Simlasi ergerakan segitiga Bcket ntk indentifikasi kemngkinan interferensi antara pahat dan benda-kerja (oging) pada sistem-am berbasis model-faset 3D. Kiswanto, riadhana Laboratorim Teknologi Manfaktr Departemen Teknik Mesin Universitas ndonesia Kamps Bar U Depok 16424 gandjar_kiswanto@eng.i.ac.id Abstrak Dengan meningkatnya kompleksitas prodk akhir yang diinginkan, kehandalan sistem-am ntk pemesinan mlti-axis menjadi hal yang tama ntk menjamin keakrasian prodk akhir. Laboratorim Teknologi Manfaktr, Departemen Teknik Mesin Universitas ndonesia, mengembangkan sat sistem-am ntk pemesinan milling mlti-axis (3-5 axis) berbasis model faset 3D yang handal dan memiliki kecerdasan dalam otomasi perancanaan strategi pembatan lintasan pahat. Sistem-AM ini mamp mendeteksi interferensi antara pahat dan model prodk (goging) dengan akrat. Untk melakkan pendeteksian dan verifikasi terhadap goging, maka model pahat dan model prodk dalam bentk tiranglar mesh (model faset) hars di proyeksikan kesat bidang proyeksi model (mis : XY). Bidang proyeksi sendiri berisi serangkaian bcket yang terssn dalam kolom dan baris. Setiap bcket, yang secara imajiner berbentk bjr sangkar dengan sat kran tertent, berisi data segitiga-segitiga yang mentpi bcket tersebt. anya segitiga-segitiga dari bcket-bcket yang terttp bayangan pahat (proyeksi terhadap bidang proyeksi XY) yang akan dicek secara simlasi apakah terjadi interferensi dengan model pahat. Dengan metode ini secara efektif dapat dilihat bcket-bcket mana yang hars dicek segitiganya terhadap terjadinya interferensi dengan model pahat. Sistem-AM ini telah mengadopsi motode simlasi ini sebagai sat modl sebagai basis ntk pengembangan sistem-am lebih lanjt. Kata knci : simlasi interferensi, sistem-am, model-faset 3D, endahlan roses manfaktr pembatan sat prodk, yang memerlkan proses pemesinan dalam pembatannya, secara mm di awali dengan pembatan konsep desain dari prodk tersebt, kemdian dilanjtkan dengan pembatan model geometri 3D dari prodk dengan menggnakan sistem-ad (ompter Aided Design). ampir selrh sistem-ad yang ada saat ini membat model geometri 3D dengan menggnakan model parametric srface (permkaan parametrik, e.g. NURBS dan trnannya) dan/ata dengan model solid (ambar 1). a) b) ambar 1. ermkaan parametrik (a), dan model solid primitif (b) Setelah pemodelan geometri 3D dengan sistem-ad selesai, maka model prodk tersebt ditransfer ke sistem-am (ompter Aided Manfactring). Dengan menggnakan sistem-am ini kemdian dilakkan pembatan trajektori/lintasan yang akan dilali pahat (tool path generation) diatas model 3D (yang di dapat dari sistem-ad). Lintasan pahat di dalam sistem-am ini nantinya dignakan sebagai lintasan pahat pada proses pemesinan sesngghnya di mesin N. Sistem-AM yang ada pada saat ini, sayangnya memiliki tiga masalah tama yait : 1. kehandalan dalam transfer data geometri antara sistem-ad dengan sistem-am 2. kehandalan dalam pembatan lintasan pahat (tool path generation) khssnya dalam menangani goging/interferensi 3. kehandalan optimasi proses pemesinan
Ketiga hal tersebt diatas dapat di pecahkan dengan menggnakan model faset 3D sebagai basis pembatan lintasan pahat. Model faset 3D merepresentasikan permkaan model prodk parametrik/solid dengan serangkaian segitiga. emakaian model faset (faceted model) sebagai basis pembatan lintasan pahat (tool path generation) 5-axis telah dikembangkan didalam penelitian pengembangan dan pembatan sistem-am berbasis model faset 3D di Laboratorim Teknologi Manfaktr Departemen Teknik Mesin Universitas ndonesia. ada makalah ini dikemkakan mengenai salah sat metode verifikasi dan simlasi ntk mengetahi kemngkinan terjadinya interferensi antara model-pahat dengan model bendakerja. Sistem AM Berbasis Model Faset 3D ada fase pertama, sistem AM membaca model AD. Kemdian dilakkan proses trianglasi ntk mendapatkan model-faset. Dengan menggnakan data model faset (segitiga), pembatan lintasan pahat dapat dilakkan yang diikti