1149 Kaynakçı Eğitiminde Sanal Kaynak Simülatörü Kullanımı Welder Education With Virtual Welding Simulator Cemil ÖZ, Fehim FINDIK, Osman İYİBİLGİN, Uğur SOY, Yaşar KIYAN, Soydan SERTTAŞ, Kayhan AYAR, Sadık USLU ve Yalçın YAŞAR Sakarya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Sakarya Üniversitesi Karasu Meslek Yüksek Okulu Makine Programı Sakarya Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi Özet İmalat sektöründe yaygın olarak kullanılan birleştirme yöntemlerinden biri de kaynaktır. Kaynak operatörünün kaynaklı birleştirme yöntemlerini uygulama becerisi, kaynak kalitesini etkileyen önemli bileşenlerden biridir. Kaynak operatörünün yeterli teknik bilgi ve beceriye sahip olabilmesi için, iyi bir eğitim alması gerekir. Pahalı ve uzun olan eğitim süreci, sanal kaynak simülatörü kullanılması ile malzeme, enerji, zaman, iş kazaları vb azaltılması ile maliyetler düşürülmektedir. Bilgisayar yazılım ve donanım teknolojilerindeki hızlı gelişmeler, Dış Dünya veya madde olmadan, algıların çok gerçekçi olarak yaşanabilmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada sanal bir kaynak simülatörünün genel yapısı ve kaynak operatörünün eğitimine etkileri verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kaynak simülatörü, kaynakçı eğitimi, sanal eğitim, sanal gerçeklik Abstract Welding is one of the joining methods in the production industry. One of the important components affecting the quality of welding is application skill of the welders for welded parts. A qualified education is needed for welders to have sufficient technical knowledge and skill. The education duration is expensive and takes a lot of time; however this cost is decreased in using welding simulator via reducing materials, energy, time etc. The vast developments in software and hardware systems in computer technology, perceptions can be realized without outer world and material. In this study, general structure of welding simulator is introduced and an effect of welding operator in education is investigated. Key Words: Welding simulator, virtual training, technical education, performance analysis. GİRİŞ Kaynaklı birleştirme yöntemi; gerek ulusal gerekse de uluslararası düzeyde tersane, otomotiv endüstrisi, çelik konstrüksiyon yapıları, köprüler ve makine endüstrisi gibi bir çok sahada uygulama alanı bulan yaygın ve ekonomik bir birleştirme metodudur. Maliyet, güvenlik, optimum imalat ve teknolojik kavramlar göz önüne alındığında, kaynak uygulamasını gerçekleştiren kaynakçının kaliteli ve etkili bir kaynak eğitiminden geçmesi gerekmektedir. Kaynakçıların yetiştirilmesinde teknolojik bilgi birikimlerinin yanı sıra, el becerilerinin geliştirilmesi amacıyla temrin parçalarına çeşitli kaynak uygulamaları yapılmaktadır. Kaynaklı birleştirmelerde teknolojik bilgi ve birikim her ne kadar önemli olsa da, el becerisi ve deneyimi kaynaklı birleştirmeler için en etkili ve önemli parametredir. Çünkü kaynaklı birleştirmeler, teknolojik bilgi birikimi ışığında el hareketleri ve açıları ile yapılan bir uygulamadır. Kaynakçıların eğitilmesi sırasında, geleneksel olarak temrin parçaları kullanılır ve kaynakçı adayı birçok temrin parçasını israf ederek el becerisini geliştirmeye çalışır. Bu temrin parçaları, eğitim amaçlı oluğundan dolayı bir iş parçası olarak kullanılmazlar. Harcanan temrin parçalarının maliyetleri yüksektir ve kaynakçının yetiştirilme sürecinde defalarca tekrarlanır.
