उत्पादनातील स्वयंचलनासाठी ऑप्टिकल मेट्रॉलॉजी

Udyam Prakashan Marathi    10-Mar-2020
Total Views |
 
उत्पादनाच्या गुणवत्तेचे जिथे काटेकोर मानक पाळावे लागतात अशा कोणत्याही औद्योगिक प्रक्रियेमध्ये संवेदक (सेन्सर) आणि स्मार्ट प्रणाली यांचे स्थान अजूनही समर्पक आणि महत्त्वपूर्ण आहे. स्मार्ट प्रणालीला कोणत्याही उत्पादन प्रक्रियेत सहजपणे सामावून घेण्यासाठी नाविन्यपूर्ण उपाययोजना आवश्यक असतात. मेट्रॉलॉजी हे असे साधन आहे जे कोणत्याही नवीन प्रक्रियेची घडी बसविण्यासाठी, उच्च प्रमाणातील उत्पादन प्रक्रियेचे संनियंत्रण (मॉनिटरिंग) आणि उत्पादनाची गुणवत्ता आणि सुरक्षितता सुनिश्चित करण्यासाठी विश्लेषण आणि प्रक्रिया इष्टतमीकरणामध्ये (ऑप्टिमायझेशन) हातभार लावते. यामुळे उत्पादक त्यांच्या प्रक्रियांवर कडक नियंत्रण ठेवू शकतात. 
 

t1_1  H x W: 0  
 
गुणवत्ता आणि आवर्तन काळ हे औद्योगिक उत्पादन प्रक्रियेचा किफायतशीरपणा निश्चित करण्यासाठी दोन निर्णायक घटक आहेत. हे दोन्ही घटक सुलभतेने साध्य करण्यात जलद, स्वयंचलित आणि पूर्वसिद्ध (प्रूव्हन)तपासणी तंत्रज्ञानाचा वापर करून अंमलात आणलेली गुणवत्ता हमी मोठ्या प्रमाणात हातभार लावते. शून्य त्रुटी दराच्या (एरर रेट) आवश्यकतेमुळे, तयार होणाऱ्या भागांची 100% तपासणी आजकाल अतिशय सामान्य गरज झाली आहे. वस्तूंचे प्रचंड प्रमाणात अखंड उत्पादन करावयाचे असेल, तर संपर्कमुक्त मापन तंत्र असलेली इनलाइन मेट्रॉलॉजी हा एक चांगला उपाय आहे. मोजमापातून मिळणाऱ्या निष्कर्षांचा फीडबॅक सुधारात्मक उपायांसाठी उत्पादन प्रक्रियेमध्ये थेट दिला जात असल्याने अशी तपासणी प्रणाली कार्यक्षम आणि स्पर्धात्मक उत्पादन प्रक्रियेची अविभाज्य भाग मानली जाते. वेग, मोजमापनातील अचूकता, विश्वसनीयता आणि मापनाचे योग्य नियम ही इनलाइन ऑप्टिकल मोजमाप यंत्रणेची प्रमुख वैशिष्ट्ये आहेत. 
 
इनलाइन मापन प्रणाली
 
वस्तुनिर्मितीच्या वातावरणात मेट्रॉलॉजी, मशिनबरोबर एकात्मिक (इंटिग्रेटेड) केलेली असते. पारंपरिक उत्पादनात, यंत्रभाग क्लॅम्पमधून बाहेर काढून तपासणीसाठी मशिनपासून दूर नेला जातो. तपासणी करण्यासाठी स्वतंत्र कक्ष असतो. एकात्मिक वातावरणात, कार्यवस्तूची इनलाइन तपासणी केली जाते.
 
