PEMBUATAN SISTEM KENDALI NUMERIK UNTUK PENGGERAK SISTEM INSPEKSI VISI
PEMBUATAN SISTEM KENDALI NUMERIK
UNTUK PENGGERAK SISTEM INSPEKSI VISI
Oleh
BAMBANG SULAKSANA
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
2013
Judul Skripsi
PEMBUATATT SISTEM KENDALI IYT'MERIK
[]NTT]K PENGGERAK SISTEM INSPEKSI VISI
Narna Mahasiswa
BAMBANG STJLAKSANA
No. Pokok Matrasiswa
0615021049
Jurusan
TeknikMesin
Fakultas
Teknik
MENYETUJUI
l. Komisi Pembimbing
NrP 19640506 200003 l00l
Ageng$adnowo R, S.T., M.T.
NrP 19690228199803 r 001
uddin, S.T., M.T.
NIP 19690620200003 I
001
MENGESAIIKATI
Tim Penguji
Ketua
: Dr. Yanuer Burhanudinr l\,LT.
AnggotaPenguji
: Ageng Sadnowo R,
Penguji
Utama
S.T., M.T.
: Achmad Yahya T.P., S.T., M.
Teknik Universitas krnpung
Au"S
Afriani, D.E.A
10 1ee303
200t4r
Tanggal Lulus Ujian Skripsi : 05 Mei 2013
PEENYATAATT PENULIS
EAHWA BENAR SKRJPSI INI DIBUAT SENDIRI OIEH PENULIS DAN
BUKAN HASIL PTAGIAT SEB.{GAIMANA DIATUE DA.LAM PASAL 27
PERATURAN AKABEMIK I.'I{IVERSITAS IAMPI]NG }ENGAN $UKIIT
KEPUTUSA}I FIEKTOR NO-
3 r &71H2
6tDT f2.6t*
NPM.S6t5#IrS49
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN .........................................................................................
i
SANWACANA ......................................................................................... ...................
iii
DAFTAR ISI ......................................................................................... .......................
v
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... viii
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ..................................................................................................
1
B. Tujuan Penelitian ...............................................................................................
3
C. Batasan Masalah ................................................................................................
3
D. Sistematika Penulisan .......................................................................................
4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penggerak Poros Ulir............................................................................................ 6
B. Motor Stepper ....................................................................................................
8
1. Stepper Unipolar ..........................................................................................
9
2. Step Angle/SA ............................................................................................. 10
3. Kendali Arah Putaran ................................................................................... . 10
C. IC L297D ....................................................................... ................................... 11
vi
D. IC Driver L298N ........................................................................... ................... 12
E. Catu Daya ..................................................... .................................................... 12
1. Dioda Penyearah (rectifier) ...................................................... ..................... 13
2. Regulator LM78XX ....................................................................................... 16
F. Softwarre Mach3 ....................................................................... ....................... 17
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat Penelitian .............................................................................................. 19
B. Alat Dan Bahan. ............................................................................................... 19
C. Prosedur Penelitian ............................................................... ............................ 21
1. Pembuatan Rangkaian .............................................................................. 21
a. Prinsip kerja rangkaian ........................................................................ 21
b. Ilustrasi instalasi sistem kendali ......................................................... 22
c. Instalasi dan seting mach3 .................................................................. 23
1. Menseting Port dan Pin ..................................................................... 23
2. Menentukan jumlah step ................................................................... 24
3. Menentukan kecepatan motor .......................................................... 24
2. Pengujian dan Pengambilan Data ............................................................. 25
D. Diagram Alir Penelitian …………………….………………………………… 28
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
vii
A. Konsep Perancangan Sistem Secara Umum ..................................................... 29
B. Pendekatan Elektronik dan Software ................................................................ 31
C. Pendekatan Mekanik ........................................................................................ 33
1. Perhitungan Daya dan Torsi Motor Sumbu-X .............................................. 33
2. Perhitungan Daya dan Torsi Motor Sumbu- Z ............................................. 35
3. Data Pengujian ............................................................................................. 37
BAB V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan .......................................................................................................... 44
B. Saran ................................................................................................................ 45
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Mekanisme ulir penggerak ............................................................
7
Gambar 2. Stepper motor unipolar ..................................................................
9
Gambar 3. Fungsi setiap pin IC L297 ..............................................................
11
Gambar 4. Skema IC L298n.............................................................................
12
Gambar 5. Karakteristik dioda .........................................................................
14
Gambar 6. Rangkaian penyearah sederhana ....................................................
15
Gambar 7. Rangkaian penyearah gelombang penuh ........................................
15
Gambar 8. Rangkaian penyearah sistem jembatan .........................................
16
Gambar 9. Bentuk fisik LM78XX ..................................................................
17
Gambar 10. Tampilan mach3 ..........................................................................
18
Gambar 11. Paralel port DB25 .........................................................................
18
Gambar 12. Tampilan mach3 sat menseting pin ke motor ..............................
19
Gambar 13. Komputer PC ................................................................................
20
Gambar 14. Struktur mekanik .........................................................................
21
Gambar 15. Stepper motor ..............................................................................
21
Gambar 16. Jangka Sorong .............................................................................
21
Gambar 17. Skema rangkaian L297+L298 .....................................................
23
Gambar 18. Ilustrasi sistem kontrol ................................................................
23
Gambar 19. Tampilan mach3 saat pemilihan port yang digunakan .................
24
Gambar 20. Tampilan mach3 saat menseting motor stepper ..........................
26
Gambar 21. Tampilan software mach3 ............................................................
28
Gambar 22. Pengkuruan perkgerakan meja ....................................................
29
Gambar 23. Diagram alir penelitian .................................................................
31
Gambar 24. Gambaran umum perancangan sistem kontrol .............................
33
Gambar 25. Komponen-komponen Sistem Kendali .......................................
33
Gambar 26. Komponen yang digunakan pada pendekatan elektronik .............
35
Gambar 27. Rangkaian yang dibuat .................................................................
35
Gambar 28. Struktur mekanik yang akan diuji ...............................................
36
Gambar 29. Ilustri pembebanan pada penggerak sumbu-X .............................
36
Gambar 30. Ilustrasi pembebanan penggerak sumbu-z ...................................
38
Gambar 31. Grafik persentase kesalahan rata-rata ...........................................
41
Gambar 32. Grafik uji kepresisian sumbu x.....................................................
43
Gambar 33. Grafik uji kepresisian sumbu z .....................................................
43
Gambar 34. Cacat pada pitch ulir ....................................................................
45
Gambar 35. Pemasangan roda yang tak sejajar ...............................................
46
1111
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kegiatan inspeksi menjadi hal penting dalam sebuah produksi. Karena kegiatan
inspeksi ini yang nantinya menyimpulkan nilai kualitas suatu produk baik atau
tidak (masuk dalam kategori barang jadi atau reject). Dalam industri lebih dikenal
dengan istilah kendali mutu (Quality Control). Meskipun kegiatan inspeksi ini
sangat diperlukan dalam sebuah produksi, namun kegiatan inspeksi masih
bergantung pada visual manusia.
Alasan umum untuk menerapkan sistem inspeksi visi otomatis telah didiskusikan
oleh para peneliti sebelumnya. Banyak keuntungan inspeksi visi otomatis jika
dibandingkan inspeksi visual manusia. Sistem inspeksi visi otomatis dapat bekerja
tanpa lelah, serta memiliki keakuratan dan kendali mutu yang konsisten. Sistem
inspeksi visi dapat mendeteksi adanya cacat yang sulit ditemukan oleh visual
manusia. Tanpa alat bantu dan dapat beroperasi lebih cepat dibanding visual
manusia. Sedangkan alasan khusus untuk menerapkan sistem inspeksi visi adalah
untuk meningkatkan produktivitas, menanggulangi kerugian-kerugian akibat
inspeksi manual yang tidak konsisten serta penghematan biaya tenaga kerja.
Selain itu juga mengurangi resiko kecelakaan kerja bagi tenaga kerja. Karena
2
kegiatan inspeksi yang bersifat monoton dan membosankan serta memerlukan
keakuratan serta ketelitian yang tinggi. (Away, 2006.)
Sistem kendali dapat
dikatakan sebagai hubungan antara
komponen yang
membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan
tanggapan
sistem yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu
sistem
fisis,
yang
biasa
disebut
dengan
kendalian
atau
plant.
Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran
merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan;
sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur
keluaran.
