BAB II DASAR TEORI ...(1)

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Retrofit mesin CNC diperlukan banyak penelitian dan analisa tentang bagianbagian dari keseluruhan mesin. Maka dari itu, diperlukan beberapa materi yang mendukung penelitian dan analisa yang akan lakukan. 2.1 Rumus Perhitungan Power Mesin dan Power Motor Penentuan motor yang digunakan untuk sebuah mesin terutama mesin CNC, diperlukan perhitungan-perhitungan mengenai daya mesin sebelum memilih motor. Adapun perhitungan yang harus dilakukan untuk menentukan besarnya power mesin dan power motor yang dijadikan refrensi dalam pemilihan motor untuk perbaikan mesin CNC. Berikut pembahasan tentang rumus perhitungannya Rumus Perhitungan Daya Pada Umumnya Perhitungan dari nilai Daya (P) nilainya sebanding dengan nilai Usaha (W) dan berbanding terbalik dengan nilai Waktu (t). Dari pengertian tersebut dapat dituliskan rumus: =...(1) Dengan: P = Daya (watt) W = Usaha (J) t = Waktu (s) Sedangkan perhitungan dari nilai Usaha (W) nilainya sebanding dengan nilai Gaya (F) dan berbanding terbalik dengan nilai dari Jarak yang ditempuh (s). Dari pengertian tersebut dapat dituliskan rumus: =...(2) Dengan : W = Usaha (J) F = Gaya (N) s = Jarak (m) Dari persamaan (1)dan persamaan (2) maka dapat ditemukan persamaan baru: 1

2 =...(3) Sedangkan persamaan kecepatan, nilai Kecepatan (v) sebanding dengan nilai Jarak (s) dan berbanding terbalik dengan nilai Waktu (t). Dari persamaan tersebut dapat dituliskan rumus: baru: =...(4) Dari persamaan (3) dan persamaan (4) maka dapat ditemukan persamaan =...(5) Perhitungan Power Motor Stepper pada Mesin Milling Dengan: P mot Zie sama. b hm 1-z Ks.1.1 P = h 1.1 η 6120 = Power motor berdasarkan pada lampiran v = kecepatan potong (m/min) = Jumlah gigi yang memotong pad benda kerja pada waktu yang = Tinggi cutter yang bersinggungan dengan benda kerja (mm) = tebal chip rata-rata terhadap jenis dari material = specific cuttuingforce, tergantung dari jenis material η = efisiensi mesin (%), besar efisiensi yang sering dipakai η = 0,7 (70%) Perhitungan jumlah Zie : Dengan : z =, dalam jumlah!"# = jumlah gigi pada cutter (jumlah) φs = besarnya sudut dari cutter bersentuhan/bersinggungan dengan benda kerja ( ) 2

3 Perhitungan besarnya b : Dengan : a = $ %&'(, dalam mm = kedalaman pemakanan/depth of cut (mm) K = bersarnya sudut potong pada cutter ( ) Besarnya sudut potong biasanyan 60, 75, 90, sehingga : Sin 60 = 0,866 Sin 75 = 0,97 Sin 90 = 1 Perhitungan besarnya hm : Dengan : 1 rad = 57,3 h = )," hm = tebal chip rata-rata (mm) s z = Besarnya feeding setiap giginya (mm) Perhitungan besarnya s z : Dengan: s z n e = feeding (mm/min) = jumlah gigi cutter = putaran cutter (rpm) = lebar benda kerja (mm) Ds = diameter cutter (mm) sin. /, dalam mm 0 =, dalam mm 1 1-z = specific cutting exponent, tergantung dari specific force (ks1.1) berdasarkan tabel 5 pada lampiran Catatan : Besarnya hm 1-z bisa didapat dari perhitungan atau pada lampiran Perhitungan Daya Motor Sumbu Percepatan maksimum dihitung dengan rumus: 2 $ =

