Hubungan Kecepatan Sudut dengan Kecepatan Linier
PENGARUH BEBAN DAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP
KARAKTERISTIK GERAK SISTEM PENGGERAK PRESISI
Ahmad Su’udi
Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung
ABSTRAK
Dalam kehidupan sehari-hari sering dijumpai berbagai jenis sistem penggerak, dengan bermacam sumber
penggerak seperti motor listrik, tenaga angin, tenaga air dan sebagainya. Dengan adanya sistem penggerak ini,
kita dapat memindahkan benda ke posisi tertentu, baik sebagai gerak linier, gerak sudut maupun kombinasi
keduanya. Sistem penggerak dirancang untuk tujuan tertentu, misalnya untuk gerakan presisi dan akurat. Sistem
penggerak presisi atau Precision Driving System (PDS) dapat memindahkan benda ke posisi yang diinginkan
dengan tepat. Fenomena ini sangat menarik dan menimbulkan keingintahuan lebih lanjut bagaimana jika pada
Sistem Penggerak Presisi diberikan beban dan dengan tipe pembebanan yang berbeda pula. Penggerak yang
digunakan pada PDS ini adalah motor penapak (stepper motor) tipe unipolar HM004 dan roller dibuat dari fiber.
Sistem transmisi yang digunakan adalah tipe gesek yang merubah gerak putar menjadi gerak translasi. Sistem
mekanis-nya dibuat dari aluminum dan sebagai kontrol input digunakan program Delphi. Pengujian dilakukan
untuk mengetahui performan PDS, difokuskan pada kondisi tanpa beban, pemberian beban dan pemberian jenis
pembebanan yang berbeda. Hasil dari pengujian didapat bahwa performan PDS sangat baik. Kecepatan PDS
sangat bergantung pada beban yang ada. Semakin besar beban, maka kecepatannya semakin lambat. Pada besar
beban yang sama, jenis pembebanan momen lebih berpengaruh dari pada pembebanan tarik. Tetapi, tingkat presisi
dari PDS tidak terpengaruh oleh beban yang ada.____________________________________________________________________ Keywords : Sistem Penggerak Presisi, motor penapak, pembebanan, kecepatan.
PENDAHULUAN memerlukan ketelitan atau sebaliknya.
Dalam kehidupan sehari-hari Pada penggerak presisi, penggerak baik itu didunia industri maupun non jenis ini mampu memindahkan benda industri banyak dijumpai sistem ke posisi yang diinginkan dengan penggerak. Sumber penggerak yang tepat. Fenomena ini sangat menarik digunakan juga bermacam-macam, dan menimbulkan keingintahuan contohnya sistem penggerak lebih lanjut mengenai bagaimana jika menggunakan motor listrik, pada penggerak presisi dikenai beban menggunakan tenaga angin, dan kondisi pembebanan yang memanfaatkan tenaga air, dan lain berbeda pula, apakah masih dapat sebagainya. Dengan adanya melakukan gerakan presisi seperti penggerak ini sebuah benda dapat pada keadaan tanpa beban. Karena itu berpindah dari satu posisi ke posisi tujuan dari penelitian ini adalah lainnya, baik itu linier, angular , menguji kinerja penggerak presisi maupun kombinasi keduanya. pada kondisi tanpa beban dan untuk Penggerak-penggerak tersebut mengetahui pengaruh pemberian dirancang sedemikian rupa sesuai beban dan variasi kondisi dengan kebutuhan pemakaianya, pembebanan (beban tarik/tekan dan apakah untuk gerakan-gerakan yang beban momen) Mekanisme pemosisian teliti dan presisi banyak digunakan oleh produk-produk industri antara lain alat ukur, penggerak piringan ( disk
drive ), DVD, Laser Disk, dan lain-lain.
Motor penapak (motor stepper) adalah suatu motor berarus DC yang dapat digunakan untuk mengendalikan gerakan terarah yang dapat diatur untuk setiap langkahnya.
