Mig-mag kaynağı dikiş formunun voxelleştirilmiş paraboloidkullanarak üç boyutlu görüntüsünün eldesi
Designing a new three dimensional mig-mag weld seam form by voxelized paraboloid
Yazar: KAYHAN AYAR
Danışman: PROF. DR. CEMİL ÖZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Anahtar kelimeler: Kaynak dolgusu, sanal kaynak simülatörü, vokselizasyon, yürüyen küpler, sekizli ağaç veri yapısı

Bu çalışmada gerçek zamanlı bir sanal kaynak simülatörü ve bu simülatörde kullanılacak yeni bir kaynak dikiş modeli geliştirilmiştir. Kaynak simülatörü gerçek bir kaynak işlemini sanal ortam gerçekleştirebilmek için kullanılmaktadır. Bu sayede gerçek kaynak eğitiminde meydana gelebilecek kazalardan uzak bir ortam oluşturulmasının yanı sıra eğitim sırasında kullanılan malzeme israfının da önüne geçilmiş olmaktadır. Ayrıca öğrenciler, başlarında herhangi bir eğitimci bulunmaksızın simulator üzerinde kaynak işlemini istedikleri kadar gerçekleştirebilirler.

Simülatör, kullanıcıların gerçekçilik hissini kaybetmemeleri için gerçek zamanlı olarak gösterim yapacak şekilde tasarlanmıştır. Buna göre bir saniye içerisinde kullanıcılara gösterilen resim sayısının etkileşimi bozacak sayıların altına düşmemesi amaçlanmıştır. Simülatörün yazılım mimarisi ve kaynak dikiş modelinin elde edilirken kullanılan algoritmalar gerçek zamanlı çizim elde edilecek şekilde tasarlanmıştır.

Simülatörle kaynak işlemini gerçekleştirebilmek için çeşitli hareket ve oryantasyon sensörleri kullanılmıştır. Kullanıcının el hareketlerini takip edebilmek için torch üzerine bir adet hareket ve oryanstasyon sensörü yerleştirilmiştir. Bu sensör aracılığıyla kaynak esnasında kullanıcının el hareketleri devamlı olarak yakalanmakta ve elde edilen hareket verilerine göre de bir kaynak dikişi sahne üzerine yerleştirilmektedir

Gerçek kaynak dikişine benzerliği göz önüne alınarak simülatörde oluşturulacak kaynak dikiş modeli için paraboloid şekli seçilmiştir.  Paraboloid modellerini sanal ortamda oluşturabilmek için gerekli olan parametreler için bir yapay sinir ağı geliştirilmiştir. Yapay sinir ağı kullanıcının hareket verilerini giriş parametresi olarak alıp elde edilecek kaynak dikişinin parametrelerini çıkış olarak vermektedir. Yapay sinir ağını eğitirken literatürde yapılmış testlerden elde edilen veriler kullanılmıştır. Birden fazla paraboloid şeklinin birleştirilmesi ve nüfuziyetin gösterilebilmesi için kaynak dikişi vokselleştirilmeye tabi tutulmuştur. Elde edilen voksel verileri optimize edilmiş bir ağaç veri yapısında saklanarak erişim hızı arttırılmıştır.  Voxel bilgileri kullanılarak yürüyen küpler algoritması aracılığıyla sahne üzerinde gösterilecek üçgen yüzeyler elde edilmiştir. Kaynak dikişinin elde edilmesi işlemi basamaklarının farklı çözünürlüklerde aldığı süreler sonuçlar bölümünde gösterilmiştir.

Abstract:
Keywords: Weld seam, virtual welding simulator, voxelization, marching cubes

In this study, a real-time and three-dimensional weld seam form was modeled for a low-cost virtual welding simulator developed for training welder candidates. Through this simulator, candidates can learn welding techniques in a safe environment without causing any work accidents and improve their skills by performing more applications than usual in a short time. In the developed simulator, special virtual reality devices such as Flock of Birds position and orientation sensor and head mounted display are used.

The simulation determines the weld bead shape and amount of penetration based on data from the Flock of Birds sensor device monitoring the position of the torch. When forming the weld bead shape, parabola was used as the basic bead shape unit due to the similarity of the weld bead slice with the parabola. The values of the height, width and penetration parameters of the basic weld bead shape that will form our weld seam were obtained from the weld seam experiments in the literature.

During the virtual welding process, the weld bead shape parameter values are calculated at specified time intervals using the feed-forward back-propagation artificial neural network. TrainLM (Levenberg-Marquardt) was used as the training function for network design. While determining the most appropriate transfer function, it was found that LogSig () function gave the best result. The number of hidden layers and the number of process elements (neurons) in each hidden layer were determined by trial and error method.

In the same time interval, the voxel map and the corresponding hash-based octree data structure are generated in real time. By using voxelized data, the triangular isosurfaces of the weld bead are reconstructed using the marching cubes algorithm. This results a more realistic weld seam appearance. This image and virtual scene are continuously sent to the head mounted display to maintain the sense of reality in the virtual environment.

Multi-threaded programming technique is also used to shorten the processing time in high resolution virtual scenes for voxelization and isosurface extraction processes. The isosurface extraction times for different number of threads are also shown.