OPTIMASI KONTROL POSISI PADA WELDING ROBOT MANIPULATOR I Wayan Widhiada 1), I Putu Lokantara 2), Jacson Meicaldo Purba 3) 1 Jurusan Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung Telp/Fax : 0361 703321, widhiwyn@yahoo.com ABSTRAK Welding robot manipulator merupakan robot yang diprogram untuk melakukan pengelasan secara otomatis, yang diharapkan dapat membantu manusia dalam mengerjakan proses pengelasan secara efektif, dengan kualitas yang tinggi dalam siklus waktu yang pendek dan mengurangi kesalahan kerja. Penelitian terhadap robot ini meliputi kontrol posisi pada setiap joint welding robot manipulator sehingga dapat melakukan gerakan yang lebih optimal untuk mencapai posisi tertentu dengan sistem optimasi kontrol PID. Pengujian ini dilakukan dengan metode simulasi, dengan software computer inventor dan Matlab/Simulink dengan referensi posisi yang diberikan berbeda-beda pada base robot dan setiap manipulator, yang disesuaikan oleh peneliti. Dan pengembangan dari pemodelan system kontrol PID pada masing masing motor yang terdapat pada setiap join, dengan parameter Kp = 2.991, Ki = 52.664,Kd = 0.0403 setelah mengalami optimasi pada kontrol PID.Dengan menggunaan teknik optimasi pada system kontrol PID gerakan system welding robot manipulator membutuhkan waktu untuk mencapai kondisi tenang sebesar 0.044-0.084 detik, dan terjadi overshoot sebesar 0.48% - 2.5% pada waktu 0.007 detik dan error terjadi yang sebesar 0.024% - 0.14%. Kata kunci: Optimasi, Kontrol PID, Kontrol Posisi, Simulasi, Welding robot Manipulator.
OPTIMIZATION OF POSITION CONTROL IN WELDING ROBOT MANIPULATOR I Wayan Widhiada 1), I Putu Lokantara 2), Jacson Meicaldo Purba 3) 1 Jurusan Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung Telp/Fax : 0361 703321, widhiwyn@yahoo.com ABSTRACT Welding robot manipulator is a robot that is programmed to perform welding automatically, which is expected to help people in doing the welding process effectively, with high quality in short cycle times and minimize workrelated errors. Research on this robot includes a position control at every joint of welding robot manipulator so it can perform a more optimal movement to achieve a certain position with PID control optimization system.this testing is done by using simulation method, computer software Inventor and Matlab/Simulink, through vary reference positions given on robot base and each manipulators, which are adjusted by the researcher. After that, the PID control optimization will be proceed to find the best parameter design,and obtained the PID parameter s value from Constant Proportional (Kp) = 2.991, Constant Integral(Ki) = 52.664, and the constant derivative (Kd) = 0.0403, so that the value of the rise time, settling time, and overshoot reaches the desired corresponding value, and the actual motion of the robot approaching the reference input given.by using optimization techniques on PID control system movement,welding robot manipulator system will takes 0.084 seconds to achieve a steady conditions, with overshooting of 2.5% at time of ± 0.007 seconds and error that occurs at 0.14%. Keywords: Optimation, PID Control, Position Control, Simulation, Welding Robot Manipulator
1 OPTIMASI KONTROL POSISI PADA WELDING ROBOT MANIPULATOR I Wayan Widhiada 1), I Putu Lokantara 2), Jacson Meicaldo Purba 3) 1,2,3 Jurusan Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Bukit Jimbaran, Badung Telp/Fax : 0361 703321, widhiwyn@yahoo.com Abstrak Welding robot manipulator merupakan robot yang diprogram untuk melakukan pengelasan secara otomatis, yang diharapkan dapat membantu manusia dalam mengerjakan proses pengelasan secara efektif, dengan kualitas yang tinggi dalam siklus waktu yang pendek dan mengurangi kesalahan kerja. Penelitian terhadap robot ini meliputi kontrol posisi pada setiap joint welding robot manipulator sehingga dapat melakukan gerakan yang lebih optimal untuk mencapai posisi