Đạt được khả năng kiểm soát quy trình bằng thiết bị đo cho quá trình sản xuất chính xác tốc độ cao

Phương pháp đo lường vững chắc, đã được kiểm chứng bằng thiết bị đo là một công cụ thiết yếu để kiểm soát quy trình trên tất cả các môi trường công nghiệp. Một hệ thống đo lường tốt cho phép các nhà sản xuất – từ các nhà máy hoạt động 24/7 và kết hợp các quy trình cao cấp, khối lượng lớn đến sản xuất dụng cụ y tế thực hiện các cuộc kiểm tra quan trọng của FDA – giữ các bộ phận trong giới hạn thông số kỹ thuật chặt chẽ. Tuy nhiên, nếu hệ thống đo lường không phù hợp và số lượng sai số đo lường vượt quá dung sai cho phép, nó có thể bỏ qua và chấp nhận sai các bộ phận xấu và/hoặc loại bỏ các bộ phận tốt. Do đó, khả năng của một công ty trong việc tuân thủ các tiêu chuẩn đang phát triển, tham gia vào quá trình đổi mới sản phẩm và quy trình, đồng thời duy trì khả năng cạnh tranh trong các thị trường hiện đại đều phụ thuộc vào hiệu suất của hệ thống đo lường có độ chính xác cao. Không có gì ngạc nhiên, sau đó, rằng các nghiên cứu về thiết bị đo để kiểm tra và xác nhận hiệu suất của hệ thống đo lường đo lường hiện đã trở nên phổ biến. Các nghiên cứu về thiết bị đo như vậy là một phương pháp để xác định và chứng minh khả năng của hệ thống đo lường đáp ứng các dung sai thông số kỹ thuật sản xuất nhất định, cũng như sự phù hợp của hệ thống đối với mục đích đã định. Bài viết này thảo luận về các nghiên cứu về thiết bị đo và những tiến bộ đo lường mới nhất giúp các nhà sản xuất và kỹ sư đáp ứng nhu cầu ngày càng khắt khe đối với các ứng dụng cao cấp.

Lỗi hệ thống đo lường

Hầu hết các lỗi hệ thống đo lường thuộc một trong các loại sau: độ ổn định, độ chính xác, tuyến tính, độ lặp lại, độ tái lập và độ chệch. Hình 1 cung cấp biểu diễn trực quan về các lỗi độ chính xác và độ lặp lại khác nhau, bao gồm cả lỗi đơn lẻ và lỗi đồng thời, với hồng tâm ở giữa biểu thị đặc điểm kỹ thuật lý tưởng của mục tiêu sản xuất bộ phận.

nghiên cứu đo đạc

Để xác định và hiểu các lỗi hệ thống đo lường tiềm ẩn, các nhà sản xuất thực hiện các nghiên cứu về thiết bị đo. Phạm vi của một nghiên cứu thiết bị đo thực sự – thường được gọi là nghiên cứu Độ lặp lại và Khả năng tái tạo (GR&R) của thiết bị đo – không chỉ xem xét khả năng và hiệu suất của chính công cụ đo lường mà còn của (các) thiết bị sản xuất, người vận hành, môi trường, và các bộ phận. Trong nghiên cứu GR&R, lượng lỗi đo lường được biểu thị bằng độ lặp lại và khả năng tái tạo của hệ thống cho phép người ta xác định tác động hiệu suất của các biến hệ thống khác nhau này. “Khả năng lặp lại” định lượng của một hệ thống đo lường mô tả sự thay đổi trong phép đo được quan sát thấy khi cùng một người vận hành sử dụng cùng một công cụ để đo cùng một bộ phận nhiều lần trong các điều kiện vận hành không thay đổi.

Ngược lại, “độ tái lập” của một hệ thống mô tả mức độ biến thiên quan sát được khi những người vận hành khác nhau sử dụng cùng một công cụ để đo cùng một bộ phận nhiều lần. Độ tái lập cũng có thể phản ánh độ ổn định lâu dài của hệ thống đo lường bằng cách sử dụng dữ liệu được thu thập thông qua một nghiên cứu theo chiều dọc, điều này cũng cân nhắc đến độ ổn định của công cụ và môi trường. Nói một cách đơn giản, chữ “R” đầu tiên trong GR&R đại diện cho sự thay đổi của công cụ/thiết bị cố định/thuật toán, trong khi chữ “R” thứ hai thể hiện độ ổn định của hệ thống đo lường giữa các nhà khai thác khác nhau. Cả hai khía cạnh nghiên cứu thiết bị đều được phản ánh trong thông số kỹ thuật của một phần; chúng được áp dụng theo tỷ lệ phần trăm và đóng góp vào dung sai xếp chồng bộ phận tổng thể của nó. Một điểm mạnh chính của GR& Nghiên cứu R là nó đảm bảo chất lượng kết quả của một hệ thống đo lường hoặc đánh giá ban đầu thông qua phương pháp tiếp cận có hệ thống để đo lường – và sau đó cải thiện – hệ thống. Nghĩa là, nếu kết quả GR&R không được chấp nhận trong lần thử đầu tiên, thì có thể thực hiện các điều chỉnh hợp lý và được ghi chép đầy đủ và lặp lại GR&R để xác nhận rằng kết quả đã được cải thiện.