1150 Dış dünya veya madde olmadan, algıların çok gerçekçi olarak yaşanabileceğine dair günümüz teknolojisinde çok önemli örnekler bulunmaktadır. Özellikle son yıllarda büyük bir gelişme gösteren "sanal gerçeklik" kavramı, bu konuda fikir vericidir. Sanal gerçeklik, bir konunun fiziksel olarak taşınmadan, farklı bir ortama kaydırılma kapasitesine sahip teknolojiden ileri gelir. En basit şekliyle, bilgisayarda canlandırılan üç boyutlu görüntülerin, bazı aygıtların yardımıyla insanlara "gerçek bir dünya" gibi gösterilmesidir. Bu amaçla konuyla ilgili duyu organları bir şekilde işlenerek, algılanması sağlanan ortama fiziksel ortam yerine sanal ortam denir. Bugün birçok alanda farklı amaçlarla kullanılan bu teknolojiye, bu nedenle "yapay gerçeklik", "sanal dünyalar", "sanal ortamlar" gibi isimler de verilmektedir. Sanal gerçeklik sistemlerinin en önemli özelliği, özel aletler kullanan bir kişinin gördüğü görüntüyü gerçek zannetmesi hatta kendisini bu görüntüye kaptırmasıdır [1,2,3]. Sanal bir eğitim dünyası oluşturmak için kullanılan aletler; kullanıcının gerçek zamanlı olarak kendi hareketlerine göre sanal ortamı izlediği, başa takılan ekran vb, başın hangi yöne baktığını belirleyen baş izleme giriş birimi, dokunma hissi veren elektronik bir eldiven, eklem hareketlerini sayısallaştıran bir konum ve oryantasyon cihazı vb aletlerdir. Yaygın bilgisayar destekli eğitimde, görme ve işitme ilaveten, hissetme de ilave edilmiştir. Sanal dünyanın oluşturulması için gerekli olan aletlerde kullanılan sistem, beş duyumuz için geçerli olan sistemle aynıdır. Örneğin, kullanıcının eline taktığı eldivenin içindeki mekanizmanın etkisiyle, parmak uçlarına bazı sinyaller verilir ve bu sinyaller beyine iletilir. Beyin bu sinyalleri yorumladığında bu kişi, çevresinde hiç olmadığı halde ipek bir halıya veya yüzeyinde birçok girinti ve çıkıntı bulunan, kabarık desenli bir vazoya dokunduğunu hissedebilmektedir. Sanal gerçeklik yazılım ve donanımındaki performanssın artması ve fiyatların azalması ile eğitm teknolojileri arasında simülatörler yerini almaya başlamıştır günümüzde simülatör geliştirme maliyetleri azalmış, Yalnızca uçuş simülatörleri gibi pahalı ve hayati alanlarda değil, kaynakçı eğitimi gibi konular dada uygulanmaya başlamıştır. Kaynakçı yetiştirmedeki, yukarıda bahsedilen beceri ve deneyimler, öncelikle simülatörler yardımıyla yapıldığında enerji, zaman ve maliyet açısından çok önemli kazanımlar elde edilebilir. Kaynak simülatörleri, kaynakçı adaylarının bilgisayar destekli bir platform aracılığı ile kaynak eğitimi almayı, kendilerini gelştirmeyi ve sanal ortamda kaynak uygulaması yapmasına olanak sağlar. Bu çalışmada sanal kaynak simülatörü ile kaynak eğitimi verilmiştir. GÜNÜMÜZ EĞİTİM TEKNOLOJİLERİ Günümüzde bilgi miktarının artması ve içeriğin karmaşıklaşması, öğrenci sayısının hızla çoğalması, öğretmen yetersizliği ve bireysel kabiliyet ve farklılıkların önem kazanması gibi nedenlerden dolayı, eğitim sistemi aşırı yüklenmiştir. Klasik eğitim sistemleri ile eğitim yeterli gelmemektedir. Bilgisayar ve çoklu ortam teknikleri (resim gösterme, video/ses/animasyon oynatma vb.) ile çok güçlü ve farklı formatlarda eğitim paketleri üretmek mümkündür. Uygulanan programlar kullanıcıya bire bir etkileşim imkânı vererek motivasyonu artırır. Bu tip programlar, konuları aktarma konusunda da çok güçlüdür[4]. BDE de kullanıcıya ait bilgiler veritabanı ve veri ambarlarında tutularak, öğrenmenin her aşamasında ne kadar zaman harcandığını, öğrenme eğrisini, kullanıcının gelişimini izlemeyi sağlar. Sonuçlar da değişik formatlar da sunulabilir (grafik, tablo gibi). Bu tip bir bilgi, öğretmen tarafından öğrencinin performansını görmede ve takip etmede kullanılabilir. Diğer yandan benzetim gerçek bir durumun, olayın veya sürecin basite indirgenmiş olarak sunulmasını sağlayan bilgisayara dayalı öğretim modeli dir. Gerçek ortamlarda oluşabilecek zaman, maliyet ve diğer riskler gibi olumsuzlukları ortadan kaldırarak öğrenciye bilgisini gerçek bir ortamda uygulama olanağı sağlar ve bilgisayara dayalı eğitimi bilim alanında kullanmanın en iyi yollarında biridir. Sanal gerçeklik eğitime hissetme, fiziksel ve ruhsal olarak eğitim olayının içerisinde yer alma boyutu ekleyerek daha etkin bir eğitim sağlar.
KAYNAK SİMÜLATÖRLERİ 1151 Bilgisayar ve yazılım teknolojilerindeki gelişmelerle, eğitim ve öğretime bilgisayar destekli eğitim kavramı girmiştir. Araştırmacılar eğitimin kalitesini, verimliliğini artırmak ve eğitim süresini düşürmek, eğitimde kullanılan malzeme ve aletlerin maliyetini düşürmek için simülatörler geliştirmektedirler. Kaynakcı eğitimini içinde simülatörler geliştirilmiştir. Geliştirilen kaynak simülatörleri döneminin yazılım ve donanım teknolojilerine göre çeşitli özelliklere sahiptirler. Wu ve arkadaşları [5-6] tarafından yapılan iki ayrı çalışmada kaynak simülatörünün eğitime katkısı incelenmiştir. Mesleki eğitimde önemli bir yer alan ve eğitimi oldukça pahalı olan kaynakçıların eğitimi geliştirilen bir kaynak simülatörü vasıtası ile araştırılmıştır. Sanal ortamda yapılan, 2 yıl süren ve 220 öğrenciye uygulanan kaynak eğitimi sonucunda ıskarta oranı azaltılarak, daha az maliyet ile ve daha kaliteli kaynakların elde edildiği rapor edilmiştir. Ayrıca, Tim [7] son 10 yıldır Amerika, Kanada ve Fransa da geliştirilip kullanımı yaygınlaştırılan kaynak simülatörlerinin öğrencilerin sanal eğitimi üzerinde yaptığı olumlu etkisi üzerine bir çalışma yapmıştır. Buradaki sanal eğitimin faydası dolayısı ile, geleneksel eğitimden önce mutlaka sanal eğitimin yapılması tavsiye edilmiştir. İlaveten, ark kaynağının nümerik simülasyonu sonlu elemanlar metodu ile üç boyutlu analiz yapılarak [8] ve gazaltı kaynağının modelleme ve simülasyonu [9] iki grup tarafından rapor edilmiştir. Kaynak simülatörleri ile ilgili olarak çeşitli bilim adamları tarafından [10-12], ark kaynağı ve bu kaynak yöntemi tarafından yapılan sanal kaynak eğitimi ile ilgili detayları üzerine çeşitli patentler alınmıştır. Ayrıca kaynak simülatöründe torcun hareketinin simülasyonunu sağlayan alet ile [12], kaynakta spotu gösteren sistem [14] üzerine de patentler vardır. Sakarya Üniversitesi nde Yaşar Top tarafından simülasyon ve temrinle ark kaynakçısı yetiştirme programı isimli bir yüksek lisans tezi [15] ve daha sonra da Top ve Fındık tarafından konu ile ilgili bir makale yayınlanmıştır [16]. Bu çalışmalarda, yurtdışından ithal edilen KOSGEB deki etkileşimi zayıf bir kaynak simülatörü kullanılarak iki farklı grupta toplam 24 öğrenci üzerinde uygulama yapılmıştır. Ark kaynağı, MIG ve TIG kaynak yöntemlerini önce sanal ortamda kullanan öğrencilerin, ardından yaptıkları gerçek uygulamalarda daha başarılı oldukları, daha kaliteli kaynaklar yaptıkları ve ıskartaya çıkarttıkları parçalarda önemli azalma olduğu saptanmıştır. Şekil 1 de eski nesil bir kaynak simülatörü görülmekte, Şekil 2 de ise kaynak simülatörünün yatay konumda kullanımı gösterilmiştir. Şekil 1. Kaynak Simülatörü [13, 15] Şekil 2. Kaynak Simülatörünün Yatay Konumda Kullanımı [13, 15]
1152 YENİ NESİL SANAL KAYNAK SİMÜLATÖRÜ VE GENEL YAPISI Yeni nesil kaynak simülatörleri, bilgisayar donanım ve yazılım teknolojileri kullanılarak, sanal ortamla kullanıcı arası etkileşimin sağlandığı 3-boyutlu simülatörlerdir. Bu simülatörlerin üzerinde ilk olarak, U.S.A, Kanada ve Fransa da geçtiğimiz son 10 yıl içerisinde çalışılmaktadır[17]. Sanal Gerçeklik sistemlerindeki programlar son derece karmaşık yazılım programlarıdır. Oyun programlarındaki yapı ve çevrimlerin benzeridir. Tek düze olay bazlı veya sıralı mantıksal programlamalardan farklı olarak simülasyon ve gerçek zamanlı bir programlamadır. Bir video oyun programı sürekli bir çevrimdir. Bir mantık çerçevesinde saniyede 30-60 görüntüyü ekrana çizen bir programdır. Sanal gerçeklik programlarının, oyun programlarından ayrılan yanı ise etkileşimin kullanıcı üzerine giydiği özel ve pahalı cihazlarla arttırılmış olmasıdır. Yani oyun programlarına göre daha geniş bir yapıda olmasıdır. Günümüzde gerek oyun programcılığında gerekse sanal gerçeklik programcılığında hazır grafik motorları(oyun Motoru, Sanal gerçeklik motoru) kullanılmaktadır. Program çalıştırıldığında, çevrime girmeden önce, sahne, sahne üzerindeki, dinamik ve statik nesneler eklenir, oyuncular, oyuncuların hareketleri, gözlemci kameralar, gösterge yapıları oluşturulur. Çevrime girildiğinde giriş birimi dinlenir ve elde edilen verilere göre dinamik ve kinematik model denklemleri kullanılarak hesaplamalar yapılır ve etkileşim ile çarpışma belirlenir. Ekran ve diğer çıkış birimlerinden alınan geri beslemelere göre kullanıcı hareketlerini belirler, kaynak hızı, ses, kıvılcım efektleri oluşturulur ve yenilenir. Gerekli kaplamalar ve senkronizasyon sağlanarak ekranda gösterilir. Çıkmak istenildiğinde ise klavye fonksiyon tuşları kullanılabilir. Simülatörü kullanarak, kaynak eğitimi gerçek bir kaynak kabini olmadan, test çubukları veya plakalarını kullanmadan (kontrollü test şartları altında) yapılır. Elle yapılan ark kaynağında gerekli olan el-göz koordinasyon yeteneklerini öğretmek için kullanılır. Şekil 3 de bu sistemin yapısı gösterilmektedir. Sistem; sanal modeller, etkileşim yazılımı, performans analizi ve test yazılımı, sanal ses üretici yazılım, giriş birimleri, çıkış birimleri ve bilgisayar modüllerinden oluşmaktadır. Şekil 3. Sanal kaynak simülatörü modülleri ve sistem yapısı
1153 SONUÇ Kaynak eğitimi alacak kaynak operatörünün uygulama öncesi kaynak simülatörü ile gerçeğe yakın sanal eğitim görmesi enerji, zaman ve temrin sarfiyatı gibi birçok açıdan fayda sağlamaktadır. Buna ilaveten uygulamalı kaynak eğitimlerinde kaynak eğitimine yeni başlayan kaynakçı adaylarını elektrik çarpması, sıcak kaynak metalinden oluşan yanıklar, tecrübesizlik ve dikkatsizlikten dolayı kaynaklanan hatalar, göz alması ve gözde oluşan sağlık problemleri gibi birçok tehlikeden korunmaktadırlar. Kaynak simülatörü ile kaynak operatörüı adaylarının bu tehlikelere karşı moral bozukluğu, ürkeklik ve özgüvenin yitirilmesi gibi psikolojik davranışlar sergilemelerinin önüne geçilebilmektedir. Simülatör deki görsel eğitimler, kaynak yapımı esnasındaki, en iyi kaynak parametreleri ile ilgili görsel ve sesli klavuz ile öğrenme kolaylaştırılmakta ve simülatör veritabanı, her bir eğitim alan kişi ye ait bilgileri, performans bilgilerini ve derecelendirmeleri otomatik olarak sağlamaktadır. Teşekkür Bu makale TÜBİTAK Mühendislik Araştırma Gurubu (MAG) tarafından desteklenen 109M087 numaralı Sanal Kaynak Simülatörü Tasarımı ve İmalatı konulu araştırma projesi desteği ile hazırlanmıştır. Bu vesile ile başta proje koordinatörü Doç. Dr. Cemil ÖZ ve tüm proje ekibi, TÜBİTAK a ve projenin yürütüldüğü kurum olan Sakarya Üniversitesi ne teşekkür eder. KAYNAKLAR ELLIS, S.R., Nature and Origin of Virtual Environments: A Bibliographic Essay, Computing Systems in Engineering, 2,4, pp.321-347, (1991). ASTHEIR, P., DAI, GÖBEL, M., KRUSE, R., MÜLLER, S., ZACHMANN, G., Realism in Virtual Reality, in: Magnenat Thalmann N and thalmann D, Artificial Life and Virtual reality, John Wiley, pp. 189-209, (1994). SLATER, M., USOH, M., Body Centred Interaction in Immersive Virtual Environments, in: Magnenat Thalmann N and thalmann D, Artificial Life and Virtual reality, John Wiley, pp. 125-147, (1994). http://www.meb.gov.tr/belirligunler/internet_haftasi_2005/bt/bilgisayar_destekli_egitim.htm, ziyaret 08.06.2010. son Wu, C., Microcomputer-based welder training simulator, Computers in Industry, 20, 321-325, 1992. Wu, C., Wen, C., Wu, L., A microcomputer-controlled welder training system, Computers Education, 20 (3) 271-274, 1993. Heston, T.; Virtually welding, The Fabricator, March 2008. Hamide, M., Masoni, E., Bellet, M.; Adaptive mesh technique for thermal metallurgical numerical simulation of arc welding processes, Int. J. for Numerical Methods in Eng., 73: 624-641, 2008. Palani, P. K., Murugan, N.; Modeling and simulation of wire feed rate for steady current and pulsed current gas metal arc welding using 317L flux cored wire, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 34: 1111-1119, 2007. Denison, T. G., Arc welding simulator, US Patent No: 4.452.589, Jun. 5, 1984. Schow, H. B., Macy, L. A.; Arc welding simulator trainer, US Patent No: 3.867.769, Feb. 25, 1975. Blair, B. A.; Device for teaching and evaluating person s skill as a welder, US Patent No: 4.124.944, Nov.14, 1978. Paton, B. E., Vasiliev, V. V. et al, Electric-arc trainer for welders, US Patent No : 4.716.273, Dec. 29, 1987.
1154 Vasiliev, V. V., Sergei, N. D. et al, Spark trainer for welders, US Patent No: 4.689.021, 1987. ug.25, Schow, H. B.; Welding simulator spot designator system, US Patent No: 4.132.014, Jan 2,1979 Top, Y., Simülasyon ve temrinle ark kaynakçısı yetiştirme programı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Haziran 1997. 15.Top, Y., Findik, F. Ark kaynakçısının eğitiminde simülatör kullanımı, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Sakarya, 1998. Choquet, C., Today s virtual reality solution for welders, Certification Inc., Montreal, Quebec, Canada.