tertentu dengan sistem optimasi kontrol PID. Pengujian ini dilakukan dengan metode simulasi, dengan software computer inventor dan Matlab/Simulink dengan referensi posisi yang diberikan berbeda-beda pada base robot dan setiap manipulator, yang disesuaikan oleh peneliti. Dan pengembangan dari pemodelan system kontrol PID pada masing masing motor yang terdapat pada setiap join, dengan parameter Kp = 2.991, Ki = 52.664,Kd = 0.0403 setelah mengalami optimasi pada kontrol PID.Dengan menggunaan teknik optimasi pada system kontrol PID gerakan system welding robot manipulator membutuhkan waktu untuk mencapai kondisi tenang sebesar 0.044-0.084 detik, dan terjadi overshoot sebesar 0.48% - 2.5% pada waktu 0.007 detik dan error terjadi yang sebesar 0.024% - 0.14%. Abstract Welding robot manipulator is a robot that is programmed to perform welding automatically, which is expected to help people in doing the welding process effectively, with high quality in short cycle times and minimize work-related errors. Research on this robot includes a position control at every joint of welding robot manipulator so it can perform a more optimal movement to achieve a certain position with PID control optimization system.this testing is done by using simulation method, computer software Inventor and Matlab/Simulink, through vary reference positions given on robot base and each manipulators, which are adjusted by the researcher. After that, the PID control optimization will be proceed to find the best parameter design,and obtained the PID parameter s value from Constant Proportional (Kp) = 2.991, Constant Integral(Ki) = 52.664, and the constant derivative (Kd) = 0.0403, so that the value of the rise time, settling time, and overshoot reaches the desired corresponding value, and the actual motion of the robot approaching the reference input given.by using optimization techniques on PID control system movement,welding robot manipulator system will takes 0.084 seconds to achieve a steady conditions, with overshooting of 2.5% at time of ± 0.007 seconds and error that occurs at 0.14%. Kata kunci: Optimasi, Kontrol PID, Kontrol Posisi, Simulasi, Welding robot Manipulator. 1. PENDAHULUAN Dalam dunia industri, robot diciptakan untuk memperbaiki produktivitas produksi yang akan memberikan keuntungan lebih. Robot dapat menangani pekerjaan yang rumit dengan tingkat kesalahan relatif kecil dalam operasi, serta dapat bekerja dalam lingkungan yang tidak dapat dijangkau oleh manusia. Dalam bidang penelitian, ilmu robot dikembangkan melalui suatu pendekatan atau asumsi dari hasil pengamatan perilaku mahluk hidup atau gerakan sebuah benda. Dari hasil pendekatan-pendekatan ini, robot akan berkembang menjadi lebih canggih [1]. Welding robot adalah mesin yang berfungsi melakukan pengelasan dengan ketentuan koordinat posisi robot, nilai parameter arus (A), tegangan (V), speed (cm/min) yang diberikan. Hal yang menyangkut dengan pemberian parameter ini tergantung dengan kebutuhan produk yang ingin dilas. Welding robot itu sendiri merupakan suatu alat yang sering digunakan dalam industri atau produksi. Suatu industri/perusahan lebih memilih menggunakan robot dibandingkan manusia dikarenakan banyak faktor yang mempengaruhinya seperti effisiensi, presisi (akurat), efektif, tingkat kelelahan manusia yang membuat hasil pengelasan tidak optimal, dan banyak lagi
