Mọi con số đo được đều mang theo một phần sai số, và ở dung sai vài micromet, phần sai số đó có thể lớn ngang chính dung sai. Một trục đo ra 30,000 mm lúc vừa tháo khỏi máy, để nguội nửa tiếng đo lại còn 29,994 mm. Một chi tiết nhôm đạt lúc kiểm ở xưởng buổi trưa, sang tới phòng đo của khách có điều hoà thì báo nhỏ. Không ai đo sai theo nghĩa cẩu thả, nhưng kết quả vẫn không đáng tin nếu người đo không hiểu sai số đến từ đâu.
Bài này phân loại các nguồn sai số trong đo lường ở khâu gia công, giải thích vì sao nhiệt độ là nguồn lớn nhất mà xưởng Việt Nam hay xem nhẹ, đưa phép tính giãn nở nhiệt có ví dụ, quy tắc chọn dụng cụ theo dung sai, và cách xử lý chi tiết đo ra sát mép giới hạn. Phần hệ thống hiệu chuẩn và đánh giá hệ thống đo thuộc mảng QC, có ở trang AI Kiểm Soát.
Năm nguồn sai số và cách giảm ở xưởng
Sai số đo thường được chia thành sai số hệ thống, lặp lại cùng chiều mỗi lần đo, và sai số ngẫu nhiên, thay đổi không đoán trước. Nhìn theo nguồn gốc, có năm nhóm hay gặp:
| Nguồn | Ví dụ | Loại sai số chủ yếu | Cách giảm |
|---|---|---|---|
| Dụng cụ đo | Panme lệch điểm 0, thước cặp mòn mỏ | Hệ thống | Kiểm điểm 0 đầu ca, hiệu chuẩn định kỳ |
| Người đo | Lực bóp khác nhau, đọc vạch nghiêng | Cả hai | Dùng núm tạo lực, quy trình đo thống nhất, đào tạo |
| Chi tiết | Bavia, dầu bẩn, méo, chưa nguội | Cả hai | Làm sạch, chờ ổn định nhiệt, đo nhiều vị trí |
| Môi trường | Nắng chiếu, quạt thổi, nền rung | Cả hai | Chọn chỗ đo cố định, tránh nắng và gió |
| Phương pháp | Đo dây cung thay đường kính, chuẩn đo sai | Hệ thống | Viết phương pháp đo vào phiếu, chọn chuẩn đúng bản vẽ |
Sai số hệ thống nguy hiểm hơn vì không lộ ra khi đo lặp lại: mười lần đo đều ra cùng số, người đo tin chắc, trong khi cả mười đều lệch cùng một lượng. Chỉ đối chiếu với chuẩn, như căn mẫu hay thanh chuẩn, hoặc với một dụng cụ khác đáng tin hơn, mới phát hiện được. Sai số ngẫu nhiên thì lộ ra qua độ phân tán khi đo lặp, và giảm được bằng cách đo nhiều lần lấy trung bình.
Vì sao tiêu chuẩn lấy 20 độ C
Kim loại giãn nở khi nóng, nên một kích thước chỉ có ý nghĩa khi gắn với một nhiệt độ. Tiêu chuẩn quốc tế ISO 1 quy định nhiệt độ chuẩn cho đo lường kích thước là 20 độ C. Mọi kích thước trên bản vẽ, mọi giá trị của căn mẫu và calip đều được hiểu là kích thước ở 20 độ C. Điều này có nghĩa là một chi tiết "đạt" thực ra là chi tiết sẽ nằm trong dung sai khi được đưa về 20 độ C, chứ không phải ở nhiệt độ xưởng lúc đo.
Phòng đo của các nhà máy lớn được điều hoà quanh 20 độ C chính vì vậy. Xưởng nhỏ ở Việt Nam thì nhiệt độ có thể dao động từ khoảng hai mươi mấy độ sáng sớm lên hơn ba mươi độ buổi trưa mùa hè. Nếu chi tiết và dụng cụ đo cùng làm bằng thép và cùng nhiệt độ, cả hai giãn nở gần như nhau và sai số phần lớn tự triệt tiêu. Rắc rối xuất hiện ở hai trường hợp: chi tiết và dụng cụ khác nhiệt độ, hoặc làm bằng vật liệu có hệ số giãn nở khác nhau.
Trường hợp thứ nhất xảy ra liên tục ở xưởng: chi tiết vừa ra khỏi máy còn nóng do cắt gọt, hoặc vừa được rửa bằng dung dịch bay hơi nên lạnh đi; panme thì ấm lên vì nằm trong tay người đo. Trường hợp thứ hai là đo chi tiết nhôm, đồng, nhựa kỹ thuật bằng dụng cụ thép, hoặc đo chi tiết thép trên máy có thang đo làm từ vật liệu khác.
