Độ tin cậy và an toàn luôn là những yếu tố sống còn trong ngành công nghiệp chế tạo hệ thống động lực hàng hải. Để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe này, ZF Marine (Padua, Ý) – một nhà sản xuất danh tiếng toàn cầu chuyên cung cấp bơm cho hệ thống đẩy tàu thủy – đã không ngừng tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa tốc độ và năng lực kiểm soát chất lượng. Câu trả lời của họ chính là hệ thống đo lường Equator™ của Renishaw.
Đối với ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, "sai số" là một từ vựng không được phép tồn tại. High-Tech Engineering – một công ty gia công cơ khí chính xác tại Vương quốc Anh – luôn đặt chất lượng lên hàng đầu. Với việc mạnh dạn tích hợp hệ thống kiểm tra tại xưởng Equator™ của Renishaw, công ty đã hiện thực hóa được mục tiêu kiểm tra 100% sản phẩm đầu ra, đưa tỷ lệ phế phẩm về con số 0 tròn trĩnh, đồng thời giảm một nửa yêu cầu về nhân sự đo lường và cắt giảm tới 27% chi phí sản xuất.
Việc vận hành một tổ hợp gia công cơ khí hoàn toàn không người lái (unmanned cell) hoạt động 24/7 với khả năng "tự kiểm soát" vẫn luôn là giấc mơ của nhiều xưởng sản xuất đã trở thành hiện thực. Bằng cách tích hợp robot FANUC, máy tiện tháp đôi Okuma và hệ thống đo lường Equator™ của Renishaw, họ không chỉ tự động hóa hoàn toàn quy trình tiện cứng (hard turning) mà còn đạt được mức thời gian hoàn vốn (ROI) kỷ lục: Chỉ đúng 18 ngày!
Độ tin cậy và an toàn luôn là những yếu tố sống còn trong ngành công nghiệp chế tạo hệ thống động lực hàng hải. Để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe này, ZF Marine (Padua, Ý) – một nhà sản xuất danh tiếng toàn cầu chuyên cung cấp bơm cho hệ thống đẩy tàu thủy – đã không ngừng tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa tốc độ và năng lực kiểm soát chất lượng. Câu trả lời của họ chính là hệ thống đo lường Equator™ của Renishaw.
Dù là tàu thương mại, du thuyền giải trí hay tàu quân sự, tàu thủy vẫn luôn là một trong những phương tiện vận tải linh hoạt và phổ biến nhất trong nhiều thế kỷ qua. Chính vì vậy, an toàn, độ tin cậy và hiệu suất truyền động là những yêu cầu tối thượng đối với các hệ thống chân vịt và động cơ hàng hải. ZF Marine là một tập đoàn hoạt động toàn cầu, chuyên thiết kế và phát triển các hệ thống lực đẩy hoàn chỉnh (complete propulsion systems) cho mọi loại tàu thuyền.
Để đảm bảo các sản phẩm luôn đạt hiệu suất cao nhất với công nghệ tiên tiến mà thị trường đòi hỏi, công ty đã tiến hành tái cơ cấu quy trình sản xuất thành các tổ hợp máy gia công (work cells) chuyên biệt và tinh gọn. Trong khuôn khổ tái cơ cấu này, Tổ hợp số 5 (Cell 5) – khu vực dành riêng cho việc sản xuất các loại bơm – đã khởi xướng một dự án đặc biệt nhằm tăng tốc và nâng cao hiệu suất kiểm tra chất lượng.
Tuy nhiên, ZF phải đối mặt với một vấn đề mang tính kinh điển mà rất nhiều công ty sản xuất gặp phải: Quy trình sản xuất diễn ra liên tục trên các máy CNC tốc độ cao, nhưng lại bị "nghẽn" ở khâu kiểm tra. Phòng đo lường (measuring room) thường xuyên rơi vào tình trạng quá tải và trở thành yếu tố hạn chế toàn bộ năng suất của nhà máy.