Thiết lập và phân tích dự án GR&R

Do số lần lặp lại tiềm năng lớn, việc xác định quy mô của dự án là bước đầu tiên quan trọng đối với bất kỳ nghiên cứu GR&R nào. Điều này bao gồm định lượng số lượng bộ phận (bao gồm số lượng tính năng được đo trên mỗi bộ phận được sử dụng để kiểm soát quá trình), số lượng người vận hành và số lượng phép đo (lặp lại/lặp lại) cho mỗi người vận hành và từng bộ phận, cũng như các nguồn lực và chi phí liên quan. Làm như vậy cho phép các nhà sản xuất cân nhắc thời gian và nguồn tài chính được phân bổ cho nghiên cứu so với khả năng sử dụng thực tế của kết quả. Ví dụ: thực hiện nhiều thử nghiệm đo lường và thu thập các bộ dữ liệu đo lường lớn có thể mang lại kết quả chính xác hơn, nhưng làm như vậy cũng đòi hỏi nhiều thời gian và nguồn lực hơn – hậu quả của việc này phụ thuộc vào thời gian đo lường và chi phí một phần.

Ngược lại, việc giới hạn số lần lặp lại để giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên có thể làm giảm độ tin cậy của kết quả và khiến công ty tăng nguy cơ lỗi quy trình. Thông thường nhất, các quy trình vận hành tiêu chuẩn trong một công ty quy định cách thực hiện nghiên cứu GR&R. Chúng nên bao gồm các phương pháp hay nhất về số lượng mẫu, để phân tích dữ liệu kết quả và nói chung nên được các công ty khác nhau tuân theo. Ví dụ: không thể bắt đầu thu thập dữ liệu nếu không phát triển một mẫu thực tế để ghi lại các điểm dữ liệu. Các bảng tính GR&R ngắn hạn điển hình, như minh họa bên dưới, có thể bao gồm mười phần, chạy chín lần, sử dụng ba toán tử. Nghiên cứu GR&R tương tự này sau đó có thể được lặp lại trong nhiều ngày và tất cả các kết quả được kết hợp để mang lại khả năng tái tạo lâu dài.

Một số biến thể phân tích điển hình có thể được sử dụng để tính toán kết quả GR&R. Một biểu đồ X-bar và R đơn giản, trước đây được thực hiện bằng tay và hiện nay có nhiều khả năng sử dụng bảng tính hoặc phần mềm điều khiển, vẽ biểu đồ dữ liệu được thu thập với các thanh dung sai là dung sai bộ phận. Tuy nhiên, phương pháp này thường được coi là kém chính xác hơn và thường được sử dụng nhiều hơn để kiểm soát quá trình. Phân tích bảng tính GR&R ngắn hạn đã thảo luận trước đây hoặc phân tích ANOVA thậm chí nâng cao hơn, yêu cầu phần mềm máy tính chuyên dụng, được coi là các phương pháp chính xác nhất. Những phân tích dữ liệu GR&R này có thể cung cấp thông tin về biến thể bộ phận, độ lặp lại, khả năng tái tạo, độ lệch chuẩn và phần trăm của tổng biến thể, so với chỉ phần trăm dung sai của bộ phận.

Kết quả nghiên cứu GR&R có thể được đánh giá bằng Độ lệch chuẩn thu được theo đơn vị mà dữ liệu được thu thập hoặc theo tỷ lệ phần trăm của dung sai quy trình bộ phận (tỷ lệ P/T). Dung sai bộ phận được nhập vào tiêu đề và tỷ lệ P/T được tính ở góc dưới bên phải. Nếu kết quả GR&R được báo cáo theo phần trăm dung sai quy trình, thì nhiều cơ sở sản xuất có độ chính xác cao muốn đóng góp dung sai của hệ thống đo lường hoặc thiết bị đo nhỏ hơn 10% dung sai quy trình của bộ phận đó. Tỷ lệ AP/T <20% có nghĩa là công cụ đo lường có thể đáp ứng dung sai quy trình, trong đó tỷ lệ P/T lớn hơn có nguy cơ dẫn đến kết quả đo dương tính giả hoặc âm tính giả.