2 keunggulannya dibandingkan dengan tenaga manusia. Seiring dengan berjalannyaa waktu tenaga manusia akan semakin ditinggalkan dikarenakan tuntutan dari pekerja sangat tinggi oleh karena kebutuhan yang meningkat. Hal ini yang memunculkan ide awal peneliti melakukan penelitian mengenai welding robot yang diharapkan dapat membantu manusia untuk mengerjakan proses pengelasan secara efektif dan meminimalisir kesalahan kerja sehingga membantu manusia menghasilkan hasil lasan yang lebih baik. Penggerak penelitian ini adalah bagaimana membuat desain pemodelan welding manipulator robot dengan baik dan bagaimana mendesain sistem optimasi kontrol PID supaya mencapai performance gerakan yang terbaik [2]. Dalam penelitian ini digunakan program Solidworks dan Matlab/Simulink sebagai alat bantu untuk mensimulasikan robot yang akan dibuat. Program Solidworks merupakan program bantu untuk membuat sebuah model robot berbentuk 3D yang kemudian di eksport ke Matlab dalam bentuk diagram blok pada Simulink. Setelah itu akan dilakukan desain optimasi dengan Matlab/Simulink yang bertujuan untuk menemukan parameter desain yang terbaik yang sesuai dengan yang diinginkan, untuk menganalisa dan membantu meningkatkan akurasi model. Dengan menggunakan teknik optimasi pada sistem kontrol PID diharapkan sinyal kesalahan penggerak ( error) dan overshoot yang muncul semakin kecil sampai akhirnya mencapai kondisi tenang (steady state), sehingga mencapai performance welding robot yang baik. Tanggapan sistem dapat dilihat setelah sistem diberikan sinyal masukan yang berbeda-beda [3]. Tujuan dari penelitian ini adalah optimasi gerakan welding manipulator robot dengan signal error (e) kurang dari 2%, overshoot (M p ) kurang dari 5%, rise time (T r ) kurang dari 5 detik, dan steady state (T s ) respon dicapai dalam waktu kurang dari 6 detik, dengan bantuan Program Solidworks dan Matlab/Simulink pada komputer. 2. METODE PENELITIAN 2.1. Deskripsi Penelitian Untuk mendesain dan mensimulasikan welding manipulator robot peneliti menggunakan beberapa program komputer, yaitu Solidworks dan Matlab/Simulink sehingga memperoleh model matematika robot yang akurat dan simulasi yang mampu menunjukkan pergerakan dari welding manipulator robot dan seberapaa besar pengaruh dari kontrol PID pada respon sistem welding manipulator robot. Sebelum mensimulasikan sebuah welding manipulator robot, perlu adanya model 3D dari robot tersebut. Model dibuat dalam program Solidworks, dengann ukuran yang diasumsikan peneliti.penggambaran dilakukan dengan membuat masing-masing komponen welding manipulator robot, setelah itu komponen-komponen tersebut digabungkan menjadi satu bagian. Setelah model 3D welding manipulator robot di buat pada program Solidworks, kemudian model 3D tersebut di eksport dalam bentuk *xml-file. Pada Matlab/Simulink, file tersebut akan dirubah ke dalam Blok Diagram dan dipasangkan dengan kontrol seperti Gambar 1. Gambar 1.Proses Export dari Solidworks ke Matlab 2.2. Desain Optimasi dengan Matlab/Simulink Desain optimasi adalah proses menemukan parameter desain yang terbaik yang sesuai dengan yang diinginkan. Desain optimasi Simulink menyediakan fungsi, perangkat interaktif, untuk menganalisis dan membantu meningkatkan akurasi model. Dalam melakukan optimasi untuk menemukan parameter desain yang terbaik ada beberapa langkah pengaturan yang harus diperhatikan, yaitu output model harus memenuhi:
3 Overshoot 5% Waktu naik (rise time) 5 detik Maksimum waktu menetap (setting time) 6 detik. 2.3. Diagram Alir Penelitian Secara garis besar tahapan kegiatan pembuatan model dengan program Solidworks dan pengolahan data dengan menggunakan program Matlab/Simulink serta uji simulasi welding manipulator robot dilakukan seperti diagram alir pada gambar 2 berikut, Gambar 2. Diagram Alir penelitian dan Program Simulasi Welding Manipulator Robot 2.4. Pengujian Simulasi Pengujian simulasi ini dilakukan guna untuk mengetahui gerak kinematikaa dari welding manipulator robot yang meliputi posisi, kecepatan, dan percepatan. Untuk melakukan pengujian simulasi diawali dengan pembuatan model 3D robot dengan menggunakan bantuan program Solidworks. Ukuran dari model 3D welding manipulator robot diasumsikan oleh peneliti sesuai penjelasan pada bab sebelumnya. Kemudian selanjutnya proses memindahkan gambar 3D gerak kinematika dari welding manipulator robot tersebut kedalam program Matlab/Simulink. Pengujian simulasi dari welding manipulator robot dapat dilakukan dengann menggunakan SimMechanic pada program Matlab/Simulink. Pemasangan model matematika dari motor DC MP dan sistem kontrol PID pada setiap joint, dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 3. Pemasangan kontrol PID dan motor DC MP Untuk melihat grafik performance,klik tombol tune pada blok parameter PID seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4 berikut ini, Gambar 4. Proses tune pada diagram blok PID
