Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo và cơ khí động lực tại Việt Nam liên tục tiếp nhận các dòng vốn đầu tư trực tiếp nước ngoài, đòi hỏi các doanh nghiệp phải nâng cao chất lượng sản phẩm để đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe từ đối tác quốc tế. Để tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh, việc kiểm soát và duy trì tính ổn định của hệ thống đo lường cũng như năng lực kiểm tra chất lượng tại xưởng sản xuất là yếu tố sống còn.

Qua quá trình thực tập và tiếp cận hiện trường sản xuất trong thời gian 6 tháng tại Công ty Hữu Hạn Cơ Khí Động Lực Toàn Cầu (GPMI - Global Powersports Manufacturing Inc), nhóm tác giả ghi nhận tình trạng hệ thống đo lường tại phân xưởng sản xuất linh kiện (phân xưởng CNC) thiếu tính ổn định, xuất hiện các sai lệch đo lường và phát sinh khiếu nại từ phía khách hàng về chất lượng chi tiết sau gia công. Trước tình trạng đó, đồ án được thực hiện nhằm giải quyết hai mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm:

  1. Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống thiết bị đo lường trực tiếp tại phân xưởng sản xuất linh kiện của công ty GPMI.
  2. Nhiệm vụ 2: Đánh giá, phân tích và nâng cao năng lực của đội ngũ nhân viên kiểm soát chất lượng (QC) tại phân xưởng thông qua cả hai phương thức kiểm tra định tính (ngoại quan bề mặt) và kiểm tra định lượng (đo kích thước hình học).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm quy trình kiểm soát chất lượng, các trang thiết bị đo lường chuyên dụng tại xưởng cơ khí (panme đo trong điện tử, cần lắc, thước đo chiều cao, thước kẹp) và năng lực thao tác của nhân viên kiểm tra chất lượng (QC). Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn tại phân xưởng gia công linh kiện cơ khí CNC của Công ty Hữu Hạn Cơ Khí Động Lực Toàn Cầu. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu diễn ra trong Học kỳ II năm học 2022–2023, trải qua 15 tuần làm việc theo kế hoạch đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết quản trị chất lượng toàn diện (TQM), mô hình nhận diện sai số 4M1E (Con người - Man, Thiết bị - Machine, Vật liệu - Material, Phương pháp - Method, Môi trường - Environment) và 7 công cụ kiểm soát chất lượng truyền thống (bao gồm Biểu đồ kiểm soát, Biểu đồ nhân quả/Ishikawa, Biểu đồ Pareto, Biểu đồ phân bố/Histogram, Biểu đồ phân tán, Lưu đồ và Phiếu kiểm tra). Kỹ thuật phân tích nguyên nhân gốc rễ 5 Whys được sử dụng kết hợp để xác định cội nguồn sai sót kỹ thuật.

Trọng tâm lý thuyết của đề tài là phương pháp Phân tích hệ thống đo lường (Measurement System Analysis - MSA). Nhóm tác giả áp dụng các khái niệm và công thức tính toán độ lặp lại (Repeatability), độ tái lập (Reproducibility), độ lệch (Bias) và các chỉ số năng lực đo lường:

  • Chỉ số khả năng của thiết bị: $Cg = \frac{USL - LSL}{6\sigma}$
  • Chỉ số khả năng hiệu chỉnh theo giá trị trung bình: $Cgk = \min\left(\frac{USL - \bar{X}}{3\sigma}, \frac{\bar{X} - LSL}{3\sigma}\right)$
  • Phân tích độ lặp lại và độ tái lập của hệ thống đo (Gage R&R) dựa trên mô hình phân tích phương sai hai nhân tố có tương tác (Two-way ANOVA Crossed).
  • Tiêu chuẩn lấy mẫu nghiệm thu AQL (Acceptable Quality Level) theo các cấp độ kiểm tra nhằm thiết lập quy trình lấy mẫu đại diện cho các lô linh kiện cơ khí chính xác (áp dụng mức AQL 1.0%–1.5%).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai thông qua việc thu thập dữ liệu đo lường trực tiếp tại hiện trường phân xưởng. Cụ thể, nhóm thực hiện 32 lần đo thực nghiệm lặp lại trên từng loại dụng cụ để khảo sát độ ổn định; xây dựng các bộ mẫu chuẩn để kiểm tra lặp lại 3 lần trên từng kiểm tra viên QC đối với kiểm tra định tính; và thiết kế ma trận thử nghiệm biến thiên giữa người đo và chi tiết gia công đối với kiểm tra định lượng. Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được xử lý, mô phỏng và kiểm định thống kê trên phần mềm chuyên dụng Minitab (chức năng Attribute Gage Study, Gage R&R Study Crossed ANOVA, Run Chart, Xbar-R Chart) kết hợp phần mềm Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp hóa, sự phát triển của các doanh nghiệp cơ khí động lực tại Việt Nam và nhu cầu cấp thiết về việc tối ưu hóa quy trình kiểm soát chất lượng tại hiện trường. Tác giả tổng hợp 10 công trình nghiên cứu khoa học liên quan trong và ngoài nước về quản trị chất lượng toàn diện (TQM), phương thức sản xuất tinh gọn (Lean Manufacturing), phương pháp đúng thời điểm (JIT) và mối tương quan giữa quản lý chất lượng với hiệu quả doanh nghiệp (tiêu biểu như các nghiên cứu của Phan et al., 2019; Beh et al., 2013; Hong, 2015; Zehir et al., 2012; Zhou & Li, 2020; Phạm Thị Mỹ Dung, 2020; Nguyễn Thị Đức Nguyên & Nguyễn Quốc Chính, 2017; Sornsaruht & Pimdee, 2020; Hung & Huang, 2018). Từ các nghiên cứu này, tác giả xác định đối tượng, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và xây dựng biểu đồ tiến độ thực hiện đồ án chi tiết trong thời gian 15 tuần.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý luận về chất lượng, lịch sử phát triển của quản lý chất lượng từ thế kỷ 13 đến nay, cùng cấu trúc của 7 công cụ quản lý chất lượng và phương pháp phân tích 5 Whys. Trọng tâm của chương là khung lý thuyết phân tích hệ thống đo lường (MSA), phân tích các nguồn biến thiên theo 4M1E, công thức xác định các chỉ số năng lực $Cg$ và $Cgk$, phương pháp đánh giá độ tin cậy Gage R&R, phương pháp phân tích phương sai ANOVA và kỹ thuật phân tích sai số hồi quy. Bên cạnh đó, chương cung cấp kiến thức nền tảng về phần mềm phân tích thống kê Minitab, các nguyên lý lấy mẫu kiểm tra theo tiêu chuẩn AQL (lấy mẫu đơn, lấy mẫu kép, lấy mẫu tuần tự) và tiêu chuẩn đánh giá chỉ số năng lực quy trình $Cpk$.

Chương 3: Nghiên cứu quy trình lấy mẫu, khảo sát đánh giá nâng cao hệ thống đo lường tại Công ty Hữu Hạn Cơ Khí Động Lực Toàn Cầu

Chương 3 tập trung khảo sát thực trạng dây chuyền sản xuất và cơ cấu tổ chức bộ phận chất lượng (QA/QC) tại công ty GPMI, phân tích các dữ liệu khiếu nại chất lượng từ khách hàng liên quan đến linh kiện gia công tại phân xưởng CNC. Tác giả tiến hành tính toán cỡ mẫu cần đánh giá dựa trên sản lượng ca làm việc, sau đó thực hiện khảo sát thực nghiệm trên 3 nhóm thiết bị đo chuyên dụng:

  • Panme đo trong điện tử (kiểm soát kích thước đường kính trong): Thực hiện 32 lần đo ban đầu, nhập dữ liệu vào Minitab vẽ biểu đồ Run Chart, phát hiện hệ thống đo lường không đạt yêu cầu chấp nhận; thành lập tổ phân tích nguyên nhân, dùng biểu đồ xương cá và kỹ thuật 5 Whys để xác định lỗi do thao tác gá đặt và điều kiện môi trường; đề xuất biện pháp khắc phục, xây dựng kế hoạch đánh giá lại và tiến hành 32 lần đo sau cải tiến để chứng minh hệ thống đạt chuẩn.
  • Dụng cụ cần lắc (kiểm tra kích thước biên dạng đặc thù): Thực hiện chuỗi 32 lần đo, phân tích biểu đồ Run Chart trên Minitab, xác định tình trạng dao động vượt giới hạn; truy tìm nguyên nhân gốc rễ qua 5 Whys, cải tiến cơ cấu tỳ đè và chuẩn hóa quy trình thao tác, sau đó đo lường lặp lại để xác nhận trạng thái ổn định.
  • Thước đo chiều cao (kiểm soát kích thước chiều cao linh kiện): Tiến hành 32 lượt đo kiểm, phân tích các điểm dị biệt trên Minitab Run Chart; tổ chức nhóm phân tích nguyên nhân theo 4M1E, tiến hành hiệu chỉnh thiết bị, đào tạo tư thế đo chuẩn và đo lường tái đánh giá với kết quả cải thiện rõ rệt.

