Detecção on-line de discontinuidades no processo gtaw usando sensoriamento infravermelho e FPGAs

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um sistema embarcado, baseado em FPGA para o monitoramento on-line do arco voltaico no processo de soldagem GTAW, utilizando um algoritmo de detecção de mudança. Este monitoramento permitiu detectar a presença de descontinuidades durante o processo de soldagem, utilizando um sensor de radiação infravermelha. O algoritmo de detecção de mudança, descrito em hardware usando VHDL, possui um filtro Kalman e uma regra de parada com um teste estatístico por somas cumulativas (CUSUM). Todos os cálculos para a detecção de descontinuidades foram feitos em aritmética de ponto flutuante de 32 bit. As simulações das descrições hardware foram feitas no software ModelSIM. O dispositivo reconfigurável utilizado para embarcar o algoritmo de detecção de mudança e outros periféricos do sistema foi o FPGA Spartan-3E 1600E da Xilinx. Para o gerenciamento do algoritmo e os outros periféricos embarcados, utilizou-se o processador soft MicroBlaze. Inicialmente, para detectar descontinuidades foi necessário obter o padrão da solda desejada. Para isto foram realizados alguns teste de soldagem sem a presença aparente de descontinuidades, variando-se a distância do eletrodo à peça, bem como a corrente de soldagem. Posteriormente, foram realizados testes com a presença de descontinuidades. Os tipos de descontinuidades avaliadas no trabalho foram: presença de arame, furos e areia. Após a validação através das simulações, o sistema de detecção de descontinuidades foi testado em uma bancada de soldagem com o intuito de avaliar o sucesso na detecção on-line de descontinuidades. Durante o processo de soldagem o alarme do sistema foi ativado com cada descontinuidade encontrada. Os dados da detecção de descontinuidades (quantidade e distâncias) para cada teste podem ser armazenados no FPGA ou enviados para o computador. Os resultados permitiram verificar o uso de sistemas embarcados baseados em FPGAs na detecção on-line de descontinuidades na soldagem. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work presents the development and implementation of an FPGA-based embedded system to on-line arc welding monitoring in a GTAW process, using a change detection algorithm. The monitoring allowed the discontinuities detection during welding process using an infrared sensor. The change detection algorithm, described in hardware using VHDL, has a Kalman filter and a stopping rule with a statistical test by cumulative sums (CUSUM). All the calculations for discontinuities detection were done in 32 bit floating point arithmetic. The simulations of hardware descriptions were made using ModelSim software. Spartan-3E 1600E FPGA from Xilinx was used to embedded the algorithm and the other peripherals of the system. To perform the management of the algorithm and the others embedded devices, the processor soft MicroBlaze was used. At first, it is necessary to obtain a desired welding pattern in order to be able to detect discontinuities. Several tests without apparent presence of discontinuities were performed, changing the distance from the electrode to the work piece and the welding current. Then, tests were performed in presence of discontinuities. The different types of discontinuities used during welding were presence of wire, holes and sand. Once the system was validated through simulations, the discontinuities detection system was tested in the welding bench in order to evaluate the on-line discontinuities detection effectiveness. As a result, during the welding process the system alarm was activated with each discontinuity that was found. Discontinuity detection data (quantity and location) for each test can be storaged in the FPGA or sent to a PC. Obtained results had verified the use of FPGA-based embedded system to on-line discontinuities detection during welding processes. ___________________________________________________________________________________________ RESUMEN

Este trabajo presenta el diseño e implementación de un sistema embarcado basado en FPGA para el monitoreo on-line del arco voltaico en el proceso de soldadura GTAW, usando un algoritmo de detección de cambios. Este monitoreo permitió detectar la presencia de discontinuidades durante el proceso de soldadura utilizando un sensor de radiación infrarroja. El algoritmo de detección de cambios, descrito en hardware usando VHDL, posee un filtro Kalman y una regla de parada con un test estadístico por sumas acumulativas (CUSUM). Todos los cálculos para la detección de discontinuidades fueron hechos en aritmética de punto flotante de 32 bit. Las simulaciones de las descripciones hardware fueron hechas en ModelSM. El dispositivo reconfigurable utilizado para embarcar el algoritmo de detección de cambios y los demas periféricos del sistema fue el FPGA Spartan 3E 1600 de Xilinx. Para el gerenciamiento del algoritmo y los otros periféricos embarcado, se utilizo el procesador soft MicroBlaze. Inicialmente, para detectar discontinuidades fue necesario obtener el patrón de soldadura deseada. Para esto se realizaron algunos test de soldadura sin presencia aparente de discontinuidades, variando la distancia del electrodo a la pieza y la corriente de soldadura. Posteriormente, fueron realizados test con la presencia de discontinuidades. Los tipos de discontinuidades validadas en este trabajo fueron: presencia de alambre, huecos y arena. Después de la validación a través de las simulaciones, el sistema de detección de discontinuidades fue probado en el montaje de soldadura con el propósito de validar el éxito en la detección on-line de discontinuidades. Durante el proceso de soldadura la alarma del sistema fue activada con cada discontinuidad encontrada. Los datos de la detección de discontinuidades (cantidad y posición) para cada test pueden ser almacenados en el FPGA o enviados a un computador. Los resultados permitieron verificar el uso de sistemas embarcados basados en FPGAs en la detección on-line de discontinuidades en soldadura.