Control de Calidad en Línea en Procesos de Soldadura LASER

Control de Calidad en Línea en Procesos de Soldadura LASER
"La utilización de NI LabVIEW Scripting en la
programación de la FPGA nos ha permitido
automatizar el proceso de reprogramación del
sistema de diagnóstico tras el reentrenamiento de la
red neuronal durante toda la etapa de desarrollo"
- Roberto Arnanz Gómez, Fundación CARTIF
El Reto:
Detectar fallos e imperfecciones en el cordón de soldadura de procesos industriales. Modificar los parámetros del proceso de soldadura en línea
para corregir los problemas detectados en el cordón o para evitar que se reproduzcan en cordones sucesivos.
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Completo
La Solución:
Desarrollar un sistema de diagnóstico del cordón de soldadura basado en medidas espectroscópicas o electromagnéticas. La aplicación se ejecuta
sobre una plataforma NI FPGA que permite el control en tiempo real de la potencia del LASER según el resultado del diagnóstico
Autor(es):
Roberto Arnanz Gómez - Fundación CARTIF
La soldadura láser
Fundación CARTIF ha participado en los últimos años en varios proyectos de investigación relacionados con la detección de defectos en cordones de
soldadura láser. Se trata de un proceso en el que la energía del láser funde el material para conseguir la unión entre las piezas a soldar. Las ventajas
principales de los procesos de soldadura láser frente a otros procesos convencionales son: mejor precisión y acabado, una elevada velocidad de trabajo,
suelda materiales distintos y con espesores diferentes, se produce muy poca distorsión por la reducida zona de afectación térmica, es fácilmente
automatizable (guiado del láser por fibra óptica) y no hay desgaste de herramienta.
Durante el proceso de soldadura se pueden producir diversos defectos en el cordón soldado. Unos son debidos a una mala colocación de las piezas a
soldar o a defectos superficiales del material. Otros tienen su origen en una incorrecta utilización del láser (falta de limpieza) o de los parámetros de
soldadura (falta de potencia o distancia focal incorrecta). Los fallos más habituales son la presencia de poros o la falta de penetración. Dada la diversidad
de causas de estos defectos, no siempre podrán ser corregidos mediante reconfiguración del láser.
El sistema de control de calidad que desarrolla CARTIF tiene un doble objetivo. El primero es detectar todas las piezas con algún defecto de forma que
no sean utilizadas en sucesivas etapas del proceso de fabricación. El segundo, es corregir en línea aquellos defectos asociados con una errónea
parametrización del láser. En algunos casos se podrá hacer durante la propia soldadura y en otros casos la corrección afectará a las piezas soldadas a
continuación de la errónea. La estrategia dependerá del tipo de defecto y sensores utilizados.
Sistema de captura de datos
En función de los sensores utilizados para “observar” la soldadura existen dos estrategias probadas por CARTIF.
El primer sistema consiste en la utilización de un fotodiodo y un espectroscopio. Ambos equipos pueden ser utilizados para medir la energía del proceso
de soldadura y permiten un análisis en línea del proceso. La señal del fotodiodo puede ser medida como una señal analógica de tensión, mientras que
las medidas del espectroscopio deben ser leídas a través de un puerto USB, proporcionando hasta 2048 líneas del espectro cada milisegundo. En este
caso se hace necesario sincronizar estas medidas con la adquisición síncrona del fotodiodo.
El segundo sistema (Figura 1) utiliza una sonda de flujo magnético y un sensor de corrientes inducidas. Ambos sensores deben recorrer el cordón
soldado a una distancia de unos pocos milímetros, por lo que es imposible utilizarlos en línea. Tampoco pueden medir simultáneamente el mismo punto
del cordón, ya que ambos deben pasarse por el mismo lado del cordón soldado. Por tanto antes del procesamiento se hace necesario sincronizar los
valores medidos en distintos instantes de tiempo para que coincidan en su situación espacial en el cordón.
