Chatter real-time monitoring and online active suppression of robotic longitudinal-torsional ultrasonic milling

विनिर्माण की विशाल दुनिया में, लचीलेपन (flexibility) की आवश्यकता और सटीकता (precision) की मांग के बीच एक निरंतर खींचतान चलती रहती है। दशकों से, भारी, कठोर मशीन टूल्स जटिल पुर्जों को तराशने के लिए स्वर्ण मानक रहे हैं, विशेष रूप से एयरोस्पेस में, जहाँ एक एकल त्रुटि भी पूरे विमान को खतरे में डाल सकती है। हालाँकि, ये मशीनें महंगी होती हैं और इन्हें हिलाना कठिन होता है। हाल के वर्षों में, कार असेंबली लाइनों में देखे जाने वाले उन्हीं लचीले हाथों वाले औद्योगिक रोबोटों की ओर कारखाने तेजी से मुड़े हैं, ताकि वे इन नाजुक कार्यों को संभाल सकें। रोबोट सस्ते होते हैं और उन अजीब कोणों तक पहुँच सकते हैं जहाँ कठोर मशीनें नहीं पहुँच पातीं, जो उन्हें हवाई जहाज की त्वचा या अंतरिक्ष यान के केबिन जैसे बड़े, जटिल घटकों के लिए आदर्श बनाता है। फिर भी, इसमें एक बड़ी समस्या है। अपने कठोर समकक्षों के विपरीत, रोबट के हाथ जोड़ों की एक श्रृंखला से बने होते हैं जो उन्हें स्वाभाविक रूप से लचीला बनाते हैं। यह लचीलापन उस कठोरता (stiffness) की कमी को दर्शाता है जो धातु को काटने के प्रतिरोध के विरुद्ध एक उपकरण को स्थिर रखने के लिए आवश्यक होती है। जब एक रोबोट कठोर सामग्री को मिलिंग करने की कोशिश करता है, तो कठोरता की यह कमी अक्सर उपकरण को अनियंत्रित रूप से कंपन करने पर मजबूर कर देती है, जिसे इंजीनियर "चैटर" (chatter) कहते हैं। यह कंपन एक शोर वाला, ऊबड़-खाबड़ सतह बनाता है, पुर्जे को खराब कर देता है, और यहाँ तक कि मशीन को भी नुकसान पहुँचा सकता है, जिससे उच्च-सटीक एयरोस्पेस कार्य में रोबोटों के व्यापक उपयोग में बाधा आती है।

इस कंपन को नियंत्रित करने की मुख्य कठिनाई रोबोट की अपनी गति में निहित है। जैसे ही एक रोबोट हाथ किसी भाग को काटने के लिए अंतरिक्ष में घूमता है, उसकी मुद्रा (posture) लगातार बदलती रहती है। क्योंकि हाथ की कठोरता पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती है कि उसके जोड़ कैसे कोण बना रहे हैं, कंपन के प्रति रोबोट की प्रतिक्रिया हर मिलीसेकंड में बदल जाती है। एक सेटिंग जो हाथ सीधा होने पर पूरी तरह काम करती है, वह हाथ मुड़ा होने पर हिंसक झटके का कारण बन सकती है। चैटर को रोकने के तरीके, जैसे कि मशीन की गति को धीमा करना या काटने की गति बदलना, यहाँ अक्सर विफल हो जाते हैं क्योंकि वे रोबोट के व्यवहार में इन तीव्र, अप्रत्याशित परिवर्तनों के साथ तालमेल नहीं बिठा पाते। शोधकर्ताओं ने इन समस्याओं का पूर्वानुमान लगाने या निष्क्रिय सामग्रियों (passive materials) के साथ उन्हें कम करने की कोशिश की है, लेकिन ये दृष्टिकोण समस्या को पूरी तरह से हल करने के लिए पर्याप्त नहीं रहे हैं। चुनौती यह थी कि रोबोट को वास्तविक समय (real-time) में सुनने का एक तरीका खोजा जाए, उस सटीक क्षण को पहचाना जाए जब वह कंपन करना शुरू करता है, और इसे रोकने के लिए तुरंत एक प्रति-बल (counter-force) लगाया जाए, इससे पहले कि सतह खराब हो जाए।

नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उच्च-आवृत्ति ध्वनि तरंगों (high-frequency sound waves) का उपयोग करने वाले एक विशेष कटिंग टूल के साथ रोबोट को जोड़कर इसे हल करने के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। रोबोट की गति या काटने की दर को बदलने के बजाय, जो धीमी और अपरिष्कृत हो सकती है, उन्होंने कंपन की ऊर्जा पर ध्यान केंद्रित किया। उनकी विधि में "लॉन्गीट्यूडिनल-टोरसनल अल्ट्रासोनिक मिलिंग" (longitudinal-torsional ultrasonic milling) नामक प्रक्रिया शामिल है। इस सेटअप में, कटिंग टूल को एक ऐसे उपकरण से लैस किया जाता है जो इसे टूल के घूमने की गति से कहीं अधिक तेज गति से कंपन कराता है। यह कंपन यादृच्छिक (random) नहीं है; यह एक नियंत्रित, स्थिर ऊर्जा क्षेत्र है जो धातु के साथ टूल की परस्पर क्रिया को बदल देता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे वास्तविक समय में रोबोट के कंपन की निगरानी कर सकें और इस अल्ट्रासोनिक ऊर्जा की शक्ति को तुरंत समायोजित कर सकें, तो वे चैटर को पुर्जे को नुकसान पहुँचाने से पहले ही दबा सकते हैं।

इसे सफल बनाने के लिए, टीम को सबसे पहले सिस्टम को यह सिखाना था कि सामान्य कटिंग और चैटर की शुरुआत के बीच अंतर कैसे पहचाना जाए। उन्होंने रोबट से जुड़े सेंसरों से आने वाले संकेतों का विश्लेषण किया, और उन विशिष्ट पैटर्न की तलाश की जो अस्थिरता का संकेत देते हैं। उन्होंने पाया कि केवल एक माप यह बताने के लिए पर्याप्त नहीं था कि क्या हो रहा है; कंपन कितना तेज है या यह कितनी तेजी से चल रहा है, इसका एक साधारण माप भ्रामक हो सकता है। इसके बजाय, उन्होंने कंपन सिग्नल की कई अलग-अलग विशेषताओं को मिलाया—इसके औसत ऊँचाई, इसके फैलाव और विभिन्न आवृत्तियों (frequencies) पर इसकी ऊर्जा के वितरण को देखा। इन कई सुरागों को एक साथ जोड़कर, उन्होंने चैटर के लिए एक विश्वसनीय "फिंगरप्रिंट" बनाया। इसने सिस्टम को एक स्थिर कट और खतरनाक कंपन के शुरुआती चरणों के बीच अंतर करने में सक्षम बनाया, भले ही रोबोट घूम रहा हो और उसकी मुद्रा बदल रही हो।

एक बार जब सिस्टम चैटर की पहचान करने में सक्षम हो गया, तो अगला कदम यह निर्धारित करना था कि इसे रोकने के लिए वास्तव में कितनी ऊर्जा की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट नियम स्थापित किया: यदि कंपन की ऊर्जा एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाती जो पुर्जे की सतह की गुणवत्ता को खराब कर सकती है, तो सिस्टम हस्तक्षेप करेगा। उन्होंने इस सीमा की गणना पुर्जे के निर्माण की विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर की, जैसे कि सतह कितनी चिकनी होनी चाहिए। यदि कंपन ऊर्जा इस दहलीज (threshold) को पार कर जाती, तो सिस्टम स्वचालित रूप से अल्ट्रासोनिक क्षेत्र की शक्ति बढ़ा देता। यह बढ़ी हुई अल्ट्रासोनिक ऊर्जा एक प्रति-बल के रूप में कार्य करती है, जो प्रभावी रूप से अवांछित कंपन को रद्द कर देती है और कट को स्थिर कर देती है। सिस्टम यह काम निरंतर करता है, रोबोट की गति के बदलते परिवेश के अनुरूप वास्तविक समय में अल्ट्रासोनिक शक्ति को ऊपर या नीचे समायोजित करता है।

