SERI TEKNIK MESIN

Buku Ajar

Mekatronika Edisi ke-2

Oleh: Dr. eko marsyahyo, ST., MSc

Prodi teknik mesin s-1 Fakultas teknologi industri

Institut teknologi nasional malang April 2010

i

Kata Pengantar

Edisi ke-1

Buku ajar matakuliah mekatronika ini merupakan tulisan pertama yang dimaksudkan

untuk tahun ajaran 1998/1999. Buku ajar tahun ajaran 1999/2000 ini untuk memenuhi harapan

dari mahasiswa jurusan teknik mesin dan industri ITN Malang tentang bagaimana dan apa

mekatronika itu. Mekatronika merupakan bidang antar disiplin ilmu yang memadukan disiplin

ilmu mekanika, elektronika, komputer dan kontrol secara integral dan sinergi. Beberapa

tambahan adalah mengenai sejarah mekatronika pada seksi pendahuluan, aplikasi robot dan

AGV, lampiran-lampiran yang mendukung terutama soal-soal review dan tugas untuk

mahasiswa.

Bidang studi mekatronika merupakan bukan hal yang baru –dikatakan suatu evolusi-

tetapi apa yang dihasilkan merupakan suatu teknologi terbaru yang memberikan nilai tambah

pada suatu proses dan produk saat ini dan masa datang.

Oleh karena kompleksitas isi dari mekatronika ini, penulis berharap ada masukkan

tentang materi yang telah tersusun untuk suatu perbaikan terus-menerus agar lebih up to date

dan memenuhi rancangan dan tujuan pembelajaran yang semakin berkembang.

Malang, Maret 2000

Penulis

ii

Kata Pengantar

Edisi ke-2

Dengan mengucap syukur kehadirat Tuhan Yang Mahakuasa, buku ajar matakuliah

Mekatronika edisi ke -2 atau edisi revisi telah selesai tepat pada waktunya. Materi yang tertulis

telah disesuaikan dengan kurikulum baru di Prodi Teknik Mesin S-1 yakni kurikulum 2009-2014.

Penulis telah berusaha mencari dan mengumpulkan berbagai sumber pustaka untuk

memperdalam isi dan berharap semoga isi materi yang tersusun di edisi ke-2 ini mampu

memenuhi rasa keingin-tahuan mahasiswa untuk melakukan kegiatan-kegiatan perancangan

dan inovasi karya khususnya perancangan alat/mesin atau cara-cara baru yang bersifat

otomatis. Penyempurnaan isi meliputi penambahan materi pada setiap sub-bab dan materi

inovasi karya di bidang mekatronika yang berhasil dilakukan oleh mahasiswa di prodi Teknik

Mesin S-1 ITN Malang pada kurun waktu tahun kegiatan 2000-2005 yang dituangkan di dalam

bahasan bab 9 yang dimaksudkan untuk memotivasi para mahasiswa dalam mendalami dan

menekuni bidang ilmu mekatronika ini.

Semoga buku ajar seri teknik mesin ini memberikan manfaat yang lebih luas bagi para

pembaca dan perbaikan kontinyu terhadap isi materi masih terus dillakukan dan disesuaikan

dengan perkembangan mekatronika. Masukan dan saran selalu penulis harapkan agar

kedalaman materi lebih komprehensip dan memenuhi kaidah keilmuan khususnya di bidang

Teknik Mesin.

Malang, April 2010

Penulis

iii

The mechanical engineers who know some computer science are far more valuable than the computer scientists who know some mechanical engineering.

- John F. Elter, vice president Xerox Corp. New York-

iv

Daftar Isi

Kata Pengantar edisi ke-1 iKata Pengantar edisi ke-2 iiDaftar Isi iii Bab 1. Pendahuluan……………………………………………………………………………………… 1

1.1 Sejarah Perkembangan Mekatronika …………………………………………………….. 11.2 Definisi Mekatronika…………………………………………………………………………… 21.3 Perbedaan sistem konvensional dengan mekatronika................................. 41.4 Pengenalan Teknik Pengaturan (Control Engineering) ............................... 5

Bab 2. Komponen dasar sistem otomatis ........................................................ 122.1 Prinsip Kerja Sensor dan Saklar ............................................................... 122.2 Transduser ............................................................................................ 162.3 Analiser (Komponen penganalisa) .......................................................... 222.3.1 Pengkondisian Sinyal dan Cara Kalibrasi Sensor/Transduser ………………… 222.4 Aktuator ……………………………………………………………………………………………. 242.5 Drives (Penggerak) ................................................................................ 272.5.1 Motor Listrik ...................................................................................... 28

Bab 3. Motor Listrik (Electric Motor) …………………………………………………………… 303.1 Konstruksi Motor Listrik ………………………………………………………………………. 303.2 Aplikasi dan model pengendalian Motor Listrik ....................................... 313.3 Prinsip Kerja Motor DC ………………………………………………………………………… 333.3.1 Pengendalian dan Karakteristik Motor DC .............................................. 353.3.2 Tipe Motor DC : Motor DC biasa, Motor Servo dan Stepper ……………….. 383.4 Model Pembebanan pada Motor Listrik: Tinjauan Mekanis ...................... 423.4.1 Beban dengan Gerakan Rotasi ............................................................ 433.4.2 Beban dengan Gerakan Translasi-Rotasi ………………………………………….. 443.5 Sumber Daya untuk Penggerak Sistem Mekanis ....................................... 46

Bab 4. Pengenalan Teknik Digital ................................................................... 474.1 Sistem Bilangan Biner, Oktal dan Heksadesimal ........................................ 474.1.1 Konversi Sistem Billangan …………………………………………………………………. 484.2 Pengertian Dasar Digital: Pengenalan Gerbang Logika .............................. 504.3. Konversi Sinyal Analog-to-Digital (AD) dan Digital-to-Analog (DA) ………… 56

Bab 5. Pengenalan Teknologi Mikroelektronika ............................................. 595.1 Integrated Circuit (IC): Rangkaian Terpadu ............................................. 595.1.1 Pengenalan IC OP-AMP ....................................................................... 625.2 Mikroprosesor ........................................................................................ 665.2.1 Unit Dasar Mikroprosesor ..................................................................... 665.2.2 Identifikasi Mikroprosesor Intel 8088 …………………………………………… 685.3 Contoh Sistem Digital: Mikrokomputer/Komputer .................................... 705.3.1 Contoh Operasi Mikrokomputer ............................................................ 71

Bab 6. Pemanfaatan Teknologi Mikroelektronika pada Sistem Mekanis ...... 756.1 Pengenalan Programmable Logic Controller (PLC) .................................. 756.1.1 Contoh Aplikasi PLC ............................................................................ 776.2 Kontrol Komputer pada Gerakan Mesin Perkakas ...................................... 796.3 Pengantarmukaan (Interfacing) Peralatan Luar Input/Output dengan PLC/Komputer ............................................................................................ 81

Bab 7. Pengenalan Komponen Pneumatis dan Hidrolis ………………………………. 837.1 Perbedaan Sistem Pneumatis dan Hidrolis ................................................ 83

Bab 8. Aplikasi Perkembangan Mekatronika di Industri …………………………….. 908.1 Pengenalan Industrial Robotic ……………………………………………………………… 908.1.1 Konfigurasi Robot ……………………………………………………………………………. 92

v

8.1.2 Komponen-Komponen Automasi dalam Membangun sebuah Robot ......... 968.1.3 Volume Kerja dan Contoh Aplikasi Robot ............................................... 1028.2 AGV (Automatically Guided Vehicle): Suatu contoh Mobile Robot ……………. 1058.2.1 Komponen AGV ................................................................................... 105

Bab 9. Problem Solving Desain Mekatronika Hasil inovasi Karya Mahasiswa Teknik Mesin ………………………………………………………………… 108

9.1 Desain Mesin Pengecat Genteng Otomatis ............................................. 1089.2 Perancangan Robot Lengan Tipe Gantry ................................................ 1169.3 Robot Mobile Pemotong Rumput ………………………………………………………. 1219.4 Mesin Las Listrik Tipe Mobile Otomatis ………………………………………………. 1269.5 Perancangan Unit Sel Pengelasan Potong dan Konveyor ......................... 1279.6 Perancangan Lift Pemindah Barang untuk Dua Lantai ............................ 1299.7 Perancangan Mesin Snai Tiga Axis Otomatis .......................................... 130

Daftar Pustaka 133Lampiran 134Indek 139

1

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Sejarah Perkembangan Mekatronika

Istilah mekatronika (mechatronics) pertama kali digunakan pada kontrol komputer

suatu motor listrik oleh seorang teknisi di perusahaan Yaskawa Electric lepang pada akhir tahun

1960an. Kata ini menjadi populer di Jepang yang kemudian digunakan secara luas di Eropa dan

diterima sebagai bidang matakuliah di Inggris dan Amerika. Pada tahun 1970-an, mekatronika

banyak terpusat pada teknologi servo untuk suatu produk seperti pembuka pintu otomatis dan

kamera autofokus. Kemudian pada tahun 1980-an saat teknologi informasi (IT) diperkenalkan,

teknisi mulai menggunakan mikroprosesor di dalam sistem mekanik untuk meningkatkan unjuk-

kerjanya (performan) seperti mesin NC dan robot yang lebih kompak dan di bidang otomotif

seperti pengendalian mesin secara elektronik, sistem antilock-braking (ABS) dan airbag

pengaman yang semakin luas aplikasinya. Perkembangan selanjutnya, awal tahun 1990-an,

adalah teknologi komunikasi dimana suatu jaringan yang luas saling terkait satu sama lain

seperti pengendalian robot jarak jauh dengan teknologi sensor dan pada saat yang sama

dikendalikan pula mesin-mesin produksi yang lain menggunakan gelombang komunikasi atau

GSM.

Ernest Doebelin, profesor Emeritus di Ohio State dan ASME fellow, mengatakan bahwa

perkembangan di bidang mekatronika bukan sekedar suatu revolusi tetapi evolusi, yaitu menuju

perubahan meskipun perlahan-lahan namun akan mencakup semua bidang. Mekatronika sangat

serasi dengan berbagai teknologi saat ini seperti komputer, software, pengaturan dan lain-lain

yang memungkinkan tercipta produk-produk yang unggul dan canggih.

Davor Hrovat, seorang staf ahli teknik Ford, berpendapat bahwa mekatronika adalah

campuran dari teknologi dan cara teknik yang bersama-sama membantu dalam desain suatu

produk yang lebih baik, mulai dari pemanggang roti hingga otomotif, pada semua tingkatan

teknologi yang luas.

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu mendeskripsikan sejarah perkembangan dan definisi

mekatronika; 2. Pembaca menerangkan relevansi bidang ilmu teknik mesin dengan bidang ilmu lainya; 3. Pembaca akan dapat mendefinisikan sistem manual dan otomatik; 4. Pembaca mampu mendeskripsikan pentingnya bidang ilmu mekatronika.

2

1.2 Definisi Mekatronika

Saat ini perkembangan mekatronik, terutama teknologi komputer banyak dikembangkan

di Amerika dan Eropa (Finlandia, Denmark dan Belanda). Mekatronika adalah basis yang

terpenting untuk masa depan perkembangan produk-produk di industri manufakturing dan

teknisi-teknisi yang terlibat dapat melihat kedepan tentang suatu kualitas tinggi yang dapat

dihasilkan dari pekerjaannya.

Memahami perkembangan tersebut, ada beberapa definisi mekatronika antara lain (lihat

diagram interseksi antar bidang ilmu pada Gambar 1.1):

1. ilmu pengetahuan yang memadukan (integrates) piranti mekanik dengan

kontrol elektronik.

2. perpaduan dari elektronik, teknik pengaturan (control engineering) dan teknik

mesin (mechanical engineering).

3. merupakan antar disiplin ilmu (interdiciplinary) teknik yang berkenaan dengan bidang

perencanaan dan pengendalian suatu proses yang secara simultan melibatkan mekanika,

elektronika dan komputer kontrol.

4. merupakan aplikasi dari cara-cara terbaru di dalam teknik mesin , teori pengaturan (control

theory), ilmu komputer dan elektronika untuk menciptakan produk-produk yang lebih

berfungsi.

Gambar 1.1 Mekatronika sebagai interseksi antar bidang ilmu teknik

ELEKTRONIKA

KOMPUTER

MEKANIKA

C.A.D RangkaianKontrol

Elektromekanika

ModelSistem

Transducer

Simulasi Mikrokontrol

MEKATRONIKA

KONTROLSistem KontrolDigital

3

Contoh-contoh sistem mekatronika pada suatu produk sesuai dengan definisi 1 dan 2

diatas adalah camcorder, disk drives, audio-video player, mesin cuci dan lain-lain dan pada

definisi 3 dan 4 adalah robot, AGV (automatic guide vehicle), konveyor otomatis, sistem CAM

(computer aided manufacturing) dan lain-lain.

Gambar 1.2 Disk drive

Secara umum mekatronika (mechatronics) adalah sebuah cabang ilmu teknik yang bertujuan

meningkatkan fungsionalitas dari sistem-sistem teknik yang berarti mencakup kesatuan

hubungan saling menguntungkan dari komponen-komponen mekanika, elektronika, komputer

dan teknik kontrol.

Lebih lanjut, kompleksitas bidang ilmu mekatronika hingga saat ini (abad milenium)

telah menunjukkan perkembangan yang sangat pesat dan telah meliputi teknologi mikro dan

nano yang mendorong produk-produk teknologi tinggi di berbagai bidang teknik seperti

ditunjukkan pada Gambar 1.3.

4

Gambar 1.3 Perkembangan bidang ilmu mekatronika (Bishop, 2006)

1.3 Perbedaan sistem konvensional dengan mekatronika

Perbedaan desain sistem konvensional dengan mekatronika dibandingkan pada Tabel

1.1. Sistem konvensional memiliki ciri susunan mekanisme yang lebih rumit dan tidak rapi

terutama sistem perkabelan dan susunan antar komponen. Namun sistem konvensional memliki

sistem kontrol atau pengendalian yang lebih sederhana meskipun kinerja sistem tersebut kaku,

bersifat permanen dan tingkat ketelitian yang rendah dibandingkan sistem mekatronika. Sistem

mekatronika memiliki ciri desain piranti lunak dan keras yang lebih rapi, kompak dan bersifat

otonomi atau berdiri sendiri berkaitan dengan integrasi antar komponennya. Ciri daripada

sistem kontrol pada sistem mekatronika lebih terprogram, responsif terhadap perubahan nilai

masukkan/input dan memiliki ketelitian output yang lebih handal.

5

Tabel 1.1 Perbedaan desain sistem konvensional dengan mekatronika (Bishop, 2006)

Beberapa motivasi penting bagi mahasiswa teknik mesin yang berkaitan dengan

pelajaran ilmu di bidang ilmu mekatronika adalah:

1. Seorang sarjana teknik mesin yang mengetahui sedikit tentang ilmu bidang

elektronika memiliki nilai jual lebih tinggi dibandingan seorang sarjana teknik

elektronika yang mengetahui banyak tentang ilmu bidang teknik mesin;

2. mempelajari mekatronika bagi mahasiswa teknik mesin adalah bukan mengetahui

cara-cara pembuatan alat atau komponen yang menyusun sistem mekatronika tetapi

lebih ditekankan pada kemampuan pemilihan alat/komponen yang akan digunakan

merancang sistem mekatronika.

1.4 Pengenalan Teknik Pengaturan (Control Engineering)

Suatu sistem control adalah hubungan (interkoneksi) antara komponen-komponen

yang membentuk konfigurasi sistem yang akan memberikan suatu respon yang dikehendaki.

Analisa suatu sistem didasari oleh teori sistem linier dimana mengasumsikan suatu hubungan

sebab-akibat untuk komponen-komponen sistem. Gambar 1.4 secara diagram blok

menunjukan teori sistem linier dimana hubungan input-output (masukan-keluaran) mewakili

hubungan sebab-akibat dari suatu proses yang dikontrol.

Gambar 1.4 Diagram balok sistem linier

Di dalam aplikasi pengaturan proses terdapat dua sistern teknik pengaturan yaitu sistem loop

terbuka (open loop system) dan loop tertutup (closed loop system).

SISTEM/PROSESOUTPUT harga yang berguna

INPUT harga/data yang akan diproses/diolah

6

1. sistem loop terbuka: merupakan teknik pengaturan dimana keluaran (output tidak

memberikan efek terhadap besaran masukan (input) sehingga variabel yang dikontrol tidak

dapat clibandingkan terhadap nilai atau harga yang diinginkan. Jadi setiap masukan terdapat

kondisi nilai yang tetap dan keluaranya (output) tidak berpengaruh banyak pada pengontrolan

dan sudah diketahui.

Gambar 1.5 Sistem kontrol terbuka

2. sistem loop tertutup: merupakan teknik pengaturan dimana besaran keluaran

(output) memberikan suatu pengaruh atau efek terhadap besaran masukan (input) sehingga

besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap nilai atau harga yang diinginkan melalui

suatu alat pengukur atau pencatat. Jadi setiap masukan (input) mempunyai kondisi yang telah

disetting (berharga tetap) dimana setiap keluaran selalu mempengaruhi aksi pengontrolan

dimana ada pengukuran terhadap keluaran tersebut untuk diumpan-balikan kepada

pernbanding yang mempunyai kondisi yang telah di set pada nilai yang diharapkan.

Gambar 1.6 Sistem kontrol tertutup/umpanbalik

Dari dua kategori teknik pengendalian diatas adalah perlu untuk mengetahui komponen dasar

pengendalian pada masing-masing diagram blok Gambar 1.7 yaitu:

1. sensor dan transduser

2. Error detector atau alat pendeteksi penyimpangan harga input-output

3. Power aktuator

4. Amplifier atau penguat sinyal

SISTEM/PROSES OUTPUT

INPUT

ALAT PENGENDALI

SISTEM/PROSES OUTPUT

INPUT

ALAT PENGENDALI

ELEMEN UMPANBALIK/FEEDBACK

7

Gambar 1.7 Diagram blok rangkaian dasar pengendalian otomatis

Suatu contoh sederhana pada sistem kontrol terbuka dan tertutup adalah seperti pada

pengaturan tanur listrik seperti Gambar 1.8 .

(a) sistem pengaturan terbuka

(b) sistem pengaturan tertutup

Gambar 1.8 Pengaturan oven listrik

Pada gambar (a) sistem pengaturan terbuka dimana panas yang memasuki tanur dikontrol oleh

kombinasi saklar dan tiga titik (1,2,3) potensiometer yang mengatur arus listrik Pada tanur ini

besamya temperatur tidak dapat diketahui secara pasti karena tidak terdapat suatu alat ukur

temperatur. Operator hanya mengetahui bahwa tanur menerima panas tetapi tidak diketahui

apakah panas tersebut sesuai dengan harga yang diharapkan. Karena tidak dapat diketahui

SISTEM/

PROSES

OUTPUT

INPUT

ALAT PENGENDALI/KONTROLLER

ELEMEN UMPANBALIK/FEEDBACK

ERROR DETECTOR

Sumber Daya saklar manual elemen

pemanas

OVEN

Pembanding/ termometer saklar manual elemen

pemanas

Sumber Daya/Tegangan

termokopel

OVEN

8

Boiler/Ketel Uap

Komputer

Turbin

PengukuranOksigen Pengukuran

Temperatur

PengukuranTekanan

GovernorKecepatan

PorosGenerator/Pembangkit

Tenaga

Output berupaDaya Listrik

Katup 1

K2

K3

Input Air

Input Bahanbakar

Input Udara

temperaturnya maka tidak terjadi koreksi jika ada gangguan pada proses. Sedangkan pada

gambar (b) sistem tertutup terpasang alat ukur termokopel (termometer) yang dapat

memberikan umpanbalik, dimana temperatur keluaran diukur dan dibandingkan dengan nilai

yang diiginkan sehingga jika terjadi gangguan-gangguan pada proses dapat dikoreksi oleh

pengendali dalam hal ini saklar rotasi sebagai pengendali/kontroler.