4 Program Matlab akan mengidentifikasikan plant yang dibuat dan memberikan parameterparameter PID yang sesuai dengan plant pada Gambar 5. Kontrol PID akan mengontrol posisi, kecepatan, dan percepatan pada setiap join welding manipulator robot. Gambar 5. Hasil tune parameter PID Hasil dalam Gambar 5 menunjukkan kontrol PID belum mencapai kinerja terbaik meskipun parameter PID sudah di-tune namun nilai dari overshoot masih 8,91% jauh dari nilai yang diharapkan yaitu dibawah 5%. Hal inilah yang membuat perlunya melakukan optimasi terhadap parameter PID untuk menemukan parameter desain terbaik sesuai keinginan, sehingga gerak aktual dari robot mendekati input referensi yang diberikan. Hasil percobaan menemukan parameter desain terbaik yang dilakukan dengan menggeser response time pada transien behavior 0.6 dapat dilihat pada tabel berikut, Tabel 1. Tabel menemukan parameter terbaik dengan menggeser Response Time. No Response time (s) Rise time (s) Settling time (s) Overshoot (%) 1. 0.0473 0.0318 0.104 8.91 2. 0.0373 0.0251 0.0819 8.81 3. 0.0273 0.0188 0.11 7.21 4. 0.0173 0.0118 0.117 7.25 5. 0.0073 0.00489 0.015 8.42 6. 0.00973 0.00653 0.0198 8.31 7. 0.00873 0.00586 0.0177 8.25 8. 0.00773 0.00518 0.0158 8.37 9. 0.00673 0.00451 0.0139 8.47 10 0.00573 0.00383 0.0118 8.52 11. 0.00473 0.00316 0.00977 8.51 Dari tabel 1 diatas dapat dilihat nilai terbaik dari hasil percobaan didapat pada response time 0.00473 s dengan nilai rise time 0.00316 s, settling time 0.00977 s, dan overshoot 8.51%, untuk mengurangi nilai overshoot yang masih jauh dari tujuan yang diharapkan, selanjutnya dilakukan percobaan dengan menggeser transient behavior pada response time 0.00473 s, dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.2 dibawah ini.
5 Tabel 2. Tabel menemukan parameter terbaik dengan menggeser Transient Behavior No. Transient behavior Rise time (s) Settling time (s) Overshoot (%) 1. 0.6 0.00316 0.00977 8.51 2. 0.61 0.00322 0.0162 6.9 3. 0.62 0.00313 0.0112 8.24 4. 0.63 0.00315 0.0115 7.44 5. 0.64 0.00321 0.01 5.94 6. 0.65 0.00327 0.00886 4.41 7. 0.66 0.00319 0.0148 6.22 8. 0.67 0.00326 0.0112 4.65 9. 0.68 0.00329 0.0118 3.96 10. 0.69 0.00337 0.00864 2.52 11. 0.7 0.00331 0.0196 5.45 Dari tabel 2 diatas dapat dilihat nilai terbaik dari hasil percobaan didapat pada response time 0.00473 s dan transient behavior 0.69 dengan nilai rise time 0.00337 s, settling time 0.00864 s, dan overshoot 2.52%. Gambar 6. Grafik hasil optimasi parameter PID Gambar 6 diatas memperlihatkan perbandingan setelah dilakukan optimasi dan sebelum dilakukan optimasi pada gambar 7 diatas. Nilai dari rise time, settling time dan overshoot sudah mencapai nilai yang baik sesuai dengan tujuan penelitian ini, sehingga gerak aktual dari robot sudah mendekati input referensi yang diberikan. Setelah melalui proses optimasi pada parameter PID kontrol selesai, didapatkan nilai parameter dari Kp = 2.991, Ki = 52.664, Kd = 0.0403. Tanggapan dari sistem yang menggunakan parameterparameter tersebut akan diperlihatkan pada simulasi masing-masing joint sendi, dimana pengujian simulasi dilakukan selama 10 detik. 2.5. Visualisasi Gerakan Welding Manipulator Robot Visualisasi gerakan welding manipulator robot akan tampil ketika diagram blok welding yang dibuat dijalankan ( running). Seperti pada gambar 7 terlihat setiap proses gerakan dari welding manipulator robot dari awal mulai simulasi sampai akhir simulasi. Gerakan tersebut bergerak sesuai dengan input signal yang diberikan.
