BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem yang meliputi perangkat keras yang terdiri dari sistem mekanik dan sistem elektronik, serta perangkat lunak. 3.1. Perangkat Keras Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai proses perancangan perangkat keras alat yang terdiri dari sistem mekanik dan sistem elektronik mesin. 3.1.1. Sistem Mekanik Sistem mekanik pada mesin capping ini terbagi menjadi 4 modul yang terdiri dari conveyor, starwheel, alat crimping dan capping head. Berikut merupakan cara kerja masing-masing sistem. 3.1.1.1. Sistem Conveyor Prinsip kerja conveyor adalah mengangkut material berupa unit load yang ada di atas belt. Secara keseluruhan rangka conveyor menggunakan besi dengan realisasi ukuran 100cm x15cm x80cm (panjang x lebar x tinggi). Gambar 3.1. Conveyor 10
Keterangan : c.1 : motor ac. c.2 : belt conveyor. c.3 : head pulley. c.4 : guide bar. c.5 : rangka conveyor. Pada sistem ini, conveyor difungsikan sebagai jalur penggerak botol dengan tutup polos tanpa ulir yang akan bergerak menuju starwheel (f). Menggunakan motor AC sebagai penggerak utama conveyor. motor AC (c.1) akan dihubungkan ke head pulley (c.3), sehingga head pulley (c.3) dapat menggerakkan belt conveyor (c.2). Guide bar (c.4) yang menempel pada rangka conveyor (c.5) bertujuan untuk menjaga keseimbangan botol yang sedang berjalan dan dapat disesuaikan menurut ukuran botol. Gambar 3.2. Motor AC conveyor Tabel 3.1. Spesifikasi motor conveyor Rated voltage 220VAC-240VAC Frequency 60Hz Ambient temperature -15 to 40 0 C Insulation class F Phase 1 Motor power 0.12kW 11
Gambar 3.3. Realisasi conveyor 3.1.1.2. Sistem Starwheel Starwheel berfungsi sebagai jalur penggerak botol dengan tutup polos menuju alat crimping (g). Terdiri dari piringan starwheel (f.1), motor stepper (f.5), piringan sensor (f.4), laser modul (f.3) sebagai transmitter dan sensor photosensitive (f.2) sebagai receiver. Motor stepper (f.5) disini sebagai penggerak utama starwheel (f) yang mendapat perintah dari mikrokontroler sehingga dapat bergerak 90 derajat secara kontinu. Motor stepper (f.5) disini sebagai penggerak utama starwheel (f) yang mendapat perintah dari mikrokontroler sehingga dapat bergerak 90 derajat secara kontinu. Sensor bertujuan untuk memonitor pergerakan starwheel (f) sehingga tetap presisi pada posisi yang sudah di tentukan dan meminimalkan terjadinya ke tidak presisian yang dilakukan motor stepper (f.5). Gambar 3.4. Starwheel dan sensor 12
Keterangan : f.1 : piringan starwheel. f.2 : sensor photosensitive. f.3 : laser modul. f.4 : piringan sensor. f.5 : motor stepper. Pada starwheel memiliki 4 ukuran yang berbeda yaitu untuk ukuran botol 60ml, 75ml, 100ml, 120ml. Bahan starwheel menggunakan acrylic dengan ketebalan 12mm dengan diameter 350mm. Gambar 3.5. Starwheel 60ml Gambar 3.6. Starwheel 75ml 13
Gambar 3.7. starwheel 100ml Gambar 3.8. Starwheel 120ml 14
Gambar 3.9. Ukuran Starwheel untuk botol 60ml Gambar 3.10. Ukuran Starwheel untuk botol 75ml 15
Gambar 3.11. Ukuran Starwheel untuk botol 100ml Gambar 3.12. Ukuran Starwheel untuk botol 120ml 16
3.1.1.3. Sistem Crimping Rangka pada sistem crimping menggunakan aluminium dengan ketebalan bahan 250mm, dengan dimensi 30cm x 26cm x 70cm (panjang x lebar x tinggi). Gambar 3.13. Sistem Crimping Keterangan : g.1 : motor stepper. g.2 : belt dan pulley. g.3 : ulir. g.4 : motor ac. g.5 : capping head. Crimping botol berfungsi sebagai penyegel tutup botol dan pembentuk ulir pada tutup botol aluminium. Motor stepper (g.1) terhubung dengan belt dan pulley (g.2) yang berfungsi untuk menggerakkan ulir (g.3) secara vertical. Gerakan vertical ini ditujukan untuk menggerakkan motor ac (g.4) yang berputar secara kontinu yang terhubung langsung dengan capping head (g.5). 17