Suatu contoh sistem pengaturan tertutup yang lebih komplek adalah sistern pengaturan

pembangkit tenaga uap dimana mempunyai beberapa variabel yang dikontrol seperti pada

Gambar 1.9.

Gambar 1.9 Sistem pengaturan komplek pada Pembangkit Tenaga Uap

Secara diagram sistem pengaturan pembangkit tenaga uap dapat digambarkan pada Gambar

1.10.

Gambar 1.10 Diagram balok sistem pengaturan PLTU

KOMPUTER: alat kontrol yang mengatur dan mengendalikan variabel proses

SISTEM PEMBANGKIT TENAGA UAP

ELEMEN UMPANBALIK/ SISTEM PENGUKURAN

INPUT acuan: temperatur T, tekanan P, jumlah oksigen O dan putaran generator GN

OUTPUT: hasil proses

Katup 1

Katup 2

Katup 3

Gn

Ο

T P

Gn

Ο

TP

9

Suatu sistem pengaturan pembangkit tenaga uap terdiri dari komputer sebagai pengendali

sekaligus pembanding nilai-nilai yang diinputkan seperti besaran temperatur (T), tekanan (P),

jumlah oksigen (0) dan besarnya pembangkitan sebagai keluaran yang diinginkan. Sementara

pengukuran berfungsi mengukur variabel nilai yang dikeluarkan oleh proses dimana temperatur,

tekanan, jumlah oksigen dan besarnya pembangkitan diumpan-balikan menuju komputer untuk

didapat keluaran dari variabel-variabel yang sesuai dengan harapan pada proses tersebut.

Komputer mengontrof katup-katup (1, 2 dan 3) yaitu masukan air, bahan bakar dan udara

kedalam proses dimana besaran dari masukan tersebut telah di-set oleh komputer pada harga

tertentu untuk menghasilkan output berupa pembangkitan aktual seperti yang diinginkan.

Contoh lainnya adalah:

1. Pengendalian tinggi cairan

Jika aliran masuk samadengan aliran keluar maka tinggi (level) cairan dalam tanki adalah

konstan. Jlika terjadi perbedaan aliran maka tinggi cairan didalam tanki akan naik turun.

Elemen umpanbalik yaitu alat pengapung dan alat ukur ketinggian yang terpasang pada tanki

selalu memberikan sinyal proporsional yang hargannya dibandingkan dengan set point (nilai

yang diinginkan) untuk mengolah sinyal error (perbedaan harga tinggi cairan yang terjadi). Alat

pengendali atau kontroler kemudian mengatur katup kontrol pada pipa aliran masuk yang

menuju tanki agar terjaga kondisi tinggi cairan pada harga yang diinginkan.

Error detector

Alat kontrol/pengatur

Katup fluida Tanki

Alat pengapung dan pengukur level cairan

Output: level cairan

Set point: cairan yang diinginan

10

2. Pengendalian Motor listrik

Secara diagram blok dapat digambar sebagai berikut:

Keterangan:

• input atau set point adalah tegangan, kecepatan dan posisi putaran poros motor dinyatakan

dalam sudut putar

• alat pendeteksi kesalahan adalah transistor dan rangkaiannya

• alat kontrol adalah amplifier yang mengendalikan daya atau power pada tingkat yang sesuai

dan mengendalikan besarkecilnya arus dan tegangan listrik menuju motor selama operasi

start, berhenti ataupun perubahan sudut putar

• elemen feedback adalah sensor-sensor yaitu:

tachometer yang merupakan sensor kecepatan yang terpasang pada poros motor dan

encoder yang memberikan frekwensi analog dengan kecepatan putar motor. Unit sensor

secara khusus mengumpanbalikkan parameter parameter keluaran/output untuk

dibandingkan dengan masukkan atau set point.

• output berupa posisi dan kecepatan dari beban atau aplikasi seperti gerakan lengan robot,

pompa, kipas angin, putaran mesin perkakas seperti CNC dan lain-lain.

3. Pengendalian jarak antar kendaraan (Bishop 2006)

11

Istilah-istilah:

1. Sistem: adalah sekumpulan bagian yang mempunyai kaitan satu sama lain yang

bersama-sama beraksi menurut pola tertentu terhadap suatu input (masukan) dengan tujuan

menghasilkan output (keluaran) yang berarti.

2. Teknik pengaturan = teknik pengendalian = kontrol otomatik: adalah susunan

komponen-komponen fisik yang mempunyai hubungan atau kaitan satu sama lain menurut pola

tertentu sehingga mengatur, memerintah dan mengarahkan diri sendiri atau sistem lain.

3. Manual: pengontrolan yang dilakukan oleh manusia sebagai operator.

4. Otomatis: pengontrolan yang dilakukan oleh mesin atau peralatan yang bekerja secara

otomatis dan manusia sebagai pengawas saja.

Lampiran 1 menunjukkan perbedaan yang sangat mencolok antara kegiatan di industri yang

menerapkan sistem manual dan otomatis.

12

BAB 2. KOMPONEN DASAR SISTEM OTOMATIS

Di dalam sistem automasi (otomatisasi) terdapat beberapa komponen dasar yang

merupakan komponen mekanika dan elektronika yang membangun sistem otomasi dimana

dapat dikategorikan dalam 1) Saklar dan Sensor, 2) Analiser (Penganalisa), 3) Aktuator dan 4)

Drives (Penggerak utama)

2.1 Prinsip Kerja Sensor dan Saklar

Sensor dan saklar adalah komponen penghubung pertama yang menyampaikan

informasi dari masukan (input) yang kemudian dianalisa oleh analiser untuk diproses menjadi

keluaran. Sensor dan transduser disebut juga saklar otomatik.

Jenis-jenis sensor di dalam aplikasinya adalah:

1. sensor temperatur: thermocouples, detektor resistan

2. sensor tekanan; diaphragma

3. transducer posisi: potensiometer linier dan rotari, resolver, shaft encoder, detektor

proximity

4. transducer aliran: elektromagnetik dan ultrasonic flowmeter

Perbedaan mendasar antara sensor dan transducer adalah:

Sensor: peralatan atau elemen yang menerima dan kemudian merespon suatu sinyal atau

rangsangan.

Transducer: peralatan atau komponen yang bekerja seperti sensor tetapi mengkoversikan

sinyal masukan menjadi bentuk sinyal yang lain.

Beberapa contoh komponen saklar (sensor mekanis) dan sensor ini adalah:

1. Saklar manual (manual switches)

Saklar ini bekeda secara manual yaitu bekerja secara normal terbuka atau tertutup Con/off~.

Saklar ini banyak dijumpai pada pengontrolan lampu-lampu, seperti yang terpasang pada

rumah tangga, pengontrolan panel-panel peralatan elektronik dan sebagainya. Saklar manual

mempunyai konfigurasi yang terbagi dalam single pole single throw (SPST), single pole

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu menjelaskan dan mengidentifikasi komponen-komponen

dasar otomatisasi (automation); 2. Pembaca mampu menjelaskan fungsi tiap-tiap komponen; 3. Pembaca mampu mendeskripsikan susunan komponen-komponen dasar otomatisasi

kedalam suatu terapan sistem mekanis-elektris, hidrolis dan pneumatis dan kombinasinya.

13

double throw (SPDT), double pole single throw (DPST) dan double pole double throw

(DPDT), saklar rotari dan saklar tekan seperti tampak pada Gambar 2.1.

(a) konfigurasi saklar manual

(b) Contoh saklar

Gambar 2.1 Konfigurasi saklar manual dan contoh saklar

Sedangkan bagian utama penyusun saklar adalah terminal arus listrik, contactor,

actuator block, spring-plunyer, frame dan tombol rocker.

rotari tekan/push

14

Gambar 2.2. Bagian utama saklar manual

2. Saklar pembatas (limit switch)

Saklar pembatas digerakkan secara mekanis tetapi bersifat otomatis karena dalam

penggunaanya tidak ada campur tangan operator, misalnya diaplikasikan pada pengendalian

gerakan lengan robot sistem pneumatis/hidrolis. Contoh limit switch ini adalah saklar push

(saklar tekan).

Gambar 2.3 Konstruksi saklar pembatas

3. Saklar/Sensor pengira (proximity switches)

Pada umumnya saklar jenis ini tidak mernerlukan kontak langsung secara fisik. Saklar ini

bekerja berdasarkan penangkapan sinyal elektromagnetik yang dipantulkan oleh suatu benda.

Saklar pengira ini mempunyai jarak penginderaan tertentu dan biasanya dipakai untuk

mengenali benda ferrous dan non-ferrous.

15

Gambar 2.4 Saklar pengira

4. Sensor Photoelektrik/photocell

Seperti juga saklar pengira, sensor jenis ini juga mempunyai kepekaan terhadap sinar radiasi.

Dengan menggunakan sinar yang dipantulkan, sensor ini dapat mendeteksi adanya benda atau

sesuatu yang menghalangi jalannya sinar terpantul menuju sensor.

Gambar 2.5 Sensor Photoelektrik

Beberapa contoh sensor diatas adalah bekerja berdasarkan gelombang elektromagnetik

yaitu radiasi dan emisi sinar yang sangat sensitif. Sensor tersebut tergolong peralatan

optoelektronik yaitu merupakan teknologi yang memanfaatkan radiasi gelombang

elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar antara 0,3 milimikron sampai 0,75 mikron

(dari ultraviolet sampai infrared) yang secara luas diaplikasikan untuk sensor ( sensor

photoelektrik dan proximity), laser, photocell, light-emmiting diode dan serat optik (fibre

optics).

Prinsip kerja sensor untuk mendeteksi suatu benda/obyek terbagi dalam dua konfigurasi:

1. Konfigurasi gelombang tembus: konfigurasi ini menempatkan posisi transmiter

gelombang berhadapan dengan reciever gelombang dimana obyek/benda yang

akan disensor dilewatkan antara transmitter dan receiver.

16

Gambar 2.6 Prinsip kerja sensor Tembus

2. Konfigurasi gelombang pantul: konfigurasi ini memposisikan benda/target yang

akan disensor merupakan obyek pantul dari gelombang yang transmisikan oleh

transmitter untuk diterima oleh reciever.

Gambar 2.7 Prinsip kerja sensor pantul

2.2 Transduser

Definisi transduser adalah suatu alat yang mampu melakukan sensor dan merubah

sinyal yang disensor menjadi sinyal dengan besaran fisika yang lain. Gtransduser memiliki

kemampuan merubah atau mengkonversikan energi ke bentuk energi yang lain. Pemakaian

kata transduser selalu disamakan dengan sensor. Konstruksi utama sebuah transduser memiliki

transmitter

receiver

obyek

transmitter

receiver

17

elemen sensor dan elemen yang mengkonversikan besaran yang telah disensor menjadi

besaran (fisika/energi) lain. Gambar 2.8 secara diagram menunjukkan struktur transduser.

Gambar 2.8 Struktur transduser

Gambar 2.8 menjelaskan cara kerja sebuah transduser yang mampu merubah hasil sensor dari

suatu obyek yakni berupa besaran listrik menjadi besaran listrik yang lain berupa sinyal

tegangan dan kuat arus. Tabel 1.2 adalah klasifikasi jenis transduser/sensor.

Tabel 1.2 Jenis dan prinsip kerja transduser/sensor (Popovic dan Vlacic, 1999)

18

Beberapa contoh jenis dan penggunaan transduser:

1. Transduser resistif: digunakan untuk mengukur gerak linier dan putar,

mendeteksi kesalahan posisi dan mengukur gaya. Contoh kelompok transduser resistif adalah

potensiometer dan strain gages (Gambar 2.9). Cara kerjanya merubah nilai tahanan (besaran

elektris) dari bahan sensor menjadi besaran gaya atau perubahan jarak yang ditampilkan dalam

satuan mekanis.

(a) Potensiometer

(b) Strain gages

Contoh aplikasi strain gages ditunjukkan pada Gambar 2.10 yakni mendeteksi

perubahan/displacement atau regangan dan gaya pada bahan yang dikenai beban. Biasanya

dipasang lebih dari satu strain gages.

19

Gambar 2.10 Pemasangan strain gages

2. Transduser induktif: digunakan untuk mengukur perubahan gerak/displacement,

percepatan, tekanan dan gaya dengan mengkonversikan besaran dari medan magnet menjadi

besaran elektris. Contoh kelompok ini adalah LVDT (linier variable differential transformer).

Gambar 2.11 LVDT

(http://www.pages.drexel.edu/~pyo22/mem351-2004/lecture04/pp062-073lvdt.pdf)

3. Transduser piezoelektrik: memanfaatkan distribusi sifat kristal bahan yang

memliki ion positf dan negatif. Bahan yang dipakai untuk piezoelektrik adalah keramik dan

kaca/quartz. Transduser ini digunakan untuk mendeteksi dan menyensor gaya, regangan,

tekanan dan perubahan/displacement suatu obyek.

20

Gambar 2.12 Transduser piezolektrik

4. Transduser Temperatur: digunakan untuk mendeteksi dan mengukur besaran

temperatur. Prinsip kerjanya merubah besaran temperatur dalam bentuk perubahan nilai

tahanan, konduktifitas dan radiasi suatu bahan. Jenis transduser ini adalah termokopel, RTD,

termistor dan pirometer. Termokopel, RTD dan termistor memanfaatkan sifat tahanan dan

konduktifitas dari dua bahan logam yang bisa berubah-ubah akibat panas yang terdeteksi.

(a) Konstruksi RTD

(b) Termistor

21

(c) Termokopel

Gambar 2.13 Transduser RTD, termistor dan termokopel

Kelompok termokopel memiliki tipe aplikasi terhadap besaran temperatur yang akan

diukur.Di dalam praktek penggunaanya, tipe termokopel telah distandarkan dengan mengenali

warna konektor yakni hitam, merah, biru dan kuning yang menandakan rentang temperatur

yang bisa diukur oleh termokopel tersebut. Tipe termokopel ditunjukkan pada Tabel 1.3.

Tabel 1.3 Tabel pemilihan jenis termokopel

22

2.3 Analiser (Komponen penganalisa)

Sekali informasi diterima oleh sistem dari masukan saklar atau sensor, maka informasi

yang tercatat tersebut harus dianalisa dan diolah untuk mendapatkan suatu keputusan tentang

apa yang harus dikerjakan selanjutnya. Komponen analiser (penganalisa) yang banyak dijumpai

adalah :

1. Komputer (alat kontrol) : PLC (pengendali logika terprogram), minimum sistem, PC,

dan mainframe. Komputer disini termasuk operator (analyst), perangkat lunak dan

perangkat keras.

2. Mesin penghitung: mesin ini secara menghitung berapa jumlah produk yang telah

dihasilkan dari suatu proses produksi, tersusun dari sensor photoelektrik dan komputer

dan elektronik display.

3. Pembaca kode bar: kode bar merupakan label yang tertera pada kemasan luar

suatu produk yang memberikan banyak informasi tentang produk seperti nama dan jenis

produk, harga, nomer seri, tanggal pernbuatan dan lain-lain. Komponen ini tersusun dari

laser scanner, sensor photoelektrik dan dekoder.

Gambar 2.14 Contoh komponen analiser: mesin penghitung

2.3.1 Pengkondisian Sinyal dan Cara Kalibrasi Sensor/Transduser

Setiap sinyal keluaran yang ditangkap oleh sensor/transduser secara langsung harus

diproses menuju suatu tahapan respon berikutnya. sinyal analog sebagai sinyal input akan

diolah menjadi sinyal digital dalam proses outpunya. Sinyal tersebut kemungkinan terlalu lemah

Sensor: transmitter

Obyek: botol

Bentuk respon: sinyal digital

Mesin penghitung

Receiver

23

sehingga perlu dikuatkan (gaining) atau mungkin ada sinyal pengganggu (interference) yang

harus dihilangkan, kemungkinan pula muncul sinyal non-linier yang harus dilinierkan. Hal inilah

yang mengharuskan suatu sistem atau proses perlu tahap pengkondisian sinyal agar informasi

yang diperoleh bisa ditangkap secara akurat. Gambar 2.15 menunjukkan secara diagram balok

proses pengkondisian sinyal dari suatu masukkan sensor/transduser menuju suatu proses

pengukuran untuk menghasilkan keluaran yang berguna.

Proses pengkondisian sinyal atau disebut sebagai proses manipulasi sinyal bertujuan

menghasilkan nilai output yang bermanfaat serta mereduksi gangguan (noise) dari suatu

proses. Langkah pertama pengkondisian sinyal adalah tahap kalibrasi nilai analog menjadi nilai

digital dari suatu unit sensor/transduser yang digunakan untuk mengendalikan suatu proses.

Contoh kalibrasi pada termokopel adalah menggunakan kondisi analog temperatur

terendah yakni es dan temperatur tertinggi yakni kondisi analog air mendidih. Range atau

jangkauan temperatur yang akan diamati dari termokopel diukur dan dikalibrasi menjadi

besaran digital yang sepadan yakni temperatur 0 0C samadengan kuat arus 4mA sedangkan

temperatur 100 0C samadengan kuat arus 20 mA.

• Ice temperature: 0 oC (4 mA)

• Boiling water: 100 oC (20 mA)

Hasil kalibrasi ini menunjukkan bahwa rentang temperatur antara 0 – 100 0C diwakili

oleh sinyal dari besaran kuat arus antara 4 – 20 mA. Gambar 2.16 adalah termokopel yang

dikalibrasi dilengkapi alat pengkondisian sinyal yang terbaca berupa besaran arus listrik dalam

satuan miliampere.

Gambar 2.15 Pengkondisian sinyal

24

Gambar 2.16. Kalibrasi termokopel

Pada suatu sistem digital, pengkondisian sinyal memerlukan piranti yakni konverter ADC/DAC

yang akan dibahas di sub-bab 6, melalui proses pengantarmukaan atau interfacing yang

didukung oleh piranti operational amplifier (op-amp) sebagai piranti penguat sinyal pada proses

pengkondisiannya.

2.4 Aktuator

Setelah komputer menganalisa dari setiap kondisi yang diinputkan, maka selanjutnya

perlu adanya aksi atau tindakan. Suatu aktuator adalah komponen yang mengambil tindakan

dalam arti mempunyai pengaruh langsung pada proses. Komponen ini berfungsi

membangkitkan/mengaktifkan dan tidak membangkitkan/in-aktif (energised/de-energised)

suatu gerakan atau tindakan/aksi pada proses yaitu dirangkai langsung dengan beban atau

peralatan yang dikontrol seperti motor penggerak (drive) atau mekanisme akhir yang

digerakkan. Aktuator dapat dibagi dalam tiga kelompok yaitu:

1. Aktuator sistem mekanis: aktuator ini terpasang pada sistem mekanis yang

menghasilkan gerakan pada seluruh mekanisme. Contoh aktuator ini adalah

rangkaian rodagigi, rangkaian sabuk-pulley, rangkaian nok-as, dan mekanisme

batang penghubung.