dengan pendeteksian dan penghilangan goging ata collision. Jika lintasan pahat sdah berada dalam keadaan bebas goging/collision, tter Location oint (L-point) dapat dibat. SSTEM-AM MM (Man-Machine nterface) SMULATON - Simlasi lintasan pahat - Simlasi pergerakan pahat pada model faset TOOL AT LANNN - engenal region permkaan model faset - emilih strategi pemesinan frais/milling : > emesinan 3-axis, 5-axis > ola pemesinan > Segmentasi area dan arah pemesinan >... KERNEL DATABASE - Deskripsi model faset - Deskripsi model pahat - Deskripsi strategi pemesinan - Deskripsi lintasan pahat - Deskripsi proses pemesinan - Deskripsi interface TRANULATON - endeteksi & pemisah model - endeteksi krvatr - endeteksi batas model - embat trianglasi TOOL AT ENERATON - embat lintasan pahat pemesinan kasar dan akhir ntk 3-axis dan 5-axis - endeteksi dan penghilang interferensi model pahat dan model faset - Optimasi orientasi pahat ambar 2. Mekanisme dan Arsitektr Sistem AM yang sedang dikembangkan Sebagaimana gambar diatas, ada 4 modl, kernel (database), dan U (MM) yang dikembangkan dalam sistem-am ini. Empat model tersebt adalah : 1. Modl simlasi
2. Modl perencanaan lintasan pahat 3. Modl pembatan lintasan pahat 4. Modl trianglasi. Karena model faset merpakan rangkaian segitiga, maka interferensi antara model pahat dengan model faset sama artinya dengan interferensi antara model-pahat dengan segitiga. Sehingga ckp diperiksa segitiga mana saja yang memngkinkan terjadinya interferensi/goging dan bagaimana menghilangkan interferensi dengan segitiga tersebt. Secara garis-besar algoritma sistem-am berbasis model faset yang dikembangkan dimlai dengan pembatan titik kontak pahat (ctter contact points = s) yang dijadikan sebagai posisi awal pahat (initial tool posisition). -point dibat dengan melakkan perpotongan antara model faset dengan serangkaian bidang vertikal (ctting plane) yang saling paralel (ambar 3). Titik potong yang dihasillkan dignakan sebagai s antara pahat dengan model faset. Untk keperlan penghitngan dan pengatran orientasi pahat, pada setiap terdapat sebah Sistem Koordinat Lokal (Local oordinate System - LS) virtal. ambar 3: embatan lintasan pahat diatas model faset 3D Setelah didapatnya lintasan pahat, yang dibat berbasiskan rangkaian, hal yang hars dilakkan kemdian adalah mengecek kemngkinan interferensi antara model pahat dengan model faset. ada praktek pemesinan sesngghnya, interferensi ini mengakibatkan terpotongnya material bendakerja melebihi yang telah dispesifikasikan ata yang biasa disebt goging. Masalah ini hars dipecahkan sehingga setiap pergerakan pahat pada lintasannya tidak terjadi interferensi dengan model-faset. Sistem, Data dan nformasi yang Diperlkan Secara garis besar, informasi dan data yang hars diketahi dan disimpan adalah antara lain index segitiga, index vertex, lokasi vertex pada bidang xyz,, vektor normal, serta panjang dan radis pahat. Besarnya data yang diproses bergantng pada besarnya kran model faset. Semakin akrat model-faset terhadap model-ad-nya, semakin kecil segitiga, sehingga besar pla jmlah faset (segitiga) yang berakibat data semakin besar dan proses yang hars dikerjakan semakin rmit. engembangan sistem-am ini menggnakan Java karena Java memiliki beberapa kentngan yang dapat dimanfaatkan sehingga mempermdah pekerjaan, antara lain selain mendkng pemrograman berorientasi objek, Java jga mendkng mltiplatform. Di sistem operasi mana pn program dibka, asalkan sdah memiliki JRE (java rntime environment), program dapat dijalankan tanpa masalah, write once rn anywhere. Untk keperlan rendering bagi visalisasi model dan simlasi, dignakan VTK (Visalization Tool Kit) karena sistem yang sdah ckp handal dan bersifat open sorce. VTK dibat menggnakan bahasa ++, tapi dapat dignakan oleh bahasa lain seperti TL ata Java. VTK jga menyediakan class yang dapat menghbngkan Java dan ++ yang disebt Java Native nterface (JN), sehingga tidak perl dibat class yang sama lagi.
