วิธีการอัตโนมัติการตรวจสอบเครื่องมือ CNC ด้วยระบบ In-Machine Probing

PFT, Shenzhen

ภาพย่อ

การตรวจสอบเครื่องมือแบบอัตโนมัติได้กลายเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในงานกลึง CNC ในยุคปัจจุบัน โดยเฉพาะในกระบวนการผลิตที่ต้องการความแม่นยำสูงและปริมาณการผลิตมาก การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินประสิทธิภาพของระบบการวัดด้วยหัวสัมผัส (in-machine probing systems) ในการตรวจสอบการสึกหรอของเครื่องมือและตรวจสอบความแม่นยำทางมิติ โดยไม่ต้องหยุดกระบวนการผลิตเพื่อตรวจสอบ วิธีการที่ใช้คือการติดตั้งหัววัดแบบสัมผัส (touch-trigger probe) ภายในเครื่องกัดแนวตั้งแบบ 3 แกน ร่วมกับพัฒนาวงจรตรวจสอบเฉพาะในซอฟต์แวร์ควบคุม ข้อมูลถูกรวบรวมจากการตรวจสอบเครื่องมือซ้ำ ๆ เป็นจำนวน 500 รอบการทำงาน โดยบันทึกค่าเบี่ยงเบนของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการตรวจสอบด้วยหัวสัมผัสแบบอัตโนมัติสามารถลดเวลาการตรวจสอบด้วยวิธีการ manual ลงได้ถึง 65% ขณะเดียวกันยังคงรักษาระดับความแม่นยำทางมิติไว้ที่ ±2 ไมครอน การเปรียบเทียบกับการตรวจสอบแบบ off-line แสดงให้เห็นว่าระบบ in-machine probing มีความซ้ำซาก (repeatability) เท่าเทียมหรือดีกว่า โดยเฉพาะในการตรวจจับการสึกหรอของ flank ที่เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป การศึกษานี้สรุปได้ว่าระบบ in-machine probing ให้แนวทางการตรวจสอบเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงและสามารถขยายระบบได้ สำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อม CNC ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิตและลดต้นทุน

1 การนําเสนอ

การสึกหรอและแตกหักของเครื่องมือถือเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ชิ้นงานมีความคลาดเคลื่อน และเครื่องจักรต้องหยุดทำงานในกระบวนการผลิตแบบ CNC โดยทั่วไปแล้วการตรวจสอบมักพึ่งพาการวัดค่าด้วยตนเองโดยใช้อุปกรณ์ออฟไลน์ เช่น เครื่องตั้งค่าเครื่องมือ (tool presetters) และกล้องจุลทรรศน์ แม้ว่าวิธีการเหล่านี้จะให้ค่าที่แม่นยำ แต่ก็ส่งผลให้การผลิตหยุดชะงักและเพิ่มต้นทุนแรงงาน เทคโนโลยีการตรวจสอบด้วยโพรบในเครื่องจักร (In-machine probing technology) สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ โดยช่วยให้การวัดเครื่องมือเป็นไปโดยอัตโนมัติภายในวงจรการกลึง งานวิจัยนี้มุ่งศึกษาแนวทางการประยุกต์ใช้ระบบโพรบในเครื่องจักรเพื่อทำให้การตรวจสอบเครื่องมือเป็นระบบอัตโนมัติ โดยเน้นที่หลักการออกแบบ ผลการทดสอบ และผลกระทบเชิงปฏิบัติจริง

2 วิธีการวิจัย

2.1 แนวคิดการออกแบบ

ระบบตรวจสอบถูกออกแบบโดยใช้โพรบแบบสัมผัส (touch-trigger probe) ติดตั้งเข้ากับแกนเครื่องจักรแนวตั้ง โดยโปรแกรมของโพรบถูกเขียนไว้ให้วัดความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของเครื่องมือก่อนและหลังจากการทำงานในแต่ละรอบการกลึง โปรแกรมการตรวจสอบถูกพัฒนาโดยใช้แมโคร G-code มาตรฐาน เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถทำซ้ำได้บนเครื่องจักรที่ต่างกัน

2.2 การเก็บรวบรวมข้อมูล

ข้อมูลถูกรวบรวมจากการทำงานกลึง 500 รอบของชิ้นส่วนเหล็กที่ผ่านการบำบัดแล้ว โดยระบบควบคุม CNC บันทึกค่าความเบี่ยงเบนของความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางเครื่องมือโดยอัตโนมัติ การวัดค่าแบบออฟไลน์โดยใช้เครื่องมือ presetter ถูกนำมาใช้เป็นกลุ่มควบคุม