Gambar 2.17 Aktuator Mekanis

25

2. Aktuator sistem hidrolis/pneumatis: rangkaian piston-silinder, jenis-jenis

katup dan mekanisme penggerak fluida.

3. Aktuator sistem elektris dan gabungan (eletromekanis): rangkaian penguat

operasional (op-amp), solenoid (koil magnetik) dan relay.

Beberapa contoh komponen aktuator ini adalah:

1. rangkaian roda gigi: rangkaian ini berfungsi mentransmisikan gerakan (energi mekanis)

putar ke mekanisme akhir yang digerakkan (driven). Penggunaan komponen ini sangat luas

di berbagai mesin-mesin produksi seperti mesin perkakas, mekanisme pemindah barang dan

lain-lain

Gambar 2.18 Rangkaian rodagigi

2. rangkaian silinder-piston : aktuator ini dapat memenuhi suatu aplikasi yang membutuhkan

gerakan linier (lurus) dan cepat. Contoh popular dari aktuator ini adalah silinder pneumatik

dan hidrolik.

(a) Rangkaian rodagigi sederhana

(b) Rangkaian rodagigi tersusun

(c) Rangkaian rodagigi planet

26

Gambar 2.18 Bentuk silinder pneumatis/hidrolis

3. solenoid: Solenoid adalah aktuator dengan prinsip kerja daripada medan magnit yang

dihasilkan dari arus listrik yang dialirkan melalui kumparan (coil). Timbulnya medan magnet

akan menarik spol core sehingga menghasilkan gerakan linier pendek membuka dan

menutup diafragma. Solenoid ini banyak diaplikasikan pada sistem hidrolik dan pneumatik

karena mempunyai aksi gerak linier yang cepat dan pendek terutama dalam pengontrolan

katup-katup.

Gambar 2.19 Konstruksi katup solenoid

(a) gerakan menutup (b) gerakan membuka

ke sumber tegangan listrik

+ -

fluida

27

4. Relay: Relay sebagai komponen aktuator berfungsi menghubungkan suatu rangkaian daya

atau masukan dengan suatu beban (suatu contoh beban adalah lampu atau motor).

Rangkaian relay ini tersusun dari solenoid atau kumparan yang beroperasi pada tegangan

rendah DC (arus searah) dan tegangan AC. Pada umumnya relay mempunyai dua jenis

yaitu secara normal terbuka (normally open) dan secara normal tertutup (normally closed).

Aktuator yang mempunyai prinsip kerja seperti saklar yang mempunyai susunan berupa

penghubung (contactor) arus dan kumparan yang merupakan pengendali relay dalam setiap

aksinya.

(c) relay

Gambar 2.20 Jenis Relay Gambar

2.5 Drives (Penggerak)

Fungsi daripada penggerak (drives) ini hampir sama dengan aktuator yaitu melakukan

aksi pada proses, tetapi penggerak mempunyai gerakan yang kontinyu dan gerakan rotasi

(khusus untuk motor listrik) maupun linier (khusus untuk motor hidrolik dan pneumatik)

sedangkan aktuator gerakannya singkat, tidak kontinyu (discrete motion) dan linier. Seksi

dibawah ini akan mengetengahkan tentang motor listrik, sedangkan motor hidrolik dan

pneumatik ditampilkan pada seksi pengenalan komponen hidrolik dan pneumatik.

(a) Normally open (b) Normally closed

28

2.5.1 Motor Listrik

Sebuah motor listrik adalah berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi

mekanik. Konstruksi sebuah motor listrik terdiri dari rotor yang merupakan bagian yang

bergerak (berputar) dan stator. Beberapa jenis motor listrik adalah:

Gambar 2.21 Contoh motor listrik

1. Motor stepper

Rotor pada motor stepper mempunyai magnet yang menyatu dengan poros

putar. Di sekeliling rotor terdapat kumparan-kumparan yang membuat medan

magnet yang berinteraksi dengan magnet permanen. lika arus listrik yang

melalui kumparan dihidup-matikan (on dan off) maka medan magnet akan

menyebabkan rotor berputar. Putaran motor ini bisa searah jarum jam dan

berlawanan arah jarum jam. lika motor tetap pada posisi hidup atau on,

maka rotor akan tetap diam pada posisinya (ini yang membedakan dengan

motor DC), agar rotor tetap berputar maka sekali lagi kumparan harus di-

29

on/off-kan. Motor stepper ini mudah dikendalikan dengan menggunakan

komputer digital sebab secara sederhana hanya meng-on/off-kan kumparan.

Aplikasi motor stepper di bidang automasi adalah pada gerakan robot, mesin

NC (numerically controlled), printer (mesin pencetak) dan umumnya

menerapkan sistem pengaturan loop terbuka (open loop control).

2. Motor servo

Salah satu contoh dari motor servo ini adalah motor DC (motor arus searah).

Perbedaan prinsip kerja motor servo dengan motor stepper adalah jika motor

servo ini dialiri arus listrik dari sumber tegangan maka rotor servo akan terus

berputar dan dengan mengubah polaritas tegangan maka arah putaran akan

berubah. Konstruksi dari motor ini tersusun dari lilitan kumparan pada rotor

dan batang magnet yang terpasang pada stator. Kecepatan putar motor

servo dipengaruhi oleh pembebanan, semakin besar beban yang diaplikasikan

semakin turun kecepatan putarnya. Suatu contoh adalah lengan robot yang

digerakan oleh motor servo, dimana saat mengangkat beban yang lebih berat

maka lengan robot akan mengalami penurunan kecepatan geraknya. Jika hal

ini dikontrol oleh komputer, komputer tidak akan tahu apa yang terjadi

kecuali pada motor servo tersebut dipasang suatu alat yaitu encoder. Encoder

disini berfungsi sebagai feedback (umpanbalik) untuk menjaga posisi

putarnya tetap pada lintasan putar (perubahan sudut tertentu yang tercatat).

Didalam setiap aplikasinya adalah suatu keharusan menerapkan pengendalian

loop tertutup (closed loop control).

3. Motor AC

Motor AC (alternating current) merupakan motor induksi dimana kumparan

rotor tidak menerima energi listrik secara langsung tetapi secara induksi dari

kumparan statornya. Jika kumparan stator ini dialiri arus listrik maka akan

timbul flux magnet yang mengakibatkan rotor berputar karena adanya

induksi magnet. Motor AC ini tidak menggunakan batang magnet seperti

pada motor DC, jadi hanya mamakai kumparan-kumparan pada rotor dan

motor. Kumparan stator berfungsi sebagai kumparan medan yang

membangkitkan medan magnit.

Mengenai motor listrik khususnya motor DC (arus searah) dibicarakan pada sub-bab 3 yang

mengetengahkan pengenalan dan prinsip kerja penggerak elektrik beserta pengendaliannya.

30

BAB 3. MOTOR LISTRIK (ELECTRIC MOTOR) 3.1 Konstruksi Motor Listrik

Semua motor listrik (lihat Gambar 3.1 klasifikasi motor listrik) mempunyai konstruksi

yang tersusun dari:

1. rotor: bagian motor yang berputar, terdiri dari konduktor, magnet permanen, lilitan

tembaga yang dihubungkan dengan cincin slip (geser);

2. armatur: sama dengan rotor tetapi tersusun dari kumparan kawat tembaga dimana

arus listrik dialirkan melalui komutator;cincin slip: bagian yang menyampaikan energi

listrik dimana tersusun dari pasangan cincin luar dan cincin dalam;

3. komutator: bagian yang berfungsi mengatur arah aliran arus listrik menuju

armatur/rotor;

4. bantalan/bearing/bushing: bagian yang menumpu rotor/armatur pada badan motor.

5. Badan motor/stator: bagian motor yang tidak bergerak/berputar, biasanya terdapat

magnet permanen disisi dalamnya yang meghasilkan medan magnet tempat atau

rumah armatur;

6. pengendali/kontrol motor: bagian yang berfungsi mengendalikan parameter gerakan

motor (kecepatan dan posisi poros/rotor, mengkonversikan sinyal AC ke DC atau

sebaliknya;

7. pengendalian frekuensi AC. Setiap jenis motor mempunyai kontrol yang berbeda-

beda. Kontrol motor tersusun dari rangkaian elektronik seperti kontaktor/relay,

kapasitor atau induktor (motor AC), sensor kecepatan dan posisi (motor servo),

armatur cahaya, armatur voltage control, field voltage control, pulse width

modulation (pwm),dan cycloconverter.

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu mendiskripsikan klasifikasi dan konstruksi motor listrik; 2. Pembaca mampu menjelaskan prinsip kerja dan cara pengaturan motor listrik; 3. Pembaca mampu memilih dan menentukan jenis motor listrik yang sesuai untuk

aplikasi/penggunaanya pada suatu sistem mekanis.

31

MOTOR DC

MOTOR MEDAN MAGNET PERMANEN

MOTOR MEDAN LILITAN

MOTOR AC

MOTOR UNIVERSAL

MOTOR SINKRON

MOTOR INDUKSI

MOTOR DC KOMUTASI

MOTOR SCR

MOTOR TIMING

MOTOR SERVO BRUSHLESS

MOTOR STEPPER

1. KONVENSIONAL 2. KUMPARAN BERPUTAR

1. LILITAN SERI 2. LILITAN SHUNT 3. LILITAN KOMPON

1. ROTOR MAGNET PERMANEN 2. KUMPARAN EKSITASI 3. FRAKSIONAL HP

1. ROTOR KUMPARAN 2. SANGKAR SQUIRREL 3. FASA SATU/SINGLE PHASE

1. ROTOR MAGNET PERMANEN 2. VARIABEL RELUKTANSI 3 HIBRID

Gambar 3.1 Klasifikasi motor listrik

3.2 Aplikasi dan model pengendalian Motor Listrik

Saat ini pengendalian gerakan (motion control) dari suatu sistem mekanis, terutama

pemanfaatan motor listrik, sangat dibutuhkan pada kebanyakan industri. Motor listrik adalah

sebuah alat yang mengkonversikan energi listrik menjadi energi mekanis untuk memutar

sebuah poros putar. Motor listrik , baik yang menggunakan tegangan listrik AC maupun DC,

adalah sebuah penggerak mula pada suatu sistem mekanis yang bersifat otomatik untuk

32

aplikasi pada mesin-mesin perkakas modern dan alat pemindah barang seperti mesin CNC,

robot, AGV, konveyor, mesin rolling, mesin milling, mesin cuci, pompa, dan lain-lain.

Gambar 3.2 Pengendalian motor listrik

Macam-macam kerja dari motor listrik dalam aplikasinya dibagi dalam tiga kelas yaitu:

1. Kerja Terus-menerus (continuous duty): biasanya digunakan untuk

penggerak mesin milling pada pabrik kertas, mesin perkakas, kompressor,

pompa sentrifugal dan kipas angin pendingin

2. Kerja singkat (short-time duty): digunakan untuk penggerak crane

pengangkat, penggerak katup, kontrol posisi pada mesin perkakas dan

beberapa alat rumah tangga (mixer, kipas angin, cd drive).

3. Kerja Terputus-putus (Intermitent duty): diaplikasikan pada alat-alat yang

kerjanyatergantung pada selang waktu tertentu seperti pada mesin press,

screwdriver, mesin bor dan mesin pemotong logam.

Gambar 3.3 Konstruksi Motor DC

33

Penggunaan motor listrik yang luas ini menerapkan suatu sistem kendali gerakan yang

disebut pengendalian secara elektronik seperti ditunjukkan pada diagram Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Diagram Pengendalian Motor listrik

Motor listrik yang dikendalikan adalah Dc dan/atau Ac dimana motor Dc ysng banyak dikenal

(dan akan dibicarakan pada seksi ini) adalah motor stepper dan servo . Sedangkan dari jenis

Ac adalah motor induksi dan motor sinkro. Beban atau keluaran dari motor listrik adalah

peralatan atau permesinan berupa kipas angin, pompa, robot, mesin cuci, mesin perkakas

(CNC), konveyor dan lain-lain. Biasanya beban tersebut dispesifikasikan berdasarkan kecepatan

dan torsi yang dikehendaki. Kecepatan dan torsi merupakan karakteristik dari sebuah motor

listrik. Modulator daya pada diagram pada Gambar 3.4 berfungsi membangkitkan daya yang

diperlukan oleh motor listrik selama beroperasi dan berfungsi mengkonversikan tegangan yang

dipakai dan fungsi yang ketiga adalah sebagai rangkaian saklar dimana pada saat-saat tertentu

operasi dari motor tersebut diatur. Unit Kontrol berfungsi mengendalikan modulator daya

sehingga memberikan fungsi sebagai pembangkit daya, konversi tegangan dan fungsi saklar.

Sumber tegangan adalah tegangan yang membangkitkan rangkaian pengendali motor listrik

secara elektonik diatas, dapat berupa tegangan AC maupun DC.

3.3 Prinsip Kerja Motor DC

Kebanyakan jenis motor dc (arus searah) adalah DC magnet permanen. Prinsip kerja

dari sebuah motor Dc adalah adanya medan magnit yang dibangkitkan oleh arus listrik pada

koil sehingga menyebabkan putaran pada armatur akibat perbedaan posisi kutub magnet

seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Sumber daya Modulator Daya Motor Listrik Beban atau Keluaran

Unit Sensing atau Pengindera: tachometer, accelerometer

Unit Kontrol

Masukkan atau Perintah

34

Gambar 3.5 Prinsip Kerja Motor DC

Gambar 3.5a menunjukkan dua magnet permanen dengan kutub utara (N) dan selatan (S),

kumparan kawat tembaga yang dihubungkan dengan sikat-sikat (brushes) dimana jika arus

listrik dialirkan menuju sebuah kumparan tembaga yang bersinggungan dengan sikat akan

timbul gerakan berputar pada kawat tersebut. Gerakan berputar kawat tersebut

dimanfaatkan dengan menambahkan bantalan (bearing) untuk suatu poros putar (disebut

rotor). Arah putar dari kumparan tergantung pada polaritas baterai (negatif dan positif) dan

arah dari garis gaya magnet dari magnet permanen. Sedangkan gambar 3.5b adalah

gambar rangkaian listrik yang menerangkan armatur dari motor DC pada kondisi mantap

(steady) dimana persamaan matematika untuk semua motor DC adalah:

V = E + R I

E = K ω φ = φ N

T = K I φ

K = V ω

Dengan:

V adalah sumber tegangan , volt

R adalah tahanan dari lilitan armatur motor , ohm E adalah tegangan eksitasi. Volt

I adalah arus listrik armatur, ampere ω adalah kecepatan armatur, Rad/detik

φ flux magnet per kutup, webers

K adalah konstanta motor

T adalah torsi motor, N.m

Τ dan ω

Vdc

Ρ

Ι

E

(a) (b)

35

N putaran motor, rpm

Susunan lilitan kawat (koil) pada prakteknya terdiri dari beberapa kumparan seperti

pada Gambar 3.6 .

Gambar 3.6 Susunan lilitan (koil) pada armatur

Semakin banyak jumlah susunan koil semakin halus motor berputar. Bagian akhir dari tiap

koil yang dihubungkan dengan sumber tegangan disebut komutator.

3.3.1 Pengendalian dan Karakteristik Motor DC Prinsip kerja:

- armatur berputar akibat dari adanya torsi yang disebabkan oleh aliran arus listrik pada

kumparan armatur dimana dilingkupi oleh medan magnet.

- kecepatan putaran dibatasi oleh besar electromotive force (gaya gerak listrik) saat armatur

bergerak di dalam suatu kuat medan magnet.

Sehingga metode/cara pengendalianya (kecepatan motor) sebagai berikut:

- mengendalikan besar arus listrik yang mengalir menuju kumparan armatur

- mengontrol kuat medan magnet

Karakteristik tiap jenis motor DC:

- Magnet permanen: variasi besar tegangan DC dialirkan menuju armatur melalui komutator

tetapi kuat medan magnet tidak bervariasi (konstan). Jenis motor ini hanya dapat

dikendalikan besar arus listriknya saja untuk menghasilkan lecepatan sesuai spesifikasi dan

arah putaran (bjj atau sjj) dikontrol dengan merubah kutup positif/negatif sumber

tegangannya. Torsi yang dihasilkan juga dibatasi oleh besar arus listrik yang bervariasi

(sesuai batas spesifikasi motor agar tidak terbakar!). tabel dibawah ini menunjukkan

hubungan besar tegangan yang diberikan dengan kecepatan dan torsi motor.

36

- liitan seri (series wound): armatur dan lilitan terhubung seri. Dengan merubah kutup

positif/negatif tegangan listrik maka tidak akan merubah arah putaran armatur. Arus

melewati lilitan menuju armatur dimana semakin kecil arus Dc semakin kecil pula arus

armatur. semakin rendah arus armatur semakin menurun kecepatan putarnya. Ketika kuat

medan magnet diperkecil maka kecepatan akan meningkat. Motor Dc jenis ini sulit

dikendalikan. Motor seri ini mempunyai karakteristik aplikasi dimana semakin tinggi beban

semakin berkurang kecepatan putarnya.

Gambar 3.7. Karakteristik motor DC lilitan seri

- lilitan shunt: armatur dan lilitan terhubung pararel. Jenis ini memberikan torsi yang sangat

rendah tetapi memberika pengaturan kecepatan yang baik. Kuat medan dan arus armatur

dapat dikendalikan secara terpisah. Arah putaran dapat dirubah dengan menukar kutup

positif/negatifnya. Karakteristik aplikasinya mempunyai kecepatan konstan meskipun

terdapat perubahan beban.

Gambar 3.8 Karakteristik lilitan shunt

- lilitan kompon: merupakan gabungan antara rangkaian jenis lilitan seri dan lilitan shunt

dimana kecepatan dapat dikendalikan melalui variasi resistan/besar tahanan pada rangkaian

shunt. Kecepatan putar terbatas dimana berkurangnya besar tahanan akan meningkatkan

Torsi

Kecepatan

Torsi

Kecepatan

37

besar arus pada rangkaian tetapi akan muncul gejala overheating yang dapat merusak

motor.