Kedua
dimensi
masukan
dan
keluaran
tidak
harus
sama.
Pada sistem kendali dikenal dua sistem kendali yaitu system kendali lup terbuka
dan system kendali lup tertutup. Sistem lup terbuka (open loop system) adalah
sistem kendali yang nilai keluarannya tidak diperhitungkan ulang oleh pengendali.
Sehingga tidak terukur suatu keadaan apakah plant benar-benar telah mencapai
target
seperti
yang
dikehendaki
masukan
atau
referensi,
tidak
dapat
mempengaruhi kinerja pengendali. (Ogata K,1997)
Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali lup tertutup (closed loop
system) memanfaatkan variabel yang sebanding dengan selisih respon yang terjadi
terhadap respon yang diinginkan. Sistem seperi ini juga sering dikenal dengan
sistem kendali umpan balik. (Ogata K, 1997)
3
Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik untuk melakukan penelitian yang
berjudul “Pembuatan Sistem Kendali Numerik Untuk Penggerak Sistem Inspeksi
Visi”. Dengan adanya penelitian ini diharapkan akan diketahui nilai ketelitian dan
error sistem kendali yang dibuat. Sehingga dapat diketahui aplikasi yang cocok
untuk pemanfaatannya.
B. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitan ini adalah untuk membuat
sistem kontrol dari pergerakan kamera yang dikontrol secara simultan oleh sebuah
komputer (software) yang dapat digunakan untuk kegiatan inspeksi visi.
Dengan spesifikasi sistem yang akan dibuat:
1. Sistem dapat bergerak linear sesuai perintah yang diberikan.
2. Sistem dapat bergerak dengan toleransi keakuratan sampai ±20%.
C. Batasan Masalah
Agar penelitian yang dilakukan dapat lebih terarah, peneliti membatasi
permasalahan antara lain:
1. Penelitian ini hanya membahas keakuratan gerak sistem kendali untuk
pergerakan sistem inspeksi visi.
2. Sumbu gerak sistem kendali lup terbuka terdiri dari dua sumbu gerak (x,y)
3. Area kerja sistem penggerak memiliki dimensi panjang 100cm x 80cm.
4. Motor penggerak yang digunakan adalah stepper motor bipolar.
4
5. Pengendali dan driver motor yang digunakan, menggunakan driver iC
L297 dan L298.
6. Pengambilan data dilakukan dengan melakukan simulasi gerakan sistem
untuk membuat pola gerak lurus.
D. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan yang digunakan oleh penulis dalam penyusunan
tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Bab I Pendahuluan
Pada bab ini menguraikan tentang latar belakang, tujuan dan manfaat,
batasan masalah serta sistematika penulisan.
2. Bab II Teori Dasar
Berisikan landasan teori dari beberapa literatur yang mendukung
pembahasan tentang studi kasus yang diambil.
3. Bab III Metodologi
Pada bab ini menjelaskan metode yang digunakan penulis dalam
pelaksanaan penelitian.
4. Bab IV Hasil Dan Analisis
Pada bab ini berisikan data-data yang diperlukan dan pembahasan tentang
studi kasus yang diteliti.
5
5. Bab V Simpulan Dan Saran
Pada bab ini berisikan kesimpulan dan saran untuk hasil yang lebih baik
pada penelitian selanjutnya.
Daftar Pustaka
Berisikan literatur-literatur atau referensi-referensi yang diperoleh penulis
untuk menunjang penyusunan laporan penelitian. Lampiran, berisikan
beberapa hal yasng mendukung penelitian.
LAMPIRAN
Berisikan beberapa hal yang mendukung penelitian.
46
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penggerak Poros Ulir
Pergerakan meja kerja digerakan oleh sebuah motor sebagai penggerak dan poros
ulir sebagai pengubah gaya puntir motor menjadi gaya dorong pada meja kerja
seperti pada gambar (1). Gaya dorong ulir dapat diketahui dengan perhitungan
tenaga ulir (power screw). Persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi
gaya dorong ulir (Shingley dan Mischke, 2001)
T=
Dimana ;
T = Torsi pada ulir (Nm)
Dm = Diameter efektif ulir (m)
F = Gaya dorong ulir (N)
f = Koefisien gesek permukaan ulir
l = Kisar/pitch ulir (m).
………………….. (1)
7
Gambar 1. Mekanisme ulir penggerak
Gaya dorong ulir adalah gaya minimum yang dibutuhkan untuk mendorong meja
kerja. Sehingga nilainya dipengaruhi oleh massa meja kerja dan koefisien gesek
permukaan meja kerja dengan permukaan yang menopangnya dan bukan koefisien
gesek antara dua permukaan ulir. Dalam hal ini, karena meja kerja menggunakan
bantalan bearing sebagai roda maka koefisien gesek yang bekerja adalah koefisien
gesek bearing yaitu ± 0.11.
Diameter efektif ulir atau diameter tusuk ulir ialah diameter semu yang letaknya
diantara diameter luar dan diameter inti. Pada radius diameter inilah letak titik
singgung antara dua ulir.
Seperti pada penjelasan sebelumnya bahwa motor dapat mendorong meja kerja
torsi yang dihasilkan motor harus lebih besar daripada torsi yang bekerja pada
ulir. Torsi pada motor berbanding terbalik dengan kecepatan motor, semakin besar
kecepatan motor maka torsi yang dihasilkan akan menurun. Untuk menentukan
torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor digunakan persamaan (Histand dan
Alciatore,1999).
8
Tm =
……...….……………… (2)
Dimana :
Tm = Torsi yang dihasilkan motor (Nm)
P = daya yang digunakan (watt)
ω = kecepatan sudut (rad/s).
Sedangkan kebutuhan daya yang diperlukan motor penggerak dapat dihitung
dengan persamaan sebagai berikut: (Histand dan Alciatore, 1999)
P = 2π.n.T .....................................................
(3)
Dimana:
P = Daya yang diperlukan (watt)
n = Putaran motor (rpm)
T = Torsi yang dibutuhkan ( N.m)
B. Motor Stepper
Motor stepper adalah sebuah peralatan elektromekanik yang mengubah pulsa
elektrik menjadi pergerakan mekanik. Kumparan motor stepper berputar per step
ketika pulsa elektrik dimasukkan ke kumparan tersebut dengan urutan yang benar.
Setiap urutan pemberian pulsa ke motor stepper menyebabkan arah putaran yang
berbeda. Sedangkan besarnya frekuensi dari pulsa akan mempengaruhi kecepatan
putaran motor stepper.
9
1. Motor Stepper Unipolar
Motor stepper unipolar baik tipe 5 atau 6 kabel biasanya dihubungkan
seperti pada gambar 2, dengan sebuah center tap pada tiap kumparan. Pada
penggunaannya, center tap dihubungkan ke supply positif, dan dua ujung
kumparan lainnya dihubungkan ke ground. Bagian rotor motor pada
gambar 19 dibuat dari magnet permanent dengan 6 kutub, 3 kutub utara
dan 3 kutub selatan.
Gambar 2. Stepper Motor Unipolar
Seperti terlihat pada gambar 2. Arus mengalir dari center tap kumparan 1
ke terminal a menyebabkan kutub stator yang atas menjadi berkutub utara
dan kutub stator yang bawah berkutub selatan. Kondisi ini menyebabkan
rotor berada pada posisi seperti gambar Jika arus pada kumparan 1
dimatikan dan kumparan 2 dinyalakan, maka rotor akan berputar 30
derajat, atau 1 step. Untuk berputar secara kontinyu, kita hanya perlu
menghubungkan supply power ke 2 kumparan secara berurutan. Dengan
asumsi bahwa logika 1 berarti arus mengalir pada kumparan motor, maka
berikut adalah urutan yang harus dipenuhi agar motor dapat berputar
sebanyak 24 step atau 2 putaran :
10
Kumparan 1a 1000100010001000100010001
Kumparan 1b 0010001000100010001000100
Kumparan 2a 0100010001000100010001000
Kumparan 2b 0001000100010001000100010
waktu -----------------------------------------------------
2. Step Angle/ SA
Motor stepper bergerak per-step. Setiap bergerak satu step, motor stepper
akan berputar beberapa derajat sesuai dengan step anglenya. Step angle
tergantung dari jumlah kutub magnet motor stepper. Jumlah putaran yang
diperlukan agar motor stepper bergerak 1 putaran penuh (360̊) adalah:
Step = 360º / ºStep Angle
Misalnya, sebuah motor stepper memiliki SA=1.8º maka untuk untuk
berputar satu putaran penuh memerlukan jumlah step sebanyak: 360º / 1.8º
= 200 step.