4 Dimana: a a = percepatan maksimum V max = kecepatan maksimum dan t a = waktu percepatan Perlambatan maksimum dihitung dengan rumus : Dimana: a d t d = perlambatan maksimum = waktu perlambatan 2 7 = 8 9$: ; 7 Perhitungan inersia beban sebagai konversi gerak poros motor dilakukan dengan cara melakukan perhitungan inersia beban. Selain itu inersia maksimum ballscrew juga ditambahkan yang dapat diperoleh dari katalog ballscrew yang digunakan. Untuk menghitung besar inersia Jw beban digunakan rumus : < = =>? 2@ A B 10 " +< D Dimana: J w = inersia kerja M P J b < D = > DE B 8 10 " = massa meja ditambah dengan massa benda kerja = jarak bagi poros ballscrew yang digunakan = inersia dari poros ballscrew M B = massa ballscrew D = diameter poros Perhitungan torsi beban dilakukan dengan menambahkan faktor gesek yang terjadi. Dalam hal ini, koefisien gesek dimasukkan dalam perhitungan. Untuk perhitungan torsi beban dengan faktor gesek digunakan rumus : 4

5 Dimana: T w = torsi beban g = percepatan gravitasi bumi G = =H>I J BK 10! Perhitungan kecepatan putar untuk menghitung besar kecepatan putar optimal dari motor stepper yang akan dipilih. Berdasarkan katalog diperoleh bahwa pada motor stepper disediakan kecepatan putaran dengan rentang Untuk perhitungan kecepatan putar digunakan rumus : Dimana: L= 608 M rpm. N V P G = kecepatan putar = kecepatan maksimum = jarak bagi = posisi ketepatan gerak motor stepper Langkah selanjutnya adalah menetapkan pilihan sementara ukuran motor stepper yang akan digunakan sesuai dengan hasil perhitungan yang telah dilakukan. Setelah pilihan ditetapkan, dilakukan pemeriksaan terhadap motor stepper yang dipilih. Ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu inersia motor stepper yang dipilih harus lebih dari 1 O 30 inersia beban. Untuk syarat pertama digunakan rumus: 0,3 J Jw M...(7) Dan torsi rata-rata motor stepper yang dipilih harus lebih dari 80 persen torsi beban aplikasi nilai konversi poros motor. Untuk syarat kedua digunakan rumus: M W 0,8 T >T (8) Perhitungan pemeriksaan meliputi inersia beban lebih kecil dari inersia rotor motor, torsi efektif lebih kecil dari torsi rata-rata motor stepper dan laju putaran yang diperlukan lebih kecil dari laju putaran rata-rata motor stepper. Untuk memperoleh besar torsi efektif maka harus dilakukan perhitungan torsi percepatan 5

6 maupun perlambatan. Waktu percepatan dapat direncanakan sama dengan waktu perlambatan. Dengan demikian torsi aplikasi dapat dihitung dengan rumus : Dimana: G $ = 2@L 60; $?< P + < = Q A T a = torsi percepatan atau perlambatan N J m J w = putaran rata-rata motor hasil perhitungan = momen inersia motor stepper yang dipilihberdasarkan katalog = momen inersia beban Torsi efektif rata-rata (TRMS) merupakan torsi efektif motor stepper. Torsi ini merupakan perhitungan dari torsi pada kondisi dipercepat, konstan dan diperlambat. Untuk kondisi dipercepat dinyatakan sebagai torsi kondisi dipercepat (T 1 ) : T 1 = T a + T W kemudian torsi kondisi konstan (T 2 ) : dan torsi kondisi diperlambat (T 3 ) : T 2 = T W T 3 = T a T W 2.2 Breakout board Dalam setiap mesin CNC biasanya dipakai rangkaian Breakout board untuk menghubungkan dan mengkomunikasikan antara komputer personal dan mesin CNC sendiri. Rangkain Breakout board ini pada dasarnya memiliki 2 fungsi umum, yaitu: a. Menerjemahkan sinyal yang digunakan untuk menjalankan sebuah mesin CNC (dari komputer personal ke mesin CNC) dan sinyal yang berasal dari umpan balik motor (dari mesin CNC ke personal komputer). 6

