PENGARUH BEBAN DAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP KARAKTERISTIK GERAK SISTEM PENGGERAK PRESISI

Transkripsi

1 144 PENGARUH BEBAN DAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP KARAKTERISTIK GERAK SISTEM PENGGERAK PRESISI Ahmad Su udi Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung ABSTRAK Dalam kehidupan sehari-hari sering dijumpai berbagai jenis sistem penggerak, dengan bermacam sumber penggerak seperti motor listrik, tenaga angin, tenaga air dan sebagainya. Dengan adanya sistem penggerak ini, kita dapat memindahkan benda ke posisi tertentu, baik sebagai gerak linier, gerak sudut maupun kombinasi keduanya. Sistem penggerak dirancang untuk tujuan tertentu, misalnya untuk gerakan presisi dan akurat. Sistem penggerak presisi atau Precision Driving System (PDS) dapat memindahkan benda ke posisi yang diinginkan dengan tepat. Fenomena ini sangat menarik dan menimbulkan keingintahuan lebih lanjut bagaimana jika pada Sistem Penggerak Presisi diberikan beban dan dengan tipe pembebanan yang berbeda pula. Penggerak yang digunakan pada PDS ini adalah motor penapak (stepper motor) tipe unipolar HM004 dan roller dibuat dari fiber. Sistem transmisi yang digunakan adalah tipe gesek yang merubah gerak putar menjadi gerak translasi. Sistem mekanis-nya dibuat dari aluminum dan sebagai kontrol input digunakan program Delphi. Pengujian dilakukan untuk mengetahui performan PDS, difokuskan pada kondisi tanpa beban, pemberian beban dan pemberian jenis pembebanan yang berbeda. Hasil dari pengujian didapat bahwa performan PDS sangat baik. Kecepatan PDS sangat bergantung pada beban yang ada. Semakin besar beban, maka kecepatannya semakin lambat. Pada besar beban yang sama, jenis pembebanan momen lebih berpengaruh dari pada pembebanan tarik. Tetapi, tingkat presisi dari PDS tidak terpengaruh oleh beban yang ada. Keywords: Sistem Penggerak Presisi, motor penapak, pembebanan, kecepatan. PENDAHULUAN Dalam kehidupan sehari-hari baik itu didunia industri maupun non industri banyak dijumpai sistem penggerak. Sumber penggerak yang digunakan juga bermacam-macam, contohnya sistem penggerak menggunakan motor listrik, menggunakan tenaga angin, memanfaatkan tenaga air, dan lain sebagainya. Dengan adanya penggerak ini sebuah benda dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lainnya, baik itu linier, angular, maupun kombinasi keduanya. Penggerak-penggerak tersebut dirancang sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan pemakaianya, apakah untuk gerakan-gerakan yang memerlukan ketelitan atau sebaliknya. Pada penggerak presisi, penggerak jenis ini mampu memindahkan benda ke posisi yang diinginkan dengan tepat. Fenomena ini sangat menarik dan menimbulkan keingintahuan lebih lanjut mengenai bagaimana jika pada penggerak presisi dikenai beban dan kondisi pembebanan yang berbeda pula, apakah masih dapat melakukan gerakan presisi seperti pada keadaan tanpa beban. Karena itu tujuan dari penelitian ini adalah menguji kinerja penggerak presisi pada kondisi tanpa beban dan untuk mengetahui pengaruh pemberian beban dan variasi kondisi pembebanan (beban tarik/tekan dan beban momen)

2 145 Mekanisme pemosisian teliti dan presisi banyak digunakan oleh produk-produk industri antara lain alat ukur, penggerak piringan ( disk drive ), DVD, Laser Disk, dan lain-lain. Produk-produk tersebut dipakai dalam lingkungan yang membutuhkan ketelitian tinggi. Ada beberapa sistem penggerak yang dapat dipakai pada mekanisme pemosisian presisi yaitu (2) : 1. Sistem penggerak menggunakan udara ( air driven actuation ) atau yang dikenal dengan penggerak pneumatik. 2. Sistem penggerak menggunakan motor listrik dengan transmisi ulir bola (ballscrew). 3. Sistem penggerak menggunakan motor linier. 4. Sistem penggerak menggunakan motor listrik dengan memanfaatkan gesekan ( friction drive) Diantara keempat sistem penggerak tersebut di atas, sistem penggerak gesek sangat cocok untuk gerakan presisi. Sebagai penggerak dapat menggunakan motor penapak (motor stepper) (3). Motor Penapak Motor penapak (motor stepper) adalah suatu motor berarus DC yang dapat digunakan untuk mengendalikan gerakan terarah yang dapat diatur untuk setiap langkahnya. (7) Definisi yang lain mengenai motor penapak adalah suatu peralatan berbasis elektromekanis yang merubah sinyal elektrik menjadi gerakan-gerakan mekanis diskrit. (4) Contoh gambar motor penapak dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Motor penapak jenis KP4M4-001; 3,6 0 per step (7) Motor penapak menggunakan medan magnet untuk menggerakkan rotornya. Gerakan langkahnya dapat berupa satu langkah penuh, setengah langkah atau berupa langkah-langkah pendek tertentu. Motor penapak dapat melakukan gerakan secara prsesisi, mudah digunakan terutama untuk percepatan rendah atau untuk penerapan beban statis. (8). Motor penapak hanya akan bekerja apabila diberikan input tegangan dalam bentuk pulsa pada terminalterminalnya sebagaimana skema berikut : A B C D Prinsip kerja perputaran langkah adalah jika terminal A diberikan logika 1 (tegangan positif) maka inti pada poros motor stepper akan tertarik ke A (mulai di A), dan jika

3 146 pulsa berikutnya yang diberikan logika 1 adalah terminal B maka inti akan bergerak ke B, begitu seterusnya. Motor penapak adalah motor komunikatif karena kita dapat mengendalikan atau menggerakkan motor penapak sejauh yang kita inginkan dengan bahasa pemrograman pascal atau delphi. Hubungan Kecepatan Sudut dengan Kecepatan Linier Perhatikan sebuah penghubung kaku yang berputar terhadap satu titik tetap, O, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2a. Jarak antara O dan B adalah R, dan garis O- B membuat suatu sudut sebesar θ terhadap sumbu x. Gambar 2. Hubungan kecepatan sudut dan kecepatan linier (5) Kecepatan total titik B dapat diperoleh dengan menjumlahkan secara vektor kedua komponen tegak lurus (Holowenko, 1984), dengan hasil seperti terlihat dalam Gambar 2b : V B = Rω sin θ + Rω cos θ = Rω (1) dengan : V B = kecepatan linier roller (mm/s) R = jari-jari (mm) ω = kecepatan sudut (rad/s) Pada sistem penggerak presisi dengan motor stepper, batang traksi bergerak linier akibat adanya gesekan antara roller dengan batang traksi. Kecepatan linier batang traksi yang menempuh suatu perpindahan tertentu dalam jangka waktu tertentu adalah: S v t (2) dengan : v = kecepatan linier batang traksi (mm/s) S = perpindahan yang ditempuh batang traksi (mm) t = waktu (s) Kecepatan linier dari roller (V B) dan kecepatan linier batang traksi (v) adalah sama, atau secara matematis : V B v (3) Dengan mengetahui data putaran per menit (rpm) roller untuk setiap posisi timer, maka berdasarkan persamaan (4) kecepatan linier dari roller secara teoritis dapat diketahui. METODE PENELITIAN Data teknis motor penapak yang digunakan adalah sebagai berikut : Jenis Motor Stepper : Unipolar motor stepper HM004 TEAC 1403 P.N.O produksi Shinano Kenshi Co, Ltd Japan Jumlah step : 200 step/revolution

4 147 Degree/step : 1,8 0 Diameter roller : 23,8 mm Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : 1. Landasan luncur yang terbuat dari aluminium. 2. Batang traksi sepanjang 300 mm 3. Motor Stepper 4. Roller 5. Kabel Data 6. Rangkaian Penguat Elektronik 7. Komputer (PC) 8. Tachometer Penelitian dilakukan di Laboratorium Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung pada bulan Februari Mei 2007 Landasan rel Beban CPU dan beban momen (lihat Gambar 4). Tabel pengambilan datanya dapat dilihat berikut ini. Tabel 1. Tabel data kecepatan penggerak gesek dalam satu posisi timer untuk berbagai step yang ditempuh Step Jarak (mm) Waktu (s) Arah putaran roller Kabel data Motor stepper Batang traksi Gambar 3. Skema peralatan Penggerak gesek dengan motor stepper Proses pengujian Pengujian yang dilakukan adalah pengujian kinerja penggerak gesek untuk mengetahui apakah penggerak gesek yang dibuat dapat melakukan gerakan presisi sesuai dengan input yang diberikan ke sistem dengan memberikan beban dan variasi kondisi pembebanan yaitu berupa beban tarik/tekan (lihat Gambar 3), Gambar 4. Kondisi Pembebanan momen HASIL DAN PEMBAHASAN Perbandingan kecepatan penggerak presisi untuk berbagai jarak yang ditempuh hasil pengujian dengan hasil perhitungan teoritis. Data hasil pengujian ditampilkan dalam bentuk grafik dan

5 148 dibandingkan dengan kondisi teoritisnya. Untuk mengetahui kecepatan teoritis, berdasarkan persamaan (4) kita bisa menghitung kecepatan teoritisnya dengan mengetahui putaran (rpm) roller motor stepper. Putaran roller motor stepper didapat melalui pengukuran menggunakan tachometer dan hasilnya untuk masing-masing pengujian ditampilkan berikut ini. Jenis pengujian Pengujian tanpa beban : 5,5 Pengujian dengan beban I (300gram) : 1,1 Pengujian dengan beban II (450 gram) : 0,5 Pengujian dengan beban momen (300 gram) : 0,7 Putaran roller (rpm) Dengan besar jari-jari roller motor stepper sebesar 11,9 mm maka besar masing-masing kecepatan teoritisnya adalah : Jenis pengujian Kecepatan teoritis (mm/s) Pengujian tanpa beban : 6,8 Pengujian dengan beban I (300gram) : 1,36 Pengujian dengan beban II (450 gram) : 0,68 Pengujian dengan beban momen (300 gram) : 0,87 Grafik perbandingan kecepatan hasil pengujian terhadap kecepatan teoritis untuk masing-masing pengujian dapat dilihat berikut ini. UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) TANPA BEBAN UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) TANPA BEBAN Gambar 5. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step arah putaran roller cw, arah putaran roller ccw, tanpa beban UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN TARIK UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN TARIK Gambar 6. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step arah

6 149 putaran roller cw, arah putaran roller ccw dengan beban I kondisi pembebanan tarik UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN II KONDISI PEMBEBANAN TARIK UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN II KONDISI PEMBEBANAN TARIK UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN MOMEN Gambar 8. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step arah putaran roller cw, arah putaran roller ccw dengan beban I kondisi pembebanan momen Gambar 7. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step arah putaran roller cw, arah putaran roller ccw dengan beban II kondisi pembebanan tarik UNTUK BERBAGAI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN MOMEN Dari Gambar 5, Gambar 6, Gambar 7 dan Gambar 8 secara umum terlihat hampir semua titik data saling berimpit. Hal ini berarti antara kecepatan hasil pengujian dan kecepatan teoritis dapat dikatakan hampir sama. Dengan kata lain, kinerja sistem penggerak presisi yang digunakan sudah baik. Adanya beberapa titik yang berbeda antara teoritis dan pengujian karena adanya slip antara roller dengan batang traksi yang bisa dikarenakan tidak sempurnanya sistem mekanisnya, dan kesalahan non teknis (human error) yaitu kesalahan dalam pengukuran.

7 150 a. Pengaruh pemberian beban terhadap kecepatan penggerak presisi 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 GRAFIK PENGARUH PEMBERIAN BEBAN TERHADAP KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) tanpa beban beban tarik I beban tarik II GRAFIK PENGARUH PEMBERIAN BEBAN TERHADAP KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan arah Jarum Jam) beban momen tanpa beban beban tarik I beban tarik II beban momen Gambar 9. Pengaruh pemberian beban terhadap kecepatan penggerak presisi arah putaran roller cw, arah putaran roller ccw Dari Gambar 9 terlihat pengaruh pemberian beban terhadap kecepatan penggerak presisi baik untuk arah putaran roller cw maupun arah putaran roller ccw, yaitu terlihat kecepatan penggerak presisi berubah menjadi lebih rendah dan semakin mengecil seiring bertambahnya besar beban seperti terlihat pada beban tarik I dan bebab tarik II. Perubahan kecepatan ini terjadi karena besar putaran (rpm) roller yang berkurang dan perubahan ini secara logika berpikir dapat diterima, artinya kecepatan benda bergerak tentunya akan semakin berkurang seiring bertambahnya beban. Namun walaupun terjadi pengurangan kecepatan, tingkat ketepatan gerakan tetap tinggi, ini artinya walaupun terjadi pengurangan kecepatan, penggerak presisi tetap dapat melakukan gerakan presisi seperti terlihat pada hasil pengujian pada Gambar 5 hingga Gambar 8. Dengan kata lain, pemberian beban tidak berpengaruh terhadap tingkat ketepatan gerak penggerak presisi, tetapi berpengaruh terhadap besar kecepatannya saja. b. Pengaruh kondisi pembebanan terhadap kecepatan penggerak presisi 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 GRAFIK PERBANDINGAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) beban tarik I beban momen

8 151 GRAFIK PERBANDINGAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan arah Jarum Jam) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 beban tarik I beban momen yang terjadi. Namun walaupun terjadi pengurangan kecepatan, penggerak presisi tetap dapat melakukan gerakan presisi seperti terlihat pada hasil pengujian pada Gambar 5 hingga Gambar 8. Dengan kata lain, kondisi pembebanan tidak berpengaruh terhadap tingkat ketepatan gerak penggerak presisi, tetapi berpengaruh terhadap besar kecepatannya saja. Gambar 10. Pengaruh kondisi pembebanan terhadap kecepatan penggerak presisi arah putaran roller cw, arah putaran roller ccw Dari Gambar 10 terlihat pengaruh kondisi pembebanan terhadap kecepatan penggerak presisi baik untuk arah putaran roller cw maupun arah putaran roller ccw. Terlihat ternyata kondisi pembebanan memberikan pengaruh terhadap besar kecepatan penggerak presisi, dan kondisi pembebanan momen memberikan pengaruh perubahan kecepatan penggerak presisi yang lebih besar terhadap pembebanan tarik, padahal besar beban yang digunakan sama. Hal ini dapat dipahami karena pada pembebanan momen selain harus mengatasi beban akibat momen yang terjadi, motor stepper juga mengalami beban tarik, sedang pada pembebanan tarik motor stepper hanya mengalami beban tarik saja. Akibatnya pada pembebanan momen kerja yang dilakukan juga bertambah besar dan hal ini berpengaruh pada besar kecepatan SIMPULAN Dari hasil pengujian dan pembahasan yang telah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan : 1. Perbedaan data antara hasil pengujian dengan hasil perhitungan teoritis pada semua pengujian sangat kecil, ini artinya kinerja penggerak presisi yang digunakan cukup baik. 2. Pemberian beban berpengaruh terhadap besar kecepatan penggerak presisi, semakin besar beban yang diberikan, semakin besar pengurangan kecepatannya, tetapi dari tingkat ketepatan gerak tidak memberikan pengaruh. 3. Pada nilai beban yang sama, kondisi pembebanan momen lebih besar pengaruhnya dari pada pembebanan tarik terhadap besar pengurangan kecepatan penggerak presisi, tetapi tingkat ketepatan gerak tidak berpengaruh.

9 152 DAFTAR PUSTAKA A.H. Slocum., 1992, Precision Machine Design., Prentice Hall. Beer. F.P., Johnston. R.R., 1981, Mechanics of Materials, McGraw-Hill. Dutono, T., Istilah Teknologi Informasi Bahasa Indonesia, ti,5/8/ :15 AM Euclid, Stepper Motors.,2001, ps/stepper_motor, 23/9/ :38 AM Holowenko, A.R., Prapto, C., 1984, Dinamika Permesinan, Jakarta, Penerbit Erlangga. Ian Harries, KP4M4-001 Stepper Motor, 1999, 4/8/ :15 AM Jordan Rd, Troy., About Stepper Motors, 2005, 22/9/ :07 AM Stepper Motor Basics., 1990, Industrial Circuits Application Journal., 23/9/ :27 AM Weck. M, 1984,Handbook of Machine Tool, Vol. 2. Wiley Heyden.