Chương 4: Nghiên cứu, phân tích nâng cao hệ thống đánh giá năng lực người QC tại Công ty Hữu Hạn Cơ Khí Động Lực Toàn Cầu

Chương 4 giải quyết bài toán nâng cao năng lực của nhân viên kiểm tra chất lượng (QC) qua hai giai đoạn thử nghiệm:

  • Đánh giá năng lực QC qua kiểm tra định tính: Nhóm nghiên cứu tiến hành kiểm tra ngoại quan biên dạng (Profile) hai mặt bên của chi tiết gia công CNC; lập biểu đồ Pareto để nhận diện các dạng lỗi ngoại quan chiếm tỷ lệ cao nhất. Tác giả thiết lập bộ mẫu chuẩn gồm các sản phẩm đạt và lỗi, tổ chức thử nghiệm đánh giá lần 1 đối với các nhân viên QC (mỗi nhân viên thực hiện đánh giá lặp lại 3 lần). Dữ liệu nhập vào Minitab chạy công cụ Attribute Gage Study cho thấy nhiều quyết định đánh giá không nhất quán (ví dụ: trường hợp nhân viên kiểm hàng Nguyễn Đăng Quân có 5 lần phán đoán không nhất quán giữa các lượt đo và sai lệch so với mẫu chuẩn). Nhóm tiến hành phân tích nguyên nhân qua biểu đồ xương cá và 5 Whys, ban hành bảng tiêu chuẩn nhận diện lỗi trực quan, xây dựng lại bộ mẫu chuẩn mới và tổ chức đánh giá lần 2; kết quả cho thấy mức độ đồng nhất nội tại của từng người đo và giữa các người đo với mẫu chuẩn được nâng lên rõ rệt.
  • Đánh giá năng lực QC qua kiểm tra định lượng: Sử dụng thước kẹp cơ 200 mm tiến hành đo kích thước hình học trên bộ mẫu 20 linh kiện bởi 3 nhân viên kiểm tra với nhiều lần đo lặp lại. Kết quả phân tích ANOVA Gage R&R Crossed trên Minitab lần 1 chỉ ra tỷ lệ biến thiên hệ thống đo lường (%Study Variation và %Tolerance) vượt quá giới hạn chấp nhận do ảnh hưởng của kỹ năng đọc vạch chia cơ khí và lực kẹp không đồng đều. Nhóm áp dụng 5 Whys đề xuất giải pháp: thay thế toàn bộ bằng thước kẹp điện tử 200 mm có độ chính xác cao hơn, hiệu chuẩn thiết bị định kỳ và chuẩn hóa phương pháp đo. Thử nghiệm đánh giá lần 2 được tiến hành trên bộ mẫu chuẩn mới gồm 15 linh kiện; kết quả phân tích số liệu ANOVA và các biểu đồ thành phần biến thiên (Components of Variation, R Chart, Xbar Chart, Part * Operator) xác nhận tỷ lệ sai số hệ thống đo lường đã giảm xuống mức cho phép, hệ thống đo định lượng đạt chuẩn chấp nhận.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại những kết quả đo lường và cải tiến cụ thể tại hiện trường phân xưởng sản xuất linh kiện GPMI, được tổng hợp qua bảng so sánh trước và sau cải tiến:

Nội dung đánh giá Trạng thái trước cải tiến Trạng thái sau cải tiến Biện pháp kỹ thuật áp dụng
Panme đo trong điện tử (Chương 3) Biểu đồ Run Chart dao động không ổn định; hệ thống đo không được chấp nhận qua 32 lần đo ban đầu. Các điểm đo nằm trong giới hạn kiểm soát trên Run Chart; chỉ số đo lường đạt chuẩn chấp nhận qua 32 lần đo lại. Hiệu chỉnh chuẩn thiết bị, chuẩn hóa tư thế cầm và góc tiếp xúc đầu đo theo nguyên tắc 4M1E.
Dụng cụ Cần lắc (Chương 3) Tồn tại sai số lớn do lực tỳ đè biến thiên; kết quả phân tích Minitab không đạt yêu cầu. Hệ thống đo lường ổn định, triệt tiêu các điểm bất thường trên đồ thị phân tích Minitab. Chuẩn hóa quy trình thao tác gá đặt chi tiết, cố định lực kẹp khi đo.
Thước đo chiều cao (Chương 3) Biến động đo vượt ngưỡng cho phép trong 32 lần đo thử nghiệm đợt 1. Kết quả 32 lần đo đợt 2 ổn định, phân bố đều quanh giá trị danh nghĩa. Vệ sinh bàn rà chuẩn, hiệu chỉnh điểm 0 (zero setting), thống nhất vị trí đặt đầu dò.
Năng lực QC định tính (Chương 4) Tỷ lệ nhất quán giữa các lần đo của kiểm tra viên thấp; phát sinh sai lệch giữa các QC và so với mẫu chuẩn. Tỷ lệ phần trăm sự nhất quán giữa các lần đo của từng QC và giữa các QC so với mẫu chuẩn tăng cao. Xây dựng bảng ranh giới lỗi ngoại quan trực quan; huấn luyện nhận diện lỗi Profile 2 mặt bằng bộ mẫu chuẩn mới.
Năng lực QC định lượng (Chương 4) Thước kẹp cơ 200 mm cho chỉ số Gage R&R (%Contribution, %Study Var) vượt ngưỡng chấp nhận theo bảng ANOVA. Đánh giá lại với bộ mẫu 15 linh kiện; các chỉ số biến thiên hệ thống đo lường đều ở mức ổn định và được chấp nhận. Chuyển đổi sử dụng thước kẹp điện tử 200 mm; chuẩn hóa quy trình thao tác chuẩn (SOP) cho nhân viên QC.

Các giải pháp và kiến nghị chính do nhóm tác giả đề xuất gồm:

  • Ban hành và áp dụng nghiêm ngặt quy trình thao tác chuẩn (SOP) cho từng vị trí kiểm tra chất lượng tại phân xưởng CNC.
  • Thay thế triệt để các thiết bị đọc vạch chia cơ khí bằng thiết bị đo hiển thị số điện tử (thước kẹp điện tử 200 mm) để loại bỏ sai số do thị giác người kiểm hàng.
  • Thiết lập hệ thống bảng mẫu chuẩn ngoại quan tại hiện trường cho các dạng lỗi Profile mặt bên.
  • Duy trì định kỳ hoạt động đánh giá MSA và kiểm tra năng lực nhân viên QC hàng quý.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc chuyển giao và ứng dụng trực tiếp các phương pháp phân tích thống kê nâng cao (MSA, Gage R&R Crossed, ANOVA, Attribute Gage Study) vào một dây chuyền sản xuất cơ khí thực tế tại doanh nghiệp, giải quyết dứt điểm sự thiếu ổn định của hệ thống đo lường và nâng cao độ chính xác của các quyết định kiểm soát chất lượng tại công ty GPMI.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi triển khai thực tế:

  • Nghiên cứu chỉ tập trung giải quyết các vấn đề chất lượng tại một phân xưởng gia công linh kiện CNC thuộc công ty GPMI, chưa mở rộng sang các phân xưởng dập, hàn hoặc lắp ráp cơ khí động lực khác của toàn bộ công ty VPIC.
  • Số lượng dụng cụ đo khảo sát mới dừng lại ở 4 loại thiết bị điển hình (panme đo trong, cần lắc, thước đo cao, thước kẹp) và một số kích thước hình học/lỗi ngoại quan cụ thể của chi tiết.
  • Quá trình thu thập dữ liệu còn phụ thuộc vào thao tác thủ công của kiểm tra viên trong khoảng thời gian thực tập 15 tuần.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả xác định trong văn bản:

  • Mở rộng phạm vi đánh giá hệ thống đo lường và phân tích năng lực công đoạn ($Cpk$) trên toàn bộ các công đoạn chế tạo khác trong nhà máy.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị đo lường tự động hóa không tiếp xúc, máy đo tọa độ ba chiều (CMM) và hệ thống kiểm tra quang học tự động.
  • Ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI) trong việc giám sát, thu thập dữ liệu đo lường theo thời gian thực để giảm thiểu sự can thiệp thủ công của con người.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cao đối với sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Công nghiệp, Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp, Quản lý Công nghiệp và Cơ khí Chế tạo máy đang thực hiện đề tài tốt nghiệp về quản trị chất lượng. Tài liệu cũng đặc biệt hữu ích cho các kỹ sư quản lý chất lượng (QA/QC), trưởng ca sản xuất tại các nhà máy chế tạo cơ khí phụ trợ đang tìm kiếm phương pháp giải quyết tình trạng sai lệch đo lường và bất đồng trong đánh giá ngoại quan.