1
1
1
A B C D
Motor penapak menggunakan medan magnet untuk menggerakkan rotornya. Gerakan langkahnya dapat berupa satu langkah penuh, setengah langkah atau berupa langkah-langkah pendek tertentu. Motor penapak dapat melakukan gerakan secara prsesisi, mudah digunakan terutama untuk percepatan rendah atau untuk penerapan beban statis. (8) . Motor penapak hanya akan bekerja apabila diberikan input tegangan dalam bentuk pulsa pada terminal- terminalnya sebagaimana skema berikut : Prinsip kerja perputaran langkah adalah jika terminal A diberikan logika 1 (tegangan positif) maka inti pada poros motor stepper akan tertarik ke A (mulai di A), dan jika
(7)
Gambar 1. Motor penapak jenis KP4M4-001; 3,6 per step
Definisi yang lain mengenai motor penapak adalah suatu peralatan berbasis elektromekanis yang merubah sinyal elektrik menjadi gerakan-gerakan mekanis diskrit. (4) Contoh gambar motor penapak dapat dilihat pada Gambar 1.
(7)
Motor Penapak
Produk-produk tersebut dipakai dalam lingkungan yang membutuhkan ketelitian tinggi. Ada beberapa sistem penggerak yang dapat dipakai pada mekanisme pemosisian presisi yaitu
stepper) (3) .
) Diantara keempat sistem penggerak tersebut di atas, sistem penggerak gesek sangat cocok untuk gerakan presisi. Sebagai penggerak dapat menggunakan motor penapak (motor
drive
4. Sistem penggerak menggunakan motor listrik dengan memanfaatkan gesekan (friction
3. Sistem penggerak menggunakan motor linier.
2. Sistem penggerak menggunakan motor listrik dengan transmisi ulir bola (ballscrew).
1. Sistem penggerak menggunakan udara ( air driven actuation ) atau yang dikenal dengan penggerak pneumatik.
:
(2)
1 Kecepatan linier batang traksi yang menempuh suatu perpindahan tertentu dalam jangka waktu tertentu adalah:
R = jari-jari (mm) ω = kecepatan sudut (rad/s) Pada sistem penggerak presisi dengan motor stepper, batang traksi bergerak linier akibat adanya gesekan antara roller dengan batang traksi.
V B
Hubungan Kecepatan Sudut dengan Kecepatan Linier
Perhatikan sebuah penghubung kaku yang berputar terhadap satu titik tetap, O, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2a. Jarak antara O dan B adalah R, dan garis O- B membuat suatu sudut sebesar θ terhadap sumbu x.
Gambar 2. Hubungan kecepatan sudut dan kecepatan linier
(5)
Kecepatan total titik B dapat diperoleh dengan menjumlahkan secara vektor kedua komponen tegak lurus (Holowenko, 1984), dengan hasil seperti terlihat dalam Gambar 2b :
(a) (b)
(3) Dengan mengetahui data putaran per menit (rpm) roller untuk setiap posisi timer, maka berdasarkan persamaan (4) kecepatan linier dari roller secara teoritis dapat diketahui.
pulsa berikutnya yang diberikan logika 1 adalah terminal B maka inti akan bergerak ke B, begitu seterusnya. Motor penapak adalah motor komunikatif karena kita dapat mengendalikan atau menggerakkan motor penapak sejauh yang kita inginkan dengan bahasa pemrograman pascal atau delphi.
t S v
(2) dengan : v = kecepatan linier batang traksi (mm/s) S = perpindahan yang ditempuh batang traksi (mm) t = waktu (s)
Kecepatan linier dari roller (V B ) dan kecepatan linier batang traksi (v) adalah sama, atau secara matematis :
v
METODE PENELITIAN
V B = kecepatan linier roller (mm/s)
Data teknis motor penapak yang digunakan adalah sebagai berikut :
- Jenis Motor Stepper : Unipolar motor stepper HM004 TEAC 1403 P.N.O.14769070-90 produksi Shinano Kenshi Co, Ltd Japan Jumlah step : 200 step/revolution
V B = Rω sin θ + Rω cos θ = Rω (1) dengan : dan beban momen (lihat Gambar 4).