ऑप्टिकल मेट्रॉलॉजी प्रणालीचे डिझाइन अॅप्लिकेशनवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते. भिंग (लेन्स), प्रतिमा संवेदक (इमेज सेन्सर) आणि कॅमेरा सर्व प्रकारच्या ऑप्टिकल तपासणी प्रणालीचे मुख्य घटक असतात. प्रत्येक घटक परिमाणात्मक (क्वान्टिटेटिव्ह) आणि गुणात्मक (क्वालिटेटिव्ह) पैलूंमध्ये प्रणालीच्या कार्यक्षमतेवर प्रभाव पाडतो. परिमाणात्मक पॅरामीटर म्हणजे मापन अचूकता तसेच कार्यवस्तू प्रणालीत नोंदवून त्याचे मापन करण्यासाठी लागणारा वेळ. त्याशिवाय कार्यवस्तू स्थिर आहे की हलणारी (उदाहरणार्थ, कन्व्हेअरवर फिरते आहे किंवा रोबोद्वारे हाताळली जात आहे) 
आहे की नाही, हेदेखील ध्यानात घेणे आवश्यक आहे.
 
गुणात्मक पॅरामीटर ही मोजमाप यंत्रणेची विश्वसनीयता आहे. बदलते तापमान आणि प्रकाश यासारखी बदलती पर्यावरणीय परिस्थिती असूनही मापन परिणाम सुसंगत आणि पुनरावर्तनक्षम असणे आवश्यक आहे. प्रत्येक औद्योगिक समस्या म्हणजे एक वेगळ्याच प्रकारचे आव्हान असते. समस्येचे संपूर्ण निदान करण्यासाठी कोणतीही प्रमाणित कार्यपद्धती नसल्यामुळे प्रत्येक समस्येचा स्वतंत्रपणे विचार करावा लागतो. योग्य हार्डवेअर, प्रकाशयोजनेचे डिझाइन, यंत्रभाग हाताळण्यासाठीची प्रणाली आणि योग्य प्री प्रोसेसिंग आणि पोस्ट प्रोसेसिंग अल्गोरिदम निवडण्यापासून सुरुवात करून प्रत्येक अॅप्लिकेशनसाठी सोयीस्कर असेल अशा रीतीने तपासणी प्रणालीची रचना करावी लागते.
 
प्रत्येक पैलूचे महत्त्व अधोरेखित करण्यासाठी पुढे काही उदाहरणे दिली आहेत. या प्रणाली सेंट्रल मॅन्युफॅक्चरिंग टेक्नॉलॉजी इन्स्टिट्यूटमध्ये (CMTI) उद्योगांच्या गरजा समजून घेऊन विकसित केल्या आहेत. याची काही उदाहरणे पुढे दिली आहेत.
 
गुणवत्तेसाठी दोष तपासणी प्रणाली 
रीटेनिंग बुश 
 

Fig_1  H x W: 0 
 
उद्देश : वाहन उद्योगातील ‘रीटेनिंग बुश’ (चित्र क्र. 1) या प्लास्टिक इंजेक्शन मोल्ड पद्धतीने तयार होणाऱ्या सुरक्षेच्या दृष्टीने महत्त्वपूर्ण घटकामधील दोष ओळखणे आणि त्यांचे वर्गीकरण करणे आवश्यक होते. तसेच आवश्यक असलेल्या महत्त्वपूर्ण परिमाणांचेदेखील नमुना आधारावर स्वयंचलितपणे मापन करणे, या तपासणीत समाविष्ट करणे आवश्यक होते. 
आव्हान : यंत्रभागाचे स्थान स्थिर नसल्याने त्याची हाताळणी करणे आव्हानात्मक होते. 
उपाय : यंत्रभागाला तपासणी स्थानकाकडे निश्चित अभिमुखतेने (ओरिएन्टेशन) पाठविण्यासाठी लिनीयर फीडरनंतर एक योग्य व्हायब्रेटरी फीडर (चित्र क्र. 2) बसविला. तसेच दोन कॅमेरे वापरून तपासणी यंत्रणा विकसित केली. पहिला कॅमेरा वरच्या पृष्ठभागावरील दोष (उदाहरणार्थ, भरलेले छिद्र, अतिरिक्त फ्लॅश, रंग उडलेला असणे) ओळखण्यासाठी आणि दुसरा कॅमेरा साइड व्ह्यूमध्ये दिसणारे दोष (मोडलेला पाय, गहाळ पाय इत्यादी) शोधण्यासाठी लावला. दोन्ही कॅमेरे 200 fps फ्रेम रेटसह 0.3 MP रिझोल्यूशनचे आहेत. तपासणीत काही महत्त्वपूर्ण परिमाण मोजमापनदेखील समाविष्ट होते.
 