Gambar 3.14. Motor AC Capping head Tabel 3.2. Spesifikasi motor capping head Rated voltage Frequency Rated speed Weight Phase Output power 100VAC-230VAC 50Hz/60Hz 1200-1450 rpm/min 3.3kg Single and three 3W to 180W Gambar 3.15. Realisasi ulir pada sistem crimping 18
Gambar 3.16. Realisasi motor stepper dan pulley pada sistem crimping Gambar 3.17. Realisasi capping head dan motor AC sistem crimping 3.1.1.4. Capping head Capping head (g.5) berfungsi untuk pembentuk jalur ulir dan penyegel tutup botol. Bahan yang digunakan untuk membangun alat ini menggunakan stainless steel. Dengan dimensi 15cm x 15cm x 31cm (panjang x lebar x tinggi). 19
Gambar 3.18. Capping head Keterangan : g.5.1 : per pegas. g.5.2 : capping base. g.5.3 : bearing. g.5.4 : lengan mekanis. g.5.5 : pisau pembentuk ulir. g.5.6 : dudukan tutup botol. Capping head (g.5) akan terhubung dengan motor ac (g.4) yang akan berputar dan membentuk ulir pada tutup botol dengan bantuan pisau pembentuk ulir (g.5.5). Saat dudukan tutup botol (g.5.6) dan lengan mekanis (g.5.4) naik karena adanya tekanan, lengan mekanis (g.5.4) akan bergerak naik mengikuti sudut dari capping base (g.5.2), maka per pegas (g.5.1) akan tertekan dan mendorong masuk pisau pembentuk ulir (g.5.6) sehingga membentuk ulir pada tutup botol. Gambar 3.19. Realisasi capping head 20
Gambar 3.20. Botol sebelum dan sesudah proses capping 3.1.2. Sistem Elektronik Sistem elektronik pada mesin capping terdiri dari sistem kontrol mesin yang terdiri dari mikrokontroller, sensor, motor stepper dan driver, serta user interface. 3.1.2.1. Mikrokontroler Digunakan Arduino Mega 2560 sebagai pengendali utama dari mesin capping. User melakukan konfigurasi melalui user interface untuk menentukan kecepatan dan ukuran botol. Mikrokontroler akan menggerakan motor crimping pada posisi ketinggian awal hingga menyentuh saklar (limit switch) dan menggerakan motor starwheel berlawanan arah jarum jam hingga mikrokontroler memperoleh logika low dari kedua sensor. Setelah proses tersebut terlewati, mikrokontroler akan memberi perintah kepada motor starwheel untuk bergerak searah jarum jam sebesar 90 derajat. Kemudian motor crimping akan berputar berlawanan arah jarum jam untuk menurunkan capping head hingga ketinggian yang sudah dipilih oleh user melalui menu yang tertampil. Setelah 1 detik motor crimping akan berputar searah jarum jam untuk menaikkan capping head pada posisi ketinggian awal hingga menyentuh saklar (limit switch). Proses ini akan 21
berlangsung secara kontinu hingga user mematikan alat. Berikut konfigurasi penggunaan pin Arduino Mega 2560. Gambar 3.21. Board Arduino MEGA 2560 Gambar 3.22. Wiring diagram sistem 22
Gambar diatas merupakan skema wiring diagram sistem elektronik dari mesin capping yang dikontrol melalui Arduino mega 2560. Berikut konfigurasi pin pada Arduino mega 2560. Tabel 3.3 Tabel konfigurasi pin arduino Pin Fungsi A0 Keyboard (select, up, right, down, left) Pin 4 DB4 Pin 5 DB5 Pin 6 DB6 Pin 7 DB7 Pin 8 RS (data atau sinyal display) Pin 9 Enable (mengirim data pada pin data ketika diberikan sinyal dari tinggi ke rendah) Pin 10 Kontrol intensitas background LCD Pin 11 Mengatur pulsa sebanyak 5048x (starwheel 90 derajat) Pin 13 Mengatur pulsa motor crimping Pin 24 Pulsa ccw+ motor crimping Pin 25 Pulsa ccw+ motor starwheel Pin 28 Input sensor photosensitive 1 Pin 30 Input sensor photosensitive 2 Pin 32 Input limit switch 3.1.2.2. Sensor Digunakan sensor sebagai pengkoreksi awal letak starwheel ketika mesin crimping dijalankan pertama kali, sehingga posisi awal starwheel akan sesuai dengan jalur conveyor. 23