7 b. Melindungi motherboard personal komputer, bilamana ada motor atau komponen lain dari pengendali mesin CNC yang rusak maka itu dapat menghindarkan terbakarnya motherboard personal komputer. Gambar 2.1 Breakout Board Aciera F5 2.3 Motor Induksi 3 Fasa Motor induksi 3 fasa merupakan suatu alat listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak dengan memanfaatkan medan listrik untuk pergerakannya dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Motor induksi ini mempunyai konstruksi yang sederhana, kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah. Efisiensi relatif tinggi saat keadaan normal, karena tidak ada sikat sehingga kerugian akibaat gesekan kecil. 7

8 Gambar 2.2 Motor Induksi Salah satu kelemahannya yaitu tidak bisa mempertahankan kecepatan secara konstan saat terjadi perubahan beban, itu dikarenakan beberapa parameter yang tidak linear. Untuk mendapatkan kecepatan konstan dan kinerja sistem yang lebih baik jika terjadi perubahan beban, maka dibutuhkan suatu pengontrol motor. Pengontrol motor inilah yang disebut dengan inverter. 2.4 Inverter Dalam dunia elektronik ada 2 macam pengertian untuk kata inverting. Pertama adalah alat pengendali motor dangan menggunakan frekuensi. Ada 2 macam pengendalian motor menggunakan frekuensi, yaitu VSD (Variable Speed Drive) dan VFD (Variable Frequency Drive). Kedua adalah alat untuk mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik. 8

9 Gambar 2.3 Inverter Toshiba Inverter adalah rangkaian kontrol untuk mengatur kecepatan motor AC dimana frekuensi yang diubah sebanding dengan putaran motor AC yang dihasillkan. Dalam Skripsiini inverter yang digunakan adalah inverter dengan merk Toshiba dengan tipe VF-S15. Pemilihan spesifikasi inverter berdasarkan besarnya daya motor induksi yang dibutuhkan. 2.5 Software Mach3 Mach3 adalah peranti lunak berbayar untuk CNC (Computerized Numerical Control) berbasis personal komputer keluaran dari Artsoft. Mach3 dapat mentransformasi gambar-gambar menjadi G-Code yang kemudian digunakan sebagai pengendali mesin. Untuk dapat mengoperasikan Mach3 pada komputer personal diperlukan beberapa spesifikasi minimum yaitu sistem operasinya Windows dengan 32-bit, prosesor 1GHz, layar dengan resolusi 1024 x 768 dan minimal 512 MB RAM. 9

10 Gambar 2.4 Tampilan Mach3 Berikut ini adalah fitur-fitur dan aplikasi dari software Mach3 : a. Mengkonversikan PC standar ke fitur lengkapnya, dapat mencapai pengendali dengan 6 sumbu. b. Menyediakan pengiriman langsung berupa data DXF, BMP, JPG, dan HPGL melalui LazyCam. c. Penampilan Visual G-Code. d. Menghasilkan keluaran berupa G-Code melalui LazyCam maupun Wizards. e. Pengendali kecepatan spindel. f. Pengendali relay-relay. g. Pembangkit detak manual. h. Menampilkan video display dari mesin G-Code G-Code adalah bahasa pemrograman yang dipakai pada software Mach3. G- Code biasa digunakan pada mesin CNC untuk mengendalikan motor sumbu. Berikut contoh pembacaan G-Code. 10

11 Gambar 2.5 Cara Pembacaan G-Code 11

12 Berikut tabel penjelasan G-Code : G code Keterangan G0 Rapid Traverse G1 Line ar interpolation in Slow Feed Motion G2 Circular Interpolation Clockwise G3 Circular Interpolation Counter-clockwise G4 Dwell G9 In-Position Programming (Deceleration) G10 Polar Coordinates for Rapid traverse G11 Polar Coordinates for Line ar Interpolation G12 Polar Coordinates for Clockwise Circular Interpolation G13 Polar Coordinates for Counter-clockwise Circular Interpolation G17 XY-Plane G18 G19 ZX-Plane YZ-Plane G20 G21 Inch input Metric input G22 Invocate Subprogram 12