- Degree/step : 1,8
Tabel pengambilan datanya dapat
- Diameter roller : 23,8 mm Alat dan bahan yang digunakan dilihat berikut ini. dalam penelitian ini antara lain :
1. Landasan luncur yang terbuat dari Tabel 1. Tabel data kecepatan aluminium. penggerak gesek dalam satu posisi
2. Batang traksi sepanjang 300 mm timer untuk berbagai step yang
3. Motor Stepper ditempuh
4. Roller
5. Kabel Data Step Jarak (mm) Waktu (s) Arah putaran roller
50
6. Rangkaian Penguat Elektronik
100
7. Komputer (PC)
150
8. Tachometer
200 250 300
Penelitian dilakukan di Laboratorium
350
Jurusan Teknik Mesin Universitas 400 Lampung pada bulan Februari – Mei 2007 Landasan rel Beban CPU Kabel data
Motor stepper Batang traksi
Gambar 4. Kondisi Pembebanan Gambar 3. Skema peralatan momen
Penggerak gesek dengan motor stepper
Proses pengujian HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian yang dilakukan adalah pengujian kinerja penggerak gesek untuk mengetahui apakah penggerak
Perbandingan kecepatan penggerak
gesek yang dibuat dapat melakukan
presisi untuk berbagai jarak yang
gerakan presisi sesuai dengan input
ditempuh hasil pengujian dengan
yang diberikan ke sistem dengan hasil perhitungan teoritis. memberikan beban dan variasi
Data hasil pengujian kondisi pembebanan yaitu berupa ditampilkan dalam bentuk grafik dan beban tarik/tekan (lihat Gambar 3), dibandingkan dengan kondisi teoritisnya. Untuk mengetahui kecepatan teoritis, berdasarkan persamaan (4) kita bisa menghitung kecepatan teoritisnya dengan mengetahui putaran (rpm) roller motor stepper. Putaran roller motor stepper didapat melalui pengukuran menggunakan tachometer dan hasilnya untuk masing-masing pengujian ditampilkan berikut ini. Jenis pengujian Putaran roller (rpm) Pengujian tanpa beban : 5,5 Pengujian dengan beban I (300gram) : 1,1
Pengujian dengan beban II (450 gram) : 0,5 Pengujian dengan beban momen (300 gram) : 0,7
Dengan besar jari-jari roller motor stepper sebesar 11,9 mm maka besar masing-masing kecepatan teoritisnya adalah : Jenis pengujian Kecepatan teoritis (mm/s) Pengujian tanpa beban : 6,8 Pengujian dengan beban I (300gram) : 1,36
Pengujian dengan beban II (450 gram) : 0,68 Pengujian dengan beban momen (300 gram) : 0,87
Grafik perbandingan kecepatan hasil pengujian terhadap kecepatan teoritis untuk masing-masing pengujian dapat dilihat berikut ini. GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) TANPA BEBAN
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(a) GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) TANPA BEBAN
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(b) Gambar 5. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step (a) arah putaran roller cw, (b) arah putaran roller ccw , tanpa beban GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN TARIK
0.00 0.50 1.00 1.50 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(a) GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN TARIK
0.00 0.50 1.00 1.50 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(b) Gambar 6. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step (a) arah putaran roller cw, (b) arah putaran roller ccw dengan beban I kondisi pembebanan tarik
GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN II KONDISI PEMBEBANAN TARIK