वरील उपाययोजनेमुळे (चित्र क्र. 3) प्रति सेकंद 3 भागांची तपासणी (चित्र क्र. 4) करणे शक्य झाले. तपासणीचा दर तपासणी प्रणालीद्वारे नव्हे तर यांत्रिक फीडर प्रणालीद्वारे मर्यादित होता. यंत्रभाग स्थिर स्थितीत पकडला गेल्यावर (लॉक) प्रॉक्सिमिटी सेन्सरद्वारे सेन्स केला जातो आणि त्यानंतर कॅमेरा लगेच टॉप तसेच साइड व्ह्यू प्रतिमा टिपतो. व्हिजन कंट्रोलरकडून मिळणाऱ्या संकेतानुसार सोलेनॉइडचालित न्यूमॅटिक व्हॉल्व्ह यंत्रभागाला स्वीकृत किंवा अस्वीकृत अशा दोन भिन्न बिनमध्ये टाकतो.
 

4_1  H x W: 0 x 
 
ड्रिपर 
 

5_1  H x W: 0 x 
 
उद्देश : ड्रिपरच्या (चित्र क्र. 5 ) उत्पादन दराशी मिळतीजुळती स्वयंचलित तपासणी प्रणाली विकसित करणे. 
आव्हान : उत्पादन दराशी जुळण्यासाठी प्रति मिनिट 600 भाग असा तपासणी दर आवश्यक होता.
उपाय : एरिया स्कॅन कॅमेरा वापरून वेगाने हालणाऱ्या कार्यवस्तुची स्थिर काटेकोर प्रतिमा मिळविण्यासाठी आम्हाला अतिशय कमी एक्स्पोजर वेळ, उच्च गती शटरिंग, शक्तिशाली प्रकाश स्त्रोत, प्रतिमा घेण्याच्या सिंक्रोनाइझेशनमध्ये स्ट्रोब इग्नायटिंग अशा बाबींवर काम करावे लागते. या सगळ्यामुळे प्रणालीची क्लिष्टता वाढते आणि चांगली प्रतिमा मिळविणे सामान्यतः अधिकच कठीण आणि महाग होते.
 
याउलट, लाइन स्कॅन कॅमेरे उत्पादनाला समांतर पद्धतीने उच्च गतीने हलणाऱ्या कार्यवस्तूचे प्रतिमांकन करण्याची मागणी पुरविण्यासाठी अतिशय योग्य असतात. उदाहरणार्थ, कापडाची तपासणी, वेब तपासणी, प्रिंटेड सर्किट बोर्डाची तपासणी, खाद्यपदार्थांची गुणवत्ता तपासणी, टेक्श्चर असलेल्या पृष्ठभागांमधील दोष शोधणे, इत्यादी.
प्रस्तावित उपाययोजनेत लाइन स्कॅन कॅमेरा वापरून उच्च गतीने तपासणी करण्याची प्रणाली (चित्र क्र. 6) देण्यात आली आहे. याद्वारे 600 भाग/मिनिट या दराने ड्रिपरच्या परिघामधील विविध दोषांची तपासणी केली जाते. आवश्यक तपासणी दर पूर्ण करण्यासाठी, समान सेटअप वापरून एकाच वेळी 2 ड्रिपर प्रणालीमध्ये टाकून त्यांची तपासणी केली जाते. 
 

