khoảng cách làm việc rất ngắn và độ sâu lấy nét rất nông. khiến nó không phù hợp để kiểm tra các bộ phận lớn và trung bình có hình dạng rất phức tạp. Do đó, với các công nghệ hiện có, phạm vi kiểm tra có thể được tự động hóa bị giới hạn ở các bộ phận nhỏ, bằng phẳng, điều này làm chậm quá trình tự động hóa quy trình kiểm tra rất nhiều.

Công nghệ đoạt giải Nobel – Cuộc cách mạng trong kiểm tra tự động

Đây là lúc một phương pháp kiểm tra không tiếp xúc mới phát huy tác dụng: lược tần số quang học, một khái niệm đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 2005. Phương pháp này sử dụng một tia laze duy nhất có cấu hình đồng trục, nghĩa là cả chùm ánh sáng tới và chùm tia phản xạ của nó truyền dọc theo cùng một trục: kết quả là phương pháp này không bị cản trở bởi các hiệu ứng đổ bóng. Ngoài ra, cấu hình đồng trục cùng với khoảng cách làm việc dài của lược tần số quang cung cấp cấu hình 3D đầy đủ của các bộ phận phức tạp nhất mà không bị hạn chế. Hơn nữa, hệ thống có khả năng thu được tới 500.000 điểm dữ liệu mỗi giây, nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp khác và là phương pháp tối ưu để đo nhanh các bộ phận lớn.

Hệ thống phát hiện giao thoa của phương pháp lược tần số quang giúp hệ thống không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng xung quanh, khiến hệ thống trở nên lý tưởng để sử dụng trên sàn sản xuất trong mọi môi trường ánh sáng. Như đã trình bày ở trên, phương pháp độc đáo này cho phép truy cập vào cấu hình 3D đầy đủ của các bộ phận có độ phức tạp cao như đầu xi lanh, thân van, v.v. khi các phương pháp khác không thành công.