Bab 4 Perancangan Perangkat Gerak Otomatis 4. 1 Perancangan Mekanisme Sistem Penggerak Arah Deklinasi Komponen penggerak yang dipilih yaitu ball, karena dapat mengkonversi gerakan putaran (rotasi) yang dihasilkan oleh motor menjadi gerak translasi oleh nut. Selain itu ball mampu menghasilkan gaya angkat yang besar dengan koefisien gesek yang kecil, sesuai dengan karakteristik ulir daya. Konstruksi perangkat gerak seperti yang ditunjukkan oleh desain 1,, dan 3 dimaksudkan untuk memindahkan titik beban dari sumbu putar teleskop. Dengan demikian torsi yang dibutuhkan lebih kecil, dan daya motor dapat diminimalkan. Semakin jauh jarak titik beban dari titik sumbu putar teleskop semakin kecil daya motor yang diperlukan. Namun panjangnya ball yang dibutuhkan untuk titik beban yang jauh tersebut juga menjadi bahan pertimbangan. Rasio diameter per panjang ball yang terlalu kecil dapat mengakibatkan buckling. Selain pertimbangan kekuatan dan kekakuannya, ball termasuk komponen mesin presisi yang relatif mahal. Semakin besar diameternya, semakin besar gaya yang mampu ditahannya, semakin mahal pula harganya. 4. 1. 1 Desain 1 Desain 1 ini menggunakan mekanisme 4 batang, meniru prinsip gerak dongkrak yang mampu menggerakkan beban yang berat. Seperti terlihat pada gambar 4. berikut ball diposisikan menghubungkan batang AB dan O 4 B. Sehingga pada titik B gaya-gaya batang gaya saling meniadakan. 1
A B O α O 5 O4 Gambar 4. 1 Konstruksi Desain 1 Dari gambar dapat terlihat bahwa desain 1 ini memposisikan salah satu ujung ball pada rangka konstruksi, dibutuhkan buah titik tumpuan gaya. Sehingga dalam pengaplikasiannya dibutuhkan pelat pencekaman yang ditumpukan kepada rangka konstruksi untuk meletakkan batang dan ball. 4. 1. Desain Desain ini merupakan desain yang paling sederhana dibandingkan dengan desain sebelumnya. Tanpa menggunakan batang penggerak tambahan, hanya menghubungkan ball dari rangka konstruksi ke titik A pada teleskop. Walaupun sederhana, konstruksi segitiga yang dibutuhkan untuk memperoleh kekakuan sistem penggerak masih tetap diperoleh. Titik
O 5 tetap membutuhkan ball bearing untuk mengurangi gesekan yang terjadi pada sambungan pin. Gambar 4. Konstruksi Desain 4. 1. 3 Perbandingan Dimensi Kedua Sistem Penggerak Berikut ini adalah jarak-jarak yang memisahkan titik tempat bekerjanya gaya-gaya, membandingkan jarak-jarak yang menyusun kedua desain mekanisme gerak yang telah dipaparkan sebelumnya: Batang Desain 1 Desain OA (teleskop) 110 cm 110 cm AB 87 cm O4B 105 cm O O4 () 90 cm 90 cm O O5 60 cm AC 43,5 cm BD 5,5 cm Dengan mengambil nilai dimensi yang sama untuk kedua desain, diharapkan dapat diketahui nilai gaya terkecil yang terjadi di antara dua desain tersebut. Sehingga dapat dipilih desain yang menghasilkan gaya minimum di antara kedua desain tersebut. 3
4. Analisa Gaya Statik pada Batang Penggerak Arah Deklinasi Untuk menggerakkan teleskop pada ujung eye-piece dibutuhkan gaya sebesar 10 kg atau setara dengan 98,1 N. Beban pada ujung eye-piece (dengan jarak,5 m dari sumbu) dipindahkan ke titik A (dengan jarak 1,1 m dari sumbu). Perubahan nilai beban memenuhi persamaan (13) sehingga didapatkan nilai beban yang terjadi di titik A sebesar 3 N. eye-piece.r eye-piece A.r A A eyepiece r. eyepiece r A (13),5 m A ( 98,1 N) 3 N 1,1m Beban yang diperlukan pada titik A untuk menggerakkan teleskop tersebut berasal dari gaya dalam arah tangensial terhadap batang O A. Agar ball dapat menggerakkan susunan batang (yang juga menggerakkan teleskop), gaya tangensial yang ditransmisikan oleh ball dalam proyeksi terhadap batang O A harus memenuhi: T 3 > 3 N Gaya untuk menggerakkan batang penggerak berasal dari ball yang digerakkan oleh motor. Untuk mengetahui berapa yang dibutuhkan untuk menggerakkan teleskop dengan beban 3 N pada titik A, dilakukan analisis gaya statik yang terjadi pada batang-batang penggerak. 