3. Kendali Arah Putaran
Arah putaran motor stepper ditentukan oleh arah urutan aktifasi
kumparannya. Secara program, ini bisa dilakukan dengan mengubah arah
pergeseran bit. Jika arah pergeserannya ke kanan, maka motor stepper
akan berputar ke arah kanan (CW)
Kumparan 1a 1000
Kumparan 1b 0010
Kumparan 2a 0100
Kumparan 2b 0001
waktu -----------------
Jika arah pergesarannya ke kiri, maka motor stepper akan berputar kearah
kiri pula (CCW).
11
Kumparan 1a 0001
Kumparan 1b 0010
Kumparan 2a 0100
Kumparan 2b 1000
waktu -----------------
C. IC L297D
L297 adalah sebuah kontroler stepper yang dapat membangkitkan 4 phasa
(ABCD) sinyal pengontrol stepper motor. Dengan cara memberikan inputan
sinyal clock ( pin 18) dan direction (pin 17) untuk arah perputaran motor.
Teradapat dua mode pengendalian stepper motor Half step dan Full step yang
dapat kita pilih, yaitu dengan memberikan logika high atau low pada kaki pin 19
pada iC l297 ini. Gambar 3 dibawah ini menunjukan fungsi setiap pin pada iC
L297.
Gambar 3. Fungsi setiap pin pada iC L297.
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.shtml)
12
D. Driver Motor iC- L298
L298 adalah jenis IC driver motor yang dapat mengendalikan arah putaran dan
kecepatan motor DC atau satu motor stepper. Mampu mengeluarkan output
tegangan untuk Motor dc dan motor stepper sebesar 50 volt. IC l298 terdiri dari
transistor-transistor logik (TTL) dengan gerbang nand yang memudahkan dalam
menentukkan arah putaran suatu motor dc dan motor stepper. Dapat
mengendalikan 2 untuk motor dc namun hanya dapat mengendalikan 1 motor
stepper.
Gambar 4. Skema iC L298n
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/8/L298N.shtml)
E. Catu Daya
Perangkat elektronika sebagian besar dicatu oleh suplai arus searah DC (Direct
Current) yang stabil. Baterai atau accu adalah salah satu sumber catu daya DC
yang baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar,
sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber
bolak-balik AC (Alternating Current) dari pembangkit tenaga listrik, dimana
13
sumber AC yang ada di Indonesia sebesar 220 dan 380 Volt dengan frekuensi
berkisar antara 50 sampai 60 Hz. Sumber AC ini dimasukkan ke dalam bagian
primer input catu daya pada transformator daya yang akan membagi tegangan AC
pada outputnya. Frekuensi tegangan sekunder akan tetap sama dengan daya
primer, tetapi tegangan akan dinaikkan atau diturunkan atau dapat juga bias tetap
sama tegangan keluaran dari transformator merupakan tegangan AC yang
besarnya sesuai dengan perbandingan antara besar lilitann primer dan sekunder
pada transformator tersebut. Untuk mengubah tegangan listrik Ac menjadi
tegangan DC diperlukan untuk merancang catu daya adalah sebagai berikut :
1. Dioda Sebagai Penyearah (Rectifier)
Dioda penyearah berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi tegangan
DC. Prinsip kerjanya adalah membuang tegangan negatif dan melewatkan
tegangan positif pada arus bolak-balik untuk mendapatkan tegangan DC
positif atau membuang tegangan positif dan melewatkan tegangan negatif
untuk mendapatkan tegangan DC negatif. Rangkaian ini terdiri dari satu
atau beberapa buah dioda. Dioda merupakan komponen elektronika yang
paliang
sederhana,
yang
tersusun
dari
dua
jenis
semikonduktor,
semikonduktor jenis-p dan jenis-n. Prinsip dasar dari penyearah adalah sifat
dioda yang hanya menyearah arus pada satu arah tegangan (arah maju) saja.
Sedangkan pada arah yang berlawanan (arah mundur) arus yang dilewatkan
sangat kecil.
14
arus dioda (Id) secara eksponensial naik dengan naiknya tegangan dioda
(Vd) pada arah maju (tegangan dioda positif). Sedangkan pada arah
tegangan sebaliknya atau pada tegangan dioda negatif, besar arus dioda
akan mendekati arus jenuh balik, yang nilainya kecil dan dapat diabaikan,
sehingga arus dioda hanya muncul pada tegangan dioda positif saja.
Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada
gambar 6. Trafo diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala
listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil
pada kumparan sekundernya.
Gambar 5. Rangkaian penyearah sederhana
Pada gambar 6. dioda berperan untuk meneruskan tegangan positif ke
beban R1. Hal inilah yang disebut dengan penyearah setengah gelombang
(half wave). Untuk mendapatkan penyerah gelombang penuh (full wave)
diperlukan trafo dengan center tap (CT) seperti pada Gambar 7.
15
Gambar 6. Rangkaian penyearah gelombang penuh
Tegangan positif fase yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan fase
yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT
transformator sebagai common ground. Dengan demikian beban R1
mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti pada Gambar 7.
Pada penggunaan trafo tanpa center tap (CT) biasanya digunakan
penyearah
gelombang
penuh
sistem
jembatan.
Penyearah
ini
membutuhkan empat buah dioda dengan sistem kerja berpasangan
sehingga sering disebut dioda bridge seperti gambar 7.
Gambar 7. Rangkaian Penyearah Sistem Jembatan
16
2. Regulator LM78XX
Seri LM78xx dapat diperoleh dalam kemasan TO-22C plastik atau logam
LM78xx dapat mengeluarkan arus melebihi 0,5 A apabila dilengkapi
peredam pada Heatsink ( pendingin) yang memadai. Rangkaian terpadu
(Integrated Circuit = IC) tipe 78xx ini adalah IC regulator yang dapat
menyetabilkan tegangan searah positif dengan masukan +14,5 volt sampai
+27 volt dengan keluaran sesuai jenis tipe regulator. IC regulator seri
LM78xx mempunyai karakteristik sebagai berikut:
a. Menstabilkan tegangan searah positif dengan masukan dari +14,5 volt
sampai +27 volt DC.
b. Tegangan keluaran sesaui dengan tipe regulator dengan hasil DC
teregulasi.
c. Arus keluaran melebihi 0,5A.
Gambar 8. Bentuk Fisik LM78xx
(http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/9037/NSC/LM78XX.html)
17
F. Software Mach3
Perangkat lunak ini dikeluarkan oleh perusahaan Artsoft USA. Perangkat lunak ini
berjalan pada PC biasa yang ada di masyarakat umum, dan dapat bekerja pada
sistem operasi seperti windows xp. Software ini dapat digunakan untuk
pengontrol pada mesin bubut, milling, dsb. Jalur komunikasi yang digunakan
untuk mengirimkan sinyal ke driver motor menggunakan parallel port pada
komputer. Port ini terdiri dari 25 lubang pin untuk jalur komunikasi antara
komputer dengan device external.
Gambar 9. Tampilan mach3
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
Gambar 10. Parallel port DB25
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
18
Keterangan:
>>
Tanda panah keluar berfungsi sebagai jalur output pada komputer, dan
dapat digunakan sebagai fungsi step dan direction pada driver motor.
>>
Tanda panah keluar berfungsi sebagai input pada komputer , yang dapat
digunakan untuk mengirimkan sinyal limit dan home position kedalam
komputer.
Adapun default pin configuration dari software mach3 yang dapat digunakan
sebagai sinyal fungsi step dan direction motor stepper pada setiap pin parallel
port, dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 11. Tampilan mach3 saat menseting pin ke motor
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
19
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di dua tempat, yaitu:
1. Pembuatan rangkaian elektronika di Laboratorium Elektronika Jurusan
Teknik Elektro Universitas Lampung pada bulan September 2012.
2. Pengujian dan pengambilan data dilakukan di Laboratorium Proses
Produksi Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung pada bulan Januari
2013.