En ambos casos el sistema de captura y control está desarrollado sobre un el PC industrial NI-3100 que incluye una tarjeta FPGA. En el sistema con
espectroscopio los valores obtenidos de éste son transmitidos a la FPGA y en ésta son sincronizados con las medidas del fotodiodo con el objeto de
obtener un diagnóstico cada milisegundo. En el caso de las medidas electromagnéticas, ambas son capturadas por la FPGA y transmitidas al procesador
del PC para su sincronización y poder aplicar los algoritmos de diagnóstico. Lógicamente en este caso las modificaciones del control siempre afectarán al
siguiente cordón de soldadura.
Sistema de diagnóstico y control
En ambos casos el sistema de diagnóstico está basado en la ejecución de uno o varios algoritmos de clasificación de patrones que permiten decidir si los
datos capturados pertenecen a alguna de las situaciones conocidas de fallo (Figura 2). En concreto se han utilizado de forma combinada tres redes
neuronales.
La utilización de estos algoritmos en el procesador del PC no tiene complejidad más allá del cuidado en la transcripción de los algoritmos. Al ser
utilizados fuera de línea su tiempo de ejecución no es crítico. En el caso de utilizarlos en la FPGA, nos enfrentamos a varios problemas a resolver:
Utilizar los algoritmos en coma fijo sin pérdida de precisión ni error de clasificación
El tiempo de ejecución de la propia red neuronal frente al espacio que pueden ocupar en la FPGA
Permitir una rápida reprogramación del código de la FPGA en el caso de un reentrenamiento de la red neuronal.
Para poder analizar y resolver estos problemas durante el desarrollo del proyecto se optó por utilizar NI LabVIEW Scripting para la generación del código
de la FPGA. Esta herramienta es perfecta para la generación de código de redes neuronales, ya que a partir de la función que genera el código de una
neurona es posible replicarlo tantas veces como lo exija la red y conectar las diferentes neuronas entre sí. Igualmente de manera sencilla se puede
reprogramar el código para un número diferente de entradas, salidas o número de neuronas.
El problema de este método está en la limitación física de la FPGA. Así por ejemplo en una tarjeta PCIe-7841R que incluye una Virtex-5 LX30, el número
de neuronas que podrían utilizarse está limitado a 5 por los boques DSP existentes. Para solucionarlo se agrupa la ejecución de la red en varios bucles
FOR de forma que el espacio físico de cada bucle es el equivalente a una neurona, y cada iteración supone la ejecución de una neurona. La utilización
de NI LabVIEW Scripting permite reprogramar fácilmente el código eligiendo el número de bucles paralelos en que se ejecuta la red neuronal
balanceando el espacio físico disponible en la FPGA y el tiempo requerido de ejecución.En nuestro caso una red SOM de 660 neuronas se ejecuta en un
solo bucle en tan solo 415 us con una ocupación del 30%. Si se divide en 5 bloques, ocupa más del 90% de bloques DSP y se ejecuta en 85 us (la
ocupación total es del 50%).
El control de la potencia del láser es realizado por la propia FPGA en función del diagnóstico obtenido. Esta modificación será fuera de línea en el caso
del sistema basado en medidas electromagnéticas, y en línea en el caso de las medidas ópticas.
Conclusión:
La utilización de NI LabVIEW Scripting en la programación de la FPGA nos ha permitido automatizar el proceso de reprogramación del sistema de
diagnóstico tras el reentrenamiento de la red neuronal durante toda la etapa de desarrollo. Esto hace factible la utilización de un sistema de control de
calidad de láser sobre FPGA en procesos industriales automatizados, ya que la reconfiguración del sistema de diagnóstico a medida que se dispone de
nuevos datos se podría realizar de forma automática sobre un sistema de desarrollo NI LabVIEW. Cuantos más recursos lógicos vayan integrando las
FPGA en un futuro próximo, más flexibilidad aportará esta forma de generar del código en la distribución de recursos utilizados/tiempo de ejecución.
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Información del Autor:
Roberto Arnanz Gómez
Fundación CARTIF
Equipo de soldadura láser con sensores electromagnéticos
Interfaz de aplicación de diagnóstico para sensores electromagnéticos
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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