Tính nhanh sai số do nhiệt
Độ giãn dài bằng hệ số giãn nở nhiệt nhân chiều dài nhân độ chênh nhiệt độ. Hệ số của thép thường lấy khoảng 11 đến 12 phần triệu trên mỗi độ C, của nhôm khoảng 23, đồng thau khoảng 19; giá trị đúng tuỳ mác vật liệu, tra sổ tay khi cần chính xác.
- Ví dụ giả định một: trục thép Ø50 mm vừa tiện xong nóng hơn panme 12 độ C. Giãn nở bằng 11,5 phần triệu nhân 50 nhân 12, khoảng 0,007 mm. Đo lúc nóng, trục to hơn khi nguội khoảng 7 µm, tức một phần lớn của dung sai IT6 ở kích thước này.
- Ví dụ giả định hai: vỏ nhôm dài 200 mm đo bằng thước thép, cả hai cùng ở 30 độ C, tức cao hơn 20 độ C là 10 độ. Phần chênh do hai vật liệu nở khác nhau bằng hiệu hai hệ số, khoảng 11,5 phần triệu, nhân 200 nhân 10, khoảng 0,023 mm. Ở 20 độ C, vỏ nhôm sẽ ngắn hơn số đọc khoảng 23 µm.
- Ví dụ giả định ba: cùng vỏ nhôm đó đo ở 20 độ C trong phòng đo của khách sẽ cho số nhỏ hơn số xưởng đo buổi trưa. Nếu dung sai chiều dài là cộng trừ 0,02 mm, chi tiết đạt ở xưởng có thể bị khách báo không đạt dù không ai đo sai.
- Kết luận cho thực hành: chi tiết dung sai chặt phải được để nguội về nhiệt độ phòng đo, cùng chỗ với dụng cụ, trong một khoảng thời gian đủ dài trước khi đo nghiệm thu; chi tiết lớn và dày cần lâu hơn chi tiết nhỏ.
Các phép nhân này rất hợp để giao cho trợ lý AI hoặc một bảng tính nhỏ, nhưng hệ số giãn nở phải do bạn nhập từ sổ tay theo đúng mác vật liệu. AI có thể đưa ra hệ số của một mác khác hoặc nhầm đơn vị, nên luôn yêu cầu nó trình bày công thức và đơn vị từng bước.
Quy tắc mười lần khi chọn dụng cụ đo
Một nguyên tắc kinh nghiệm hay được nhắc trong đo lường cơ khí là độ phân giải, hay tốt hơn là độ chính xác của dụng cụ, nên nhỏ hơn dung sai cần kiểm khoảng mười lần. Có nơi chấp nhận tỷ lệ bốn lần cho độ chính xác tổng của hệ thống đo. Con số cụ thể tuỳ quy định của xưởng và yêu cầu của khách, nhưng ý nghĩa là như nhau: dụng cụ thô so với dung sai thì phần lớn vùng dung sai bị sai số đo chiếm mất.
Áp vào thực tế, với dung sai 0,2 mm, thước cặp 0,02 mm đáp ứng tỷ lệ mười lần. Với dung sai 0,021 mm của một lỗ H7 cỡ 25 mm, tỷ lệ mười lần đòi hỏi dụng cụ cỡ 0,002 mm, tức đồng hồ đo lỗ tốt đã đặt 0 trên vòng chuẩn, hoặc calip, chứ không phải thước cặp, cũng không hẳn là panme đo trong thông thường. Chọn dụng cụ ngay từ lúc lập quy trình và ghi lên phiếu công nghệ giúp tránh chuyện mỗi người đo một kiểu.
Độ phân giải chỉ là một phần. Độ chính xác của phép đo còn phụ thuộc người đo và điều kiện. Cách đơn giản để biết phép đo của xưởng có đủ tốt không là cho cùng một người đo cùng một chi tiết mười lần, ghi số, xem độ phân tán; rồi cho hai ba người cùng đo, xem chênh lệch giữa họ. Nếu chênh lệch đó lớn so với dung sai, phải cải thiện phương pháp trước khi tin vào số đo. Đánh giá bài bản theo phương pháp thống kê thuộc mảng QC.
Chi tiết đo ra sát mép giới hạn: xử lý thế nào
Hiểu đúng vấn đề. Nếu sai số của phép đo vào khoảng vài micromet, một chi tiết đo ra cách giới hạn chỉ một micromet thực ra có thể nằm trong hoặc ngoài. Tiêu chuẩn về quy tắc quyết định trong kiểm tra, như bộ ISO 14253, đặt nguyên tắc là phải tính đến độ không đảm bảo đo khi chứng minh phù hợp hay không phù hợp.