B. Alat dan bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Alat dan bahan untuk membuat driver stepper motor
a. Controller Stepper motor L297 (lihat gambar.11)
b. Driver Stepper motor L298n (lihat gambar.12
2. Seperangkat komputer PC Pentium IV
Gambar 13. Komputer PC
20
3. Struktur mekanik
Gambar 14. Struktur mekanik
4. Stepper motor
Gambar 15. Stepper motor
5. Jangka Sorong
Gambar 16. Jangka sorong
21
C. Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan uji keakuratan sistem kontrol untuk pergerakan
stepper motor menggunakan perangkat komputer (PC) dan Software Mach3
sebagai pengendali motor, dengan iC L297 dan L298 sebagai interface komputer
dengan stepper motor. Jumlah gerakan sumbu yang diuji berjumlah dua sumbu
yaitu sumbu X, dan sumbu Z. Pengujian sistem dilakukan dengan mengukur
simulasi pergerakan motor tiap sumbu dengan perintah point to point pada Mach3.
Jarak simulasi yang dimasukan yaitu 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm. Secara
garis besar prosedur yang akan dilaksanakan pada pengujian kali ini adalah
sebagai berikut:
1. Prosedur pembuatan rangkaian dan instalasi sistem kontrol.
a. Prinsip kerja rangkaian.
Rangkaian interface komputer dengan motor yang dibuat ialah rangkaian
stepper kontrol menggunakan iC L297 sebagai penerima inputan
clock/step dan direction dari komputer kemudian L297 akan mengeluarkan
sinyal phasa ABCD dengan urutan (0101-1001-1010-0110) yang dapat
digunakan untuk memutar stepper motor. Kemudian sinyal keluaran L297
dikuatkan dengan rangkaian full bridge driver L298n sebagai rangkaian
isolasi tegangan dan arus tinggi yang digunakan motor
yang dapat
menerima sinyal logika dari L297. Rangkaian pengendali stepper motor
yang akan dibuat seperti pada gambar 17.
22
Gambar 17. Skema rangkaian L297+L298
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.html)
b. Ilutrasi instalasi sistem kendali.
Setelah rangkaian interface selesai dibuat kemudian mengintalasi system
kontrol. Yaitu dengan menghubungkan rangkaian yang telah dibuat
dengan motor stepper dan komputer seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 18. Ilustrasi instalasi sistem kontrol.
23
c. Instalasi dan setting software mach3 cnc
Setelah software mach3 sudah terinstal di komputer (PC). Langkah
selanjutnya yaitu mensetting port dan pin yang digunakan, menentukan
jumlah step persatuan panjang (cm), dan kecepatan motor.
1. Menseting port dan pin yang digunakan.
Port yang digunakan oleh mach3 untuk mengirimkan sinyal ke driver
motor ialah DB25 atau parallel port yang biasa digunakan untuk kabel
printer lama. Adapun cara untuk mensetting port yang digunakan ialah
dengan masuk ke menu Configurasi >> Port and pin. Lalu akan
muncul tampilan pada layar Port setup seperti pada gambar 19.
Gambar 19. Tampilan mach3 saat pemilihan Port yang digunakan.
Setelah menentukan pin yang digunakan untuk kontrol motor setiap
axisnya. Yaitu dengan menggeser menu seperti pada gambar di atas ke
motor output, sehingga akan masuk pada menu motor output seperti
pada gambar 11. Default dari program ini adalah active low untuk
24
sinyal yang dikirim ke driver motor. Namun default ini mampu untuk
dirubah menurut kebutuhan kita.
2. Menentukan jumlah step
Jumlah step sangat berpengaruh kepada sudut perputaran pada motor,
untuk itu penentuan jumlah step sangat penting untuk mendapatkan
keakuratan sistem kontrol. Penentuan jumlah step yang diperlukan
dapat dicari dengan persamaan:
Mach3 step per unit = mach3 step per rev X motor rev per unit.
Dimana :
Step per rev = 400 step/rev
Motor rev per unit = 1 : screw pitch
Sehingga dapat kita hitung jumlah step untuk masing-masing sumbu:
Step untuk sumbu X ( pitch = 1,5mm)
Mach3 step per unit
= 400 x (1/1,5)
= 266 step/mm
Step untuk sumbu Z (pitch = 2mm)
Mach3 step per unit
= 400 x (½)
= 200 step/mm
3. Mensetting kecepatan motor
Kecepatan pada stepper motor ditentukan kecepatan step yang
diberikan ke motor. Oleh karena itu, kecepatan motor pada penelitian
ini selain dipengaruhi karakteristik stepper motor itu sendiri (1000rpm)
tetapi dipengaruhi kemampuan komputer (PC) mengirimkan step permenitnya. Pada komputer
(PC) 1 Ghz mach3 dapat mengirimkan
25
35000 step/detik untuk masing-masing sumbu. Pada gambar dibawah
ini menunjukan tampilan menu ketika mensetting motor.
Gambar 20. Tampilan saat mensetting motor stepper
2. Pengujian dan pengambilan data
Pengambilan data dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Memberikan perintah gerak 1 cm pada software mach3 dengan
menuliskan pada kolom command seperti pada gambar 21 dibawah ini.
Gambar 21. Tampilan Software Mach3
26
2. Mengukur secara langsung perpindahan meja kerja menggunakan
jangka sorong, seperti pada gambar 22.
Gambar 22. Pengukuran pergerakan meja
3. Mengulangi langkah 1 dan 2 untuk perintah 2cm, 3cm, 4cm, 5cm, dan
6cm.
4. Mengulangi langkah 1 sampai 3 sebanyak 5 kali.
27
Tabel 1. Tabel yang akan digunakan pada penilitian untuk pengambila
data data penelitian:
No.
Percobaan
Sumbu
yang
diperintah
1
2
Input
Perpindahan
Perpindahan pengukuran
(cm)
1
Sumbu X
2
3
3
4
4
5
5
6
6
1
1
2
Sumbu Z
2
3
3
4
4
5
5
6
6
(cm)
Persentase
error
± (%)
28
D. Diagram Alir Metode Penelitian
Mulai
Studi Literatur
Pembuatan Sistem Kontrol
Pengujian
Sistem
pemeriksaan
T
Y
Pengambilan data
Analisa dan
pembahasan
Kesimpulan
Selesai
Gambar 23 . Diagram Alir Metode Penelitian.
44
V. SIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan pada pembahasan yang telah diuraikan pada bab IV dan
mengacu pada metode penelitian, maka dapat ditarik beberapa simpulan dan saran
sebagai berikut :
A. Simpulan
1. Dari
pengujiandanpengukuran
yang
telahdilakukan,
didapatkannilaikesalahanterbesaruntukmasingmasingsumbumasihdibawah 20% yaitu 3% dan 8,4%.
2. Rangkaian driver yang digunakan menggunakan IC L297 sebagai
kontroller dan IC L298 sebagai penguat daya kemotor.
3. Nilai kompensasi jumlah step yang diberikanadalah2 kali lipat dari
jumlah step yang ideal.
4. Nilai error pada sistem yang telah dibuat sangat dipengaruhi sistem
penggerak numerik yang dibuat.
5. Beberapa penyebab nilai kesalahan ditinjau dari pendekatan mekanik
yang telah dilakukan, adalah karena cacat pada pitch ulir akibat terkena
percikan las pada saat perakitandanpemasangan roda yang tidak
sejajar.
45
B. Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, untuk mendapatkan hasil
yang optimal maka disarankan untuk :
1. Perlu memperhatikan metode perakitan pada bagian ulir penggerak
agar tidak terjadi cacat pada saat perakitan.
2. Sebaiknya ulir yang digunakan dibuat sendiri agar ukuran diameter
serta pitch yang dibuat bisa disesuaikan dengan kebutuhan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Diktat kuliah(2009) : mekatronika. Teknik Mesin Universitas Lampung.Bandar Lampung
[2] Grover, Mikell. P. 1986. Automation, production systems, and computer integrated
manufacturing, first edition. Prenctie Hall. New Jersey.
[3] Michael. B. Histand, David G. Alciatore. (1999). “Introduction to Mechatronics and
Measurement System”. The McGraw-Hill. Singapore
[4] Ogata, K(1997). “Teknik Kontrol Automatik”. Jilid 1. Erlangga: Jakarta
[5] Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke. (2001). “Standard handbook of machine
design”.The McGraw-Hill.Singapore
[6] Yuwaldi away, 2006.“Sistem visual terpaduuntuk proses inspeksidalamindustri ”.
UniversitasSyiah Kuala Darussalam: Banda Aceh.