Gambar 3.9 Karakteristik lilitan compound

Pengendalian kecepatan motor DC:

RPM = Va – (Ia x Ra) / F Dengan:

RPM: kecepatan rotasi tiap menit Va: tegangan yang melintasi kumparan (armatur), volt Ia: Arus listrik pada armatur. ampere Ra: tahanan pada armatur, ohm F: kuat medan, fluks

Torsi output motor: T = K x F x Ia

dengan: T: torsi K: konstanta motor

Contoh perhitungan:

1. Diketahui sebuah motor DC untuk menggerakkan suatu beban dengan spesifikasi tegangan

kerja 200V, arus 10,5 A, putaran motor 2000 rpm dan tahanan armatur dan medan adalah

0,5 dan 400 Ω. Jika torsi diasumsikan konstan, tentukan putaran motor jika tegangan turun

menjadi 175V

Jawab:

Fluk magnet pada 200V = φ1 maka fluk magnet pada 175V:

φ2 = 175/200 x φ1 = 0,875 φ1

Selama torsi konstan: I2φ2 = I1φ1 maka kuat arus

I2 = 10,5/0,875 x I1 = 11,4 A

Tegangan kerja E1 = V1 – I1R1 = 200 – 10,5 x 0,5 = 195 V

E2 = V2 – I2R2 = 175 – 11,4 x 0,5 = 169,3 V

Sehingga putaran motor pada 175V : E1/E2 = φ1 N1/φ2 N2

N2 = 169,3/195 x 1/0,875 x 2000 = 1984,5 rpm

Torsi

Kecepatan

38

3.3.2 Tipe Motor DC : Motor DC biasa, Motor Servo dan Stepper

1.Motor DC Biasa

Untuk menghidupkan motor DC biasa secara manual adalah sangat sederhana yaitu

dengan memberikan arus listrik searah melalui sumber tegangan yang tersambung

dengan saklar S1 (on) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10a sehingga motor berputar.

Gambar 3.10 Pengendalian Gerakan Motor Dc Biasa

Sedangkan Gambar 3.10b memperlihatkan rangkaian yang tersusun dari sebuah

transistor dimana untuk menggerakkan motor, saklar S1 harus terbuka (off) sehingga

arus mengalir menuju transistor untuk mengerakkan motor. Transistor disini berfungsi

sebagai saklar penghubung. Jika dinginkan gerakan motor dengan arah yang

berlawanan, misalnya searah jarum jam atau berlawanan, maka tegangan yang

diberikan perlu diubah kutub positif dan negatifnya. Rangkaian penggerak untuk

merubah arah putar motor diperlihatkan pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Rangkaian Pengendali Arah Putar Motor Dc Biasa

Dimana gambar (a) menunjukkan rangkaian dengan dua saklar S1 dan S2 dan sumber

tegangan yang dihubungkan dengan masing-masing saklar. Jika diinginkan gerakan

putar searah jarum jam maka saklar S1 pada posisi tertutup (ON) dan saklar S2 tetap

terbuka (OFF). Jika saklar S2 tertutup (ON) dan saklar S1 terbuka (OFF) maka putaran

dari motor akan berubah arah berlawanan jarum jam. Dari rangkaian gambar 3.8 diatas

(a)Vd(b)

Transistor

(a) (b)

39

Motor DC Servo

Rangkaian kontrol

Roda Gigi

Potensiometer atau enkoder

Input atau perintah

Output posisi

yang perlu diingat adalah jangan menutup saklar S1 dan S2 bersamaan karena akan

menimbulkan hubungan singkat yang menyebabkan motor terbakar. Alternatif lain untuk

mengendalikan arah putaran motor dc ini ditunjukkan oleh gambar (b) dimana secra

manual jika saklar S1 dan saklar S3 ditutup (ON) sedangkan S2 dan S4 terbuka (OFF)

maka motor akan berputar searah jarum jam. Jika saklar S2 dan S4 ditutup (ON)

sedangkan S1 dan S3 terbuka (OFF) maka arah putar akan berlawana dengan jarum

jam. Sekali lagi jangan pernah menutup S1 dan S4 bersamaan atau S2 dan S3

bersamaan karena akan menyebabkan hubungan singkat.

2. Motor Servo

Motor servo tersusun dari motor listrik Dc biasa, rangkaian rodagigi, sebuah

potensiometer atau enkoder dan beberapa kontrol elektronik. Motor servo berputar pada

kecepatan yang berubah-ubah dimana kecepatan berputar lebih tinggi dari kecepatan

porosnya, dan dikopling pada rangkaian rodagigi yang mereduksi kecepatan dimana

kecepatan putar motor yang sangat tinggi tersebut dapat dimanfaatkan untuk tujuan

tertentu. Dengan direduksinya kecepatan motor maka torsi akan lebih meningkat. Torsi

adalah daya puntir (twisting) dari servo, Semakin tinggi torsi semakin besar beban yang

mampu digerakkan oleh motor servo ini. Motor servo mempunyai tiga kabel: kabel

power, ground dan kontrol. Kabel kontrol digunakan untuk mengirimkan sinyal posisi

dari poros output motor ke rangkaian pengendali (sistem kontrol). Suatu sistem kontrol

dc servo ditunjukkan pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12 Diagram pengendalian Dc Servo

Potensiometer (variabel resistor) dikopling dengan keluaran rodagigi. Nilai tahanan dari

potentiometer proporsional terhadap posisi poros keluaran DC servo ( 0 –1800 ). Nilai

tahanan ini digunakan oleh rangkaian kontrol untuk mengolah suatu sinyal error

(kesalahan) jika posisi yang dikehendaki tidak sama dengan posisi saat itu. Sinyal

kesalahan akan dicapai pada harga 0 jika posisi sama dengan yang dikehendaki. Jadi

posisi output akan selalu diumpanbalikkan ke rangkaian kontrol untuk membuat suatu

40

sinyal kesalahan bernilai nol. Jika perbedaan antara posisi aktual dan posisi yang

dikehendaki sangat jauh, maka motor DC servo akan berputar semakin cepat untuk

membawa perbedaan (sinyal kesalahan) ke harga nol. Kecepatan sinyal pengendalian

yang dikirimkan untuk menentukan posisi poros dinyatakan dengan lebar pulsa dalam

satuan milisecond (ms) atau microsecond (μs). Lebar pulsa ditentukan oleh pabrik

pembuat motor servo dimana masing-masing pembuat mempunyai spesifik harga yang

berbeda-beda. Kecepatan dan posisi dari motor servo dipengaruhi oleh pembebanan

yang diaplikasikan. Rangkaian pengendali jaringan tertutup yang tersusun dari elemen

umpan balik (enkoder dan potensiometer) akan merespon (membandingkan) posisi

keluaran dengan posisi yang diinputkan sehingga adanya pengaruh pembebanan pada

motor servo ini dikendalikan untuk menghasilkan posisi keluaran sesuai dengan yang

dikehendaki. Dengan menggunakan motor servo ini, sebuah motor DC akan

memberikan ketepatan posisi secara efektif.

3. Motor Stepper

Motor servo dan stepper, salah satu dari jenis motor Dc, dimana mempunyai

karakteristik aplikasi atau penggunaan yang berbeda dengan jenis motor dc biasa.

Perbedaan prinsip adalah kedua jenis motor tersebut tidak dapat berputar secara bebas

jika sumber tegangan diberikan kepadanya. Motor stepper atau motor langkah yang

mempunyai perilaku sangat berbeda dengan motor dc biasa. Motor stepper ini tidak bisa

berputar secara bebas saat diberikan arus listrik kepadanya. Untuk dapat berputar

diperlukan suatu rangkaian pengendali (driver). Gerakan berputar dari poros motor

stepper ini ditentukan dalam derajat per langkah (degrees per step). Hal lain yang

membedakan motor stepper dengan motor DC biasa adalah adanya kabel yang

berjumlah lebih dari empat dimana kabel dua yang pertama berfungsi sebagai kabel

power sedangkan sisanya berfungsi untuk pengendalian gerakan dalam urutan tertentu.

Derajat gerakan per langkah dari motor ini berkisar paling rendah 1,5 derajat, 1,8

derajat 15 hingga 90 per langkah. Motor stepper mempunyai karakteristik yang tidak

dimiliki oleh motor DC biasa yaitu torsi tertahan (holding torque). Torsi ini mengijinkan

motor stepper untuk berhenti pada posisi tertentu saat tidak berputar, sehingga dapat

diaplikasikan dimana mekanisme yang digerakkan oleh motor mungkin berhenti dan

bergerak saat gaya beraksi pada poros motor. Motor stepper mempunyai karakteristik

torsi yang tinggi pada kecepatan putar yang rendah. Prinsip kerja dari motor stepper

secara sederhana seperti Gambar 3.13.

41

rotor

1. KONVENSI

Gambar 3.13 Motor Stepper Diagram dari motor stepper pada Gambar 3.13 diatas tersusun dari rotor yang merupakan

sebuah batang magnet terpasang tepat ditengah-tengah dan stator A, B, C dan D yang dililit

oleh dua jaringan koil. Koil pertama (1st) melilit kutup C dan D sedangkan koil kedua (2nd) elilit

kutup A dan B. Masing-masing lilitan koil akan menghasilkan elektromagnet dengan kutup yang

berbeda. Jika dialirkan arus listrik pada tiap-tiap koil maka kutup A, B ,C dan D timbul medan

magnet yang akan menggerakan rotor. Secara bergantian medan magnit timbul pada masing-

masing kutup misalnya koil pertama dialiri arus listrik maka kutup C dan D timbul medan

magnet dan menarik rotor untuk menempatkan kutupnya berlawanan dengan kutup C dan D.

Begitu juga jika koil kedua dialiri arus listrik maka kutup A dan B menghasilkan medan magnet

yang akan menarik rotor pada posisinya. Rotor dalam hal ini bergerak 900 per step dan setiap

satu putaran terdapat empat step. Untuk gerakan atau langkah yang lebih rendah (misalnya

150) maka perlu susunan stator dengan jumlah delapan seperti tampak pada Gambar 3.14.

Gambar 3.14 Limabelas derajat per step

42

Gambar 3.14 adalah stator dan rotor motor stepper yang tersusun dari delapan stator A, B,C,

D, E, F, G dan H dimana rotor berputar setiap langkah (step) sebesar 150 . Jadi ketelitian

langkah (step) ditentukan oleh konstruksi dari motor terutama penempatan gigi rotor dan

distribusinya dan juga keseragaman celah antara koil pada stator.

3.4 Model Pembebanan pada Motor Listrik: Tinjauan Mekanis

Dinamika dari suatu penggerak listrik atau motor listrik melalui beberapa sistem transmisi daya,

dimana saat motor berputar maka beban yang dikenakan mungkin bergerak rotasi dan/atau

translasi. Sistem pembebanan pada motor dapat dijelaskan melalui Gambar 3.15.

Gambar 3.15 Persamaan Sistem Pembebanan Motor

Sistem pembebanan motor diatas dapat digambarkan dengan persamaan dasar torsi:

T – Tl = d/dt (J ωm) = J dωm/dt + ωm dJ/dt………….. (1)

Dengan:

T = torsi yang dihasilkan oleh motor, N.m

Tl = torsi pembebanan pada poros motor, N.m

ωm = kecep[atan sudut sesaat dari poros motor, rad/detik

J = momen inersia polar dari sistem pembebanan motor mengacu pada poros motor,

kg.m2

Jika penggerak dengan momen inersia yang konstan (dJ/dt) = 0 maka Persamaan (1) menjadi

T = Tl + J (dωm/dt) ……………………………………… (2)

Torsi yang dihasilkan dari motor T adalah ekuivalent dengan torsi beban Tl dan torsi dinamik J

(dωm/dt) dimana torsi dinamik ini muncul hanya saat motor berputar atau beroperasi. Untuk

menghasilkan percepatan gerak dari poros motor, maka T harus melebihi Tl jika kurang dari Tl

maka motor akan mengalami perlambatan. Jadi torsi pembebanan pada poros motor melawan

(counter balanced) besar torsi yang dihasilkan oleh motor.

Motor Beban

T ωμ

Τλ

poros

43

3.4.1 Beban dengan Gerakan Rotasi

Sebuah motor DC menggerakkan dua beban, dimana salah satu beban (T1) dikopling

langsung dengan poros motor dan beban yang lainnya (T2) dihubungkan dengan sebuah roda

gigi dengan jumlah gigi N1 dan N2 seperti pada Gambar 3.16.

Gambar 3.16 Beban dengan gerakan rotasi

Momen inersia motor dan beban B1 sebesar J0, kecepatan motor dan torsi yang secara langsung

dikopel beban adalah ω1 dan Tl1. Momen inersia, kecepatan dan torsi dari beban B2 yang

dikopel melalui roda gigi adalah J1 , ω2 dan Tl2 maka didapat:

ω1/ω2 = N1/N2 = a1 = rasio jumlah gigi…………… (3)

Jika kerugian transmisi diabaikan maka total energi kinetik sepanjang inersia harus samadengan

energi kinetik dari beban atau bagian yang bergerak, sehingga

½ Jω12 = ½ Jo ω1

2 + ½ J1ω22 ……………………….. (4)

(1) dan (2) didapat J = J0 + a12 J1 …………………………………………… (5)

Daya pada beban-beban dan motor harus sama. Jika efisiensi transmisi dari rangkaian rodagigi

sebesar ηl maka,

Tl ω1 = Tl1ω1 + Tl2ω2 / ηl …………….…………………………..….. (6)

dimana Tl adalah total torsi pada poros motor. Dari persamaan (3) dan (6) didapat:

Tl = Tl1 + a1Tl1/ηl …………………………………………………….… (7)

Jika terdapat sejumlah beban sebanyak m yang dikopel langsung dengan motor yang

mempunyai inersia J0 maka beban-beban tersebut mempunyai momen inersia J1, J2 , J3 …, Jm

dan rasio jumlah gigi a1, a2, a3,…..am maka

J = J0 + a12J1 + a2

2J2 + a32 J3 +……+am

2Jm …………….…… (8)

Jika sejumlah m beban dengan torsi Tl2, Tl3 ….Tlm dikopel melalui rodagigi dengan rasio gigi a1,

a2,…..am dan efisiensi transmisi η1, η2, ……ηm maka

Tl = Tl1 + a1Tl2/η1 + a2Tl3/η2 + ……+ amTlm/ηm

Motor DC Beban B1

Beban B2

Ν1

Ν2

ϑ0

ω1

ω2

ω1 Τλ

Τλϑ1

44

3.4.2 Beban dengan Gerakan Translasi-Rotasi

Pertimbangkan sebuah motor yang menggerakkan dua beban, satu beban Tl0 dikopel

secara langsung dengan poros motor dan yang lainya melalui sebuah sistem transmisi yang

mengkonversikan gerakan rotasi kedalam gerakan linier seperti pada Gambar 3.17.

Gambar 3.17 Pembebanan dengan gerakan translasi dan rotasi

Moment inersia dari motor dan beban yang dikopel langsung dengan poros motor adalah J0,

torsi beban yang dikopel dengan motor adalah Tl0 dan massa, kecepatan dan gaya dari beban

yang bergerak translasi adalah M1 (kg), v1 m/detik, dan F1 (Newton). Jika kerugian transmisi

diabaikan maka total energi kinetik harus sama dengan energi kinetik dari berbagai bagian yang

bergerak, sehingga didapat

½ Jω12 = ½ J0ω1

2 + ½ M1v12 atau

J = J0 + M1 [v1/ω1]2 …………………………………………………….. (9)

Daya pada motor dan beban harus sama atau ekuivalen jika diketahui efisiensi transmisi η1

sehingga

Tlω1 = Tl0 ω1 + F1v1/η1

Tl = Tl0 + F1/η1 [v1/ω1]…………………………………………..…… (10)

Jika terdapat tambahan beban sejumlah m yang dikopel secara langsung dengan poros motor,

dengan gerakan translasi dengan masing-masing kecepatan v1, v2, ….vm dan massa M1, M2, ….,

Mm maka

J = J0 + M1 [v1/ω1]2 + M2[v2/ω1]2 +…… + Mm[vm/ω1]2…………..…….. (11)

Dan Tl = Tl0 + F1/η1[v1/ω1] + F2/η2 [v2/ω1] + …..+ Fm/ηm [vm/ω1]…………..… (12)

Contoh Perhitungan

1. Sebuah motor menggerakkan dua beban. Salah satu beban bergerak rotasi dan dikopel

langsung dengan motor melalui sebuah rodagigi reduksi dengan rasio jumlah gigi a = 0,1

dan efisiensi transmisi 90%. Beban tersebut mempunyai momen inersia sebesar 10 kg.m2

dan torsi sebesar 10 N.m. Beban yang kedua mempunyai gerakan dengan massa 1000 kg

V1

Motor DC Beban Tl0

ϑ0

ω1 Transmisi rotasi ke linier

Massa M1 dan Gaya F1

ω1

45

yang akan diangkat keatas pada suatu kecepatan yang sama sebesar 1,5 m/detik. Kopling

antara beban ini dan motor mempunyai efisiensi transmisi 85%. Motor mempunyai inersia

sebesar 0,2 kg.m2 dan bergerak pada kecepatan konstan sebesar 1420 rpm. Tentukan total

inersia dari poros motor dan daya yang dihasilkan oleh motor.

Jawab:

Diketahui: J0 = 0,2 kg.m2, a1 = 0,1, J1 = 10 kg.m2, v1= 1,5 m/det dan ωm = 1420 x π/30

= 148,7 rad/det maka

Total momen inersia terhadap poros motor:

J = J0 + a12J1 + M1[v1/ω1]2

J = 0,2 + (0,1)2 x 10 + 1000 [1,5/148,7]2 = 0,4 kg.m2

Daya yang dikeluarkan motor adalah sebesar total torsi pembebanan pada poros motor:

Tl = a1Tl1/η1 + F1/η1 [v1/ω1]

Tl = 0,1 x 10/0,9 + 1000 X 9,81/0,85 [1,5/148,7] = 117,53 N.m

Istilah-istilah : - Step Angle (motor stepper): gerakan angular secara inkremen dari poros motor

yang berputar setiap waktu saat koil dibangkitkan (dialiri arus listrik)

- Step per revolution (motor stepper) : jumlah total langkah untuk memutar poros

motor 3600

- Coupling: konektor mekanis yang menyambungkan poros motor dengan peralatan

yang digerakkan

- Conductor: suatu bahan seperti tembaga atau aluminium yang bersifat

menghantarkan arus listrik, dimana sifat bahan ini mempunyai tahanan yang rendah

(lawan kata: Resistor)

- Momen inersia: merupakan hasil perkalian antara berat dari suatu benda yang

berputar pada radius tertentu, satuannya kg.m2

- Torsi: merupakan perkalian antara berat suatu benda yang membebani suatu poros

dengan panjang poros tertentu, satuannya N.m

46

3.5 Sumber Daya untuk Penggerak Sistem Mekanis

Dalam memenuhi suplai daya untuk menggerakan sistem mekanis diperlukan sumber

daya yakni energi listrik. Energi listrik secara langsung memberikan kombinasi antara sistem

mekanis dan elektris di bidang rekayasa mesin/alat. Sumber listrik yang paling praktis adalah

baterai, baik baterai kering maupun basah. Gambar 3.18 menunjukkan rangkaian baterai seri

dan pararel yang menghasilkan ukuran tegangan dan arus yang bisa divariasikan sesuai

kebutuhan daya yang akan diaplikasikan sebagai penggerak sistem mekanis.

Gambar 3.18 Rangkaian seri dan pararel pada baterai

Untuk menghasilkan efisiensi pemakaian daya maka perlu dihitung berapa daya yang

akan dihasilkan dengan daya yang disuplai sesuai Persamaan berikut.