Ông Gerardo Matterazzo, Giám đốc Chất lượng tại ZF Marine, giải thích: "Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu bằng cách trao đổi với các nhà cung cấp thiết bị máy công cụ, và cuối cùng đã tìm đến máy đo Equator, hay như cách chúng tôi thường gọi thân mật là 'chú nhện cơ khí' (mechanical spider). Nó hóa ra lại là giải pháp chính xác tuyệt đối cho nhu cầu của chúng tôi. Hệ thống Equator cho phép chúng tôi kiểm soát quá trình sản xuất một cách cực kỳ chính xác. Chỉ với một thiết bị duy nhất, chúng tôi có thể đo lường toàn bộ các biên dạng (profiles) và kích thước cần thiết ngay trên sàn sản xuất, kể cả đối với những chi tiết có thiết kế khác biệt nhau hoàn toàn. Các bộ đồ gá cứng (hard gauges) truyền thống chỉ cho phép kiểm tra một vài kích thước cụ thể. Sự linh hoạt và khả năng cấu hình của Equator giúp chúng tôi thực hiện các chuỗi quét liên tục (scanning) để đánh giá từng đặc tính hình học, bao gồm cả những kích thước ẩn mà đồ gá cơ khí không thể chạm tới, cũng như đo lường các yếu tố mang tính quyết định như độ đồng tâm (concentricity) và độ phẳng (flatness)."
Hệ thống Equator không phải là một cỗ máy đo lường giá trị tuyệt đối (absolute measuring machine) giống như Máy đo tọa độ (CMM) truyền thống. Thay vào đó, nó kiểm tra các chi tiết gia công bằng cách thực hiện đo lường so sánh với một chi tiết mẫu (master part).
Tại sao đây lại là một lợi thế khổng lồ đối với kiểm soát quy trình và sản xuất tại xưởng?
Trong thực tế, luôn có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa phòng đo lường được trang bị điều hòa và khu vực xưởng gia công nóng bức. Sự chênh lệch này chắc chắn sẽ làm thay đổi kích thước của kim loại (do giãn nở nhiệt). Ngay cả khi bạn mang một chiếc máy CMM đắt tiền ra đặt tại xưởng, kết cấu cồng kềnh của nó cũng cần quá nhiều thời gian để thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ xung quanh, dẫn đến kết quả đo không đáng tin cậy. Hơn nữa, biến dạng nhiệt trên kim loại không hề diễn ra theo đường thẳng (non-linear); nó thay đổi tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của chi tiết. Do đó, cách tốt nhất là hãy cứ để máy CMM nằm yên trong phòng thí nghiệm với bầu không khí được kiểm soát nghiêm ngặt.
Quy trình đo lường của Equator là một bước tiến hóa đột phá dựa trên nguyên lý đồ gá so sánh truyền thống. Chi tiết mẫu (master part) được lấy trực tiếp từ dây chuyền sản xuất – nghĩa là nó có cùng loại vật liệu và được gia công theo cùng một phương pháp như các chi tiết sản xuất hàng loạt (production parts). Chi tiết mẫu này luôn được giữ tại xưởng để đảm bảo nó chịu cùng một điều kiện môi trường nhiệt độ y hệt như các chi tiết cần đo.
"Chu trình bắt đầu bằng việc một chi tiết mẫu hợp lệ được đo và hiệu chuẩn trên máy CMM trong phòng đo lường," ông Matterazzo giải thích. "Chi tiết mẫu này sau đó được mang ra môi trường sản xuất. Tại đây, khi thích nghi với môi trường xưởng, nó sẽ trải qua quá trình biến dạng nhiệt. Equator sẽ đo lại chính chi tiết mẫu này để 'Zero' (tạo điểm chuẩn không) cho toàn bộ quy trình. Các phép đo trên những chi tiết sản xuất tiếp theo sẽ được so sánh với hệ tọa độ và kích thước của chi tiết mẫu. Điều này cho phép chúng tôi phát hiện bất kỳ sự sai lệch (deviation) nào trong quá trình tiện/phay CNC."
Bởi vì nhiệt độ và các điều kiện trong xưởng liên tục thay đổi theo thời gian, ZF Marine đã thiết lập một chu kỳ "re-mastering" (chạy lại chi tiết mẫu để tái hiệu chuẩn thiết bị) tối ưu là khoảng hai giờ một lần. Điều này đảm bảo rằng độ lệch nhiệt độ giữa các lần đo luôn được duy trì ở mức dưới 1%.
Quá trình re-mastering diễn ra cực kỳ nhanh chóng, chỉ mất thời gian tương đương với việc đo một chi tiết bình thường, do đó gần như không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến tổng thời gian của toàn bộ quy trình sản xuất. Nhờ cơ chế bù trừ nhiệt thông minh này, Equator luôn trả về các dữ liệu kích thước có độ tin cậy tương đương với việc đo đạc trong phòng thí nghiệm.
Hơn thế nữa, từ dữ liệu đo lường của Equator, ZF có thể tự động gửi tín hiệu bù trừ dao (tool offsets) vào bộ điều khiển của máy CNC, tạo thành một vòng lặp khép kín (closed-loop) nhằm điều khiển máy công cụ vận hành hoàn toàn tự động và chính xác.