Phần đáng tham khảo nhất trong công trình là quy trình từng bước ứng dụng phần mềm Minitab để xử lý dữ liệu thực nghiệm kiểm soát chất lượng, bao gồm:

  • Quy trình thiết lập bảng tính và thực hiện phân tích định tính bằng công cụ Attribute Gage Study.
  • Cách thiết kế ma trận thử nghiệm, nhập thông số và đọc kết quả phân tích phương sai ANOVA trong Gage R&R Study (Crossed).
  • Phương pháp phối hợp giữa biểu đồ xương cá và kỹ thuật 5 Whys để truy tìm nguyên nhân sai số thiết bị dựa trên cấu trúc 4M1E tại hiện trường sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng phương pháp thống kê nào để tính toán các chỉ số Gage R&R trong kiểm tra định lượng?

Đề tài sử dụng phương pháp phân tích phương sai hai nhân tố có tương tác (Two-way ANOVA Crossed) trên phần mềm Minitab để bóc tách các thành phần biến thiên của hệ thống đo lường, bao gồm biến thiên do độ lặp lại (Repeatability của thiết bị), độ tái lập (Reproducibility của người kiểm tra) và tương tác giữa chi tiết với người đo (Part * Operator).

2. Những thiết bị đo lường cụ thể nào tại phân xưởng CNC được nhóm tác giả khảo sát và nâng cao hiệu quả ở Chương 3?

Ba thiết bị đo lường được tiến hành khảo sát qua 32 lần đo thực nghiệm, phân tích biểu đồ Run Chart và cải tiến là: Panme đo trong điện tử (kiểm tra kích thước đường kính trong), Dụng cụ cần lắc (kiểm tra kích thước biên dạng gá đặt) và Thước đo chiều cao (kiểm tra kích thước chiều cao linh kiện).

3. Giải pháp kỹ thuật then chốt nào đã giúp cải thiện năng lực kiểm tra định lượng của nhân viên QC ở Chương 4?

Nhóm tác giả đã thực hiện chuyển đổi toàn bộ công cụ đo kích thước từ thước kẹp cơ 200 mm sang thước kẹp điện tử 200 mm nhằm triệt tiêu sai số đọc vạch chia bằng mắt thường, đồng thời ban hành quy trình thao tác chuẩn (SOP) để cố định lực kẹp và tư thế đo của nhân viên kiểm tra.

4. Việc đánh giá năng lực kiểm tra định tính của nhân viên QC tập trung vào dạng lỗi nào của sản phẩm?

Đánh giá năng lực định tính tập trung vào việc kiểm tra ngoại quan biên dạng (Profile) hai mặt bên của linh kiện cơ khí sau gia công CNC. Các dạng sai lỗi được phân loại bằng biểu đồ Pareto và kiểm tra viên được đánh giá mức độ nhất quán dựa trên bộ mẫu chuẩn gồm các sản phẩm đạt và phế phẩm.

5. Tiêu chuẩn lấy mẫu nào được nhóm tác giả lựa chọn để kiểm tra lô hàng trong nghiên cứu?

Nhóm tác giả áp dụng quy trình lấy mẫu theo chuẩn AQL (Acceptable Quality Level), trong đó đối với ngành sản xuất linh kiện cơ khí chính xác đòi hỏi chất lượng khắt khe, nhóm xác định áp dụng các mức giới hạn lỗi chấp nhận được từ AQL 1.0% đến AQL 1.5%.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Lê Hòa và Võ Trung Hưng đã giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng tại phân xưởng sản xuất linh kiện của Công ty Hữu Hạn Cơ Khí Động Lực Toàn Cầu (GPMI). Bằng việc vận dụng hệ thống lý thuyết MSA, mô hình phân tích phương sai ANOVA trên phần mềm Minitab và kỹ thuật 5 Whys, nghiên cứu đã khắc phục tình trạng thiếu ổn định của các thiết bị đo (panme, cần lắc, thước đo cao) và chuẩn hóa năng lực kiểm tra định tính lẫn định lượng của đội ngũ QC. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại giải pháp thực tế giúp giảm thiểu sai lệch chất lượng tại doanh nghiệp mà còn cung cấp một tài liệu tham khảo phương pháp luận hoàn chỉnh cho sinh viên ngành Kỹ thuật Công nghiệp.