4.. 1 Analisis Statik Desain 1 Secara kinematik desain 1 ini relatif sederhana, karena tersusun atas batang-batang gaya yaitu batang AB, batang O 4 B, dan batang ball. Tidak adanya gaya tangensial pada batang gaya menyederhanakan persamaan kinematik yang dibutuhkan untuk memperoleh nilai. Diagram benda bebas sistem mekanik perangkat gerak pointing dari teleskop Bamberg, yaitu sebagai berikut: 4
3 T 3 3 N 3B 3 N 3 T 3-3B 3-4B 4B Gambar 4. 3 Diagram Benda Bebas Desain Gambar 4. 4 Parameter posisi batang penggerak Posisi dari tiap batang yang membentuk sudut diformulasikan sebagai berikut (mengikuti variabel parameter gambar 4.5) 5
sudut yang membatasi gerak teleskop, α α + α O A 4 α3 cos γ cos θ cos ( O A) + ( OO4 ) ( O A)( OO4 ) ( ) + ( ) ( ) 1 O A O A O O 4 4 ( O A)( O A) ( AB) + ( O4 A) ( O4B) ( AB)( O A) -1 α 4 cos 4 sudut ( α3 + α 4) sudut β O B ( O A) + ( AB) ( O A)( AB) sudut ( α8 + α9) sudut γ O B 5 1 ( OO4 ) + ( O4B) ( OB) ( O O )( O B) ( O4O5 ) + ( O4B) ( O4O5 )( O4B) ( ) + ( ) ( ) 1 O B O B O O 5 4 4 5 ( O B)( O B) α7 cos 4 5 sudut ( α5 + α6 + α7) sudut θ 1 4 ( O B) + ( AB) ( O A) ( )( ) 4 4 O4B AB 4 4 cos β 1 cos( α + α ) cosγ 1 Selanjutnya beban 3 T mengakibatkan adanya gaya reaksi pada titik A dan B. 3 3 3 cos( β 90 3 B 4 B sin(180 θ ) sin( α7) sin( α5 + α6) 4B 3B T sin(180 θ ) sin( α7) o sin(180 θ ) 3 sin( α7) cos( β 90 sin( α5 + α6) 3 sin( α7) cos( β 90 ) 3B T T o o ) ) (18) (19) (0) (1) () 6
Gambar 4. 5 Resultan batang gaya 4.. Analisis Statik Desain Pada desain yang lebih sederhana dibandingkan desain sebelumnya, dengan tetap menggunakan ball sebagai batang gaya didapatkan persamaan berikut: 3 T 3 N O Gambar 4. 1 Diagram Benda Bebas Desain 3 N 3 T 3 3 cos(90 β ) T 3 / N 3 tan(90 β ) β sudut antara batang O T (3) (4) A dan O A 4.. 3 Perhitungan Gaya dan Kebutuhan Torsi Besarnya nilai didapatkan dari (14) (4) sehingga didapatkan grafik pada gambar 4. 7 berikut: 7
600 500 400 300 00 100 0 0 0 40 60 80 100 10 140 Sudut (α) Desain 1 Desain Panjang Ball yang Dibutuhkan (cm) 00 180 160 140 10 100 80 60 40 0 0 0 50 100 150 sudut (α) desain 1 desain Gambar 4. Beban dan panjang ball yang dibutuhkan pada setiap sudut (α) Dari hasil plot dapat diketahui bahwa rentang gaya yang dibutuhkan desain 1 dan desain terlihat hampir sama di antara kedua desain. Namun, desain memerlukan ball yang lebih panjang dibandingkan dengan panjang ball yang dibutuhkan oleh desain 1. Atas dasar pertimbangan ini, dipilih desain 1 sebagai mekanisme perangkat gerak dalam arah pointing. Sebelum menghitung torsi yang dibutuhkan, dilakukan pemilihan ball yang sesuai dengan kondisi pembebanan dan operasi. Dari katalog dipilih rolled ball ball tipe tanpa preload tipe BLK 4040-3.6. Penghitungan nilai torsi yang dibutuhkan oleh motor, dilakukan dengan menggunakan rumus torsi yang dibutuhkan untuk menaikkan beban pada 8