Đối với người thợ vận hành máy CNC, việc sử dụng Equator không yêu cầu họ phải có kinh nghiệm hay trải qua các khóa đào tạo phức tạp về đo lường. Mọi thứ đều cực kỳ trực quan.
Kết quả so sánh được hiển thị sinh động trên màn hình phần mềm Process Monitor dưới dạng biểu đồ hoặc bảng số liệu. Một thanh trạng thái màu (color bar chart) quen thuộc sẽ biểu thị kết quả đo lường dưới dạng phần trăm dung sai (tolerance percentage) cho từng đặc tính hình học, giúp thợ máy ngay lập tức nhận biết chi tiết Đạt hay Không Đạt.
"Chúng tôi chỉ cần tổ chức một buổi hướng dẫn nhanh ngay tại xưởng, và giờ đây tất cả công nhân đều có thể tự tin vận hành Equator, từ thao tác 'Zero' hệ thống với chi tiết mẫu cho đến việc đọc hiểu và phân tích kết quả đo," đại diện nhóm sản xuất ZF chia sẻ.
Ông Matterazzo cũng nhấn mạnh một khía cạnh tài chính quan trọng khác: "Lợi ích không chỉ dừng lại ở năng suất. Chúng tôi hoàn toàn không phải thực hiện các đợt hiệu chuẩn định kỳ đắt đỏ cho Equator, bởi vì mỗi lần tôi chạy lại chi tiết mẫu (master part), hệ thống đã tự động tái hiệu chuẩn chính nó. Chúng tôi vừa tiết kiệm được chi phí trực tiếp (chi phí thuê dịch vụ hiệu chuẩn) vừa loại bỏ được chi phí gián tiếp (thời gian máy phải ngừng hoạt động).
Trong tương lai gần, ZF Marine dự kiến sẽ di dời hệ thống Equator vào ngay vị trí trung tâm của Tổ hợp số 5 để tối đa hóa hiệu suất của robot gắp phôi, đồng thời tiến hành khảo sát để triển khai thêm nhiều hệ thống Equator khác trên toàn nhà máy.
Thành công cốt lõi của "chú nhện cơ khí" Equator nằm ở thiết kế cơ khí cực kỳ độc đáo: Cơ cấu Động học song song.
Các hệ thống máy CMM truyền thống hoặc máy gia công CNC thường sử dụng cấu trúc Đề-các (Cartesian) với 3 trục tọa độ vuông góc X, Y, Z. Các trục này được chế tạo rất nặng nề và cồng kềnh để đảm bảo độ cứng vững khi di chuyển. Tuy nhiên, khối lượng khổng lồ này gây ra lực quán tính lớn. Khi hệ thống di chuyển nhanh hoặc phanh gấp, lực quán tính sẽ làm kết cấu máy bị uốn cong hoặc sai lệch siêu nhỏ (micro-deflections), dẫn đến sai số đo lường trầm trọng. Do đó, các máy CMM truyền thống không bao giờ có thể di chuyển với tốc độ quá nhanh.
Trái lại, cấu trúc của Equator sử dụng ba thanh truyền động tuyến tính (linear drive shafts) gắn trên các khớp các-đăng (Hooke's joints) treo từ bệ máy phía trên xuống. Đầu còn lại của các thanh truyền này kết nối trực tiếp với bệ đỡ đầu dò (probe platform). Các động cơ truyền động đảm bảo rằng các thanh này luôn ở trạng thái chịu lực kéo và lực nén thuần túy, triệt tiêu hoàn toàn ứng suất uốn (bending). Thước quang học (linear encoders) được gắn trực tiếp trên các thanh truyền, cung cấp phản hồi vị trí ngay tại nơi tạo ra lực chuyển động.
Các thanh dẫn hướng tuyến tính này (được gọi là trục P, Q và R) có thể được lắp đặt theo hướng không gian rất linh hoạt. Mọi lệnh dịch chuyển theo tọa độ (X, Y, Z) truyền thống của máy sẽ được tính toán và chuyển đổi chéo ngay trong phần mềm nền bằng các thuật toán toán học cực kỳ phức tạp. Kết quả là tạo ra một cỗ máy đo lường siêu nhẹ, di chuyển với tốc độ chớp nhoáng nhưng lại sở hữu độ cứng vững tuyệt đối, biến Equator trở thành "kẻ thống trị" mới trong lĩnh vực đo lường tại xưởng gia công hiện đại.
(84) 896 555 247
Tiếng Việt
English