[7]http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf
[8] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/9037/NSC/LM78XX.html
[9] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.shtml
[10] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/8/L298N.shtml
[11] http://www.produksielektronik.com/2012/05/komponen-komponen-elektronik
UNTUK PENGGERAK SISTEM INSPEKSI VISI
Oleh
BAMBANG SULAKSANA
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar
SARJANA TEKNIK
Pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS LAMPUNG
2013
Judul Skripsi
PEMBUATATT SISTEM KENDALI IYT'MERIK
[]NTT]K PENGGERAK SISTEM INSPEKSI VISI
Narna Mahasiswa
BAMBANG STJLAKSANA
No. Pokok Matrasiswa
0615021049
Jurusan
TeknikMesin
Fakultas
Teknik
MENYETUJUI
l. Komisi Pembimbing
NrP 19640506 200003 l00l
Ageng$adnowo R, S.T., M.T.
NrP 19690228199803 r 001
uddin, S.T., M.T.
NIP 19690620200003 I
001
MENGESAIIKATI
Tim Penguji
Ketua
: Dr. Yanuer Burhanudinr l\,LT.
AnggotaPenguji
: Ageng Sadnowo R,
Penguji
Utama
S.T., M.T.
: Achmad Yahya T.P., S.T., M.
Teknik Universitas krnpung
Au"S
Afriani, D.E.A
10 1ee303
200t4r
Tanggal Lulus Ujian Skripsi : 05 Mei 2013
PEENYATAATT PENULIS
EAHWA BENAR SKRJPSI INI DIBUAT SENDIRI OIEH PENULIS DAN
BUKAN HASIL PTAGIAT SEB.{GAIMANA DIATUE DA.LAM PASAL 27
PERATURAN AKABEMIK I.'I{IVERSITAS IAMPI]NG }ENGAN $UKIIT
KEPUTUSA}I FIEKTOR NO-
3 r &71H2
6tDT f2.6t*
NPM.S6t5#IrS49
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN .........................................................................................
i
SANWACANA ......................................................................................... ...................
iii
DAFTAR ISI ......................................................................................... .......................
v
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... viii
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ..................................................................................................
1
B. Tujuan Penelitian ...............................................................................................
3
C. Batasan Masalah ................................................................................................
3
D. Sistematika Penulisan .......................................................................................
4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penggerak Poros Ulir............................................................................................ 6
B. Motor Stepper ....................................................................................................
8
1. Stepper Unipolar ..........................................................................................
9
2. Step Angle/SA ............................................................................................. 10
3. Kendali Arah Putaran ................................................................................... . 10
C. IC L297D ....................................................................... ................................... 11
vi
D. IC Driver L298N ........................................................................... ................... 12
E. Catu Daya ..................................................... .................................................... 12
1. Dioda Penyearah (rectifier) ...................................................... ..................... 13
2. Regulator LM78XX ....................................................................................... 16
F. Softwarre Mach3 ....................................................................... ....................... 17
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat Penelitian .............................................................................................. 19
B. Alat Dan Bahan. ............................................................................................... 19
C. Prosedur Penelitian ............................................................... ............................ 21
1. Pembuatan Rangkaian .............................................................................. 21
a. Prinsip kerja rangkaian ........................................................................ 21
b. Ilustrasi instalasi sistem kendali ......................................................... 22
c. Instalasi dan seting mach3 .................................................................. 23
1. Menseting Port dan Pin ..................................................................... 23
2. Menentukan jumlah step ................................................................... 24
3. Menentukan kecepatan motor .......................................................... 24
2. Pengujian dan Pengambilan Data ............................................................. 25
D. Diagram Alir Penelitian …………………….………………………………… 28
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
vii
A. Konsep Perancangan Sistem Secara Umum ..................................................... 29
B. Pendekatan Elektronik dan Software ................................................................ 31
C. Pendekatan Mekanik ........................................................................................ 33
1. Perhitungan Daya dan Torsi Motor Sumbu-X .............................................. 33
2. Perhitungan Daya dan Torsi Motor Sumbu- Z ............................................. 35
3. Data Pengujian ............................................................................................. 37
BAB V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan .......................................................................................................... 44
B. Saran ................................................................................................................ 45
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Mekanisme ulir penggerak ............................................................
7
Gambar 2. Stepper motor unipolar ..................................................................
9
Gambar 3. Fungsi setiap pin IC L297 ..............................................................
11
Gambar 4. Skema IC L298n.............................................................................
12
Gambar 5. Karakteristik dioda .........................................................................
14
Gambar 6. Rangkaian penyearah sederhana ....................................................
15
Gambar 7. Rangkaian penyearah gelombang penuh ........................................
15
Gambar 8. Rangkaian penyearah sistem jembatan .........................................
16
Gambar 9. Bentuk fisik LM78XX ..................................................................
17
Gambar 10. Tampilan mach3 ..........................................................................
18
Gambar 11. Paralel port DB25 .........................................................................
18
Gambar 12. Tampilan mach3 sat menseting pin ke motor ..............................
19
Gambar 13. Komputer PC ................................................................................
20
Gambar 14. Struktur mekanik .........................................................................
21
Gambar 15. Stepper motor ..............................................................................
21
Gambar 16. Jangka Sorong .............................................................................
21
Gambar 17. Skema rangkaian L297+L298 .....................................................
23
Gambar 18. Ilustrasi sistem kontrol ................................................................
23
Gambar 19. Tampilan mach3 saat pemilihan port yang digunakan .................
24
Gambar 20. Tampilan mach3 saat menseting motor stepper ..........................
26
Gambar 21. Tampilan software mach3 ............................................................
28
Gambar 22. Pengkuruan perkgerakan meja ....................................................
29
Gambar 23. Diagram alir penelitian .................................................................
31
Gambar 24. Gambaran umum perancangan sistem kontrol .............................
33
Gambar 25. Komponen-komponen Sistem Kendali .......................................
33
Gambar 26. Komponen yang digunakan pada pendekatan elektronik .............
35
Gambar 27. Rangkaian yang dibuat .................................................................
35
Gambar 28. Struktur mekanik yang akan diuji ...............................................
36
Gambar 29. Ilustri pembebanan pada penggerak sumbu-X .............................
36
Gambar 30. Ilustrasi pembebanan penggerak sumbu-z ...................................
38
Gambar 31. Grafik persentase kesalahan rata-rata ...........................................
41
Gambar 32. Grafik uji kepresisian sumbu x.....................................................
43
Gambar 33. Grafik uji kepresisian sumbu z .....................................................
43
Gambar 34. Cacat pada pitch ulir ....................................................................
45
Gambar 35. Pemasangan roda yang tak sejajar ...............................................
46
1111
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Kegiatan inspeksi menjadi hal penting dalam sebuah produksi. Karena kegiatan
inspeksi ini yang nantinya menyimpulkan nilai kualitas suatu produk baik atau
tidak (masuk dalam kategori barang jadi atau reject). Dalam industri lebih dikenal
dengan istilah kendali mutu (Quality Control). Meskipun kegiatan inspeksi ini
sangat diperlukan dalam sebuah produksi, namun kegiatan inspeksi masih
bergantung pada visual manusia.
Alasan umum untuk menerapkan sistem inspeksi visi otomatis telah didiskusikan
oleh para peneliti sebelumnya. Banyak keuntungan inspeksi visi otomatis jika
dibandingkan inspeksi visual manusia. Sistem inspeksi visi otomatis dapat bekerja
tanpa lelah, serta memiliki keakuratan dan kendali mutu yang konsisten. Sistem
inspeksi visi dapat mendeteksi adanya cacat yang sulit ditemukan oleh visual
manusia. Tanpa alat bantu dan dapat beroperasi lebih cepat dibanding visual
manusia. Sedangkan alasan khusus untuk menerapkan sistem inspeksi visi adalah
untuk meningkatkan produktivitas, menanggulangi kerugian-kerugian akibat
inspeksi manual yang tidak konsisten serta penghematan biaya tenaga kerja.
Selain itu juga mengurangi resiko kecelakaan kerja bagi tenaga kerja. Karena
2
kegiatan inspeksi yang bersifat monoton dan membosankan serta memerlukan
keakuratan serta ketelitian yang tinggi. (Away, 2006.)
Sistem kendali dapat
dikatakan sebagai hubungan antara
komponen yang
membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan
tanggapan
sistem yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu
sistem
fisis,
yang
biasa
disebut
dengan
kendalian
atau
plant.
Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran
merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan;
sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur
keluaran.
Kedua
dimensi
masukan
dan
keluaran
tidak
harus
sama.