Dengan efisiensi yang bisa dihitung:

Untuk menjalankan sebuah motor listrik yang diketahui konstanta kecepatan (Kv) dan

konstanta torsi (Kt) maka:

47

BAB 4. PENGENALAN TEKNIK DIGITAL

4.1 Sistem Bilangan Biner, Oktal dan Heksadesimal

Membicarakan tentang teknik digital tidak bisa lepas dari pemahaman aljabar Boolean

yang menggunakan sistem bilangan biner sebagai operator matematikanya. Bilangan biner

(binary digits) adalah bilangan yang menggunakan dua operasi logika misalnya suatu keadaan

benar atau salah, high atau low. Operasi logika ini menggunakan angka biner 0 dan 1 untuk

mewakili dua keadaan, misal : suatu keadaan benar diwakili dengan 1, keadaan salah diwakili

dengan 0, kondisi high diwakili dengan 1, kondisi low diwakili dengan 0. Sedangkan bilangan

heksadesimal (Hex numbers) adalah merupakan penyederhanaan penulisan daripada bilangan

biner. Sistem bilangan biner dan heksadesimal inilah yang merupakan kode-kode mesin yang

dipahami oleh komputer (sistem digital) dalam menjalankan kerjanya atau semua

instruksi-instruksi. Kode-kode mesin berbasis angka biner tersebut dikembangkan dan dikenal

dengan bahasa assembler (lihat Lampiran 2). Tabel 4.1 menunjukkan konversi persamaan

nilai antara bilangan desimal, biner, heksadesimal dan oktal.

Tabel 4.1 Sistem Bilangan

Desimal(10) Biner(2) Heksadesimal(16) Oktal(8)

0 0000 0 0

1 0001 1 1

2 0010 2 2

3 0011 3 3

4 0100 4 4

5 0101 5 5

6 0110 6 6

7 0111 7 7

8 1000 8 10

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu mendeskripsikan pengertian sistem digital dan analog; 2. Pembacamampu menjelaskan teknik digital dan definisi gerbang logika; 3. Pembaca mampu menguraikan konversi sistem bilangan biner ke sistem bilangan yang

lain.

48

9 1001 9 11

10 1010 A 12

11 1011 B 13

12 1100 c 14

13 1101 D 15

14 1110 E 16

15 1111 F 17

4.1.1 Konversi Sistem Billangan

1. Konversi dari bilangan desimal ke biner

Untuk diketahui bahwa bilangan biner merupakan bilangan dasar dua yang

menganut aturan sebagai berikut: 2 n ... 2 5 ,2 4 ,2 3 ,2 2 ,21, 20. Jadi untuk mengkonversikan

bilangan desimal menjacli biner diadakan pernbagian bilangan desimal dengan 2 secara

terus-menerus dan sisi dari pernbagian tersebut diurutkan seperti contoh dibawah ini.

Ubahlah 14 menjadi biner:

14 : 2 = 7 sisa 0

7 : 2 = 3 sisa 1

3 : 2 = 1 sisa 1

1 : 2 = 1

diurutkan sesuai anak panah didapat biner = 11102

2. Konversi bilangan biner ke desimal

Sesuai aturan dari bilangan biner diatas maka untuk merubah bilangan biner kedalam desimal

adalah dengan mengalikan bilangan biner tersebut sesuai posisi angka biner dengan aturan dua

pangkat diatas dan hasilnya kemudian dijumlahkan.

Ubahlah 1010 menjacli desimal (tanpa melihat tabel 3.1 sistern bilangan):

10102 = (I x 2 3) +(0 x 2 2) + (I x 21) + (0 x 20) = 10 10

contoh lain:

1001012 = (1 x 2 5)+(o x24)+(O x 2 3)+(l x 2 2)+(o x 21)+(l x20) = 32+0+0+4+0+1

=3710

3. Konversi desimal ke heksadesimal

Heksadesimal mempunyai aturan sebagai berikut : 16 n ... 256, 16, 1

16n ...,162 , 161, 160

Jadi untuk mengkonversikan bilangan desimal menjadi heksadesimal dilakukan dengan

pembagian terus-menerus dengan aturan hekadesimal dengan bobot bilangan yang sesuai.

Ubahlah 122610 menjadi heksadesimal: (lihat tabel sistern bilangan)

49

1226 : 256 = 4 sisa 202 (4 berada dalam heksadesimal)

202 : 16 = 12 sisa 10 (12 adalah C heksa dan sisa 10 = A sistem

bilangan heksadesimal), jadi 122610 = 4 CA 16

4. Konversi heksadesimal ke desimal

Untuk merubah heksadesimal edalam sistem bilangan desimal maka harus diurutkan

tiap angka atau digit dari heksadesimal dengan posisi sistem desimal, dan kemudian masing-

masing dikalikan dengan aturan heksadesimal yang hasil akhirnya dijumlahkan.

Ubah 4CA 16 menjadi bilangan desimal:

4 : 4 x 256 = 1024

C : 12 x 16 = 192

A : 10 x 10 = 10

1024 + 192 + 10 = 122610

5. Konversi sistem bilangan Oktal ke desimal

Sistem bilangan oktal merupakan dilangan dasar delapan yang saat ini jarang digunakan

lagi dimana masing-masing digit oktal diartikan dalam tiga angka biner (3 bit). Bilangan oktal

mempunyai urutan aturan:

8n......,83 , 82 , 81, 80

8n......512, 64, 8, 1

Konversi oktal ke dalam sistem desimal adalah dengan mengalikan bil. oktal dengan bilangan

pada aturan urutan yang posisi digitnya sesuai dan kemudian hasilnya dijumlahkan.

contoh: 4158 =..........10

4 x 82 + 1 x 81 + 5 x 80 = 2 6 910

6. Konversi sistem bilangan desimal ke oktal

Pengubahan bilangan desimal ke oktal adalah dengan pembagian bilangan desimal

tersebut dengan delapan hingga dimana hasil bagi akhir dan sisa pembagian diurutkan.

contoh: 49810 = .........8

498 : 8 = 62 sisa 2

62 : 8 = 7 sisa 6

Jadi 49810 = 7 6 28

7. Konversi biner ke dan dari heksadesimal (lihat tabel 4.1 sistem bilangan)

Pengkonversian biner ke dan dari bilangan heksadesimal adalah yang terpenting dalam

memahami bahasa mesin (machine codes) pada suatu mikro komputer/sistem digital. Bilangan

biner umumnya diproses dalam kelompok 8 bit (misainya 10011010), satu kelompok yang

terdiri dari 8 bit ini dikenal dengan satuan byte. Umumnya memori dalam mikrokomputer

50

dinyatakan dalam satuan byte (kilobyte, megabyte) ini. Konversi biner 10011010 adalah 9A

dalam heksadesimal. Jadi memudahkan pembacaan data atau informasi oleh memori.

4.2 Pengertian Dasar Digital: Pengenalan Gerbang Logika

Teknik digital dilihat dari bahasanya adalah pengunaan salah satu dari dua keadaaan

misainya 0 atau 1, tinggi atau renclah, benar atau salah, ON-OFF. Digital merupakan proses

masukan (sinyal-sinyal biner) dan keluaran yang diolah komputer (mikroprosesor atau

Integrated circuits (IC) digital) dalam bekerja melakukan fungsinya.

Operasi dasar logika didalam teknik digital ada lima yaitu yang disebut dengan logic

gate atau gerbang logika sebagai berikut:

1. Logika AND

Ada dua masukkan A dan B dimana keduanya akan menghasilkan keluaran bernilai benar atau I

jika masukan A dan B juga bernilai benar atau 1.

Input Output

A B Y

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Gambar 4.2 Rangkaian analog dan tabel kebenaran logika AND

51

Prinsip kerja AND adalah dapat diterangkan dengan rangkaian analog saklar dimana jika

menghendaki lampu Y (atau motor, relay dan beban lain) berputar (bernilai 1) maka saklar A

dan B harus tertutup, keduanya bernilai 1. Disini saklar A dan B sebagai masukkan dan lampu Y

sebagai keluaran.

2. Logika OR

Ada dua masukkan A atau B dimana jika salah satu atau keduanya dari input tersebut bernilai 1

maka akan menghasilkan keluaran yang bernilai I (benar).

Input Output

A B Y

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Gambar 4.2 Rangkaian analog saklar dan tabel kebenaran logika OR

Masukan

A

B

Y Keluaran

A.B = Y

52

Simbol dan persamaan Boolean sebagai berikut:

Jika saklar A atau B terbuka, keduanya bernilai biner 0, tidak ada sinyal yang diinputkan menuju

lampu Y (atau motor, relay, solenoid dan beban lainnya). Sekarang dikehendaki lampu Y

menyala maka salah satu atau kedua saklar A dan B harus dalam keadaan tertutup, jadi sinyal

biner bernilai 1 artinya output bernilai benar bahwa lampu Y menyala sesuai yang dikehendaki.

3. Logika NOT

Gerbang operator NOT merupakan pembalik (inverter) dari suatu nilai yang diinputkan. Jika A

bernilai 1 (logika benar) diinputkan maka keluaran hasilnya 0 (logika salah).

Input Output

A Y

1 0

0 1

Gambar 4.3 Rangkaian analog dan tabel kebenaran NOT

53

Jika saklar A terbuka (bernilai 0) maka motor M akan berputar, sebaliknya jika saklar A tertutup

(dalam keadaan aktif atau 1) maka motor tidak berputar (tentunya akan terjadi hubungan

singkat pada rangkaian tersebut). Adalah keluaran benar untuk motor berputar dan salah jika

tidak berputar.

4. Logika NAND (kombinasi (NOT dan AND)

Merupakan gerbang AND diikuti NOT. Telah diketahui bahwa operasi NOT merupakan pembalik

(inverter) dari suatu nilai logika biner yang diinputkan. Jadi operasi NAND merupakan hasil

output dari AND yang diinputkan kedalam operasi NOT sehingga dihasilkan keluaran yang

dibalik. Tinjau kembali tabel kebenaran logika AND diatas dimana outputnya bernilai 0 0 0 1,

karena mengalami pembalikan oleh operator NOT maka gerbang logika NAND menghasilkan

output 1 1 1 0.

Input Output

A B Y

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Gambar 4.4 Rangkaian analog saklar dan tabel kebenaran NAND

54

Simbol dan persamaan Boolean dari logika NAND adalah sebagai berikut:

5. Logika NOR (kombinasi NOT-OR)

Logika NOR ini merupakan pembalik dari gerbang OR. ladi dari tabel kebenaran OR diatas

dimana logika outputnya adalah 0 1 1 1 didalam gerbang NOR ini logika outputnya menjadi 1

0 0 0.

Input Output

A B Y

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

Gambar 4.5 Rangkaian analog dan tabel kebenaran logika NOR

55

Simbol dan persamaan gerbang NOR adalah:

Dari lima dasar operasi logika yang berupa gerbang AND, OR, NOT, NAND dan NOR

yang dipresentasikan dalam aljabar Boolean untuk memanipulasi bilangan biner maka

pernahaman teknik digital lebih lanjut adalah merupakan kombinasi atau gabungan dari lima

gerbang logika tersebut. Semua komponen digital atau rangkaian IC digital dan mikroprosesor

adalah tersusun dari rangkaian gerbang-gerbang logika dalam jumlah yang sangat banyak dan

rumit.

Saat ini perkembangan teknologi digital sangat pesat terutama untuk aplikasi pengendalian

otomatik seperti dijumpai pada komputer. Alasan utama yang mendasari pemanfaatan

teknologi digital adalah:

1 sistem digital lebih mudah dirancang dengan sedikit komponen seperti IC

digital dan mikroprosesor;

2 ketepatan dan ketelitian yang tinggi terhadap perhitungan dan analisa data;

3 penyimpanan informasi atau data mudah dilakukan untuk periode tertentu

atau kapanpun;

4 operasinya dapat dengan mudah diprograrnkan (kelemahan: sangat rumit

dengan tingkat kompleksitas yang tinggi).

Kelemahan sistem digital adalah karena dunia nyata sesungguhnya merupakan sistem analog

sehingga diperlukan pendekatan secara digital untuk suatu besaran yang sebenarnya analog.

Hal ini dapat diatasi dengan menggunakan suatu pengubah dari analog ke digital dan

sebaliknya dari digital ke analog. Alat pengubah ini disebut ADC (analog to digital converter)

dan DAC (digital to analog converter).

56

4.3. Konversi Sinyal Analog-to-Digital (AD) dan Digital-to-Analog (DA) Kondisi aktual yang bisa ditangkap di alam raya ini bersifat analog yakni bisa diukur

dengan besaran-besaran fisika. Komponen sensor dan transduser yang telah di bahas di sub-

bab 2 adalah berfungsi mengukur besaran analog dan mengolahnya menjadi besaran digital

dan dirubah kembali menjadi besaran fisika analog yang terukur dan dapat diamati. Perubahan

sinyal analog ke digital dan sebaliknya dari digital ke analog lagi diperlukan komunikasi alat

yang disebut pengantarmukaan alat atau interfacing. Pengantarmukaan alat melibatkan sinyal

analog listrik yakni arus dan tegangan listrik. Gambar 4.6 secara diagram menjelaskan

perbedaan antara perubahan input analog dirubah digital (ADC) dan input sinyal digital dirubah

menjadi analog (DAC).

(a) ADC (b) DAC

Gambar 4.6 Skema piranti konverter ADC/DAC

Kedua konverter tersebut digunakan bersama-sama untuk mengkondisikan dan mengolah sinyal

dari komponen sensor dan transduser pada sistem digital. Rangakain ADC/DAC selalu

dikombinasi dengan alat kontrol atau komputer dengan cara interfacing yang secara diagram

ditunjukkan pada Gambar 4.7. Perubahan sinyal digital ke analog lebih mudah dan cepat

daripada perubahan sinyal analog ke digital.

Gambar 4.7 Skema interfacing ADC/DAC dengan alat kontrol/komputer

57

Kemampuan pengkondisian sinyal ADC/DAC tersebut ditentukan oleh resolusi yang dinyatakan

dengan angka biner dengan satuan kemampuan resolusi bits, bytes/ Kb, Megabytes/Mb dan

gigabyte (Gb) yang merupakan tolok ukur unjuk kerja suatu sistem digital. Contoh aplikasinya

adalah mengendalikan tingkat fluida di dalam tangki tertutup yang ditunjukkan pada Gambar

4.8.

Gambar 4.8 Sistem pengaturan digital untuk tingkat ketinggian fluida di dalam tangki

Prinsip kerjanya hampir sama dengan proses kalibrasi sensor/transduser. Komponen

ADC memiliki kemampuan 10 bit (10 deret bilangan biner) yang akan memberikan kondisi

ketinggian fluida di dalam tangki dengan membagi keluaran biner mulai kombinasi 0000000000

= 0 feet (yang menginformasikan tangki kosong) hingga 1111111111 = 40 feet (tangki sudah

penuh). Kombinasi 10 bit tersebut mampu memberikan kondisi terukur dengan rentang sebesar

1024 skala level pengukuran (210 = 1024). Komponen transmitter adalah sebuah transduser

floating yang mendeteksi perubahan ketinggian fluida di dalam tangi (mirip dengan kondisi

analog sistem pengukuran isi bahan bakar di dalam tangki, apakah sudah kosong atau masih

penuh) yang terpasang di kendaraan bermotor. Dari contoh ADC , unjuk kerja sistem digital

dikatakan sempurna jika respon frekuensi terhadap waktu adalah sangat cepat yang diamati

melalui grafik seperti pada Gambar 4.9, yakni sinyal analog hampir sama resolusinya dengan

keluaran digital (gambar a).

58

(a) respon input-output ADC optimal

(b) respon input-output ADC sangat lamban

Gambar 4.9 Contoh grafik respon input-output ADC

Sedangkan gambar (b) menunjukkan respon lambat tetapi masih dalam batas normal. Lemah

kuatnya sinyal terhadap respon perubahan dapat distabilkan dengan rangkaian op-amp yang

kan di bahas di sub-bab 5. Hasil tampilan grafik pada Gambar 4.9 dilakukan menggunakan

piranti data akuisisi atau oscilloscope yang merekam setiap waktu terhadap perubahan proses

secara dinamis. Jadi semakin tinggi jumlah bit/byte maka resolusi perubahan dan kecepatan

respon proses terhadap waktu semakin optimal.

Istilah-istilah:

1. Bit: merupakan singkatan dari binary digits, yaitu angka biner 1 dan 0

2. Byte: merupakan satuan yang samadengan 8 bit.

3. Sinyal Digital: sinyal atau pulsa yang akan menunjukan I dan 0 pada suatu rangkaian

digital yang diamati melalui alat ukur osiloskop (tampak seperti gelombang sinusoidal

persegi dengan nilai max/min diwakili biner I dan 0)

4. Sinyal analog: sinyal dari suatu rangkaian analog yang ditunjukkan dengan harga tegangan

(misainya +12 volt) .

5. ADC/DAC: suatu alat/komponen yang berfungsi mengkonversikan sinyal analog ke digital

dan dari sinyal digital ke analog pada sistem digital.

59

BAB 5. PENGENALAN TEKNOLOGI MIKROELEKTRONIKA

Bahan-bahan elektronik secara umurn diklasifikasikan dalam tiga kategori yaitu:

insulator, konduktor dan semikonduktor. Parameter utama yang digunakan untuk

membedakan ketiga material elektronik adalah nilai resistivitasnya. Resistivitas atau hambatan

jenis (p) adalah sifat kernampuan suatu bahan dalam menghantarkan arus listrik. Semakin

tinggi nilai resistivitas suatu bahan maka semakin tinggi hambatan listriknya. Insulator

mempunyai nilai resistivitas diatas 105 Ohm.cm, sedangkan bahan konduktor mempunyai nilai

dibawah 10-3 Ohm.cm. Semikonduktor mempunyai resistivitas diantara 10-3 ohm.cm dan 10-5

ohm.cm. Bahan elektrik yang termasuk semikonduktor ini adalah silicon (Si), germanium (Ge),

Phosporus (P) dan Boron (B). Teknologi mikroelektronik dewasa ini merupakan pengembangan

semikonduktor khususnya silicon. Suatu contoh komponen mikroelektronik adalah IC

(integrated circuit) dan mikroprosesor. Rangkaian Terinterigrasi (IC) dibuat dengan teknologi

khusus seperti MOS (metal Oxide Semiconductors). Contoh-contoh komponen mikroelektronik

ini adalah jenis-jenis transisitor, mikroprosesor, IC OP-AMP (operational amplifier), IC A/D

(analog to digital Converter, D/A Converter) dan rangkaian terpadu lainya.

5.1 Integrated Circuit (IC): Rangkaian Terpadu

IC digital atau rangkaian terpadu adalah suatu rangkaian digital yang tersusun dari

gabungan elemen-elemen elektronika seperti resistor, kapasistor dan transistor yang sangat

komplek dalarn ukuran kecil dan kepadatan yang tinggi. Didalam suatu IC yang berukuran kecil

itu diterapkan suatu rangkaian logika yang telah kita kenal (AND, OR, NOT, NAND dan NOR)

sehingga IC merupakan komponen yang mempunyai banyak kegunaan pada bidang elektronika

digital. Sebuah IC mempunyai kaki-kaki (pins) yang bernomor urut. Setiap kaki mempunyai

fungsi yang sudah ditentukan. Pemilihan IC untuk aplikasi tertentu ditandai dengan angka atau

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu menjelaskan fungsi dan cara kerja IC; 2. Pembaca mampu menjelaskan rangkaian IC penguat operasional (IC Op-amp) dan

fungsinya; 3. Pembaca mampu menjelaskan peralatan utama untuk uji laboraturium teknologi

mikroelekatronika; 4. Pembaca mampu mendeskripsikan fungsi dan cara kerja mikroprosesor; 5. Pembaca mampu mendeskripsikan fungsi dan prinsip kerja komponen mikroelektronika

pada sistem digital yakni komputer, mikro komputer dan PLC.