Gambar 3.23. Peletakan motor dan sensor Keterangan: A = conveyor B = bodi mesin crimping C = starwheel D = sensor photosensitive E = laser F = piringan sensor G = motor stepper Gambar 3.24. Realisasi peletakan motor dan sensor 24
Gambar 3.25. Wiring sensor Tabel 3.4 Tabel konfigurasi pin arduino pada sensor Pin Pin 28 Input sensor photosensitive 1 Pin 30 Input sensor photosensitive 2 Fungsi 3.1.2.2.1. Sensor Photosensitive Sensor photosensitive merupakan sensor yang sensitif dengan intensitas cahaya lingkungan dan digunakan untuk mendeteksi kecerahan ambien dan intensitas cahaya lingkungan. Tanpa adanya intensitas cahaya maka tidak akan mencapai ambang nilai yang dihasilkan untuk output tingkat rendah (low) tetapi, ketika intensitas cahaya lingkungan eksternal melebihi ambang set tertentu akan menghasilkan output tingkat tinggi (high). Output sensor photosensitive akan terhubung dengan mikrokontroler, kemudian mikrokontroler mendeteksi tingkat cahaya[2]. Gambar 3.26. Sensor photosensitive 25
Sensor photosensitive sebagai receiver yang berfungsi menangkap cahaya dari laser (active high). Sensor photosensitive akan mengirim data menuju mikrokontroler yang bertujuan sebagai pengkoreksi posisi awal starwheel. 3.1.2.2.2. Laser Laser sebagai transmitter akan menghasilkan cahaya yang akan diterima oleh receiver yaitu sensor photosensitive. Gambar 3.27. Laser 3.1.2.3. Motor Stepper dan Driver Motor stepper digunakan untuk mencapai posisi yang tepat melalui kontrol digital. Motor stepper akan mendapat pulsa yang diberikan oleh mikrokontroler melalui driver motor stepper. Secara struktural motor stepper 5 fasa memiliki 10 kutub stator, 2 kutub stator per fasa nya, jarak antar gigi tiap stator adalah 0.72 o. Dari konstruksi motor stepper 5 fasa tersebut diketahui bahwa basic angle step sebesar 0.72 o. Dari datasheet motor stepper yang digunakan, motor stepper memiliki basic angle step sebesar 0.072 o, hal ini dikarenakan perbandingan torsi gearbox motor stepper yang digunakan sebesar 1:10, maka di dapat basic angle step akhir sebesar (0.72 )/10 = 0.072 o. Gambar 3.28. Basic angle step motor stepper 26
Sudut rotasi dari motor stepper dikontrol menggunakan sinyal pulsa dari mikrokontroler arduino mega. Arduino mega akan memberi sinyal pulsa menuju driver motor stepper. Gambar 3.29. Alur sistem motor stepper Gerak rotasi motor stepper dipengaruhi oleh banyaknya jumlah pulsa yang diberikan kepada driver motor. Berdasarkan spesifikasi driver motor yang diperoleh maka pulsa yang dapat diterima oleh driver motor sebagai berikut: Tabel 3.5 Tabel spesifikasi driver motor Lebar pulsa Interval pulsa Minimal 0.1 us Rising /falling time Maksimal 1us Tegangan input pulsa [H] 4-8VDC [L] 0-0.5VDC Frekuensi maksimal input pulsa Maksimal 500KHz (Duty 50%) Untuk menentukan besar rotasi sudut pada motor stepper diperoleh persamaan sebagai berikut: sudut yang diinginkan = jumlah pulsa x (basic angle step motor stepper) resolusi dari driver 90 = jumlah pulsa x (0.072 ) 1 27
90 x 1 0.072 = jumlah pulsa 1250 = jumlah pulsa Maka jumlah pulsa yang diperoleh sebesar 1250 pulsa untuk menggerakkan motor sejauh 90 derajat. Gambar 3.30. Pulsa step rotasi motor Gambar 3.31. Wiring arduino pada driver motor 28