Pada sistem kendali dikenal dua sistem kendali yaitu system kendali lup terbuka
dan system kendali lup tertutup. Sistem lup terbuka (open loop system) adalah
sistem kendali yang nilai keluarannya tidak diperhitungkan ulang oleh pengendali.
Sehingga tidak terukur suatu keadaan apakah plant benar-benar telah mencapai
target
seperti
yang
dikehendaki
masukan
atau
referensi,
tidak
dapat
mempengaruhi kinerja pengendali. (Ogata K,1997)
Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali lup tertutup (closed loop
system) memanfaatkan variabel yang sebanding dengan selisih respon yang terjadi
terhadap respon yang diinginkan. Sistem seperi ini juga sering dikenal dengan
sistem kendali umpan balik. (Ogata K, 1997)
3
Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik untuk melakukan penelitian yang
berjudul “Pembuatan Sistem Kendali Numerik Untuk Penggerak Sistem Inspeksi
Visi”. Dengan adanya penelitian ini diharapkan akan diketahui nilai ketelitian dan
error sistem kendali yang dibuat. Sehingga dapat diketahui aplikasi yang cocok
untuk pemanfaatannya.
B. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitan ini adalah untuk membuat
sistem kontrol dari pergerakan kamera yang dikontrol secara simultan oleh sebuah
komputer (software) yang dapat digunakan untuk kegiatan inspeksi visi.
Dengan spesifikasi sistem yang akan dibuat:
1. Sistem dapat bergerak linear sesuai perintah yang diberikan.
2. Sistem dapat bergerak dengan toleransi keakuratan sampai ±20%.
C. Batasan Masalah
Agar penelitian yang dilakukan dapat lebih terarah, peneliti membatasi
permasalahan antara lain:
1. Penelitian ini hanya membahas keakuratan gerak sistem kendali untuk
pergerakan sistem inspeksi visi.
2. Sumbu gerak sistem kendali lup terbuka terdiri dari dua sumbu gerak (x,y)
3. Area kerja sistem penggerak memiliki dimensi panjang 100cm x 80cm.
4. Motor penggerak yang digunakan adalah stepper motor bipolar.
4
5. Pengendali dan driver motor yang digunakan, menggunakan driver iC
L297 dan L298.
6. Pengambilan data dilakukan dengan melakukan simulasi gerakan sistem
untuk membuat pola gerak lurus.
D. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan yang digunakan oleh penulis dalam penyusunan
tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Bab I Pendahuluan
Pada bab ini menguraikan tentang latar belakang, tujuan dan manfaat,
batasan masalah serta sistematika penulisan.
2. Bab II Teori Dasar
Berisikan landasan teori dari beberapa literatur yang mendukung
pembahasan tentang studi kasus yang diambil.
3. Bab III Metodologi
Pada bab ini menjelaskan metode yang digunakan penulis dalam
pelaksanaan penelitian.
4. Bab IV Hasil Dan Analisis
Pada bab ini berisikan data-data yang diperlukan dan pembahasan tentang
studi kasus yang diteliti.
5
5. Bab V Simpulan Dan Saran
Pada bab ini berisikan kesimpulan dan saran untuk hasil yang lebih baik
pada penelitian selanjutnya.
Daftar Pustaka
Berisikan literatur-literatur atau referensi-referensi yang diperoleh penulis
untuk menunjang penyusunan laporan penelitian. Lampiran, berisikan
beberapa hal yasng mendukung penelitian.
LAMPIRAN
Berisikan beberapa hal yang mendukung penelitian.
46
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penggerak Poros Ulir
Pergerakan meja kerja digerakan oleh sebuah motor sebagai penggerak dan poros
ulir sebagai pengubah gaya puntir motor menjadi gaya dorong pada meja kerja
seperti pada gambar (1). Gaya dorong ulir dapat diketahui dengan perhitungan
tenaga ulir (power screw). Persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi
gaya dorong ulir (Shingley dan Mischke, 2001)
T=
Dimana ;
T = Torsi pada ulir (Nm)
Dm = Diameter efektif ulir (m)
F = Gaya dorong ulir (N)
f = Koefisien gesek permukaan ulir
l = Kisar/pitch ulir (m).
………………….. (1)
7
Gambar 1. Mekanisme ulir penggerak
Gaya dorong ulir adalah gaya minimum yang dibutuhkan untuk mendorong meja
kerja. Sehingga nilainya dipengaruhi oleh massa meja kerja dan koefisien gesek
permukaan meja kerja dengan permukaan yang menopangnya dan bukan koefisien
gesek antara dua permukaan ulir. Dalam hal ini, karena meja kerja menggunakan
bantalan bearing sebagai roda maka koefisien gesek yang bekerja adalah koefisien
gesek bearing yaitu ± 0.11.
Diameter efektif ulir atau diameter tusuk ulir ialah diameter semu yang letaknya
diantara diameter luar dan diameter inti. Pada radius diameter inilah letak titik
singgung antara dua ulir.
Seperti pada penjelasan sebelumnya bahwa motor dapat mendorong meja kerja
torsi yang dihasilkan motor harus lebih besar daripada torsi yang bekerja pada
ulir. Torsi pada motor berbanding terbalik dengan kecepatan motor, semakin besar
kecepatan motor maka torsi yang dihasilkan akan menurun. Untuk menentukan
torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor digunakan persamaan (Histand dan
Alciatore,1999).
8
Tm =
……...….……………… (2)
Dimana :
Tm = Torsi yang dihasilkan motor (Nm)
P = daya yang digunakan (watt)
ω = kecepatan sudut (rad/s).
Sedangkan kebutuhan daya yang diperlukan motor penggerak dapat dihitung
dengan persamaan sebagai berikut: (Histand dan Alciatore, 1999)
P = 2π.n.T .....................................................
(3)
Dimana:
P = Daya yang diperlukan (watt)
n = Putaran motor (rpm)
T = Torsi yang dibutuhkan ( N.m)
B. Motor Stepper
Motor stepper adalah sebuah peralatan elektromekanik yang mengubah pulsa
elektrik menjadi pergerakan mekanik. Kumparan motor stepper berputar per step
ketika pulsa elektrik dimasukkan ke kumparan tersebut dengan urutan yang benar.
Setiap urutan pemberian pulsa ke motor stepper menyebabkan arah putaran yang
berbeda. Sedangkan besarnya frekuensi dari pulsa akan mempengaruhi kecepatan
putaran motor stepper.
9
1. Motor Stepper Unipolar
Motor stepper unipolar baik tipe 5 atau 6 kabel biasanya dihubungkan
seperti pada gambar 2, dengan sebuah center tap pada tiap kumparan. Pada
penggunaannya, center tap dihubungkan ke supply positif, dan dua ujung
kumparan lainnya dihubungkan ke ground. Bagian rotor motor pada
gambar 19 dibuat dari magnet permanent dengan 6 kutub, 3 kutub utara
dan 3 kutub selatan.
Gambar 2. Stepper Motor Unipolar
Seperti terlihat pada gambar 2. Arus mengalir dari center tap kumparan 1
ke terminal a menyebabkan kutub stator yang atas menjadi berkutub utara
dan kutub stator yang bawah berkutub selatan. Kondisi ini menyebabkan
rotor berada pada posisi seperti gambar Jika arus pada kumparan 1
dimatikan dan kumparan 2 dinyalakan, maka rotor akan berputar 30
derajat, atau 1 step. Untuk berputar secara kontinyu, kita hanya perlu
menghubungkan supply power ke 2 kumparan secara berurutan. Dengan
asumsi bahwa logika 1 berarti arus mengalir pada kumparan motor, maka
berikut adalah urutan yang harus dipenuhi agar motor dapat berputar
sebanyak 24 step atau 2 putaran :
10
Kumparan 1a 1000100010001000100010001
Kumparan 1b 0010001000100010001000100
Kumparan 2a 0100010001000100010001000
Kumparan 2b 0001000100010001000100010
waktu -----------------------------------------------------
2. Step Angle/ SA
Motor stepper bergerak per-step. Setiap bergerak satu step, motor stepper
akan berputar beberapa derajat sesuai dengan step anglenya. Step angle
tergantung dari jumlah kutub magnet motor stepper. Jumlah putaran yang
diperlukan agar motor stepper bergerak 1 putaran penuh (360̊) adalah:
Step = 360º / ºStep Angle
Misalnya, sebuah motor stepper memiliki SA=1.8º maka untuk untuk
berputar satu putaran penuh memerlukan jumlah step sebanyak: 360º / 1.8º
= 200 step.