Một ví dụ khác bao gồm phân tích thống kê trực tiếp, như thể hiện trong Hình 3. Các phép đo độ tái lập cho độ nhám khu vực (Sq, ISO 25178) được thực hiện trong vài ngày thông qua phần mềm Bản đồ Tầm nhìn của Bruker. Luồng dữ liệu được biểu thị bằng đồ họa trong giới hạn kiểm soát trên và dưới (UCL/LCL), xác định ranh giới an toàn cho quy trình sản xuất cùng với độ phân tán 2-sigma dự kiến ​​(95,45%) so với giá trị trung bình của phép đo. Bất kỳ ngoại lệ nào đều dễ dàng được phát hiện, giúp các kỹ sư chất lượng điều tra sâu hơn nguyên nhân gốc rễ của sự khác biệt. Nó cũng minh họa mức độ lan rộng của các kết quả trong giới hạn quy định. Các giá trị định lượng như năng lực xử lý (Cp) và chỉ số năng lực xử lý (Cpk), phải được coi là năng lực máy (Cm) và chỉ số năng lực máy (Cmk) tương ứng trong quá trình nghiên cứu GR&R,

Duy trì hiệu suất Gage tốt

Trước khi thực hiện nghiên cứu GR&R lần đầu, hệ thống đo lường phải được thiết lập và hiệu chỉnh theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Các phép đo tiêu chuẩn dài hạn phải được thực hiện ở các chu kỳ hiệu chuẩn định kỳ theo một tiêu chuẩn có thể theo dõi đã biết để duy trì khả năng theo dõi và tương quan của hệ thống đo lường. Khi thực hiện hiệu chuẩn định kỳ trên hệ thống đo lường, tiêu chuẩn phải được đo lường trước, trước khi thực hiện bất kỳ điều chỉnh nào. Phép đo ban đầu này không chỉ cho biết liệu hệ thống đo có bị lệch hay không mà còn đảm bảo rằng các điều chỉnh chỉ xảy ra khi kết quả đạt đến giới hạn thông số kỹ thuật hiệu chuẩn vì việc điều chỉnh liên tục sẽ bổ sung thêm biến thể đo cho hệ thống đó. Cách lý tưởng để theo dõi độ ổn định của hệ thống đo lường là chạy định kỳ các tiêu chuẩn bộ phận “vàng” được biểu thị bằng các thông số kỹ thuật,

Thật không may, GR&R ban đầu thường là lần cuối cùng GR&R được thực hiện trên hệ thống đo lường cho đến khi có vấn đề về đo lường, vấn đề này thường được cảnh báo bởi các phép đo có vẻ mơ hồ hoặc lỗi/đạt bộ phận sai được tìm thấy trong quá trình kiểm tra bộ phận của khách hàng. Để tránh những sự cố ‘bất ngờ’ này, một phương pháp lý tưởng là chạy GR&R định kỳ cho một hệ thống đo lường có các bộ phận vàng. Sự xuống cấp định kỳ của GR&R có thể chỉ ra các vấn đề với chính hệ thống đo lường hoặc làm sáng tỏ các tác động môi trường mới. Các phương pháp hay là duy trì các bộ phận GR&R ban đầu đó (hoặc một tập hợp con của chúng) để định kỳ đo hoặc kiểm định lại hệ thống đo lường sau khi sửa chữa hoặc bảo trì.

Ưu điểm của Giao thoa kế ánh sáng trắng và Thiết bị
đo lường tự hiệu chuẩn sử dụng Giao thoa kế ánh sáng trắng (WLI) là không tiếp xúc, không phá hủy và là một trong những hệ thống đo lặp lại nhiều nhất trên thị trường hiện nay. Chúng cung cấp hình ảnh ba chiều chân thực một cách nhanh chóng trên một khu vực rộng lớn, mô tả đầy đủ bề mặt với độ lặp lại dưới angstrom. Nhiều yếu tố có thể góp phần gây ra các lỗi đo lường đã thảo luận trước đó và các trình lập hồ sơ WLI của Bruker được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu các lỗi ngẫu nhiên và hệ thống này với thành phần đo lường được thiết kế cốt lõi và khả năng cách ly môi trường vượt trội.