टीम ने इस पद्धति का परीक्षण दो बहुत ही अलग प्रकार के पुर्जों पर किया: एक सपाट एल्युमिनियम मिश्र धातु प्लेट और एक जटिल एयरोस्पेस ब्रैकेट। पहले परीक्षण में, उन्होंने अल्ट्रासोनिक हस्तक्षेप के बिना पारंपरिक रोबोटिक मिलिंग के मुकाबले नई विधि की तुलना की। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब रोबोट ने मानक विधि का उपयोग किया, तो एल्युमिनियम प्लेट की सतह खुरदरी और असमान थी, जिसमें कंपन करते टूल द्वारा निशान छोड़े गए थे। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय के दमन (suppression) सिस्टम को सक्रिय किया, तो कंपन लगभग तुरंत ही शांत हो गया। सतह काफी चिकनी हो गई, जिसमें खुरदरापन लगभग आधा हो गया और सपाटपन (flatness) लगभग अस्सी प्रतिशत सुधर गया। टूल के निशान, जो पारंपरिक प्रक्रिया में टेढ़े-मेढ़े और असंगत थे, अब एक समान और उथले हो गए, जिनकी ऊंचाई केवल आठ माइक्रोमीटर थी।

दूसरे परीक्षण में एक अधिक चुनौतीपूर्ण घटक शामिल था, एक एयरोस्पेस ब्रैकेट जिसका सतही क्षेत्रफल बड़ा और ज्यामिति (geometry) जटिल थी। यहाँ, रोबोट को एक विस्तृत रेंज में घूमना था, जिससे उसकी कठोरता लगातार बदल रही थी। सक्रिय दमन के बिना, प्रक्रिया अस्थिर होती और पुर्जा खराब हो जाता। नए सिस्टम के साथ, रोबोट ने पूरी प्रक्रिया के दौरान एक स्थिर कट बनाए रखा। ब्रैकेट की अंतिम सतह ने एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक सख्त गुणवत्ता मानकों को पूरा किया, जिसमें खुरदरापन मान 1.792 और सपाटपन 0.076 था। ये संख्याएँ पुष्टि करती हैं कि यह विधि न केवल सरल सपाट सतहों पर, बल्कि जटिल, बड़े पैमाने के घटकों पर भी काम करती है जो रोबोटिक विनिर्माण का प्राथमिक लक्ष्य हैं।

इस शोध की सफलता रोबोट की बदलती प्रकृति के अनुकूल होने की इसकी क्षमता में निहित है। कंपन को एक मापने योग्य ऊर्जा के रूप में मानकर, जिसे एक विशिष्ट, समायोज्य ऊर्जा स्रोत के साथ काउंटर किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने पुराने तरीकों की सीमाओं को पार कर लिया। उन्होंने रोबोट को कठोर बनाने की कोशिश नहीं की; इसके बजाय, उन्होंने उसे वास्तविक समय में अपनी स्वयं की लचीलेपन की भरपाई करने का एक तरीका दिया। यह सिस्टम एक स्व-सुधारात्मक तंत्र (self-correcting mechanism) के रूप में कार्य करता है, जो लगातार मशीन को सुनता है और कट को चिकना रखने के लिए सूक्ष्म, तात्कालिक समायोजन करता है। यह दृष्टिकोण उच्च-सटीक उद्योगों में रोबोटों के उपयोग के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, यह सिद्ध करता है कि सही नियंत्रण रणनीति के साथ, रोबोट आर्म का लचीलापन एक संपत्ति हो सकता है न कि एक बाधा। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कंपन ऊर्जा और सतह की गुणवत्ता के बीच सटीक संबंध को समझकर, एक ऐसी विनिर्माण प्रक्रिया बनाना संभव है जो लचीली और सटीक दोनों हो, जो भविष्य के विमानों और अंतरिक्ष यानों के निर्माण में रोबोटों के लिए महत्वपूर्ण भूमिका निभाने का द्वार खोलती है।