ball saja (dengan pertimbangan T d < T u ). Nilai max didapatkan berdasarkan hasil plot grafik yang dapat dilihat pada gambar 4.7. Diameter mayor : 45 mm Diameter minor : 39, mm Diameter pitch : 4,1 mm Lead : 1 mm max desain 1 : 468 N L cosα + πrμ dθ dz πr cosα μl d p T dθ dθ d P Lcosα + μπ d P T π d cosα μl 468N T ( ) ( P ) ( 4,1) ( 0,03π 33,5 + 10) ( 33,5π 0,03 10) T 135Nmm 1,3Nm (4) Untuk mengetahui besarnya torsi yang dibutuhkan agar ball berputar dan menghasilkan, digunakan persamaan ulir daya seperti tercantum pada persamaan (4). Dengan menggunakan persamaan tersebut didapatkan T max sebesar 1,3 Nm. Berdasarkan torsi maksimum yang dibutuhkan untuk menggerakkan sistem teleskop dalam arah pointing, dipilih servomotor yang sesuai dengan kondisi pembebanan. 4.. 4 Pemilihan Motor Sistem Penggerak Arah Deklinasi Dengan demikian, pemilihan DC servomotor didasarkan pada torsi maksimum (1,3 Nm) yang dibutuhkan untuk menggerakkan teleskop. Salah satu pilihan yang sesuai dengan pembebanan yang dibutuhkan yaitu yaskawa DC servomotor tipe SGMAH-08A. Walaupun pembebanan dalam gerak pointing hanya dibutuhkan pada saat set-up teleskop, tidak digunakan sepanjang pengoperasian teleskop. Namun pembebanan dikategorikan ke dalam zona pembebanan yang kontiniu, zona B pada gambar 4.7 (continous duty zone). 9
Pembebanan pada kecepatan putar di bawah 3000 rpm, torsi yang dihasilkan,39 Nm. Sehingga safety factor dari kondisi pembebanan yaitu 1,9. Gambar 4. 8 Karakteristik Servomotor Dengan demikian, perangkat gerak dalam arah deklinasi telah terpilih yaitu ball THK BLK 4040-3.6 dan servomotor yaskawa SGMAH-08A. 4.. 5 Alternatif Pemilihan Aktuator dan Komponen Gerak Dalam pelaksanaannya, untuk memasang komponen gerak ball THK BLK 4040-3.6 yang dikopling dengan servomotor yaskawa SGMAH-08A yang dipilih di atas beserta aksesorisnya agar perangkat gerak otomatis dapat berjalan sesuai fungsinya memerlukan proses yang cukup rumit. Menghubungkan poros motor dan poros ball, proses aligning dari kedua 10
poros, pemasangan ball bearing dan mounting tidak dapat dilakukan dalam waktu yang singkat. Agar pemasangan komponen penggerak perangkat gerak otomatis teleskop dapat lebih mudah dilaksanakan, ada alternatif aktuator yang dapat dengan mudah dijumpai di pasaran dengan harga yang relatif terjangkau. Yang sesuai dengan rancangan mekanisme gerak di atas yaitu aktuator penggerak antena parabola, yang telah terangkai dengan lead. Salah satu yang memenuhi spesifikasi beban yaitu model TD18 GEOTRACK, yang menggunakan motor DC dengan sensor reed limits resolusi 18 atau 0,005 o. Spesifikasinya sebagai berikut: Tegangan Input : 36 V DC Beban Maksimum : 50 kg Panjang Langkah (stroke) : 450 mm Panjang Awal : 570 mm Sensor posisi : Reed switch Sistem transmisi Motor DC Batang silinder luar Batang silinder dalam Sensor limit switch Nut penggerak silinder dalam Gambar 4.9. Komponen Penyusun Aktuator dan Lead GEOTRACK Model TD18 GEOTRACK ini telah dilengkapi dengan aksesoris yang memungkinkan adanya gerakan berputar lead pada titik mounting. Pemasangan dapat dilihat pada gambar berikut: 11
Gambar 4. 10 Pemasangan TD GEOTRACK [11] 11 cm 90 cm B O 5 11 cm 135 cm B O 5 Gambar 4.11 Panjang langkah perangkat GEOTRACK Dari perhitungan panjang langkah yang dibutuhkan (O 5 B) dalam rentang 47 cm s.d. 86 cm, untuk menggerakkan teleskop pada sudut α 5 o 10 o. Sehingga pemasangan tumpuan pada batang lead terlihat pada gambar di atas. Pemasangan aktuator dan lead GEOTRACK pada pelat mounting dan konstruksi dapat terlihat pada gambar 4.11. Titik O 5 dan titik B sesuai dengan rancangan merupakan titik tumpuan, dan titik pemasangan 1