Tất cả các công cụ Bruker WLI đều có một số dạng cách ly không khí chủ động tích hợp tiêu chuẩn hoặc tùy chọn. Giá treo cách ly không khí cho phép đo chính xác, không rung trong mọi môi trường. Máy ảnh kỹ thuật số có độ nhiễu thấp với thiết bị điện tử có độ ồn cực thấp hỗ trợ cung cấp đặc tính thực sự của các bề mặt được thử nghiệm. Đầu đo, giá đỡ nghiêng đầu và nắp đều được thiết kế đặc biệt để cải thiện độ rung và cách ly âm thanh trong môi trường sản xuất khắc nghiệt. Các vật đúc cơ sở của công cụ được thiết kế và lập mô hình CAD để cách ly bộ phận tối đa, cũng như giảm thiểu biến dạng do tác động của môi trường (xem hình ảnh tiêu đề).

Các hệ thống đo lường WLI cao cấp của Bruker kết hợp mô-đun tín hiệu tham chiếu giao thoa kế laser hàng đầu trong ngành để theo dõi từng phép đo. Loại công nghệ này được gọi là tiêu chuẩn nội có thể truy nguyên cấp thứ cấp, gần như là tiêu chuẩn tuyệt đối vì độ chính xác có thể truy nguyên theo bước sóng đã biết của laser HeNe ổn định (632,82±0,01nm). Mỗi phép đo được theo dõi và điều chỉnh liên tục trong toàn bộ quá trình quét phép đo để giảm thiểu bất kỳ sự bất thường cơ học ngắn hạn nào và bất kỳ sự trôi dạt môi trường nhiệt dài hạn nào. Laser HeNe tự hiệu chuẩn này được tích hợp vào hệ thống đo lường để loại bỏ bất kỳ lỗi thiết kế đo lường nhỏ nào khỏi lỗi Abbe (độ lệch bên giữa tín hiệu tham chiếu và trục đo quang học), lỗi cosine (độ lệch góc giữa tín hiệu tham chiếu và trục quét),

Không phải tất cả các ngành đều yêu cầu độ chính xác của hệ thống dựa trên WLI với công nghệ tín hiệu tham chiếu tự hiệu chỉnh này, nhưng nó cần thiết cho nhiều ứng dụng phức tạp trong chất bán dẫn, lưu trữ dữ liệu, MEMS, ô tô, hàng không vũ trụ, quang học, gia công chính xác, y tế hoặc độ chính xác phim. Tính năng tự hiệu chuẩn giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống theo thời gian đồng thời cải thiện mối tương quan giữa công cụ với công cụ trong các nhà máy sản xuất trên khắp thế giới. Hình ảnh bên dưới cho thấy phép đo chiều cao 23 µm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường cực lớn trong đó tín hiệu tham chiếu tự hiệu chỉnh loại bỏ lỗi giãn nở nhiệt hàng chục nanomet được đưa vào toàn bộ thể tích của dụng cụ.

Sự kết luận

Việc tuân theo phân tích đo lường GR&R chắc chắn sẽ mang lại cho bạn, công ty của bạn và khách hàng của bạn niềm tin vào hệ thống đo lường quy trình và giảm thiểu lãng phí trong sản xuất do biến thể đo lường không thể chấp nhận được. Định hình quang học không tiếp xúc WLI tiếp tục là công nghệ được lựa chọn cho thông lượng khối lượng lớn, thiết bị đo chính xác cao và khả năng tái tạo lâu dài để đo kiểm soát quá trình. Ưu điểm của WLI so với công nghệ đo lường quang học khác là khả năng đạt được cùng độ phân giải dọc dưới angstrom ở bất kỳ độ phóng đại nào. Bằng cách hợp tác chặt chẽ với khách hàng ở giai đoạn đầu của lộ trình đo lường, Bruker tiếp tục phát triển các hệ thống đo lường của mình để đối mặt với những thách thức ngày càng tăng của các ứng dụng và môi trường sản xuất đòi hỏi khắt khe. Việc đưa vào mô-đun laser HeNe tự hiệu chuẩn đã loại bỏ nhu cầu hiệu chuẩn thường xuyên, giảm thời gian ngừng bảo trì và cải thiện chi phí sở hữu cho các nhà sản xuất. Sự kết hợp giữa các cải tiến và cách ly hệ thống khác của Bruker mang lại hình ảnh vượt trội đồng thời giảm thiểu lỗi đo lường bằng phân tích dữ liệu nâng cao. Một loạt các cấu hình hồ sơ dựa trên Bruker WLI giúp dễ dàng đáp ứng lý tưởng nhu cầu GR&R đo lường cá nhân của gần như mọi khách hàng.

Để biết thêm thông tin: www.bruker.com