emeriksaan nterferensi Model ahat dan Model Faset Model pahat yang dignakan dalam sistem ini terbagi menjadi da tipe, yait tipe flat-end, dan tipe ball-end. Area interferensi berbeda pada keda tipe ini, sehingga perhitngan area goging ntk segitiga pn berbeda. ada makalah ini hanya akan diperlihatkan penggambaran titik-singgng dari interferensi antara pahat ball-end dengan segitiga. 1. mka-pahat (tool bottom) interferensi terhadap vertex dari segitiga (ambar 4a.) 2. mka-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (ambar 4b.) 3. mka-pahat interferensi terhadap bidang (face) dari segitiga (ambar 4c.) 4. sis-pahat (peripheral) interferensi terhadap vertex dari segitiga (ambar 4d.) 5. sisi-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (ambar 4e.) =titik singgng pada VERTEX dari segitiga T T=titik singgng pada SS dari segitiga T=titik singgng pada mka Bidang segitiga a) b) c) T T =titik Singgng pada VERTEX dari segitiga T=Titik Singgng pada SS pada segitiga d) e) ambar 4. Titik singgng dari berbagai interferensi antara model pahat (ball-end) dengan segitiga Untk mempermdah proses pendeteksian ata identifikasi interferensi (goging) antara model pahat dan segitiga maka dignakan sistem bcketing ata kotak lokalisai segitiga. Bcket tidak dignakan dan ditampilkan secara fisik dalam sistem, tapi hanya dignakan secara virtal ntk mengelompokkan segitiga berdasarkan lokasinya sehingga mengidentifikasi segitiga berdasarkan letak/lokasinya menjadi lebih mdah. embagian bcket dibat berdasarkan sat bidang proyeksi model pahat, mis : bidang-xy. Kemdian model faset diproyeksikan pada bidang xy. Kemdian, setiap segitiga yang bersesaian dengan posisi-xy bcket akan dimaskkan ke dalam bcket tersebt. Sehingga bcket akan memiliki informasi berpa index segitiga-segitiga yang berada di dalamnya (ambar 5). Dengan adanya bcket ini, proses pengecekan goging antara pahat dan segitiga dapat dilakkan dengan lebih cepat, karena tidak perl memeriksa sema segitiga yang berada di model faset. kp dengan memeriksa bcket yang terkena proyeksi dari pahat, kemdian cek segitiga yang menjadi anggota dari bcket tersebt. Setelah it dilakkan penghilangan terhadap interferensi yang terjadi.