terhadap perangkat gerak. Kedua titik ini dapat melakukan gerak rotasi untuk memenuhi kriteria gerak sistem. 4. 3 Perancangan Komponen Pendukung Perangkat Gerak Pointing 4. 3. 1 Perancangan Mounting Untuk pemasangan motor, bearing, dan batang penggerak pada konstruksi dibutuhkan pelat yang dapat menahan gaya-gaya yang berasal dari komponen-komponen tersebut. Pelat yang digunakan yaitu pelat material st 37-1 DIN 165 yang banyak tersedia di pasar, dengan kekuatan tarik 370 MPa. Salah satu tebal pelat yang tersedia yaitu 4 cm, pemasangan baut dan nut di posisi tersebut menyebabkan adanya konsentrasi tegangan pada posisi pemasangan baut tersebut. Pemilihan tebal pelat yang relatif besar untuk mencegah deformasi pada jangka waktu penggunaan yang lama. Gambar 4.1 Pembebanan yang terjadi pada baut 34 x 34 y 34 sin(180 γ ) P sin( α7) cos( α3 + α 4 90) sin( θ α7) P sin( α7) cos( α3 + α 4 90) x y 34 34.cos(180 α7 γ ).sin(180 α7 γ ).sin( γ 90).cos( γ 90) 13
(a) (b) Gambar 4.13 Posisi pemasangan pelat mounting pada konstruksi teleskop Dua buah pelat mounting yang akan dirancang, satu pelat mounting menahan gaya di titik A, pelat mounting yang lain menahan gaya di titik O 4 dan O 5. Pemasangan pelat mounting seperti ditunjukkan oleh gambar 4.8. Sebagai aksesori digunakan washer JWPC13 berdasarkan standar JIS B 156, dengan diameter lubang 31 mm dan diameter luar 56 mm. [9] Berikut diagram benda bebas pembebanan dan batang O 4 B pada pelat mounting: 14
1 13 5 9 6 O 5 10 14 O + + + O 4 7 3 shear-max 11 15 34 4 8 1 16 Gambar 4. 14 Pembebanan pada pelat mounting Gaya-gaya maksimum yang terjadi pada titik O 4 dan O 5 diuraikan ke dalam komponen gaya dalam arah x dan y. Titik pusat gaya-gaya pada pelat mounting sumbu putar teleskop dalam arah deklinasi (titik O ). Dari perhitungan beban yang terjadi pada setiap sudut didapatkan beban maksimum pada awal pergerakan teleskop sudut α 5 o, yaitu: x y 63,97 N 15,94 N Pembagian gaya geser pada masing-masing baut mengikuti persamaan: x shear1 y shear1 shear x shear1 y shear1 x N y N Mri n r j 1 j 63,97N 39,56N 16 15,94N 0,996N 16 () (3) (4) 15
shear 34 shear shear ( 1616,3N )( 35,6cm) 8(47,5) cm ( 1155,N )( 8,5cm) 35,08N 4(48,1cm) + 4(5,6cm) + 4(65,4cm) + 4(68,8cm) Arah yang berlawanan antara 61,16N shear dan 34 shear 61,16N 35,08N 6,08N dalam arah berlawanan arah jarum jam Pada gambar 4.13 terlihat titik pembebanan pada lokasi pemasangan baut dinomorkan dari 1-16. Resultan beban geser pada baut akibat gaya geser dan momen menunjukkan gaya geser terbesar terjadi pada baut nomor 7. Baut yang dipilih [9] yaitu baut pada kelas perancangan 8,8 (M30), material baja karbon rendah dengan kondisi sebagai berikut: Mounting pada teleskop di titik A menggunakan bended plate dengan material yang sama seperti pelat mounting pada konstruksi (st 37-1k DIN 165), yaitu kekuatan tarik maksimum 370 MPa. 16
P P Gambar 4.15 Pelat mounting pada teleskop Beban geser pada titik A terjadi di daerah pemasangan baut, sehingga tidak ada beban geser karena timbulnya momen. Satu-satunya beban geser adalah akibat beban P. Dengan menggunakan dimensi dan spesifikasi baut yang sama seperti rancangan mounting sebelumnya didapatkan: 4. 4 Perangkat Gerak Tracking Perangkat tracking yang digunakan selama ini merupakan penggerak dengan prinsip mekanik murni, menggunakan motor listrik untuk menaikkan beban. Beban seberat 165 kg ini kemudian turun karena gaya gravitasi, menggerakkan roller chain yang diteruskan hingga torsi tersebut sampai di rangkaian roda gigi (rangkaian transmisi gerak lebih lengkap dijelaskan pada bab 3). Kebutuhan torsi perangkat gerak tracking sulit untuk diperkirakan secara tepat. Hal ini disebabkan torsi yang dihasilkan beban 165 kg melalui rangkaian transmisi daya yang rumit dan panjang. Rasio transmisinya sulit untuk diketahui secara pasti, karena untuk menghitung berdasarkan gambar teknik komponen tidak dapat dilakukan. Banyak gambar teknik dari bagian sistem transmisi yang 17