60

kode seperti IC7408, 748PC dan sebagainya. Pada umumnya pemilihan IC untuk aplikasi dapat

dilihat pada databook atau sheetbook IC yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya.

Gambar 5.1 Diagram Kaki IC

Gambar 5.2 Gerbang-gerbang logika pada IC

Pada Gambar 5.1 clan 5.2 memperlihatkan bahwa IC jenis ini mempunyai empat belas kaki

(bernomor I sampai dengan 14) dan berisi empat gerbang logika AND dengan dua masukan (A

dan B) dan keluaran Y. Masing-masing kaki tersebut mempunyai fungsi tertentu dalam

penggunaanya sesuai dengan spesifikasi pembuat IC yaitu sebagai penghantar sinyal-sinyal

digital dalam suatu rangkaian. Contoh aplikasi IC adalah rangkaian pengaturan nyala lampu

LED ditunjukkan pada Gambar 5.3.

input

output

AND

61

Gambar 5.3 Rangkaian Logika dan Aplikasi IC

Contoh sederhana pada Gambar 5.3 memiliki prinsip kerja rangkaiannya adalah sebagai berikut:

Dipilih suatu IC tipe 7408 dengan 14 kaki, kaki nomer I dan 2 adalah input bagi saklar A dan

B dan kaki nomer 3 adalah output bagi LED. Sumber tegangan DC adalah 5 Volts dimana

kutup positif dihubungkan pada kaki nomer 14 dan kaki nomer 7 sesuai fungsinya adalah

ground atau kutup negatif. IC bekerja berdasarkan rangkaian logika gerbang AND, dimana

bila saklar A dan B sebagai input pada posisi tertutup maka logika biner adalah I artinya

dikehendaki lampu LED menyala begitu pula jika saklar A dan B terbuka maka logika bernilai

0 artinya tidak ada tegangan untuk menyalakan lampu LED ( light emitting diode).

Setiap produk IC mempunyai spesifikasi yang berisi karakteristik dan jenis kegunaan

yang dapat dilihat pada databook. Masin-masing pabrik pembuat IC mempunyai aturan

tersendiri cara mengidentifikasi jenis IC yang diproduksi.

Gambar 5.4 Contoh identifikasi IC

output

input

62

5.1.1 Pengenalan IC OP-AMP

Jenis IC yang populer dibidang teknik kontrol/pengaturan dan sistem pengukuran adalah

jenis penguat operasional (Op-Amp). IC ini diaplikasikan untuk menguatkan sinyal input dari

berbagai peralatan seperti sensor, transduser dan relay untuk menghasilkan penguatan sinyal

(biasanya dalam bentuk besaran tegangan listrik) sehingga harga output penguatan dapat

terbaca atau digunakan langsung untuk operasi pada proses yang dikontrol. Op-amp selalu

menerapkan sistem umpan balik. Umpan balik merupakan sistem yang penting di dalam

perancangan rangkaian-rangkaian analog. Melalui sistem umpan balik atau feedback, sinyal

keluaran diumpankan kembali menuju input dan akan menghasilkan umpan balik bernilai positif

dengan penggunaan sinyal output tadi sehingga terjadi penguatan sinyal input dan menambah

gain. Sebaliknya, terjadi pula umpan balik bernilai negatif yakni ketika penguatan sinyal input

diminimalkan agar sistem menjadi stabil.

Gambar 5.5 Diagram balok rangkaian pengkondisian sinyal

Salah satu jenis IC Op-Amp adalah IC 741 dimana mempunyai jumlah kaki-kaki/pin sebanyak

delapan dengan nomor urut yang dapat diidentifikasi sebagai berikut:

Gambar 5.6 Jenis IC 741

63

IC 741 tersusun dari simbol inverting (tanda segitiga) yang mempunyai dua koneksi masukkan

(input) yaitu kaki 2 dan 3, sedangkan kaki 6 untuk koneksi output. Kaki 4 dan 7 untuk koneksi

ke sumber tegangan. Setiap koneksi mempunyai model fungsi penguatan yang dapat

dikelompokan dalam beberapa rangkaian penguat sebagai berikut:

1. Op-amp Follower

Jenis op-amp yang paling sederhana dan berfungsi menyetabilkan tegangan masuk

terhadap tegangan keluaran dan sebaliknya. Jika tegangan keluaran terlalu rendah

maka V+ - V- = Vin-Vout > 0 dan fungsi penguatan akan menggerakan nilai Vout lebih

tinggi sehingga tercapai kondisi Vin=Vout, begitu sebalinya jika Vout terlalu tinggi maka

selisih perbedaan V+ - V- < 0 dan fungsi penguatan akan memberikan nilai output lebih

rendah agar tercapai kondisi Vin=Vout. Disimpulkan apapun perubahan yang terjadi

pada nilai masukan dan keluaran, tegangan Vin harus selalu samadengan Vout dengan

cara saling ‘mengikuti’ perubahan nilai input dan outputnya.

2. penguat Inverting

tegangan input : Vin = I1R1

tegangan output: -Vout = I1R2

64

Penguatan tegangan rangkaian: Vout/Vin = - R2/R1

Jika diketahui rangkaian tersebut terpasang tahanan input R1= 1 ohm dan tahanan umpanbalik

R2=10 ohm, tentukan besar penguatan tegangan pada rangkaian tersebut.

Penguatan tegangan rangkaian: Vout/Vin = - R2/R1 = -10/1 = -10 (tanda minus berarti nilai yang

dibalikan/inverting). Op-amp jenis ini selalu menggunakan umpanbalik bernilai negatif dan

digunakan pada arus DC.

3. Penguat Non-inverting

tegangan pada titik X: VX = R1 Vout/ (R1+R2)

Jika secara ideal VX=Vin maka penguatan tegangan rangkaian:

Vout/Vin = R1+R2/R1 = 1 + R2/R1

4. Penguat Penjumlahan

Jumlah arus pada titik X: I = IA+IB+IC, dimana IA = VA/RA, IB=VB/RB dan IC=VC/RC

Jika VX diasumsikan nol dan I = -Vout/R2 maka

--Vout/R2 = VA/RA+ VB/RB + VC/RC

Vout = -[R2VA/RA + R2VB/RB + R2VC/RC]

Jika RA=RB=RC maka

Vout = -R1/R2 (VA+VB+VC)

65

5. Penguat Diferensial

Tegangan potensial di titik X: VX/V2 = R2/ (R1+R2)

Arus listrik yang melalui tahanan umpanbalik R2 harus samadengan yang melewati R1 sehingga:

(V1 – VX) / R1 = (VX –Vout) /R2

didapat: Vout = (V2-V1) R2/R1

Diketahui termokopel menghasilkan tegangan output sebesar 10mV untuk perbedaan

temperatur sebesar 100C. Jika perbedaan temperatur antara titik sambung termokopel sebesar

530.10-6 V, tentukan besar tahanan R1 dan R2 yang harus terpasang.

Vout = (V2-V1) R2/R1

10.10-3 V = (530.10-6). R2/R1

Besar R1 dan R2 dapat saling disubstitusikan misalnya R1= 10 kOhm maka R2 harus = 189 kOhm

dan seterusnya secara proporsional memenuhi persamaan penguat differensial.

Jadi dapat disimpulkan untuk penguat operasional harga penguatan tegangan dapat diubah

(setting) dengan mengubah perbandingan tahanan input dan umpanbalik pada tiap rangkaian

op-amp.

Untuk mengamati fungsi dan respon dari op-amp atau rangkaian komponen elektronika

lainya diperlukan alat-alat laboraturium yang paling utama yakni :

1. Digital multimeter, alat yang digunakan untuk mengukur nilai tegangan, arus,

tahanan dan kombinasinya pada suatu rangkaian yang komplek.

2. Oscilloscope, berfungsi mengamati perubahan sinyal yang nilai dan pola perubahan

sinyal terlihat di layar secara grafis.

3. Offset Adder, alat yang berfungsi mengamati perubahan sinyal input dan output

dengan memutar potensiometer diperoleh tinggi dan rendah atau konstan dari sinyal

yang diamati.

66

4. Sinyal generator, berfungsi untuk membangkitkan sinyal sehingga diperoleh ukuran

serta pole perilaku frekwensi dan waktu pada suatu rangkaian elektronik.

Berbagai jenis IC, secara umum jenis IC digital dikategorikan sesuai dengan berapa

banyak kombinasi jumlah gerbang logika yang menyusunnya dalam 'chip' tunggal yaitu:

1. SSI (Small scale integration) merupakan IC ukuran yang terkecil dimana tersusun kurang

dari sepuluh gerbang logika, contoh IC op-amp, flip-flop dll

2. MSI (Medium scale integration) merupakan peralatan terpadu ukuran menengah yang

tersusun dari sepuluh atau lebih gerbang logika, contoh IC dekoder, RAM, ROM, multiplexer

dll

3. LSI (Large scale integration) rangkaian terpadu ukuran besar yang tersusun dari lebih

seratus gerbang, contoh IC kalkulator, jam digital, 8088 dll

4. VLSI (very large scale integration) merupakan rangkaian terpadu (IQ ukuran sangat besar

yang tersusun dari 10.000 atau lebih gerbang logika, komponen ini merupakan ciri

komputer generasi ke-empat, contoh IC , 386intel, 486intel dll

5. ULSI (ultra large scale integration) jenis IC yang mempunyai 1.000.000 gerbang atau lebih

dan merupakan rangkaian terpadu paling mutakhir, contoh komponen ini merupakan suatu

mikroprosesor Pentium dan generasinya yang dikembangkan hingga saat ini.

5.2 Mikroprosesor

Mikroprosesor adalah suatu IC juga tetapi mempunyai fungsi dan kemampuan yang jauh

lebih tinggi. Suatu mikroprosesor tersusun dari ribuan bahkan jutaan rangkaian logika yang

dikategorikan VLSI dan ULSI. Komputer (personal komputer) yang kita kenal selama ini adalah

menggunakan mikroprosesor sebagai perangkat utama dengan berbagai versi, mulai generasi

Intel 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 880486 dan generasi mikroprosesor yang paling baru

saat ini adalah Pentium. Pada sistern komputer, mikroprosesor dirancang untuk melakukan

operasi logika aritmatik, mengambil dan mengeluarkan data, serta operasi kendali lainnya.

Proses kerja mikroprosesor dikendalikan oleh instruksi-instruksi yang sengaja dirancang

sedemikian rupa, sehingga membentuk sistern operasi yang handal. Instruksi yang

dipergunakan untuk mengurutkan proses operasi mikroprosesor ini merupakan sandi biner ( 1

dan 0 ) yang dikenal sebagai bahasa'mesin'.

5.2.1 Unit Dasar Mikroprosesor

Mikroprosesor atau pengolah mikro merupakan komponen yang terpasang pada

mikrokomputer atau komputer yang paling berperan sebagai unit pemrosesan terpusat yang

akan mengenali dan mengolah setiap instruksi program, rangkaian input/output yang

melakukan fungsi komunikasi dengan peralatan luar dan fungsi memori yang dapat menyimpan

67

instruksi program dan data. Secara diagram blok unit dasar pembangun sebuah mikroprosesor

adalah unit pengendali, register dan unit aritmatik-logic.

Gambar 5.7 Diagram unit dasar mikroprosesor/central processing unit

1. Unit Pengendali (Control unit)

Unit ini bertanggung jawab terhadap seluruh sistem operasi mikroprosesor. Operasi itu

antara lain mengurutkan operasi, mengendalikan waktu aksi setiap unit yang lain, menafsirkan

instruksi yang membangun program dan memandu bagian lain mikroprosesor.

2. Unit Aritmatik-logik (arithmatic logic unit)

Unit ini mempunyai tugas melaksanakan proses aritmatik-logic seperti penjumlahan,

pengurangan dan sernua perhitungan matematika, dan proses logika seperti operasi gerbang

AND, OR, NOT, NAND dan NOR. Bagian ini memanipulasi data aktual.

3. Register (Pencatat)

Unit ini merupakan tempat penampungan data sementara, penghitungan program dan

pengalamatan memori. Data yang akan diolah oleh unit aritmatik-logik akan ditampung di

register, demikian juga data hasil olahan unit aritmatik-logik untuk sementara dicatat di register

untuk kemudian disalurkan ke perangkat (device) lain.

Sebuah mikroprosesor hanya dapat melakukan fungsinya jika diisi program atau

instruction set. Mikroprosesor hanya dapat memahami instruksi-instruksi dalam format bahasa

mesin yaitu digit biner ( 1 dan 0 ) dan bahasa assembler. Mikroprosesor ini juga memiliki

kaki-kaki seperti pada IC, dimana fungsinya adalah sama yaitu saluran/koneksi yang

menghantarkan sinyal-sinyal digital pada rangkaian. Pemanfaatan yang utama dari

mikroprosesor ini adalah untuk membangun komputer. Komputer terdiri dari memori, CPU

(central processing unit) dan rangkaian input/output dimana semua instruksi yang dinputkan

dan diproses oleh komputer tersebut beraksi dalarn bentuk bilangan biner dan heksadesimal.

UNIT

PENGENDALI

UNIT ARITMATIKA-

LOGIKA

UNIT REGISTER

INPUT-

OUTPUT

68

Tabel 5.1 Pemanfaatan Mikroprosesor di Berbagai Bidang

Peralatan

Rumah Tangga

Industri dan

Komersial

Instrumentasi dan

Kontrol

Kedokteran Perkantoran

dan Bisnis

1. Kalkulator 2. Jam digital 3. Video game 4. Audio/entertain

ment 5. Keamanan

rumah/alarm 6. sistem energi 7. kontrol

pendingin ruangan

8. kontrol mesin cuci

1. Mesin-mesin pemrosesan

2. kontrol lalulintas 3. sistem navigasi 4. sistem

pendaratan pesawat terbang

5. injeksi bahan bakar kendaraan

6. komunikasi data 7. proses

perancangan dan manufaktur

8. analisis material

1. peralatan kalibrasi digital

2. monitoring polusi lingkungan

3. perekaman data 4. keamanan dan

kontrol kebakaran gedung bertingkat

5. peralatan laboraturium digital

1. pengendalian daftar database obat

2. perekaman kondisi pasien

3. deteksi penyakit

4. sistem informasi prosedure penanganan/operasi penyakit

5. komunikasi data

1. pengolahan data keuangan

2. sistem pendataan stock material/inventory

3. sistem reservasi

4. sistem informasi bisnis

5. komunikasi data

6. statistika data

5.2.2 Identifikasi Mikroprosesor Intel 8088

Contoh identifikasi mikroprosesor jenis Intel 8080 dapat dilihat Gambar 5.8.

Gambar 5.8 Diagram kaki/pins Mikroprosesor Intel 8088

6A10

7A9

A88

AD79

35

34

33

32

A19/S6

SS0

MN/MX

RD

10AD6

11AD5

AD412

AD313

31

30

29

28

HOLD

HLDA

WR

IO/M

8088INTEL

14AD2

15AD1

AD016

NMI17

27

26

25

24

DT/R

DEN

ALE

INTA

18INTR

19CLK 23

22

TESTREADY

2A14

3A13

A124

A115

39

38

37

36

A15

A16/S3

A17/S4

A18/S5

20GND

21RESET

1GND 40 VCC

69

Konfigurasi Koneksi/Saluran:

AD0 – AD7: Keluaran-masukkan (input-output), delapan saluran/pins data D0-D7 dengan

saluran alamat/address A0-A7 yang menyalurkan bit 0-7 angka alamat. Dalam keadaan normal

adalah 0 dan keadaan aktif 1

A8-A15: Keluaran/output, delapan saluran A8-A15 melengkapi AD0-AD7 yang menyalurkan bit

8 hingga 15 angka alamat. Keadaan norma=0 dan aktif=1

A19/S6, A18/S5, A17/S4, A16/S3: Keluaran/output, empat saluran alamat A16-A19 yang

menyalurkan bit 16-19 angka alamat melengkapi AD0-AD7 dan A8-A15 untuk membentuk 20

bit saluran alamat lengkap. Dengan demikian mikroprosesor Intel 8088 mampu mengakses

lokasi memori sejumlah 2 pangkat 20 = 1048576 = 1 megabit lokasi memori.

RD: Keluaran/output, Read strobe, bilamana aktif berarti sedang melaksanakan membaca isi

memori atau port I/O., keadaan normal =1 dan aktif=0

READY: Masukkan/input, untuk menandai siap-tidaknya mikroprosesor membaca/menulis pada

memori. Keadaan normal=1, aktif=0

INTR: Masukkan/input, keadaan normal=1, aktif=0, isyarat permintaan interupsi ke

mikroprosesor dari perangkat luar. Saluran ini dapat disetting disable atau enable

TEST: Masukkan/input, melalui software mikroprosesor akan memeriksa apakah saluran=0

maka induk program jalan terus, jika =1 maka harus menunggu

NMI: Masukkan/input, keadaan normal=0, aktif=1. Transisi dari keadaan normal ke keadaan

aktif berarti mikroprosesor mendapat interupsi yang harus dilayani. NMI singkatan dari Non

Maskable Interrupt.

RESET: Masukkan/input, keadaan normal=0, aktif=1. Jika saluran RESET aktif, mikroprosesor

menghentikan semua kegiatannya dan langsung mengeksekusi program yang tersimpan di

memori pada alamat FFFF0h. Program yang tersimpan disebut program reset yang merupakan

program awal untuk menjalankan mikroprosesor Intel 8088.

MN/MX: Masukan/input, jika diberi 1 berarti mikroprosesor dioperasikan dalam mode

minimum, jika dimasukkan 0 maka mode maksimum.

CLK: Masukan/input, saluran untuk pulsa clock yang dipakai untuk mengatur irama kerja

mikroprosesor dalam bentuk pulsa (mempengaruhi kecepatan kerja)

VCC:

Saluran catudaya/sumber tegangan +5V dengan toleransi 10% atau sekitar 4,5 s/d 5,5 Volt

GND:

Saluran catudaya dengan tegangan referensi 0 (ground=pembumian)

70

5.3 Contoh Sistem Digital: Mikrokomputer/Komputer

Mikrokomputer merupakan contoh sistem digital yang relatif komplek dimana tersusun

dari subsistern sebagai berikut:

Gambar 5.9 Diagram blok komputer

Unit masukkan dan keluaran: merupakan unit yang menghubungkan secara langsung dengan

peralatan luar seperti keyboard, mouse, digitize, modem, printer, plotter dan lain-lain.

1. Unit pengolah pusat (CPU): merupakan gabungan dari unit aritmatik-logic, unit kendali

dan unit penyimpan yang berfungsi mengendalikan dan mengolah setiap operasi yang

INPUT/ OUTPUT

CPUMEMORI

BUS ALAMAT

BUS DATA BUS KONTROL

ITN 8088

71

diterima dari masukkan untuk kemudian diproses menghasilkan keluaran. CPU ini

merupakan mikroprosesor atau lotak'dari mikrokomputer atau komputer.