a) b) ambar 5. a) royeksi model faset kebidang proyeksi xy, b) segitiga dalam bcket (kotak lokalisasi) Bidang potong Vektor proyeksi pahat β Model Faset c-crve R α Area nterferensi Model Faset Bidang royeksi Area Kemngkinan nterferensi Area kemngkinan interferensi a) b) ambar 6. royeksi pahat pada bidang proyeksi ntk menentkan segitiga yang terkena interferensi Bcket yang berpotongan dengan proyeksi pahat royeksi pahat yang diperlas ambar 7. Detail dari bcket yang terkena proyeksi pahat pada bidang proyeksi
Simlasi ergerakan Bcket Segitiga Langkah yang hars dilakkan dalam menentkan bcket yang terkena proyeksi model pahat pada bidang proyeksi adalah sebagai berikt, 1. Menghitng sdt normal vector pada setiap pada bidang : x 2 = x + x1 y 2 = y + y1 z 2 = z + z1 erbahan ata delta dari x,y, dan z dapat dihitng menggnakan formla berikt, x = h* cosα * cosθ y = h * cosα * sin Θ z = h *sinα 2. Menentkan titik-titik penting proyeksi. Berdasarkan analisis yang telah dilakkan, terdapat 6 titik penting sesai dengan gambar berikt : 3. Ke-6 titik tersebt kemdian dihitng koordinatnya berdasarkan persamaan berikt dimana x0,y0, dan z0, adalah titik pahat. nformasi lain yang diperlkan adalah tinggi pahat adalah h dan radisnya r. x 1 = x0 + r * cos( Θ + 90) y 1 = y0 + r *sin( Θ + 90) x 3 = x1 + h *cosα * cosθ y 3 = y1 + h * cosα * cos Θ x 5 = x2 + 2 * r * cos( α + 90) * cos Θ y 5 = y2 + 2 * r * cos( α + 90) * sin Θ x 2 = x0 + r * cos( Θ 90) y 2 = y0 + r *sin( Θ 90) x 4 = x2 + h *cosα * cosθ y 4 = y2 + h * cosα * cos Θ x 6 = x1 + 2 * r * cos( α + 90) * cos Θ y 6 = y1 + 2 * r * cos( α + 90) * sin Θ Dari titik-titik penting tersebt, sema bcket yang terttp proyeksi model pahat dapat diperoleh. Setelah mendapatkan bcket-bcket yang memngkinkan terjadi interferensi dengan model pahat di setiap, maka proses simlasi bcket yang terkena proyeksi model pahat dapat
dilakkan ntk menentkan segitiga-segitiga yang terkena interferensi bila memang terjadi. Simlasi pergerakan segitiga dari bcket dilakkan berdasarkan pergerakan model pahat ntk setiap yang diidentifikasi dengan memberikan warna terhadap segitiga dari setiap bcket yang terkena proyeksi model-pahat dalam setiap pergerakannya seperti pada gambar dibawah ini. ambar 8. Segitiga yang diwarnai berjalan pada bidang sesai dengan lintasan model pahat Kesimplan Makalah ini mempresentasikan metode simlasi dalam identifikasi kemngkinan interferensi antara model pahat dan model faset dengan menggnakan lokalisasi segitiga kedalam bcket. asil simlasi secara efektif dapat melihat dan memperhitngkan segitiga-segitiga dari bcket-bcket mana yang hars dicek terhadap kemngkinan terjadinya interferensi dengan model pahat. Ucapan Terimakasih Terimakasih kepada Kementerian Negara Riset dan Teknologi Repblika ndonesia yang telah membiayai penelitian ini melali dana Riset Ungglan Terpad X 2005-2007. Daftar Acan Astin S.., Jerard R. B., Drysdale R. L., omparison of discretization agorithms for NURBS srfaces with application to nmerically controlled machining, ompter Aided Design, vol. 29, no. 1, pp. 71-83, 1996.. Kiswanto, ''The Development of Advanced AM-system", roceeding Viable Manfactring System, 2004.. Kiswanto, "engembangan metode pengatran orientasi pahat yang optimm secara dinamik berdasarkan krvatr pada pembatan lintasan pahat pemesinan milling 5-axis simltan berbasis model faset 3D", roceeding SNTTM V (Seminar Nasional Tahnan Teknik Mesin V), 2004.. Kiswanto, "dentifikasi jenis goging pada pembatan lintasan pahat pemesinan end milling dan peripheral milling mlti-axis berbasis model faset 3D", roceeding SNTTM V (Seminar Nasional Tahnan Teknik Mesin V), 2004.. Kiswanto, "engarh orientasi pahat terhadap lebar permkaan kontak pemesinan pada pemesinan milling mlti-axis permkaan berkontr", 2 nd National onference on rogress in Research and Technology in ndstri, MBF-2, 2006, Yo. -F., h. -., Tool-path verification in five-axis machining of sclptred srfaces, The nternational Jornal of Advanced Manfactring Technology, vol. 13, pp. 248-255, 1997. Wang Y. M., Tang X. S., Five-axis N machining of sclptred srfaces, nternational Jornal of Advanced Manfactring Technology, vol. 15, pp. 7-14, 1999.