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(a) GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN II KONDISI PEMBEBANAN TARIK
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(b) Gambar 7. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step (a) arah putaran roller cw, (b) arah putaran roller ccw dengan beban II kondisi
GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN pembebanan tarik UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN MOMEN
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(a) GRAFIK KECEPATAN TEORITIS Vs PENGUJIAN UNTUK BERBAGAI STEP DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan Arah Jarum Jam) DENGAN BEBAN I KONDISI PEMBEBANAN MOMEN
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 50 100 150 200 250 300 350 400 STEP K e c e p a ta n ( m m /s ) Kecepatan Pengujian Kecepatan Teoritis
(b) Gambar 8. Grafik kecepatan teoritis vs pengujian untuk berbagai step (a) arah putaran roller cw, (b) arah putaran roller ccw dengan beban I kondisi pembebanan momen
Dari Gambar 5, Gambar 6, Gambar 7 dan Gambar 8 secara umum terlihat hampir semua titik data saling berimpit. Hal ini berarti antara kecepatan hasil pengujian dan kecepatan teoritis dapat dikatakan hampir sama. Dengan kata lain, kinerja sistem penggerak presisi yang digunakan sudah baik. Adanya beberapa titik yang berbeda antara teoritis dan pengujian karena adanya slip antara roller dengan batang traksi yang bisa dikarenakan tidak sempurnanya sistem mekanisnya, dan kesalahan non teknis (human error) yaitu kesalahan dalam pengukuran.
a. Pengaruh pemberian beban putaran (rpm) roller yang berkurang
terhadap kecepatan penggerakdan perubahan ini secara logika
presisi
berpikir dapat diterima, artinya KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN GRAFIK PENGARUH PEMBERIAN BEBAN TERHADAP kecepatan benda bergerak tentunya ROLLER CW (Searah Jarum Jam) akan semakin berkurang seiring 7,00 8,00 bertambahnya beban. Namun ) /s 6,00 m tanpa beban walaupun terjadi pengurangan ta n ( m 5,00 4,00 beban tarik I kecepatan, tingkat ketepatan gerakan K a c e p e beban momen 3,00 2,00 terjadi pengurangan kecepatan, 1,00 beban tarik II tetap tinggi, ini artinya walaupun 0,00 50 100 150 200 250 300 350 400 penggerak presisi tetap dapat STEP melakukan gerakan presisi seperti terlihat pada hasil pengujian pada Gambar 5 hingga Gambar 8. Dengan
(a) GRAFIK PENGARUH PEMBERIAN BEBAN TERHADAP KECEPATAN kata lain, pemberian beban tidak PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan arah Jarum Jam) berpengaruh terhadap tingkat ) /s 7,00 8,00 tetapi berpengaruh terhadap besar ketepatan gerak penggerak presisi, c m e a beban tarik II ta p 3,00 n e (m 4,00 6,00 5,00 2,00 tanpa beban beban momen beban tarik I kecepatannya saja. K 0,00 1,00
b. Pengaruh kondisi pembebanan 50 100 150 200 250 300 350 400 terhadap kecepatan penggerak STEP presisi GRAFIK PERBANDINGAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CW (Searah Jarum Jam)
(b) /s ) 1,40 1,60 Gambar 9. Pengaruh pemberian beban 1,20 ( beban tarik I m 1,00 m terhadap kecepatan penggerak presisi n a ta beban momen 0,60 0,80
(a) arah putaran roller cw, (b) arah p e c 0,40 e putaran roller ccw K 0,00 0,20 50 100 150 200 250 300 350 400 Dari Gambar 9 terlihat pengaruh STEP pemberian beban terhadap kecepatan penggerak presisi baik untuk arah