2. ROM: suatu unit penyimpan memori program yang hanya untuk dibaca saja (read only

memory) dimana daftar instruksi terkode secara khusus mengatakan dengan tepat

kepada unit CPU tetang apa yang harus dikerjakan. ROM ini sebuah IC memori yang

bersifat tetap dan telah diprogram menurut spesifikasi sistem.

3. RAM: unit penyimpan memori data yang dapat ditulis, dibaca atau memanggil kembali

informasi setiap waktu. Perbedaan RAM dan ROM adalah memori RAM akan terhapus jika

daya dimatikan jadi bersifat tidak permanen. Memori ini hanya digunakan sementara saat

operasi

Gambar 5.10 Hubungan Komputer dengan Peralatan Luar I/O

Mikrokomputer/komputer banyak digunakan untuk pengendalian proses di industri seperti

pengendali gerakan robot, CNC dll yang disebut PLC (programmable logic controller). Selain

mikrokomputer, beberapa contoh sistem digital adalah jam digital, alat komunikasi, kalkulator,

alat ukur digital dan komputer dimana dapat digunakan lebih luas lagi dibidang industri.

5.3.1 Contoh Operasi Mikrokomputer

Contoh operasi yang dilakukan komputer saat diketikan huruf ‘A’ melalui keyboard dan

bagaimana huruf tersebut ditampilkan pada monitor sebagai berikut.

72

Gambar 5.11 Contoh ilustrasi operasi komputer

1. tekan tombol 'A' pada papan tombol: input

2. simpan huruf ‘A’ dalarn memori: proses

3. cetak huruf 'A' pada layar: output

Urutan kejadian operasi diatas dilakukan oleh komputer sbb:

1. unit mikroprosesor (CPU) mengirim ke suatu alamat 100 ke bus alamat.

2. IC memori program mengirim instruksi pertama (data input) ke bus data dan CPU menerima pesan

yang terkode ini.

3. CPU mengirim alamat 101 bus alamat

4. Memori program menempatkan pesan terkode pada bus data

5. CPU menggunakan bus alamat untuk membuka bentuk terkode'A'

6. CPU mengalamatkan lokasi 102 ke bus alamat untuk membaca memori program

7. Melalui register, CPU menerima instruksi

8. CPU mendekode instruksi data pada lokasi memori 103

9. CPU melalui register mengambil data dari alamat 200

10. CPU mengirim alamat 200 melalui bus alamat dan membuka input 'tulis, memori data tsb

11. 'A' diterima dari bus data dan ditulis ke dalam lokasi 200

12. CPU melanjutkan instruksi selanjutnya pada alamat lokasi 104

13. Kode instruksi'keluarkan'data dikirim melalui bus data ke CPU

73

14. CPU menempatkan alamat 105 pada bus alamat

15. Memori program mengirim kode yang disampaikan ke CPU

16. CPU mendekode (mengkode ulang) keseluruhan instruksi 'keluarkan data' dan mengaktifkan unit

output (yaitu layar) melalui bus alamat. CPU mengirim kode 'A' melalui bus data keluar dari port ke

layar.

Proses operasi (atau pengoperan data) disimpulkan sebagai masuk-simpan-keluar seperti

urutan diatas berlangsung dalam waktu 0,00001 detik. Gambar 5.12 menjelaskan aliran sinyal

yang diolah oleh komputer dari input menjadi output.

Gambar 5.12 Aliran data/Instruksi pada Sistem Operasi Mikrokomputer

74

Istilah:

- Bus alamat: atau jalur alamat, jalur perkawatan yang membawa sinyal yang

mengindikasikan dimana data berada (alamatnya) dan menyeleksi lokasi memori tertentu

atau alamat input/output yang dituju oleh data. Semakin tinggi kemampuan memori

semakin besar data yang dapat disimpin pada alamatnya dan semakin baik program yang

dapat diakses sesuai lokasinya.

- bus data: atau jalur data, digunakan untuk menyampaikan kata/data antar memori atau

peralatan luar (input/output) didalam CPU. Panjang kata yang disampaiakn oleh jalur ini

dalam satuan 4, 8, 16 atau 32 bits. Setiap jalur data yang ditunjukkan oleh

perkawatan/sirkuit membawa sinyal biner 1 dan 0. Semakin banyak perkawatan semakin

panjang kata/data yang dapat disampaikan.

- bus kontrol: jalur kontrol yang berfungsi menyampaikan sinyal untuk dikirim menuju

bagian-bagian terpisah pada sistem. Bagian-bagian tersebut adalah sistem clock (waktu

proses) dan sistem operasi (mengoperasikan perangkat lunak) dan CPU yang akan

mengindikasikan operasi akan dilakukan seperti perintah READ/sinyal baca dan

WRITE/sinyal tulis dan menyampaikannya ke bagian-bagian tersebut.

75

BAB 6. PEMANFAATAN TEKNOLOGI MIKROELEKTRONIKA PADA

SISTEM MEKANIS

Pada bab 3 terdahulu telah dikenalkan mengenai motor DC yang merupakan penggerak

mula mesin-mesin perkakas otomatis, robot, konveyor dan lain-lain. Peralatan atau

mesin-mesin yang bekerja secara otomatis tentunya diperlukan suatu teknik pengaturan

dimana alat kontrol yang sangat berperan saat ini adalah komputer. Komputer yang merupakan

sistem digital, tersusun dari banyak komponen-komponen mikroelektronik seperti IC dan

mikroprosesor. Teknologi mikroelektronika saat ini sudah banyak diaplikasikan dalam sistem

mekanis sebagai pengendali proses-proses produksi. Suatu pemanfaatan teknologi ini (selain

komputer, mikrokomputer atau mikrokontroller) adalah programmable logic controller (PLC).

6.1 Pengenalan Programmable Logic Controller (PLC)

PLC adalah pengendali logika terprogram yang merupakan peralatan elektronik

perangkat keras yang dapat mengolah masukan (inputs), membuat keputusan dan mengirim

keluaran (outputs) secara langsung kepada operasi produksi. PLC ini tersusun dari piranti

utama (Gambar 6. 1) yaitu:

1. Power supply: piranti yang memberikan suatu tegangan DC tingkat rendah kepada

rangkaian elektronik.

2. Prosesor (mikroprosesor): piranti yang berfungsi memproses semua modul yang diinputkan

dan mengolahnya menjadi modul output (keluaran). Prosesor ini merupakan 'otak' dari PLC.

3. Modul Masukan (Unit Input): alat ini berfungsi sebagai terminal bagi kabel-kabel yang

datang dari peralatan masukan seperti sensor dan saklar, dan sebagai pengkondisian

sinyal-sinyal elektris dari alat-alat masukan.

4. Modul Keluaran (Unit output): alat ini berfungsi sebagai terminal kabel-kabel yang

menyampaikan susunan sinyal-sinyal menuju peralatan output yang terpasang pada mesin

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu menjelaskan dasar-dasar Programmable Logic Controller

(PLC) dan aplikasinya pada sistem mekanis-elektris; 2. Pembaca mampu mendeskripsikan contoh penerapan kontrol mekanisme gerakan mesin

perkakas dengan sistem kontrol komputer; 3. Pembaca mampu menjelaskan pengantarmukaan dan konversi sinyal analog-todigital

dan digital to analog (ADC/DAC) dengan deskripsi diagram balok.

76

yang dikendalikan, dan sebagai pengkondisian sinyal-sinyal elektris dari prosesor yang

dipakai oleh alat-alat keluaran pada suatu mesin yang dikontrol.

Gambar 6.1 Diagram blok PLC dan arsitektur

PLC harus diisi program yang disesuaikan dengan aplikasi oleh para pembuat PLC

seperti pengendalian motor konveyor, katup-katup pada proses industri kimia dan lain-lain

dimana program yang digunakan mempunyai struktur logika yang disebut diagram ladder logic

(diagram logika tangga) dengan simbol sbb:

Simbol alat-alat input: saklar, sensor, dan relay normally

open

77

Simbol pembalik input, mrp operator logika NOT,

relay/contact normally closed

Simbol alat-alat keluaran spt motor, katup, alarm,

lampu, solenoid dan lain-lain

Simbol kontak input seri yg mrp operator

logika AND (A * B)

Kontak input pararel mrp operator

logika OR (A+B)

Bentuk pernyataan aplikasi sederhana dari diagram tangga adalah sbb:

Saklar input X mengaktifkan output Y

Kondisi OR dimana saklar input X1 atau

X2 mengaktifkan output Y dan input X2

selalu menjaga Y tetap aktif

Proses penguncian (latching) untuk

menahan supaya output Y tetap aktif.

Saklar input X1 mengaktifkan output Y dan

ditahan tetap aktif oleh input Y selama saklar X2 tidak diubah (tetap OFF).

6.1.1 Contoh Aplikasi PLC

Contoh sederhana adalah pengaturan gerakan konveyor (conveyor belts) pada suatu

operasi produksi seperti pada Gambar 6.2.

X Y

X1 Y

X2

X1 Y

Y

X2

78

Gambar 6.2 Aplikasi Pengendalian Konveyor

Sebuah motor DC (M) mengerakkan konveyor, dimana konveyor menghatarkan benda kerja

pada suatu proses lanjutan didalam area kerja. Sebuah saklar pembatas (limit switch) yang

terpasang pada konveyor akan mendeteksi bahwa benda kerja telah tiba pada posisi yang

tepat. Ketika terjadi pendeteksian, konveyor akan berhenti bergerak sehingga benda kerja

dapat diproses lebih lanjut (misalnya diambil oleh robot untuk diproses).

Saklar pembatas disini sebagai alat masukan pada PLC, dimana saklar tersebut

dihubungkan pada terminal 01 (bernomor urut) modul input. Kedatangan bencla keda akan

membuka saklar sehingga terdapat pernyataan: jika ada sinyal memasuki terminal 01, lalu

bangkitkan terminal output 01. Terminal output ini dihubungkan dengan motor penggerak

konveyor. Selama saklar pembatas tertutup, motor penggerak konveyor tetap berputar sampai

ada kedatangan benda kerja yang dideteksi oleh saklar. Pada saat benda kerja terdeteksi,

kondisi membangkitkan motor penggerak tidak berlangsung lama, kondisi ini disebut

de-energised. Didalam teknik digital hal ini dijelaskan sebagai berikut:

- jika konveyor berhenti berarti kondisi benar, sinyal bernilai I

- jika konveyor berjalan berarti kondisi salah, sinyal bernilai 0

analog: - saklar pembatas terbuka sehingga motor berhenti

input = 0 maka output= I

- saklar pembatas tertutup sehingga motor bergerak

input= 1 maka output= 0

Prosesor pada PLC harus diisi program kontrol atau statemen berbentuk diagram tangga (ladder

diagram), pada contoh diatas dimana kita menghendaki kondisi saklar terbuka sehingga motor

penggerak konveyor berhenti. Suatu PLC merupakan instruksi tipe relay yang dikenal dengan

bahasa logika biner 1 dan 0 atau ON dan OFF. Setiap PLC mempunyai diagram tangga yang

benda/obyek

P L C

OUTPUT INPUT

M

input: limit switch

output: motor listrik

79

berbeda-beda tergantung pada arsiteknya. Diagram tangga pada Gambar 6.2 ditunjukan pada

Gambar 6.3.

Gambar 6.3 Diagram tangga

Gambar 6.4 menunjukkan contoh aplikasi lain dari PLC buatan Keyence dari Jepang (2000)

yakni mengendalikan posisi putaran, kecepatan dan sinkronisasi gerakan motor listrik pada

suatu mekanisme.

Gambar 6.4 Contoh aplikasi PLC merk Keyence (Keyence KV Series Cataloque, 2000)

6.2 Kontrol Komputer pada Gerakan Mesin Perkakas

Telah dibahas mengenai komputer dan sistemnya dengan contoh operasi. Komputer

sebagai alat kontrol juga diaplikasikan untuk pengendalian gerakan motor penggerak yang

terpasang pada mesin-mesin perkakas seperti mesin bubut, frais, bor dan lain-lain. Dibawah ini

suatu contoh hubungan komputer dalam pengendalian gerakan mesin perkakas.

LS M

80

Gambar 6.5 Diagram Kontrol Komputer

Salah satu contoh bagaimana komputer dapat mengendalikan gerakan mesin perkakas adalah

yang ditunjukkan pada Gambar 6.6 adalah sebagai berikut.

Gambar 6.6 Pengendalian gerakan dan posisi meja pada mesin perkakas NC

81

Gerakan motor DC yang dihubungkan dengan aktuator tersusun dari , kopling, poros ulir dan

meja yang menghasilkan gerakan rotasi menjadi linier. Aktifitas ini didukung oleh komponen

sensor posisi dan rangkaian amplifier. Untuk dapat berkomunikasi antara komputer dan motor

listrik (beserta komponen dasar otomatisasi) maka perlu alat pengantarmukaan/interfacing

seperti DAC (digital to analog converter) sehingga data analog dirubah ke digital dan

sebaliknya. Selain perangkat keras juga diperlukan perangkat lunak/software dan operating

system/OS yang saling mendukung/kompatibel.

Selain untuk mengendalikan mesin-mesin perkakas, komputer juga diaplikasikan untuk

mengendalikan gerakan robot-robot di bidang industri. Tentang robotika akan dibahas pada

sub-bab selanjutnya.

6.3 Pengantarmukaan (Interfacing) Peralatan Luar Input/Output dengan

PLC/Komputer

Interfacing merupakan bagian dari hubungan peralatan input dan output dengan alat

kontrol seperti komputer dan PLC. Alat -alat masukan adalah bertipe analog, sedangkan

prosesor yang terpasang pada PLC dan komputer adalah berfungsi berdasarkan teknik digital

(biner). Jadi perlu suatu modul untuk merubah sinyal-sinyal analog menjadi sinyal digital pada

alat-alat yang diinputkan dan sebaliknya sinyal-sinyal digital dirubah menjadi sinyal analog

untuk alat-alat keluaran. Proses konversi sinyal analog to digital dan sinyal digital to analog

diperlukan modul konverter seperti ADC dan DAC. Tranduser disini berfungsi mengkonversikan

apa yang terukur kedalam sinyal analog dan sebaliknya. Secara blok diagram fungsi tranduser

dan modul input/output ADC dan DAC adalah ditunjukan pada Gambar 6.7.

Gambar 6.7 Diagram Masukan Analog dan Keluaran Analog (ADC/DAC) pada PLC

Sistem Mekanis: -kecepatan -posisi -torsi -gaya -tekanan -temperatut

Transduser/Sensor

ADC/ DAC

Alat Kontrol: -PLC -Komputer -Mikrokontroller

Sinyal analog: 4-12 mA, 0-12V Sinyal digital:

12 bit

Input analog

Output analog

82

Pengantarmukaan pada sistem komputer menerapkan rangkaian IC TTL (transistor-

transistor logic) atau CMOS dan rangkaian PPI (programmable peripheral interface) dengan IC

8255 dengan peralatan luar, sedangkan rangkaian ADC/DAC biasanya dikombinasi dengan

rangkaian Op-Amp (penguat operasional).

Keuntungan PLC:

1. Flexibel:setiap saat dapat mengubah desain sistern logika dan penambahan input dan

output sesuai dengan aplikasi

2. Handal dan perawatan yang mudah: merupakan alat yang solid dan tidak ada bagian

/komponen yang bergerak yang menyebabkan kerusakan. Mampu bekerja cepat dan

berulang-ulang.

3. Kemampuan mengumpulkan data: dapat memonitor variabel proses setiap saat dan secara

otornatis menstabulasikan data dari proses yang berlangsung

4. Pemilihan jenis input dan output: sesuai dengan fleksibilitasnya, mampu dihubungkan

dengan alat input dan output jenis apapun yang berhubungan dengan proses secara

mudah

5. Murah: dengan berbagai kompleksitas dari sistem manufacturing yang semakin tinggi saat

ini, maka PLC mendominasi dengan sistern logika yang komplek, energi listrik yang rendah,

hemat ruang dan tempat sehingga secara ekonorni dapat mengatasi kompleksitas tersebut

dengan biaya yang rendah.

Kekurangan yang tampak dari penggunaan PLC (dan Komputer) adalah: diperlukan

programmer yang ahli dalam memahami sistem karena semakin banyak input dan output pada

proses atau sistem yang diotomatisasikan maka semakin rumit pula pemrograman yang

dilakukan, hal ini dapat menyebabkan suatu 'error'. Dari beberapa perancang atau pembuat PLC

yang banyak dijumpai adalah Siemens, Allen-Bradley, General Electric, NatInst, dan Toshiba

dan lain-lain.

83

BAB 7. PENGENALAN KOMPONEN PNEUMATIS DAN HIDROLIS

7.1 Perbedaan Sistem Pneumatis dan Hidrolis

Pneumatis merupakan sistem penggunaan udara mampat untuk

menstranformasikan gaya. Prinsip penggunaan udara atau gas (compressible fluids) ini

yang membedakan dengan sistem hidrolis yang memanfaatkan fluida incompressible

(tidak dapat dimampatkan) seperti minyak atau air. Komponen utama dari kedua sistem

ini adalah pompa untuk sistem hidrolik, kompresor untuk sistem pneumatik dan

katup-katup seperti katup pengendali dan katup aliran. Gambar 7.1 menunjukkan

perbedaan yang utama antara komponen-komponen yang tersusun pada sistem hidrolis

(a) dan pneumatis (b).

Gambar 7.1 Perbedaan antara Sistem Hidrolis dan Pneumatis

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu menjelaskan perbedaan sistem pneumatis dan hidrolis; 2. Pembaca mampu mendeskripsikan fungsi dan simbol tiap-tiap komponen; 3. Pembaca mampu menjelaskan cara kerja katup solenoid; 4. Pembaca mampu mendeskripsikan penerapkan sistem pneumatis dan hidrolis

berbasis mekatronika.

84

Fungsi komponen dan kemampuan pada masing-masing sistem:

Sistem Hidrolis Sistem Pneumatis

1. Pompa: mengalirkan fluida inkompresibel

menuju sistem keseluruhan

1.Kompresor: menyampaikan fluida kompresibel

ke sistem keseluruhan

2.Tangki: menampung fluida dari/ke sistem 2. Receiver: menampung fluida yang

dimampatkan untuk disampaikan ke sistem

3. Motor: memutar sudu/torak pompa untuk

mengalirkan fluida inkompresibel

3.Motor: memutar sudu/torak kompressor untuk

mengalirkan fluida

4.Katup hidrolis: mengatur distribusi fluida tak-

mampu mampat ke aktuator silinder

4. Katup pneumatis: mengatur distriibusi fluida

mampat ke aktuator silinder

5. Kemampuan dan aplikasi daya tinggi 5. Kampuan dan aplikasi daya rendah

Suatu aplikasi mekatronika adalah pengendalian katup-katup hidrolis dan

pneumatis dengan kombinasi elektrik seperti penggunaan solenoid yang akan dijelaskan

pada seksi aplikasi berikut ini. Aplikasi sistem hidrolis dan pneumatis di dalam

mekatronika adalah menyusun komponen-komponen utama hidrolik atau pneumatik

dengan komponen elektronika. Suatu contoh adalah penggunaan solenoid yaitu kumparan

yang bekerja berdasarkan medan magnet. Penggunaan solenoid untuk mengendalikan

gerakan katup-katup pada sistem hidrolik dan pneumatik memudahkan pengaturan sistem

secara otomatis. Solenoid menghasilkan gerakan linier katup-katup dengan cara

membangkitkan medan magnet dimana katup tersebut secara gerakan linier akan terbuka

dan tertutup. Telah diketahui bahwa jika ada arus listrik yang dihantarkan pada suatu

rangkaian maka dikatakan bahwa rangkaian itu dibangkitkan (energised) dan jika tidak

ada arus yang mengalir dalam rangkaian maka dikatakan rangkaian tersebut tidak

dibangkitkan (de-energised). Gambar 7.2 menunjukkan pengaturan katup tipe poppet

dengan kumparan solenoid.