6 Gambar 7.Tampilan gerakan simulasi welding manipulator robot Untuk hasil dari uji simulasi ini akan dipaparkan pada pengujian simulasi pada base robot adalah sebagai berikut. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Simulasi Posisi Base Welding Manipulator Robot Pada base robot diberikan sinyal referensi yang berfungsi untuk mengatur pergerakan robot sesuai keinginan. Pada blok Matlab/Simulink telah diberikan parameter scoope dan to workspace untuk dapat melihat sinyal referensi dan aktual dari hasil pengujian robot, dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar 8. Hasil pengujian simulasi posisi pada base robot Gambar 9. Grafik tanggapan sistem dalam simulasi base robot pada posisi 4..2cm
7 Gambar 10.Steady state error base robot pada posisi 4.2cm Garis hijau pada gambar diatas merupakan referensi gerak yang harus dilakukan motor penggerak dan garis warna merah menunjukkan hasil gerakan simulasi pada motor penggerak. Setelah melakukan optimasi pada PID dan melakukan pengujian pada base robot terlihat grafik pergerakan sinyal aktual mengikuti input referensi yang diberikan. Dari hasil pembesaran pada gambar 9 dan 10 menunjukkan data parameter hasil pengujian pada base robot di posisi 4.2cm didapatkan, 1. Rise time (waktu naik) : waktu yang diperlukan oleh tanggapan untuk naik dari 0% menjadi 100% dari nilai akhir yang biasa digunakan, tr = 0.006 detik, 2. Peak time (waktu puncak) : waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai puncak pertama overshoot, tp = 0.007 detik, 3. Maksimum overshoot, Mp = (4.305-4.2)/4.2 x 100% = 2.5%, 4. Settling time (waktu penetapan) : waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai keadaan tenang (steady), ts = 0.064 detik, 5. Signal Error (e)= gerak referensi gerak actual = 4.2 4.1944 = 0.006 e% = 0.006/4.2 x 100% = 0.14% 3.2. Simulasi Kecepatan Sudut pada Welding Manipulator Robot. Kecepatan merupakan turunan ( diferensial) pertama dari posisi. Pada blog sistem di Matlab/Simulink telah diberikan parameter derivative dari posisi dan parameter scoope dan to workspace untuk melihat grafik kecepatan dari hasil pengujian base robot. Gambar 11. Hasil simulasi kecepatan pada base robot Dari grafik kecepatan hasil pengujian robot pada gambar 11 diatas diperoleh hasil kecepatan pada base robot bergerak keatas, pada waktu 2 s bergerak dari posisi 0 cm ke posisi 4.2 cm kecepatan sebesar 1,258 cm/s, dan seterusnya seperti yang terlihat pada grafik dengan lama waktu simulasi 10s. 4. Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan sebagai berikut : Untuk membuat sebuah gerakan simulasi suatu benda dalam penelitian ini gerakan welding manipulator robot, perlu adanya gambaran dalam bentuk 3D sehingga simulasi tersebut dapat terlihat nyata. Program Matlab/Simulink hanya memodelkan gerakan yang terjadi dalam simulasi tetapi untuk gambaran 3D perlu bantuan program Solidworks. Dengan program Solidworks desain
8 model 3D dari robot welding manipulator robot dapat dibuat sedemikian rupa sehingga didapat desain model 3D. Dengan bantuan kedua program tersebut simulasi gerakan sebuah benda atau sebuah robot dapat dilakukan dengan mudah. Dengan menggunakan metode simulasi, unjuk kerja gerakan robot dan gerakan kinematika meliputi posisi, kecepatan, dan percepatan dari robot dapat diketahui. Setelah melakukan teknik optimasi pada sistem kontrol PID gerakan sistem welding manipulator robot membutuhkan waktu untuk mencapai kondisi tenang ( steady) sebesar 0.084 detik dan terjadi overshoot sebesar 2.5 % pada waktu ± 0.007 detik dan error yg terjadi sebesar 0.14 %. 5. Ucapan Terimakasih Autors menucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas bantuan dana penelitian yang diberikan oleh Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Universitas Udayana Bali. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Budi Utomo, Analisa Forward dan Inverse Kinematics pada Simulator Arm Robot 5 Derajat Kebebasan, Jurnal Teknik Mesin S-1, Vol.1, No.3.2013, Teknik Mesin UNDIP, Indonesia, 2013. [2] IW.Widhiada, E.Pitowarno and C.G.I.Partha, Design and Simulation of Five Fingers Gripper for Dexterous Pick-up Various of components, International Journal in Applied Mechanics and Material, Vol.776, pp.325-330, 2015. [3] Deny Wiria Nugraha, Pengendalian Robot Yang Memiliki Lima Derajat Kebebasan, Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1. 2011, Teknik Elektro UNTAD Palu, Indonesia, 2011.