Tabel 3.6 Tabel konfigurasi pin arduino pada driver motor Pin Pin 11 Pin 13 Pin 24 Pin 25 Fungsi Mengatur pulsa sebanyak 5048x (starwheel 90 derajat) Mengatur pulsa motor crimping Pulsa ccw+ motor crimping Pulsa ccw+ motor starwheel 3.1.2.4. User interface User interface pada mesin capping menggunakan LCD 2x16 sebagai penampil menu dan 6 buah keypad untuk memilih menu yang tertampil pada LCD. Pada user interface terdapat tombol up, down, left, right, dan select. Tombol tersebut menggunakan satu jalur ADC. Nilai dari tiap tombol dibaca oleh mikrokontroler melalui pembagi tegangan 5 tahap. Tombol ON/OFF digunakan untuk mematikan dan menyalakan mesin. Gambar 3.32. User Interface 29
Gambar 3.33. Realisasi User Interface Gambar 3.34. Wiring LCD shield pada arduino 30
Tabel 3.7 Tabel konfigurasi pin LCD Shield Pin A0 Pin 4 Pin 5 Pin 6 Pin 7 Pin 8 Pin 9 Pin 10 Fungsi Keyboard (select, up, right, down, left) DB4 DB5 DB6 DB7 RS (data atau sinyal display) Enable (mengirim data pada pin data ketika diberikan sinyal dari tinggi ke rendah) Kontrol intensitas background LCD Input keypad menggunakan pembagi tegangan sebagai berikut: Tombol right: 0Ω 2Ω x 5V = 0V Tombol up: 330Ω 2kΩ + 330Ω x 5V = 0,71V Tombol down: 330Ω + 620Ω 2kΩ + 330Ω + 620Ω x 5V = 1,61V Tombol left: 330Ω + 620Ω + 1kΩ 2kΩ + 330Ω + 620Ω + 1kΩ x 5V = 2,47V 31
Tombol select: 330Ω + 620Ω + 1kΩ + 3k3Ω 2kΩ + 330Ω + 620Ω + 1kΩ + 3k3Ω x 5V = 3,62V Gambar 3.35. Skema pembagi tegangan pada keypad 3.2. Perangkat Lunak Perangkat lunak digunakan untuk mengendalikan sistem. Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai cara kerja sistem dari diagram alir, serta penjelasan tentang tahapan tahapan cara kerja sistem. 32
Gambar 3.36. Diagram alir sistem 33
Penjelasan diagram alir cara kerja sistem sebagai berikut: a) Sistem akan memulai inisialisasi kecepatan dengan setting kecepatan default yaitu kecepatan LOW. b) Jika tidak ada input reset maka akan masuk ke menu ukuran botol dan kecepatan yang tertampil pada LCD. c) Jika Ya pada pilih botol, akan masuk ke menu masing-masing ukuran botol 60 ml, 75ml, 100ml, 120ml. d) Jika Ya pada 60ml, mikrokontrol memberi 2500 pulsa menuju driver motor, kemudian starwheel berputar cw 90 o, capping head turun, capping head mengepres botol, capping head naik. Proses akan berjalan hingga user menekan reset. e) Jika tidak pada 60ml, apakah 75ml? Jika Ya pada 75ml, mikrokontrol memberi pulsa sebanyak 2400 pulsa menuju driver motor, kemudian starwheel berputar cw 90 o, capping head turun, capping head mengepres botol, capping head naik. Proses akan berjalan hingga user menekan reset. f) Jika tidak pada 75ml, apakah 100ml? Jika Ya pada 100ml, mikrokontrol memberi pulsa sebanyak 2200 pulsa menuju driver motor, kemudian starwheel berputar cw 90 o, capping head turun, capping head mengepres botol, capping head naik. Proses akan berjalan hingga user menekan reset. g) Jika tidak pada 100ml, apakah 120ml? Jika Ya pada 120ml, mikrokontrol memberi pulsa sebanyak 1800 pulsa menuju driver motor, kemudian starwheel berputar cw 90 o, capping head turun, capping head mengepres botol, capping head naik. Proses akan berjalan hingga user menekan reset. Jika tidak pada 120ml, kembali ke menu awal ukuran botol dan kecepatan. h) Jika ya pada pilih kecepatan, apakah menekan tombol up? Jika ya menekan tombol up maka kecepatan=high dan akan kembali ke menu awal. i) Jika tidak menekan tombol up, apakah menekan tombol down? Jika ya menekan tombol down maka kecepatan=low dan akan kembali ke menu awal. j) Jika tidak menekan tombol down, apakah memilih kecepatan? Jika tidak akan kembali ke menu awal. k) Jika ada input reset motor crimping berputar cw hingga menyentuh limit switch, lalu motor starwheel berputar ccw hingga sensor A=high dan b=high, kemudian sistem selesai hingga user memilih menu ukuran botol dan kecepatan. 34