hilang. Sementara untuk membongkar sistem transmisi dikhawatirkan akan timbul kesulitan dalam pemasangan kembali (re-assembly). Untuk itu kebutuhan torsi diperkirakan dengan mengikuti perancangan gerak dalam arah deklinasi, yaitu dengan perbandingan beban yang dibutuhkan untuk menggerakkan teleskop pada eye-piece. Dengan perkiraan beban untuk mendorong teleskop dalam arah sudut jam yaitu 10 kg pada jarak lengan,5 m, pada poros gerak tracking dibutuhkan torsi sebesar 45,5 Nm. Pemasangan aktuator dilakukan dengan memotong rantai transmisi menjadi: servomotor Roda gigi cacing Roda gigi lurus dan miring Gerak dalam arah sudut jam Pemasangan Servomotor Gambar 4.16 Posisi pemasangan servomotor pada perangkat gerak tracking 4. 4. 1 Pemilihan Spesifikasi Aktuator Kebutuhan torsi sebesar 45 Nm pada poros sistem gerak tracking, sementara torsi motor yang dibutuhkan untuk dapat menggerakkan sistem seharusnya jauh lebih kecil mengingat sistem transmisi dimaksudkan untuk memperkecil kecepatan putar yang sekaligus meningkatkan torsi. Beberapa komponen roda gigi yang masih tersimpan gambarnya dapat dihitung rasio penguatan torsinya. 18
Dengan menggunakan persamaan rangkaian roda gigi. (5) Dari data gambar, sebagian dari rangkaian roda gigi lurus dan miring dapat digambarkan sebagai berikut: Arah sistem transmisi Diameter 105 mm Jumlah gigi 35 Modul 3 Diameter 105 mm Jumlah gigi 35 Modul 3 dilepas dari sistem Diameter 10 mm Jumlah gigi 70 Modul 3 Diameter 78 mm Jumlah gigi 6 Modul 3 Diameter 34 mm Jumlah gigi 78 Modul 3 Gambar 4. 17 Rangkaian Transmisi Roda Gigi [7] Torsi yang dibutuhkan yang dibutuhkan untuk menggerakkan teleskop yaitu 45 Nm. Reduksi kecepatan melalui roda gigi bevel, torsi yang dibutuhkan menjadi: Reduksi kecepatan melalui roda gigi cacing tidak diketahui rasionya, tetapi dengan memperhatikan roda gigi cacing pada gambar 4.16 rasionya tinggi. Pemasangan roda gigi cacing pada sistem mekanik dimaksudkan untuk mengurangi kecepatan dan meningkatkan torsi secara signifikan, roda gigi cacing yang terdapat di pasaran rasio minimumnya adalah 15 [8]. Dengan demikian diasumsikan rasio roda gigi cacing pada konstruksi adalah 15, sehingga torsi yang dibutuhkan menjadi: 19
Selain itu, pada sistem dapat dilihat rangkaian roda gigi lain yang tidak dapat diketahui rasionya karena gambar teknik yang tidak tersedia, dan membongkar konstruksi adalah hal yang riskan. Untuk itu diasumsikan kebutuhan torsi tracking yaitu 1,8 Nm. Servomotor yang sesuai dengan kebutuhan torsi yaitu yaskawa SGMAH 08A, dengan nilai rated torque,39 Nm. [4] Gambar 4. 18 Roda gigi cacing yang langsung terhubung ke gerakan tracking teleskop Gambar 4. 19 Spesifikasi dan karakteristik torsi servomotor yang digunakan 0
4. 5. Kopling Baik perangkat gerak pointing maupun tracking membutuhkan kopling untuk menghubungkan poros motor dan poros output. Untuk mempermudah pemasangan dipilih kopling karet, mengingat perbedaan diameter yang cukup besar pada sistem pointing (14 mm diameter poros motor DC dan 45 mm diameter poros ball). Selain dapat mengatasi perbedaan diameter yang besar, toleransi mis-alignment pemasangan poros dengan kopling karet juga memenuhi kondisi kekakuan yang dibutuhkan. 1