(a) putaran roller cw maupun arah putaran roller ccw, yaitu terlihat kecepatan penggerak presisi berubah menjadi lebih rendah dan semakin mengecil seiring bertambahnya besar beban seperti terlihat pada beban tarik I dan bebab tarik II. Perubahan kecepatan ini terjadi karena besar
GRAFIK PERBANDINGAN KONDISI PEMBEBANAN TERHADAP
KECEPATAN PENGGERAK PRESISI DENGAN ARAH PUTARAN ROLLER CCW (Berlawanan arah Jarum Jam) yang terjadi. Namun walaupun terjadi pengurangan kecepatan, ) 1,40 1,60 penggerak presisi tetap dapat a ( /s ta n m m 1,20 0,80 1,00 terlihat pada hasil pengujian pada beban momen beban tarik I melakukan gerakan presisi seperti p c e 0,40 0,60 Gambar 5 hingga Gambar 8. Dengan K e 0,00 0,20 kata lain, kondisi pembebanan tidak 50 100 150 200 250 300 350 400 berpengaruh terhadap tingkat STEP ketepatan gerak penggerak presisi, tetapi berpengaruh terhadap besar kecepatannya saja. (b)
SIMPULAN
Gambar 10. Pengaruh kondisi pembebanan terhadap kecepatan Dari hasil pengujian dan pembahasan penggerak presisi (a) arah putaran yang telah dilakukan dapat ditarik roller cw, (b) arah putaran roller ccw beberapa kesimpulan :
1. Perbedaan data antara hasil pengujian dengan hasil Dari Gambar 10 terlihat pengaruh perhitungan teoritis pada semua kondisi pembebanan terhadap pengujian sangat kecil, ini artinya kecepatan penggerak presisi baik kinerja penggerak presisi yang untuk arah putaran roller cw maupun digunakan cukup baik. arah putaran roller ccw. Terlihat ternyata kondisi pembebanan
2. Pemberian beban berpengaruh memberikan pengaruh terhadap besar terhadap besar kecepatan kecepatan penggerak presisi, dan penggerak presisi, semakin besar kondisi pembebanan momen beban yang diberikan, semakin memberikan pengaruh perubahan besar pengurangan kecepatannya, kecepatan penggerak presisi yang tetapi dari tingkat ketepatan gerak lebih besar terhadap pembebanan tidak memberikan pengaruh. tarik, padahal besar beban yang
3. Pada nilai beban yang sama, digunakan sama. Hal ini dapat kondisi pembebanan momen lebih dipahami karena pada pembebanan besar pengaruhnya dari pada momen selain harus mengatasi beban pembebanan tarik terhadap besar akibat momen yang terjadi, motor pengurangan kecepatan stepper juga mengalami beban tarik, penggerak presisi, tetapi tingkat sedang pada pembebanan tarik motor ketepatan gerak tidak stepper hanya mengalami beban tarik berpengaruh. saja. Akibatnya pada pembebanan momen kerja yang dilakukan juga bertambah besar dan hal ini berpengaruh pada besar kecepatan
DAFTAR PUSTAKA
A.H. Slocum., 1992, Precision Machine Design. , Prentice Hall. Beer. F.P., Johnston. R.R., 1981,
Mechanics of Materials , McGraw-Hill.
Dutono, T., Istilah Teknologi Informasi
Bahasa Indonesia ,
http://nlp.aia.bppt.go.id/glos ti ,5/8/2005 11:15 AM Euclid, Stepper Motors.,2001,
h ttp://www.euclidres.com/ap
ps/stepper_motor , 23/9/2005 11:38 AM
Holowenko, A.R., Prapto, C., 1984, Dinamika Permesinan, Jakarta , Penerbit Erlangga.
Ian Harries, KP4M4-001 Stepper Motor, 1999, 20ih@doc.ic.ac.uk, 4/8/2005 10:15 AM Jordan Rd, Troy., About Stepper
Motors, 2005, http://stepper- motors.globalspec.com ,
22/9/2005 10:07 AM
Stepper Motor Basics ., 1990, Industrial
Circuits Application Journal., 23/9/2005 11:27 AM
Weck. M, 1984 ,Handbook of Machine Tool , Vol. 2. Wiley Heyden.