6_1  H x W: 0 x 
 
मापन प्रणाली 
बोन स्क्रू
 

7_1  H x W: 0 x 
 
उद्देश : शल्यक्रियेत वापरण्यात येणाऱ्या स्क्रूची (चित्र क्र. 7) अनेक महत्त्वपूर्ण मितीय वैशिष्ट्ये मोजण्यासाठी स्वयंचलित व्हिजन आधारित तपासणी प्रणाली विकसित करणे.
आव्हान : ज्याची तपासणी करावयाची आहे त्या स्क्रूमधील वैविध्य, आवश्यक पॅरामीटरची तपासणी करण्यासाठी हाडांच्या स्क्रूच्या अनेक बाजूने प्रतिमा घेणे आवश्यक होते. तसेच टॉप व्ह्यूमध्ये वेगवेगळ्या प्रतलातील वैशिष्ट्ये (फीचर्स) असल्यामुळे भिन्न फोकस पोझिशनची आवश्यकता होती. तपासणीच्या अचूकतेची गरज मोठ्या प्रमाणात होती.
उपाय : यासाठी दोन कॅमेऱ्यांचा सेटअप (चित्र क्र. 8 आणि 9) वापरला गेला. एकामध्ये थ्रेड प्रोफाइल काढण्यासाठी अचूकपणे समांतर केलेला बॅक लाइट वापरला, तर दुसऱ्यात झूम लेन्सचा उपयोग करून टॉप व्ह्यूमधील भिन्न वैशिष्ट्ये (उदाहरणार्थ, इन सर्कल, निरनिराळ्या फ्लॅटमधील रुंदी आणि बाह्य वर्तुळ इत्यादी) चित्रित केली गेली. 
 

8_1  H x W: 0 x 

9_1  H x W: 0 x 
 
व्हिजन तंत्राद्वारे मशिन टूलमध्ये औष्णिक त्रुटीची भरपाई
 
उद्देश : उष्णतेमुळे तयार झालेल्या त्रुटी हा मशिन टूलमधील दोषांचा एक मुख्य स्त्रोत आहे. त्यामुळे उत्पादित यंत्रभागामध्ये त्रुटी निर्माण होते. यंत्रणाच्या त्रुटींमधील 70% त्रुटींमध्ये औष्णिक बदलांचे योगदान असू शकते, असे एका अभ्यासाद्वारे दर्शविले गेले आहे. त्यामुळे मशिनमध्ये औष्णिक त्रुटींमुळे होणारा मशिन टूल स्पिंडल ऑफसेट शोधण्याची आणि भरपाई करण्याची पद्धत आणि प्रणाली आवश्यक आहे. ही प्रणाली सोपी, सेटअप वेळ कमी असणारी, अचूक, मजबूत आणि अष्टपैलू असणे अपेक्षित आहे. औष्णिक बदलांमुळे विरूपण होत असले तरीही ‘स्पिंडल’ आणि ‘टेबल’ यांच्यामधील स्थानविषयक विशेष संबंध यथावत ठेवणे हा यामागचा उद्देश होता. 
 
मशिन टूल डिझाइन करताना योग्य शीतक प्रणालीचा अवलंब करून, कमी घर्षण देणारे बेअरिंग वापरून, बेअरिंग प्रीलोड बदलून, स्पिंडल बेअरिंगसाठी एअर-ऑइल वंगण वापरून अथवा मशिन टूल बनविण्यासाठी पर्यायी सामग्री वापरून, डिझाइनर औष्णिक बदलांचा प्रभाव कमीतकमी व्हावा असे प्रयत्न करत असले, तरीही हा प्रभाव अद्याप लक्षणीय आहे. जगभरातील तज्ज्ञांकडून या त्रुटीची दुरुस्ती करण्याची तंत्रे प्रस्तावित केली गेली आहेत. सामान्यतः औष्णिक त्रुटी हाताळण्याचे निष्क्रिय दुरुस्ती किंवा सक्रिय दमन (सप्रेशन) असे दोन उपाय असतात. निष्क्रिय दुरुस्तीमध्ये, औष्णिक त्रुटीची भरपाई मशिन टूलच्या थर्मल एरर प्रेडिक्शन मॉडेलद्वारे केली जाते; आणि सक्रिय दमनामध्ये औष्णिक त्रुटी कमीतकमी किंवा नियंत्रित करण्यासाठी मशिन टूलच्या डिझाइनमध्येच तरतूद केली जाते.
 