13 G23 Repeated Program Part (Routine) G24 Unconditional Jump Instruction G25 Move to the Reference Point G26 Move to the Tool Change Position G40 Cancel Cutter Radius Compensation G41 Cutter Radius Compensation to the Left of the Contour G42 Cutter Radius Compensation to the Right of the Contour G43 Calling a tool G44 Contour-parallel Approach / Retreat G45 Semi-circular Approach / Retreat G46 Approach / Retreat in a Quadrant G47 Cancel scalling and mirror G50 Scalling up or down and mirror image G51 Local coordinate sistem G52 Cancel Incremental Zero Shift G53 Set Absolute Zero 13

14 G54- G57 G59 Incremental Zero Shift Starting hole coordinate G68 Cancel rotation G69 Activate Absolute Dimensioning G90 Activate Incremental Dimensioning G91 Feedrate (mm / min) G95 Feedrate (mm / rev) G96 Constant cutting speed (m / min) Tabel 2.1 Penjelasan G-Code 2.6 Komponen Arus Kuat Pada pembuatan skripsiini diperlukan beberapa komponen arus kuat yang berfungsi untuk mengatur dan mendistribusikan arus listrik agar sampai ke aktuator. Berikut beberapa komponen yang gunakan ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker) ELCB adalah sebuah alat pemutus ketika terjadi kontak antara arus positif, arus negatif dan grounding pada instalasi listrik. ELCB bisa memutuskan arus listrik ketika terjadi kontak antara listrik dan tubuh manusia. 14

15 Gambar 2.6 ELCB 25A Cara kerja ELCB ketika terjadi kontak antara listrik dan tubuh manusia,maka arus akan mengalir melalui tubuh manusia ke grounding atau bumi maka akan terjadi perbedaan total arus yang melewati ELCB sehingga akan memicu alat tersebut memutuskan arus listrik seketika MCB MCB (Magnetic Circuit Breaker) memiliki fungsi sebagai alat pengaman arus lebih. MCB ini memproteksi arus lebih yang disebabkan terjadinya beban lebih dan arus lebih karena adanya hubungan pendek. Prinsip kerjanya yaitu untuk pemutusan hubungan yang disebabkan beban lebih dengan relay arus berlebih seketika digunakan elektromagnet. Bila bahan bimetal ataupun elektromagnet bekerja, maka akan memutus hubungan kontak yang terletak pada pemadam busur dan membuka saklar. 15

16 Gambar 2.7 MCB Kontaktor Kontaktor adalah saklar yang digerakkan dengan gaya elektromagnet. Pada kontaktor ini ada yang disebut koil yang berisi lilitan tembaga sebagai penghasil medan magnet. Gambar 2.8 S-N11 Kontaktor Cara kerja kontaktor ini adalah apabila koil tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan maka akan terjadilah induksi magnet yang akan menarik setiap kontak yang terdapat pada kontaktor itu sendiri baik itu NO (Normaliy Open) maupun NC (Normaly Closed). Artinya kontak NO yang pada posisi koil tidak diberi tegangan tidak terhubung / tertutup akan tertarik menjadi terhubung.begitu pula kontak NC adalah kebalikannya, kontak menjadi terbuka / terputus. Pada umumnya kontak NO dan Kontak NC itu diberi simbol dengan angka-angka dan posisi angka-angka tersebut standar internasional. 16