3. Kendali Arah Putaran
Arah putaran motor stepper ditentukan oleh arah urutan aktifasi
kumparannya. Secara program, ini bisa dilakukan dengan mengubah arah
pergeseran bit. Jika arah pergeserannya ke kanan, maka motor stepper
akan berputar ke arah kanan (CW)
Kumparan 1a 1000
Kumparan 1b 0010
Kumparan 2a 0100
Kumparan 2b 0001
waktu -----------------
Jika arah pergesarannya ke kiri, maka motor stepper akan berputar kearah
kiri pula (CCW).
11
Kumparan 1a 0001
Kumparan 1b 0010
Kumparan 2a 0100
Kumparan 2b 1000
waktu -----------------
C. IC L297D
L297 adalah sebuah kontroler stepper yang dapat membangkitkan 4 phasa
(ABCD) sinyal pengontrol stepper motor. Dengan cara memberikan inputan
sinyal clock ( pin 18) dan direction (pin 17) untuk arah perputaran motor.
Teradapat dua mode pengendalian stepper motor Half step dan Full step yang
dapat kita pilih, yaitu dengan memberikan logika high atau low pada kaki pin 19
pada iC l297 ini. Gambar 3 dibawah ini menunjukan fungsi setiap pin pada iC
L297.
Gambar 3. Fungsi setiap pin pada iC L297.
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.shtml)
12
D. Driver Motor iC- L298
L298 adalah jenis IC driver motor yang dapat mengendalikan arah putaran dan
kecepatan motor DC atau satu motor stepper. Mampu mengeluarkan output
tegangan untuk Motor dc dan motor stepper sebesar 50 volt. IC l298 terdiri dari
transistor-transistor logik (TTL) dengan gerbang nand yang memudahkan dalam
menentukkan arah putaran suatu motor dc dan motor stepper. Dapat
mengendalikan 2 untuk motor dc namun hanya dapat mengendalikan 1 motor
stepper.
Gambar 4. Skema iC L298n
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/8/L298N.shtml)
E. Catu Daya
Perangkat elektronika sebagian besar dicatu oleh suplai arus searah DC (Direct
Current) yang stabil. Baterai atau accu adalah salah satu sumber catu daya DC
yang baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar,
sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber
bolak-balik AC (Alternating Current) dari pembangkit tenaga listrik, dimana
13
sumber AC yang ada di Indonesia sebesar 220 dan 380 Volt dengan frekuensi
berkisar antara 50 sampai 60 Hz. Sumber AC ini dimasukkan ke dalam bagian
primer input catu daya pada transformator daya yang akan membagi tegangan AC
pada outputnya. Frekuensi tegangan sekunder akan tetap sama dengan daya
primer, tetapi tegangan akan dinaikkan atau diturunkan atau dapat juga bias tetap
sama tegangan keluaran dari transformator merupakan tegangan AC yang
besarnya sesuai dengan perbandingan antara besar lilitann primer dan sekunder
pada transformator tersebut. Untuk mengubah tegangan listrik Ac menjadi
tegangan DC diperlukan untuk merancang catu daya adalah sebagai berikut :
1. Dioda Sebagai Penyearah (Rectifier)
Dioda penyearah berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi tegangan
DC. Prinsip kerjanya adalah membuang tegangan negatif dan melewatkan
tegangan positif pada arus bolak-balik untuk mendapatkan tegangan DC
positif atau membuang tegangan positif dan melewatkan tegangan negatif
untuk mendapatkan tegangan DC negatif. Rangkaian ini terdiri dari satu
atau beberapa buah dioda. Dioda merupakan komponen elektronika yang
paliang
sederhana,
yang
tersusun
dari
dua
jenis
semikonduktor,
semikonduktor jenis-p dan jenis-n. Prinsip dasar dari penyearah adalah sifat
dioda yang hanya menyearah arus pada satu arah tegangan (arah maju) saja.
Sedangkan pada arah yang berlawanan (arah mundur) arus yang dilewatkan
sangat kecil.
14
arus dioda (Id) secara eksponensial naik dengan naiknya tegangan dioda
(Vd) pada arah maju (tegangan dioda positif). Sedangkan pada arah
tegangan sebaliknya atau pada tegangan dioda negatif, besar arus dioda
akan mendekati arus jenuh balik, yang nilainya kecil dan dapat diabaikan,
sehingga arus dioda hanya muncul pada tegangan dioda positif saja.
Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada
gambar 6. Trafo diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala-jala
listrik pada kumparan primernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil
pada kumparan sekundernya.
Gambar 5. Rangkaian penyearah sederhana
Pada gambar 6. dioda berperan untuk meneruskan tegangan positif ke
beban R1. Hal inilah yang disebut dengan penyearah setengah gelombang
(half wave). Untuk mendapatkan penyerah gelombang penuh (full wave)
diperlukan trafo dengan center tap (CT) seperti pada Gambar 7.
15
Gambar 6. Rangkaian penyearah gelombang penuh
Tegangan positif fase yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan fase
yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT
transformator sebagai common ground. Dengan demikian beban R1
mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti pada Gambar 7.
Pada penggunaan trafo tanpa center tap (CT) biasanya digunakan
penyearah
gelombang
penuh
sistem
jembatan.
Penyearah
ini
membutuhkan empat buah dioda dengan sistem kerja berpasangan
sehingga sering disebut dioda bridge seperti gambar 7.
Gambar 7. Rangkaian Penyearah Sistem Jembatan
16
2. Regulator LM78XX
Seri LM78xx dapat diperoleh dalam kemasan TO-22C plastik atau logam
LM78xx dapat mengeluarkan arus melebihi 0,5 A apabila dilengkapi
peredam pada Heatsink ( pendingin) yang memadai. Rangkaian terpadu
(Integrated Circuit = IC) tipe 78xx ini adalah IC regulator yang dapat
menyetabilkan tegangan searah positif dengan masukan +14,5 volt sampai
+27 volt dengan keluaran sesuai jenis tipe regulator. IC regulator seri
LM78xx mempunyai karakteristik sebagai berikut:
a. Menstabilkan tegangan searah positif dengan masukan dari +14,5 volt
sampai +27 volt DC.
b. Tegangan keluaran sesaui dengan tipe regulator dengan hasil DC
teregulasi.
c. Arus keluaran melebihi 0,5A.
Gambar 8. Bentuk Fisik LM78xx
(http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/9037/NSC/LM78XX.html)
17
F. Software Mach3
Perangkat lunak ini dikeluarkan oleh perusahaan Artsoft USA. Perangkat lunak ini
berjalan pada PC biasa yang ada di masyarakat umum, dan dapat bekerja pada
sistem operasi seperti windows xp. Software ini dapat digunakan untuk
pengontrol pada mesin bubut, milling, dsb. Jalur komunikasi yang digunakan
untuk mengirimkan sinyal ke driver motor menggunakan parallel port pada
komputer. Port ini terdiri dari 25 lubang pin untuk jalur komunikasi antara
komputer dengan device external.
Gambar 9. Tampilan mach3
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
Gambar 10. Parallel port DB25
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
18
Keterangan:
>>
Tanda panah keluar berfungsi sebagai jalur output pada komputer, dan
dapat digunakan sebagai fungsi step dan direction pada driver motor.
>>
Tanda panah keluar berfungsi sebagai input pada komputer , yang dapat
digunakan untuk mengirimkan sinyal limit dan home position kedalam
komputer.
Adapun default pin configuration dari software mach3 yang dapat digunakan
sebagai sinyal fungsi step dan direction motor stepper pada setiap pin parallel
port, dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 11. Tampilan mach3 saat menseting pin ke motor
(http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf)
19
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di dua tempat, yaitu:
1. Pembuatan rangkaian elektronika di Laboratorium Elektronika Jurusan
Teknik Elektro Universitas Lampung pada bulan September 2012.
2. Pengujian dan pengambilan data dilakukan di Laboratorium Proses
Produksi Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung pada bulan Januari
2013.