आव्हान : मशिनच्या कंपनामुळे कॅमेरा आणि ऑप्टिक्स यांच्या मोजमापात चुका होतात. तसेच यंत्रणादरम्यान निर्माण होणाऱ्या प्रतिकूल वातावरणापासून त्यांचे संरक्षण करणेही आवश्यक असते.
उपाय : मशिन सतत चालल्यामुळे उत्पन्न होणाऱ्या उष्णतेमुळे स्पिंडलचा अक्ष झुकतो, ते दृश्य स्वरूपात चित्रित करण्यासाठी कॅमेरा असलेली औष्णिक त्रुटी मापनाची एक अपूर्व संपर्कविरहित पद्धत विकसित केली गेली. चित्र क्र. 10 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे स्पिंडल हाउसिंगवर कॅमेरा बसविलेला असतो. मशिनच्या बेडवर घट्ट बसविलेली, एक निश्चित आकृतीबंध असलेली वस्तू थंड स्थितीत स्पिंडलच्या अक्षाचे संदर्भ स्थान नोंदणीसाठी वापरले जाते. त्यानंतर मशिन सतत चालविले जाते. प्रत्येक 2 तासानंतर मशिन थांबविले जाते आणि कॅमेऱ्याद्वारे ठरविलेल्या वस्तूच्या संदर्भात स्पिंडल अक्षाचे विचलन मोजले जाते. मशिन नियंत्रकामध्ये टूल ऑफसेट सेटिंगचा वापर करून स्वयंचलितपणे थर्मल त्रुटीची भरपाई करण्यासाठी X आणि Y अक्षामध्ये नोंदविलेले रेखीय ऑफसेट वापरले जातात.
 

10_1  H x W: 0  
 
निष्कर्ष
 
स्मार्ट कारखान्यांची कल्पना नवीन नसली, तरी त्यामध्ये सतत उत्क्रांती होत आहे. भविष्यलक्षी काम करणाऱ्या कारखान्यांद्वारे औद्योगिक क्रांती घडविली जाईल, हे आता मान्य झाले आहे. ऑप्टिकल मेट्रॉलॉजी प्रणाली आणि कारखान्यांमध्ये रोबोच्या वाढत्या मान्यतेसमोर, हाताने करावयाच्या पुनरावृत्तीक्षम कामांचे महत्त्व कमी होत चालले आहे. मेट्रॉलॉजी मार्केटसाठी विविध औद्योगिक अॅप्लिकेशनमध्ये स्वयंचलन एक प्रमुख प्रेरणा असेल अशी अपेक्षा आहे. वरील सर्व संशोधन कार्यासाठी माझ्या टीममधील दीपा आर., मधुसुदन, व्ही. कविता, जे. प्रद्युम्न आणि एस. हर्ष या सदस्यांनी काम केले. 
 
 

usha_1  H x W:  
उषा एस.
सह संचालक, CMTI बंगळुरू 
9449842682
 
उषा एस. इलेक्ट्रिकल आणि इलेक्ट्रॉनिक्स अभियंता असून एन.आय.टी.के. येथून त्यांनी मेकॅट्रॉनिक्समध्ये एम.टेक (रीसर्च) पूर्ण केले आहे. त्यांना मेकॅट्रॉनिक्स संबंधित उत्पादन विकासाच्या क्षेत्रातील कामाचा सुमारे 36 वर्षांचा अनुभव आहे. सध्या त्या CMTI येथे सह संचालक म्हणून कार्यरत आहेत.