Vùng bảo vệ phía nhà sản xuất. Cách làm phổ biến là xưởng tự đặt vùng chấp nhận hẹp hơn dung sai bản vẽ một lượng tương ứng với độ không đảm bảo đo. Chi tiết rơi vào dải sát mép được đo lại bằng phương pháp tốt hơn, chứ không mặc nhiên cho qua.
Thống nhất với khách. Khi khách đo bằng máy và phòng đo khác xưởng, nên thống nhất trước nhiệt độ đo, dụng cụ, chuẩn và quy tắc quyết định. Nhiều tranh chấp trả hàng không đến từ chi tiết sai mà từ hai bên đo theo hai cách.
Đừng làm tròn có lợi. Đọc 25,0215 rồi ghi 25,021 cho đạt là cách tự lừa mình. Ghi đúng số đọc với số chữ số hợp với dụng cụ, để người có trách nhiệm quyết định.
Dùng trợ lý AI trong phân tích sai số mà không lạc đề
AI giúp được ở phần tính toán và trình bày, ít giúp ở phần quan sát hiện trường. Một vài cách dùng có ích:
- Tính sai số giãn nở nhiệt cho một loạt kích thước, vật liệu và nhiệt độ bạn cung cấp, trình bày dạng bảng để dán ở chỗ đo.
- Đọc bảng mười lần đo của nhiều người, tính trung bình, độ lệch chuẩn từng người, chỉ ra ai có độ phân tán lớn.
- Liệt kê các nguồn sai số có thể cho một phép đo cụ thể bạn mô tả, để bạn kiểm từng mục tại xưởng.
- Soạn một trang quy định đo cho xưởng: thời gian chờ nguội, chỗ đo, dụng cụ cho từng mức dung sai, cách ghi số.
- Khi đưa số đo vào AI, chỉ giữ số thứ tự chi tiết và số đo; bỏ tên khách, mã đơn hàng và số bản vẽ của khách.
AI không biết xưởng của bạn có nắng chiếu vào bàn đo lúc ba giờ chiều hay không. Những nguồn sai số như vậy chỉ người đứng ở đó mới thấy, nên danh sách AI gợi ý luôn cần được bổ sung bằng quan sát thật.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chi tiết đo lúc nóng lại to hơn?
Kim loại giãn nở khi nhiệt độ tăng. Chi tiết vừa gia công xong nóng hơn dụng cụ đo nên đo ra to hơn kích thước khi đã nguội. Với thép, mỗi độ chênh làm một trục 50 mm dài thêm khoảng nửa micromet, cộng dồn lại đủ làm sai lệch ở dung sai chặt.
Xưởng không có phòng điều hoà 20 độ C thì đo nghiệm thu thế nào?
Để chi tiết và dụng cụ cùng nằm ở chỗ đo đủ lâu cho cân bằng nhiệt, tránh nắng và gió, ghi nhiệt độ lúc đo. Với chi tiết dung sai rất chặt hoặc vật liệu khác dụng cụ, tính bù giãn nở hoặc thống nhất với khách nơi và cách đo.
Dụng cụ có độ phân giải 0,01 mm có đo được dung sai 0,02 mm không?
Về mặt hiển thị thì có, nhưng theo quy tắc kinh nghiệm, dụng cụ nên chính xác hơn dung sai khoảng mười lần. Với dung sai 0,02 mm, phần sai số của dụng cụ và người đo có thể chiếm phần lớn vùng dung sai, nên kết luận không đáng tin.
Sai số hệ thống phát hiện bằng cách nào?
Đo lặp lại không phát hiện được vì mọi lần đều lệch cùng một lượng. Phải đối chiếu với chuẩn đã biết kích thước như căn mẫu, thanh chuẩn, hoặc với một dụng cụ đáng tin hơn. Kiểm điểm 0 đầu ca là cách phát hiện đơn giản nhất.
Có nên đo nhiều lần rồi lấy trung bình không?
Đo nhiều lần lấy trung bình giúp giảm sai số ngẫu nhiên, như rung tay hay đặt dụng cụ lệch chút ít. Nó không giảm được sai số hệ thống như dụng cụ lệch điểm 0 hay chi tiết còn nóng.
Khách báo chi tiết không đạt trong khi xưởng đo đạt thì làm gì?
Trước hết so điều kiện đo của hai bên: nhiệt độ, dụng cụ, chuẩn, vị trí đo và cách tính. Đo lại cùng một chi tiết ở cả hai nơi nếu được. Nhiều trường hợp chênh lệch đến từ nhiệt độ hoặc chuẩn đo khác nhau chứ không phải chi tiết sai.