2.3 อุปกรณ์และรุ่นโมเดล

• เครื่อง: vMC 3 แกน แกนหมุน (spindle) 12,000 รอบต่อนาที

• Probe: Renishaw OMP60 หัววัดแบบสัมผัสทำงาน (touch-trigger probe)

• เครื่องมือที่ทดสอบ: กัดปลายเรียบ (end mills) คาร์ไบด์ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. ชุบเคลือบด้วย TiAlN

• โปรแกรม: Fanuc 0i-MF controller พร้อมโปรแกรมวัดพิเศษแบบ custom

การตั้งค่านี้ช่วยให้ผลลัพธ์สามารถทำซ้ำได้ และอนุญาตให้ปรับใช้วิธีการนี้กับระบบที่ใช้เครื่องจักรรูปแบบอื่น ๆ ได้

3 ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

3.1 การวัดความยาวของเครื่องมือ

รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างการตรวจสอบในเครื่องจักรและการตั้งค่าล่วงหน้าแบบออฟไลน์ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงความเบี่ยงเบนสูงสุดที่ ±2 ไมครอน โดยไม่มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิธีการทั้งสอง

3.2 การวัดเส้นผ่านศูนย์กลางเครื่องมือ

ตารางที่ 1 แสดงค่าความเบี่ยงเบนของเส้นผ่านศูนย์กลางเครื่องมือที่วัดได้ตลอด 500 รอบการทำงาน การตรวจสอบด้วยเซ็นเซอร์ในเครื่องจักรสามารถตรวจจับการลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปที่เกิดจากความสึกหรอของด้านข้างได้อย่างต่อเนื่อง

ตารางที่ 1 ค่าความเบี่ยงเบนของเส้นผ่านศูนย์กลางเครื่องมือตลอด 500 รอบ (ไมครอน)

ข้อมูลยืนยันว่าการวัดค่าภายในเครื่องจักรให้ความเที่ยงตรงเทียบเท่ากัน แต่ช่วยประหยัดเวลาเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแบบแมนวล

3.3 ประสิทธิภาพด้านเวลา

การตรวจสอบด้วยวิธีการแมนวลต้องใช้เวลาเฉลี่ย 45 วินาทีต่อเครื่องมือ แต่การตรวจสอบแบบอัตโนมัติสามารถลดเวลาลงเหลือ 15 วินาที ซึ่งเทียบเท่ากับการลดเวลาลงได้ถึง 65%

4 การอภิปราย

ผลลัพธ์บ่งชี้ว่าการตรวจสอบเครื่องมือภายในเครื่องจักรสามารถเข้ามาแทนที่หรือเสริมการตรวจสอบเครื่องมือนอกเครื่องจักรในแอปพลิเคชัน CNC ได้หลายประเภท ประสิทธิภาพที่ได้เกิดจากความสามารถในการวัดเครื่องมือโดยตรงภายในสภาพแวดล้อมการกลึง ซึ่งช่วยกำจัดข้อผิดพลาดในการตั้งค่าที่เกิดจากการจัดการเครื่องมือ ข้อจำกัดรวมถึงความจำเป็นในการปรับเทียบหัววัด และสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ใช้น้ำหล่อเย็นสูง อย่างไรก็ตาม ในสถานการณ์การผลิตที่มีปริมาณสูง สิ่งดีที่ได้รับนั้นถือว่ามากกว่าข้อจำกัดที่พบ ผลการวิจัยบ่งชี้ว่าการนำการตรวจสอบเครื่องมือภายในเครื่องจักรมาใช้อย่างแพร่หลาย อาจช่วยลดเวลาการหยุดทำงานและปรับปรุงการควบคุมกระบวนการทำงานได้อย่างมีนัยสำคัญ

5 สรุป

การตรวจสอบเครื่องมืออัตโนมัติด้วยการใช้ระบบสัมผัส (in-machine probing) ให้ความแม่นยำในการตรวจสอบที่ใกล้เคียงกับวิธีการออฟไลน์ พร้อมทั้งยังช่วยประหยัดเวลาได้อย่างมาก วิธีการนี้สามารถนำไปใช้ได้จริง มีความน่าเชื่อถือ และสามารถใช้งานร่วมกับระบบควบคุมมาตรฐานของเครื่อง CNC ได้ งานวิจัยในอนาคตอาจเน้นไปที่การผสานรวมแบบจำลองการพยากรณ์การสึกหรอแบบเรียลไทม์เข้ากับข้อมูลจากการตรวจสอบ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการบำรุงรักษาเชิงพยากรณ์สำหรับกระบวนการกลึงด้วยเครื่อง CNC ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก