Sistem Kendali Servo Pada Sumbu Mesin CNC Aciera F5

Transkripsi

1 Sistem Kendali Servo Pada Sumbu Mesin CNC Aciera F5 Oleh: Eko Purwanto Aribowo NIM: Tugas Akhir Untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Ijasah Sarjana Teknik Elektro FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA

2

3

4

5 Sistem Kendali Servo Pada Sumbu Mesin CNC Aciera F5 Eko Purwanto Aribowo 1,F. Dalu Setiaji 2, Deddy Susilo 3 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga 1 bowosch@gmail.com, 2 fdsetiaji@yahoo.com, 3 deddy.susilo@ymail.com Intisari Sistem kendali servo yang dibuat pada penelitian ini akan digunakan untuk menggantikan perangkat servo pada mesin CNC Aciera F5 yang telah rusak. Isyarat masukan dari setpoint akan diumpankan ke bagian pencacah untuk dikurangkan dengan isyarat dari umpanbalik pada sistem servo. Hasil pengurangan tersebut kemudian diumpankan ke pengendali PID dan menghasilkan keluaran berupa sinyal PWM. Sinyal PWM kemudian disaring dengan menggunakan Low pass Filter untuk mendapatkan tegangan konstan sebagai masukan servo amplifier. Penalaan PID menggunakan metode Ziegler- Nichols dan dipadu dengan metode osilasi. Kata kunci: Servo, Mesin CNC, Ziegler-Nichols 1. Pendahuluan Salah satu mesin yang digunakan sebagai media praktek mahasiswa di Politeknik Atmi Surakarta adalah mesin CNC aciera F5. Setelah digunakan selama 32 tahun, bagian kelistrikan dari mesin tersebut mengalami kerusakan tetapi bagian mekanik mesin tersebut masih dapat berfungsi. Namun demikian, baik kerusakan mekanik maupun elektronik pada mesin CNC, tetaplah membuat mesin CNC tersebut menjadi tidak dapat digunakan. Oleh karena itu, perlu dipikirkan bagaimana caranya agar mesin CNC aciera F5 dapat berfungsi kembali. Kerusakan pada mesin Aciera F5 terjadi pada bagian servo driver dan numerical control. Meskipun demikian, sirkuit penguat servo masih dapat berfungsi. Masalah yang terjadi adalah penguat servo yang ada pada mesin ini menggunakan sistem komunikasi analog. Pada saat ini sudah tidak ada lagi numerical kontrol CNC yang menggunakan sistem komunikasi analog melainkan menggunakan komunikasi digital. Sebetulnya masalah ini dapat diatasi dengan mengganti keseluruhan sistem mulai dari motor hingga servo amplifier yang mampu berkomunikasi dengan kontrol CNC secara digital dan tentunya dengan daya dan torsi yang sesuai. Namun demikian, penggantian seluruh sistem penggerak akan membutuhkan biaya yang mahal. Jika rangkaian servo driver 1

6 yang rusak dapat dibuat sendiri dengan sistem kendali digital, maka biaya perbaikan mesin akan menjadi murah karena tidak perlu mengganti keseluruhan sistem kelistrikan dari mesin. 2. Perancangan Perbaikan mesin aciera F5 dimulai dengan pemeriksaan awal kondisi mesin. Dari pemeriksaan awal mesin diketahui bahwa bagian servo amplifier mesin masih dapat berfungsi. Meskipun demikian, bagian servo driver mesin sudah tidak berfungsi sehingga perlu diganti. Saat ini servo driver yang sesuai dengan spesifikasi yang diperlukan oleh mesin sudah tidak lagi diproduksi. Sehubungan dengan hal itu, perlu adanya perancangan dan pembuatan servo driver untuk menggantikan servo driver yang telah rusak Servo Driver "Sistem pengikut (servo), adalah sebuah sistem yang keluaran prosesnya selalu mengikuti masukan proses"[sulasno,thomas Agus Prayitno, teknik sistem kontrol, 2007]. Masukan dari proses pengendalian motor servo pada mesin aciera F5 adalah perintah posisi yang dihasilkan oleh unit kontrol numerik. kontrol numerik bertugas memproses program CNC yang ditulis menggunakan bahasa pemrograman G-code dan menghasilkan keluaran berupa isyarat posisi yang harus dipenuhi oleh servo system. Isyarat yang diterima oleh servo system kemudian dibandingkan dengan isyarat posisi dari encoder oleh servo driver. Dengan mengurangkan kedua isyarat tersebut, kemudian dihasilkan isyarat error (e) yang diperlukan untuk memperbaiki posisi plant agar sesuai dengan set point. 2

7 Gambar 1. Diagram alir servo driver Gambar 2. Diagram alir sub program interrupt 1 3

8 Mulai sub program interrupt 2 Koreksi arah positip ya tidak Memori B = B-1 Memori B = B+1 Selesai sub program interrupt 2 Gambar 3. Diagram alir sub program interrupt 2 Dalam diagram alir ditunjukan proses operasi pengurangan nilai masukan dari numerical control dikurangi dengan pulsa umpan balik dari encoder. Apabila hasil pengurangan tidak sama dengan "0" maka hal ini menunjukan bahwa terjadi ketidaksesuaian antara posisi plant dengan set point. Jika hal tersebut terjadi, maka nilai error yang didapat akan diproses melalui algoritma PID agar dihasilkan keluaran yang dapat menggerakan motor sampai posisinya terpenuhi. Servo system akan mengendalikan posisi poros motor DC agar dapat menggerakan ketiga sumbu pada mesin Aciera f5. Sistem kendali yang dirancang merupakan kendali close loop dengan penambahan kontrol PID. Gambar 4. Diagram blok servo 2.2. Pengolahan sinyal pada mikrokontroler mikrokontroler atmega 8 menerima masukan berupa isyarat posisi shaft motor dari rotary encoder yang terhubung melalui pin interrupt 1 pada Microcontroler 4

9 atmega 8. Pin interrupt 1 dihubungkan pada keluaran encoder phase A lalu diatur agar dapat membaca tepian positip setiap kali mendapatkan detak pulsa. Setelah membaca tepian positip dari detak pulsa interrupt mikrokontroler akan memanggil sub routin yang berisi program untuk menguji kondisi pin 1 pada port D. Pin D.1 dihubungkan dengan keluaran encoder phase B. Jika Pin D.1 berlogika tinggi maka pencacah akan mencacah naik, sebaliknya jika pin D.1 berlogika nol maka pencacah akan mencacah turun. Selanjutnya nilai hasil pencacahan disimpan pada memori yang nantinya akan digunakan untuk menentukan besarnya isyarat error (e). Hasil perhitungan nilai error kemudian diolah untuk menghasilkan analog output yang baru dari mikrokontroler yang diambil dari pin OCR1A. Proses tersebut akan berulang terus menerus hingga nilai kesalahan mendekati nol. Servo amplifier memerelukan tegangan analog yang terbebas oleh nois sehingga diperlukan adanya rangkaian tapis lolos bawah untuk menapis sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler Tapis Aktif PWM Sebagai upaya dalam menghasilkan keluaran tegangan analog yang terbebas dari komponen frekuensi maka dibuatlah sebuah tapis aktif. Tapis yang diperlukan adalah tapis lolos bawah dengan frekuensi penggal pada 20Hz dan kecuraman (roll-off) sebesar -20dB/dekade. Untuk memenuhi tuntutan tersebut maka dipilihlah jenis penapis orde pertama dengan menggunakan sebuah Op-Amp UA741. Adapun schematic diagram dari rangkaian tersebut adalah sebagai berikut. Gambar 5. Rangkaian servo driver dilengkapi tapis lolos bawah Terdapat dua keluaran PWM dari mikrokontroler, satu diantaranya (PB.2) merupakan isyarat yang nilaianya berubah-ubah tergantung dengan nilai set-point dan kesalahan (error). Isyarat PWM yang lain (PB.1) merupakan isyarat yang 5

10 nilaianya tetap dan berfungsi sebagai referensi tegangan analog keluaran rangkaian. Perlu diketahui bahwa tegangan analog yang diperlukan oleh sistem adalah -5V sampai dengan 5V. Beda potensial dari keluaran Vout dan Vref akan mempengaruhi kecepatan motor servo yang dikendalikan, semakin tinggi beda potensialnya semakin tinggi pula angka putaran motor. Polaritas antara Vout dan Vref akan mempengaruhi arah putaran motor. Sebagai contoh jika tegangan Vout sebesar 2,5V diukur dari Vref maka motor akan berputar searah jarum jam dengan kecepatan 50%. Jika tegangan Vout sebesar -5V diukur dari Vref maka motor berputar berlawanan arah jarum jam dengan kecepatan 100% (Maksimum) Penalaan PID Pada mesin Aciera F5 sangat sulit untuk menentukan pemodelan secara matematis dikarenakan pada mesin tersebut terdapat banyak komponen mekanis yang saling terhubung. Oleh karena itu maka perancangan kontroler PID secara analitis tidak mungkin dilakukan sehingga perancangan kontroler PID harus dilakukan secara eksperimental. Metode tuning yang dipilih untuk menentukan nilai Kp,Ti,dan Td adalah metode tuning Ziegler - Nichols dengan mengamati kurva respon osilasi. Ziegler Nichols mengusulkan aturan untuk menentukan nilai Kp, Ti dan Td berdasarkan pada karakteristik tanggapan peralihan dari plant yang diberikan. Didalam perancangan kontroler PID diperlukan penentuan parameter kontroler PID supaya sistem close loop memenuhi kriteria performansi yang diinginkan. Metode penalaan pada penelitian ini didasarkan pada reaksi sistem untaian tertutup. Plant disusun serial dengan kontroller PID. Semula parameter-parameter integrator disetel tak berhingga dan parameter diferensial disetel nol (Ti = ~ ;Td = 0). Parameter proporsional kemudian dinaikkan bertahap. Mulai dari nol sampai mencapai harga yang mengakibatkan reaksi sistem berosilasi. Reaksi sistem harus berosilasi dengan magnitud tetap(sustain oscillation) (Gutterus, 1994, 9-9). Nilai penguatan proportional pada saat sistem mencapai kondisi sustain oscillation disebut ultimate gain Ku. Periode dari sustained oscillation disebut ultimate period Tu (Perdikaris, 1991, 433). 3. Pengujian dan Analisis Pengujian dan analisis yang dilakukan meliputi pengujian kepresisian mesin, Akurasi mesin, sinkronisasi sumbu X dan sumbu Y, kecepatan pergerakan mesin, dan analisa kedalaman pemakanan pada benda kerja dengan kekerasan 60 HRc. Pengujian akurasi pergerakan motor servo dilakukan dengan membandingkan jarak yang dimasukkan pada pengendali MACH3 dengan keadaan sesungguhnya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dial indicator sebagai alat ukurnya. Akurasi mesin yang ditargetkan minimal 0,05 mm maka alat ukur yang dipilih adalah alat ukur dengan resolusi sebesar 0,01mm. Hasil dari pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut. 6

11 Gambar 6. Pengujian akurasi sumbu X Gambar 7. Pengujian akurasi sumbu Y 7

12 Gambar 8. Pengujian akurasi sumbu Z Pengujian kepresisian mesin dilakukan dengan membandingkan jarak yang dimasukkan pada pengendali MACH3 dengan keadaan sesungguhnya. Pengujian dilakukan dengan jarak uji yang tetap namun pengujian diulang sampai 30 kali lalu diamati penyimpangan yang terjadi. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan dial indicator sebagai alat ukurnya. Kepresisian mesin yang ditargetkan minimal 0,05 mm maka alat ukur yang dipilih adalah alat ukur dengan resolusi sebesar 0,01mm. Gambar 9. Pengujian kepresisian sumbu X 8

13 Gambar 10. Pengujian kepresisian sumbu Y Gambar 11. Pengujian kepresisian sumbu Z Pada percobaan pengujian keparalelan mesin didapat hasil bahwa keparalelan mesin terdapat koreksi sebesar 0,01 mm. hal ini disebabkan karena kondisi mekanik mesin yang sudah tidak presisi sehingga menghasilkan penyimpangan ukuran. Pengujian ketegak lurusan mesin dengan menggunakan alat ukur bavel protactor menunjukkan bahwa sudut yang terbentuk adalah 90 pada keempat sisi pengukuran. Pengujian kecepatan pergerakan maksimum diukur dengan menggunakan stopwatch dan mistar. Mesin diprogram untuk bergerak sejauh 500 mm kemudian 9

14 dihitung kecepatan gerakan pada sumbu yang diuji. Pada progran diatur kecepatan gerak tanpa pemotongan sebesar 500 mm per menit. Dari 25 kali pengujian didapat hasil bahwa mesin menempuh jarak sejauh 500 mm dalam waktu 1 menit. Pengujian kedalaman pemakanan bertujuan untuk mengetahui kekuatan mesin dalam memotong benda kerja. Pengujian dilakukan dengan menempatkan benda kerja berupa besi dengan tipe ST60 pada ragum mesin. Kecepatan spindle ditentukan dengan menggunakan tabel Cuting Speed dan jenis material. Benda kerja dipotong dengan kedalaman pemakanan sebanyak 5mm pada feeding 5 mm per menit. Mesin dapat memotong benda kerja dengan benar sampai program selesai dieksekusi seluruhnya. 4. Kesimpulan Dari keseluruhan proses penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa mesin CNC aciera F5 telah mampu beroperasi kembali dan digunakan sebagai sarana belajar mahasiswa. Adapun pengujian terhadap mesin menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: Pengujian keakuratan mesin menunjukkan bahwa akurasi minimum mesin yang dapat dicapai sebesar 0,04mm pada ketiga sumbu mesin. Pengujian kepresisian mesin menunjukkan bahwa koreksi maksimum mesin sebesar 0,04mm pada ketiga sumbu mesin. Resolusi terkecil yang dapat dibaca oleh mesin hingga 0,01mm. Pemotongan pada benda dengan kekerasan 60Hrc dengan kedalaman 5mm tidak menujukkan adanya gejala kerusakan alat potong ataupun kesalahan fungsi pada keseluruhan sistem. Kecepatan maksimum pergerakan mesin mencapai 500 mm per menit tanpa pemakanan. Daftar Pustaka [1] Sulasno dan Agus Prayitno, Thomas, Teknik Sistem Kontrol,Graha Ilmu, yogyakarta,2006. [2] Ogata, Katsuhiko, Modern Control Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs,NJ. [3] Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Otomatik, Jilid 1, Jakarta : Erlangga, [4] Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Otomatik, Jilid 2, Jakarta : Erlangga, [5] Wijaya,Eka Candra, Auto Tuning PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler- Nichols Menggunakan Mikrokontroler AT89S52 pada Pengendalian Suhu, universitas diponegoro,

15 LAMPIRAN PROGRAM /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V Professional Automatic Program Generator Copyright Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l. Project : Servo Driver Version : 1.6 Date : 4/1/2015 Author : Eko Purwanto Aribowo Company : Politeknik Atmi Surakarta Comments: Chip type Program type : ATmega8L : Application AVR Core Clock frequency: MHz Memory model : Small External RAM size : 0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include <mega8.h> #include <delay.h float es,en,eni,end,e, //deklarasi sinyal

16 p=1000, i=0.005, d=100, esp,esd,esi, op, oi, od; //External Interrupt 0 service routine interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { DDRD.1=1 ; if (PIND.1==0) { e=e-0.001; //!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! } else { e=e+0.001; }; DDRD.1=1 ; } // // External Interrupt 1 service routine interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void) {

17 DDRD.0=1; if (PIND.0==0) { e=e+0.001; } else { if (PIND.0==1) { e=e-0.001; } }; } // Declare your global variables here void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port B initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTB=0x00; DDRB=0xFF;

18 // Port C initialization // Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0x00; DDRC=0x00; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0b ;// Harus do Pull UP input pin D0 dan D1 DDRD=0x00; // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 0 Stopped TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: khz // Mode: Fast PWM top=0x03ff // OC1A output: Non-Inv. // OC1B output: Non-Inv.

19 // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0xA3; TCCR1B=0x0A; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xff // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00;

20 // External Interrupt(s) initialization // INT0: On // INT0 Mode: Rising Edge // INT1: On // INT1 Mode: Rising Edge GICR =0xC0; MCUCR=0x0F; GIFR=0xC0; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC disabled ADCSRA=0x00; // SPI initialization

21 // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Global enable interrupts #asm("sei") e=511;//nilai awal sinyal eror while (1) { OCR1A=op+oi+od+511; OCR1B=440; //reference signal DDRD.1=1; //kendali proporsional en=e-511; op=p*en; //nilai p ditentukan melalui tuning //kendali integral eni=en+esi; oi=i*eni; //nilai Ki ditentukan melalui tuning esi=eni; //kendali Deferensial end=en-esd;

22 od=d*end; //nilai Kd ditentukan melalui tuning esd=end; //pengaman jika terjadi over count if (e>1000) { OCR1A=511;e=511;eni=0;end=0;en=0;esi=0;esd=0;op=0;oi=0;od=0;delay _ms(100);}; if (e<20) { OCR1A=511;e=511;eni=0;end=0;en=0;esi=0;esd=0;op=0;oi=0;od=0;delay _ms(100);}; } }