17 2.6.4 Thermal Overload Relay Gambar 2.9 Thermal Overload Relay Thermal overload relay adalah peralatan switching yang peka terhadap suhu dan akan membuka atau menutup kontaktor pada saat suhu yang terjadi melebihi batas yang ditentukan. Selain itu peralatan kontrol listrik ini juga berfungsi untuk memutuskan jaringan listrik jika terjadi beban berlebih dengan tujuan untuk melindungi motor listrik dari kerusakan yang fatal akibat gangguan beban berlebih tersebut. Berikut beberapa penyebab beban berlebih: 1. Terlalu besarnya beban mekanik dari motor listrik 2. Arus starting motor yang terlalu besar atau motor listrik berhenti secara mendadak 3. Terjadinya hubung singkat Thermal overload relay (TOR) mempunyai tingkat proteksi yang lebih efektif dan ekonomis, yaitu: a. Pelindung beban lebih / Overload b. Melindungi dari ketidakseimbangan phasa / Phase failure imbalance c. Melindungi dari kerugian / kehilangan tegangan phasa / Phase Loss. Prinsip kerjanya yaitu berdasarkan temperatur yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui elemen pemanas bimetal. Apabila elemen bimetal terkena arus tinggi, maka akan memuai sehingga melengkung akibat panas yang ditimbulkan sehingga bimetal akan menggerakkan kontak mekanis pemutus rangkaian listrik. 17

18 2.6.5 Relay Gambar 2.10 Relay 24V Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay yang paling sederhana ialah relay elektromekanis yang memberikan pergerakan mekanis saat mendapatkan energi listrik. Secara sederhana relay elektromekanis ini didefinisikan sebagai berikut : a. Alat yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk menutup (atau membuka) kontak saklar. b. Saklar yang digerakkan (secara mekanis) oleh daya/energi listrik. Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang diparalel dengan lilitannya dan dipasang terbaik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya. Konfigurasi dari kontak-kontak relay ada tiga jenis, yaitu: 18

19 a. Normally Open (NO), apabila kontak-kontak tertutup saat relay dicatu. b. Normally Closed (NC), apabila kontak-kontak terbuka saat relay dicatu. c. Change Over (CO), relay mempunyai kontak tengah yang normal tertutup, tetapi ketika relay dicatu kontak tengah tersebut akan membuat hubungan dengan kontakkontak yang lain. Koil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang kontak adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dikoil. Prinsip kerja dari relay : ketika koil mendapat energi listrik, akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan kontak akan menutup. Dalam penggunannya pada mesin mesin maupun perangkat elektronik, relay dianggap sangat efisien dan ekonomis karena mempunyai beberapa nilai tambah. Keuntungan dari penggunaan relay antara lain: a. Dapat mengendalikan arus serta tegangan listrik yang diinginkan. b. Dengan memaksimalkan besarnya tegangan listrik hingga mencapai batas maksimalnya. c. Dapat menggunakan baik saklar maupun koil lebih dari satu, disesuaikan dengan kebutuhan. 19

20 2.7 Fuse Fuse merupakan suatu komponen yang berfungsi sebagai pengaman saat terjadi arus berlebih. Cara kerjanya yaitu jika dalam sebuah rangkaian elektronika terjadi arus lebih, maka fuse akan putus sehingga arus listrik tidak lagi mengalir dalam rangkaian tersebut untuk mengamankan komponen elektronika lainnya. Kelebihan arus tersebut sering kali terjadi diakibatkan karena terjadi hubung singkat ataupun karena kelebihan beban output. Sebagai contoh, fuse dengan nilai limit 500mA akan putus ketika dialiri arus lebih dari 500mA, begitu juga dengan fuse 10A akan putus saat dialiri arus lebih dari 10A. Jika sebuah fuse tidak putus saat teraliri arus lebih dari nilai yang tercantum (I output > I fuse limit), kemungkinan fuse tersebut rusak dan perlu untuk diganti. Gambar 2.11 Fuse 20

21 2.8 Power Supply Unit Power supply Unit adalah sebuah alat atau sistem yang menyuplai tenaga listrik atau tipe lain dari energi pada suatu keluaran beban atau kumpulan beban. Istilah power supply unit mencakup pengubahan bentuk dari tenaga listrik ke bentuk dan tegangan yang lain. Umumnya ini melibatkan pengubahan tegangan dari 120VAC atau 240VAC dari PLN menjadi tegangan DC yang lebih rendah. Pengaturan yang dilakukan oleh suatu power supply pada umumnya menjaga agar tegangan dan arus tetap sesuai nilai spesifikasinya walaupun beban keluaran dan tegangan masukan berubah-ubah. Gambar 2.12 Power supply 24V 21