B. Alat dan bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Alat dan bahan untuk membuat driver stepper motor
a. Controller Stepper motor L297 (lihat gambar.11)
b. Driver Stepper motor L298n (lihat gambar.12
2. Seperangkat komputer PC Pentium IV
Gambar 13. Komputer PC
20
3. Struktur mekanik
Gambar 14. Struktur mekanik
4. Stepper motor
Gambar 15. Stepper motor
5. Jangka Sorong
Gambar 16. Jangka sorong
21
C. Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan uji keakuratan sistem kontrol untuk pergerakan
stepper motor menggunakan perangkat komputer (PC) dan Software Mach3
sebagai pengendali motor, dengan iC L297 dan L298 sebagai interface komputer
dengan stepper motor. Jumlah gerakan sumbu yang diuji berjumlah dua sumbu
yaitu sumbu X, dan sumbu Z. Pengujian sistem dilakukan dengan mengukur
simulasi pergerakan motor tiap sumbu dengan perintah point to point pada Mach3.
Jarak simulasi yang dimasukan yaitu 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm. Secara
garis besar prosedur yang akan dilaksanakan pada pengujian kali ini adalah
sebagai berikut:
1. Prosedur pembuatan rangkaian dan instalasi sistem kontrol.
a. Prinsip kerja rangkaian.
Rangkaian interface komputer dengan motor yang dibuat ialah rangkaian
stepper kontrol menggunakan iC L297 sebagai penerima inputan
clock/step dan direction dari komputer kemudian L297 akan mengeluarkan
sinyal phasa ABCD dengan urutan (0101-1001-1010-0110) yang dapat
digunakan untuk memutar stepper motor. Kemudian sinyal keluaran L297
dikuatkan dengan rangkaian full bridge driver L298n sebagai rangkaian
isolasi tegangan dan arus tinggi yang digunakan motor
yang dapat
menerima sinyal logika dari L297. Rangkaian pengendali stepper motor
yang akan dibuat seperti pada gambar 17.
22
Gambar 17. Skema rangkaian L297+L298
(http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.html)
b. Ilutrasi instalasi sistem kendali.
Setelah rangkaian interface selesai dibuat kemudian mengintalasi system
kontrol. Yaitu dengan menghubungkan rangkaian yang telah dibuat
dengan motor stepper dan komputer seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 18. Ilustrasi instalasi sistem kontrol.
23
c. Instalasi dan setting software mach3 cnc
Setelah software mach3 sudah terinstal di komputer (PC). Langkah
selanjutnya yaitu mensetting port dan pin yang digunakan, menentukan
jumlah step persatuan panjang (cm), dan kecepatan motor.
1. Menseting port dan pin yang digunakan.
Port yang digunakan oleh mach3 untuk mengirimkan sinyal ke driver
motor ialah DB25 atau parallel port yang biasa digunakan untuk kabel
printer lama. Adapun cara untuk mensetting port yang digunakan ialah
dengan masuk ke menu Configurasi >> Port and pin. Lalu akan
muncul tampilan pada layar Port setup seperti pada gambar 19.
Gambar 19. Tampilan mach3 saat pemilihan Port yang digunakan.
Setelah menentukan pin yang digunakan untuk kontrol motor setiap
axisnya. Yaitu dengan menggeser menu seperti pada gambar di atas ke
motor output, sehingga akan masuk pada menu motor output seperti
pada gambar 11. Default dari program ini adalah active low untuk
24
sinyal yang dikirim ke driver motor. Namun default ini mampu untuk
dirubah menurut kebutuhan kita.
2. Menentukan jumlah step
Jumlah step sangat berpengaruh kepada sudut perputaran pada motor,
untuk itu penentuan jumlah step sangat penting untuk mendapatkan
keakuratan sistem kontrol. Penentuan jumlah step yang diperlukan
dapat dicari dengan persamaan:
Mach3 step per unit = mach3 step per rev X motor rev per unit.
Dimana :
Step per rev = 400 step/rev
Motor rev per unit = 1 : screw pitch
Sehingga dapat kita hitung jumlah step untuk masing-masing sumbu:
Step untuk sumbu X ( pitch = 1,5mm)
Mach3 step per unit
= 400 x (1/1,5)
= 266 step/mm
Step untuk sumbu Z (pitch = 2mm)
Mach3 step per unit
= 400 x (½)
= 200 step/mm
3. Mensetting kecepatan motor
Kecepatan pada stepper motor ditentukan kecepatan step yang
diberikan ke motor. Oleh karena itu, kecepatan motor pada penelitian
ini selain dipengaruhi karakteristik stepper motor itu sendiri (1000rpm)
tetapi dipengaruhi kemampuan komputer (PC) mengirimkan step permenitnya. Pada komputer
(PC) 1 Ghz mach3 dapat mengirimkan
25
35000 step/detik untuk masing-masing sumbu. Pada gambar dibawah
ini menunjukan tampilan menu ketika mensetting motor.
Gambar 20. Tampilan saat mensetting motor stepper
2. Pengujian dan pengambilan data
Pengambilan data dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Memberikan perintah gerak 1 cm pada software mach3 dengan
menuliskan pada kolom command seperti pada gambar 21 dibawah ini.
Gambar 21. Tampilan Software Mach3
26
2. Mengukur secara langsung perpindahan meja kerja menggunakan
jangka sorong, seperti pada gambar 22.
Gambar 22. Pengukuran pergerakan meja
3. Mengulangi langkah 1 dan 2 untuk perintah 2cm, 3cm, 4cm, 5cm, dan
6cm.
4. Mengulangi langkah 1 sampai 3 sebanyak 5 kali.
27
Tabel 1. Tabel yang akan digunakan pada penilitian untuk pengambila
data data penelitian:
No.
Percobaan
Sumbu
yang
diperintah
1
2
Input
Perpindahan
Perpindahan pengukuran
(cm)
1
Sumbu X
2
3
3
4
4
5
5
6
6
1
1
2
Sumbu Z
2
3
3
4
4
5
5
6
6
(cm)
Persentase
error
± (%)
28
D. Diagram Alir Metode Penelitian
Mulai
Studi Literatur
Pembuatan Sistem Kontrol
Pengujian
Sistem
pemeriksaan
T
Y
Pengambilan data
Analisa dan
pembahasan
Kesimpulan
Selesai
Gambar 23 . Diagram Alir Metode Penelitian.
44
V. SIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan pada pembahasan yang telah diuraikan pada bab IV dan
mengacu pada metode penelitian, maka dapat ditarik beberapa simpulan dan saran
sebagai berikut :
A. Simpulan
1. Dari
pengujiandanpengukuran
yang
telahdilakukan,
didapatkannilaikesalahanterbesaruntukmasingmasingsumbumasihdibawah 20% yaitu 3% dan 8,4%.
2. Rangkaian driver yang digunakan menggunakan IC L297 sebagai
kontroller dan IC L298 sebagai penguat daya kemotor.
3. Nilai kompensasi jumlah step yang diberikanadalah2 kali lipat dari
jumlah step yang ideal.
4. Nilai error pada sistem yang telah dibuat sangat dipengaruhi sistem
penggerak numerik yang dibuat.
5. Beberapa penyebab nilai kesalahan ditinjau dari pendekatan mekanik
yang telah dilakukan, adalah karena cacat pada pitch ulir akibat terkena
percikan las pada saat perakitandanpemasangan roda yang tidak
sejajar.
45
B. Saran
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, untuk mendapatkan hasil
yang optimal maka disarankan untuk :
1. Perlu memperhatikan metode perakitan pada bagian ulir penggerak
agar tidak terjadi cacat pada saat perakitan.
2. Sebaiknya ulir yang digunakan dibuat sendiri agar ukuran diameter
serta pitch yang dibuat bisa disesuaikan dengan kebutuhan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Diktat kuliah(2009) : mekatronika. Teknik Mesin Universitas Lampung.Bandar Lampung
[2] Grover, Mikell. P. 1986. Automation, production systems, and computer integrated
manufacturing, first edition. Prenctie Hall. New Jersey.
[3] Michael. B. Histand, David G. Alciatore. (1999). “Introduction to Mechatronics and
Measurement System”. The McGraw-Hill. Singapore
[4] Ogata, K(1997). “Teknik Kontrol Automatik”. Jilid 1. Erlangga: Jakarta
[5] Joseph E. Shigley, Charles R. Mischke. (2001). “Standard handbook of machine
design”.The McGraw-Hill.Singapore
[6] Yuwaldi away, 2006.“Sistem visual terpaduuntuk proses inspeksidalamindustri ”.
UniversitasSyiah Kuala Darussalam: Banda Aceh.
[7]http://www.machsupport.com/docs/Mach3Mill_Install_Config.pdf
[8] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/9037/NSC/LM78XX.html
[9] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/7/L297.shtml
[10] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/2/9/8/L298N.shtml
[11] http://www.produksielektronik.com/2012/05/komponen-komponen-elektronik