85

Gambar 7.2 Katup Solenoid Poppet

Berbagai macam konfigurasi katup solenoid yang tersedia di pasaran seperti konfigurasi

2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3 dan 5/3 (lihat Gambar 7.3) dimana konfigurasi tersebut

menginformasikan jurnlah lubang (port) untuk aliran fluida dan jumlah posisi dari katup.

Simbol komponen pneumatik dan hidrolik adalah mirip tetapi untuk hidrolik sernua anak

panah berwarna hitarn (perhatikan gambar 7.3: 3/2,5/2, 5/3), sedangkan pneumatik anak

panah berwarna putih. Gambar 7.4 memperlihatkan cara kerja katup solenoid konfigurasi

5/2 diaplikasikan pada silinder pneumatik.

Gambar 7.3 Simbol konfigurasi katup hidrolis/pneumatis

gerakan ram dari B ke A

katup 5/2

silinder double act

86

Gambar 7.4 Contoh rangkaian pneumatis

Pada Gambar 7.4a terlihat silinder pneumatis jenis double acting (aksi ganda)

dihubungkan dengan katup solenoid yang mengatur aliran udara masuk dan keluar

silinder. Gambar a menunjukan piston mengalami retract (memendek) dimana ujung

piston pada titik A dan pada gambar b piston memanjang (extend) dengan ujungnya

mencapai titik B, perhatikan posisi katup 5/2 yang digunakan diatas.

Contoh yang lebih komplek dalarn sistem mekatronik adalah pengaturan aktuator

hidrolik dengan pengendalian automatis seperti Gambar 7.5. Sistem ini menerapkan

teknik pengaturan tertutup (closed-loop system).

gerakan ram dari A ke B

87

Gambar 7. 5 Aplikasi sistem mekatronika pada aktuator hidrolik

Pada sistem hidrolik diatas terdiri dari pengendali (Programmable Logic

Control/PLC) dimana pengendalikan katup solenoid SI dan S2 yang terhubung dengan

aktuator silinder, aktuator ini merupakan keluaran (output). Posisi gerakan silinder

(aktuator) diatur dengan menentukan acuan (set point) yang telah dimasukkan melalui

modul 1/0, modul ini berfungsi mengkonversikan sinyal analog input menuju PLC

sehingga solenoid akan dibangkitkan (on) dan tidak dibangkitkan (off) untuk

menyampaikan fluida kepada aktuator. Dengan sistem pengaturan tertutup ini, posisi

aktuator selalu sesuai dengan set point, jika terjadi gangguan maka PLC akan mengatur

(set) hingga didapat output yang diharapkan. Contoh konkret dari diagram diatas adalah

suatu mesin skrap CNC atau gerakan lengan robot.

Simbol-Simbol Komponen Hidraulis/Pneumatis:

Gambar Simbol Kontrol Manual Umum

Tombol Tekan

Tuas

Pedal

Gambar Simbol Kontrol Mekanik Plunyer

Pegas

88

Rol

Rol tuas dengan kembali bebas

Gambar Simbol Kontrol Elektrik Solenoid dengan 1 koil kerja

Dengan 2 koil kerja pada arah sama

Dengan 2 koil kerja arah berlawanan

Gambar Simbol Katup Katup 2/2-way posisi normal menutup

Katup 2/2-way posisi normal membuka

Katup 3/2-way posisi normal menutup

Katup 3/2-way posisi normal membuka

Katup 3/3-way posisi tengah menutup

Katup 4/2-way

89

Katup 4/3-way posisi tengah menutup

Katup 4/3-way posisi tengah mengambang

Katup 5/2-way

Katup 5/3-way posisi tengah menutup

90

BAB 8. APLIKASI PERKEMBANGAN MEKATRONIKA DI

INDUSTRI

8.1 Pengenalan Industrial Robotic

Aplikasi robot di industri sangat pesat saat ini. Sebuah robot industri adalah

mampu diprogram, manipulator multi fungsi yang didesain untuk memindah barang,

komponen, tool atau peralatan khusus melalui variabel gerakan-gerakan terprogram

untuk menghasilkan performan dari suatu jenis perintah. Menurut definisi standar ISO

8373, robot industri didefinisikan:

Manipulating industrial robot as defined in ISO 8373:

An automatically controlled, reprogrammable, multipurpose, manipulator

programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or

mobile for use in industrial automation applications.

Klasifikasi robot industri berdasrkan ISO 8373 terbagi dalam empat kelompok yakni:

Cartesian (Gantry) robots

Robots whose arms have three prismatic joints, whose axes are coincident with a

Cartesian coordinate system

SCARA robots

Robot which has two parallel rotary joints to provide compliance in a selected

plane.Note: SCARA derives from Selectively Complient Arm for Robotic Asssembly.

Articulated robots

Robots whose arms (primary axes) have three concurrent prismatic joints

Parallel robots

Robots whose arms (primary axes) have three concurrent prismatic joints

Tujuan pembelajaran: 1. Pembaca/mahasiswa mampu mendefinisikan konfigurasi dan geometri robot

industri berdasarkan definisi ISO 8373; 2. Pembaca mampu mendeskripsikan komponen utama dasar otomatisasi dalam

rancang bangun robot; 3. Pembaca mampu mendeskripsikan perancangan sistem penggerak robot dan

pengendaliannya dan keuntungannya; 4. Pembaca akan dapat menerangkan Automatic Guided Vehicle (AGV) dan

mekanisme transfer material.

91

Gambar 8.1 menunjukkan klasifikasi robot ISO 8373. Sedangkan pengelompokkan

robot industri berdasarkan jenis dan cara pengendaliannya terbagi dalam 4 kelompok

kontrol robot yakni:

1. Sequence-controlled robot

A robot having a system of control in which a state of machine movements occurs in

adesired order, the completion of one movement initiating the next.

2. Trajectory operated robot

A robot, which performs a controlled procedure whereby three or more controlled axis

motions operate in accordance with instructions that specify the required timebased

trajectory to the next required pose (normally achieved through interpolation).

3. Adaptive robot

A robot having sensory control, adaptive control, or learning-control functions.

4. Teleoperated robot

A robot that can be remotely operated by a human operator. Its function extends the

human’s sensory-motor functions to remote locations and the response of the machine

to the actions of the operator is programmable.

92

Gambar 8.1 Klasifikasi robot industri ISO 8373

8.1.1 Konfigurasi Robot

Konfigurasi robot atau anatomi robot adalah suatu struktur atau konstruksi robot

yang terdiri dari lengan-lengan dan sambunganya. Ada lima klasifikasi konfigurasi robot

yaitu:

1. Robot aplikasi Industri (Industrial Robotic)

- konfigurasi Koordinat Kartesian (gambar a)

- konfigurasi Silindrikal (b)

- konfigurasi Polar atau Spherikal (c)

- konfigurasi Jointed Arm atau Revolute (Articulated) (d)

2. konfigurasi Robot Berjalan (Mobile/Walking) (e)

3. konfigurasi robot entertainmen (humanoid/animal pets/boneka)

Gambar 8.2 menunjukkan masing-masing konfigurasi robot sesuai dengan struktur

gerakannya.

Lanjutan Gambar 8.1 Klasifikasi robot industri ISO 8373

93

Gambar 8.2 Konfigurasi Robot

Masing-masing konfigurasi robot pada gambar diatas merupakan acuan dalam hal

merancang dan membangun sebuah robot untuk aplikasinya agar tercapai suatu fungsi

yang diinginkan. Dari konfigurasi diatas dapat diindentifikasi gerakan masing-masing

anggota lengan atau manipulator yaitu ada tiga gerakan dasar:

1. gerakan Rotasi (tipe R): diidentifikasi sebagai gerakan lengan dimana arah putarnya

tegaklurus dengan sumbu putar.

2. gerakan Linier (tipe Q: gerakan lengan robot dimana mempunyai gerakan translasi

bolak-balik baik dengan arah gerakan vertikal atau horisontal.

(e)

94

3. gerakan Twisting (tipe T): gerakan lengan robot yang berputar dimana arah putar

lengan sejajar dengan sumbu putar.

Gambar 8.3 Identifikasi gerakan lengan robot industri

Sebuah robot dikatakan mempunyai fungsi jika pada anggota lengan yang terakhir

dipasang ‘tangan' atau gripper sebagai end effector. Tangan disini adalah suatu tool atau

alat biasanya berbentuk gripper atau jari-jari dan pencekam, fungsi dari tangan pada

robot selain untuk mengangkat dan memindahkan barang atau benda keda tetapi juga

berfungsi untuk menghantarkan berbagai macam tool seperti nosel las, nosel cat semprot,

mata bor, gerinda dan sebagainya yang difungsikan pada suatu proses produksi di bidang

industri manufaktur.

Contoh spesifikasi dan konfigurasi robot dapat dilihat di Lampiran 3.

1. RR 2. LL3. TT

95

Gambar 8.4 Contoh konfigurasi tangan robot (end effector)

Jadi sebuah anatomi lengkap dari robot aplikasi industri jika tersusun dari

base/dasar yang berfungi sebagai pondasi dimana robot diletakan, mekanisme lengan

yang menghantarkan tool/end effector melakukan fungsi gerakkan dan mekanisme end

effector sebagai tool/gripper yang berfungsi melakukan kerja akhir.

(a) Robot lengkap

Posisi End Effector diletakkan

Rangkaian Lengan

Base

Pusat Kontrol

96

(b) Gripper/end effector robot

Gambar 8.5 Robot lengkap dan mekanisme gripper/tangan pencekam

8.1.2 Komponen-Komponen Automasi dalam Membangun sebuah Robot

Sebuah robot yang dirancang untuk aplikasi tertentu di biclang industri tersusun

dari bermacam-macam komponen automasi yang meliputi sensor, aktuator, penggerak

dan pengontrol.

1. Sensor dan saklar :Pada umumnya sensor dan saklar yang dipakai pada sebuah

robot adalah:

Rakitan End Effector/Gripper

97

a. sensor posisi: sensor ini digunakan untuk memonitor posisi lengan-lengan

robot dimana sensor ini mengumpanbalikkan informasi ke sistern

pengontrolan yang akan diolah untuk mendapatkan ketepatan atau akurasi

dari gerakan-gerakan lengan yang akan menghantar tool pada posisi yang

benar. Jenis sensor ini adalah resolver, encoder dan potensiometer.

Gambar 8.6 Sensor posisi jenis encoder

b. sensor kecepatan: sensor ini digunakan untuk memperkirakan kecepatan

lengan yang digerakkan dalam hal ini adalah komponen penggerak yaitu motor.

Sensor ini memberikan umpanbalik (feedback) kepada pengendali (controller)

agar didapat performansi dinamika yang tepat dimana kita ketahui bahwa saat

robot membawa beban terjadi variasi perubahan percepatan dan kecepatan dari

nilai yang semestinya sehingga harus dikontrol. Jenis sensor yang umumnya

dipakai adalah accelerometer dan tachometer.

c. Sensor pengira: adalah digunakan untuk mengindikasikan dan mengenal

objek-objek atau benda yang terlatak pada jarak tertentu tanpa adanya sentuhan

atau kontak antara robot dan benda tersebut. Jenis sensor yang dipakai sensor

inframerah atau photoelektrik.

d. Saklar pembatas: digunakan untuk membangkitkan gerakan anggota lengan

dan tangan robot yang bekerja secara ON-OFF biasanya dipasang pada alat

pengendali. Saklar pernbatas ini dapat berfungsi sebagai sensor sentuh yang

dapat dipakai untuk membatasi gerakan robot yang dikontrol, jenis saklar

pembatas yang berfungsi sebagai sensor ini adalah saklar mikro (microswitch).

98

2. Penggerak Utama (Drive)

Penggerak utama ini mensuplai power (daya) yang mampu menggerakkan robot.

Performansi suatu robot ditentukan oleh sistern penggerak utama ini.

a. penggerak hidrolis: penggerak ini memberikan gerakan robot dengan

kecepatan dan kekuatan yang sangat besar. Robot dengan penggerak hidrolik ini

dapat didesain gerakan anggota lengannya secara linier dan rotasi. Pemilihan

robot sistern hidrolik diaplikasikan pada industri-industri besar yang membutuhkan

kecepatan dan kekuatan lengan robot dalarn operasinya. Ada beberapa

kelemahan dari penggerak ini yaitu adanya kebocoran-kebocoran pada instalasi

hidrolik dan juga memerlukan ruang yang besar dalam penempatan robot.

Gambar 8.7 Penggerak sistem hidrolis

b. Penggerak elektrik-mekanis: penggerak ini mempunyai kekuatan dan

kecepatan yang lebih rendah daripada penggerak hidrolik. Penggerak elektrik ini

dipakai pada robot yang berukuran kecil, namun demikian mempunyai ketelitian

dan pekerjaan yang bersifat repetitif yang lebih baik. Komponen utama

pengggerak ini adalah motor stepper dan motor servo DC yang dirangkai dengan

aktuator mekanis dan kontrol elektris. Kelemahan dari sistem penggerak elektrik

ini adanya resiko terjadinya hubungan singkat yang menyebabkan kebakaran

pada lingkungan kerja.

99

Gambar 8.8 Sistem Penggerak Mekanis

Komponen mekanis sebagai fungsi konversi gerakan rotasi-linier dan sebaliknya dari

mekanisme sebuah robot pada umumnya yang terpasang adalah rangkaian roda gigi,

rangkaian sabuk-puli dan rangkaian poros-ulir seperti pada Gambar 8.9.

Gambar 8.9. Mekanisme konversi gerakan rotasi/linier

100

Komponen-komponen mekanis melibatkan elemen mesin menjadi aktuator bagi robot

industri dan berperan dalam menghasilkan desain mekanisme untuk sistem automasi.

Gambar 8.10 menunjukkan contoh penggunaan komponen-komponen mekanis tersebut

dalam rancang bangun end effector robot. Komponen yang dipilih adalah rangkaian roda

gigi, pegas, sabuk-puli, saklar pembatas (tension switch) dan mekanisme batang

terhubung (linkage mechanism).

Gambar 8.10. Mekanisme gripper sebagai end effector

c. Penggerak pneumatik: penggerak pneumatik banyak digunakan pada robot

berukuran kecil dan mempunyai fungsi kerja yang terbatas dimana aplikasi utama adalah

memindah barang atau benda kerja pada proses sekuen atau alur kerja yang sederhana.

Robot berpenggerak pneumatik ini dapat didesain untuk gerakan linier dan rotasi.

Gambar 8.11 Sistem penggerak pneumatis

101

3. Aktuator

Aktuator merupakan penggerak juga tetapi lebih ditekankan pada transmisi daya

dimana aktuator yang dipakai tergantung dari penggerak utamanya.

a. aktuator hidrolik/pneumatik: aktuator ini menstranmisikan daya melalui

rangkaian komponen hidrolik yang terdiri dad silinder dan piston dan katup-katup

pengendali aliran fluida.

b. aktuator elektrik: aktuator ini mentransmisikan daya melalui rangkaian roda gigi,

ulir dan pulley.

4. Komputer

Robot yang bekeria secara otomatis dikendalikan oleh komputer. Robot tersebut

diprogram untuk melakukan fungsi kerja sesuai dengan perintah yang diinputkan. Dalarn

penggunaan komputer, program yang diinputkan tujuannya untuk mengatur output

berupa ketepatan posisi dan kecepatan gerakan dari masing-masing anggota lengan robot

yang tidak lain adalah mengatur gerakan motor-motor (motor elektrik, hidrolik dan

pneumatik) sebagai penggerak utama.

Gambar 8.12 Contoh diagram dan desain pengaturan motor pada lengan robot kartesian

INPUT: Perintah/ Instruksi

Kontrol Komputer

Mekanisme Penggerak Robot

Elemen Umpan balik: Sensor/Transuder

OUTPUT: Posisi dan Kecepatan

102

Komputer pada Gambar 8.12 adalah berfungsi sebagai analiser yakni robot yang dikontrol

mendapatkan perintah atau instruksi-instruksi dalam bentuk bahasa pemrograman

(sebagai contoh PASCAL, ARMBASIC, VALI-II dan Assembler) yang mengontrol gerakan

motor tiap anggota lengan robot dimana keluarannya berupa kecepatan dan posisi

masing-masing lengan tersebut. Sistem pengaturan tertutup ini membutuhkan elemen

feedback atau umpanbalik berupa sensor kecepatan dan sensor posisi yang akan

memberikan informasi secara umpanbalik kepada komputer sebagai pusat pengendali.

Telah kita kenal sebelumnya pada seksi terdahulu tentang mikroprosesor dan komputer

dimana terdapat peralatan input dan output (I/0 devices). Pada pengendalian robot juga

diperlukan interfacing peralatan input dan output yang dapat mengkoversikan

sinyal-sinyal digital ke analog dan sebaliknya. Pada analiser disini ditekankan tentang

adanya kemampuan memprogram suatu instruksi atau perintah kedalam komputer untuk

membuat gerakan robot secara otomatis.

8.1.3 Volume Kerja dan Contoh Aplikasi Robot

Robot yang dirancang harus sesuai dengan volume kerja. Volume kerja

didefinisikan sebagai kemampuan manuver robot dalam melakukan gerakan-gerakan dari

titik terdekat yang dapat diraih dan titik terjauhnya pada suatu koordinat ruang. Volume

kerja ditentukan berdasarkan derajat kebebasan (jumlah variasi gerakan anggota

lengan/manipulator dan lintasan) dan konfigurasi robot (jenis dan dimensi robot). Volume

kerja sesuai dengan konfigurasi robot yaitu yang membentuk kurva ruang silinder, bola,

persegi/rectangular dan kombinasinya.

Konfigurasi LLL dengan bentuk ruang Konfigurasi TLL : Silindris

103

Konfigurasi TRR: Spherikal

Gambar 8.13 Konfigurasi dan volume kerja robot

Aplikasi saat ini:

Pengecoran Machine loading

Pengelasan titik Stamping

Pengelasan listrik Pencetakan plastik

Glass handling Penempaan logam

Pengecatan Inspeksi

Pengemasan Transfer material

Pemrosesan textil Medical lab handling

Proses Perakitan Inspeksi produk

Aplikasi yang sedang dikembangan dan diteliti

Pengumpul sampah

Pengantar dan penyiap hidangan di restauran

Pengisian bahan bakar

Pemetik hasil panen

Pembersih rumah

Perawatan instalasi nuklir

104

Pemadam kebakaran

Pembesahan penyakit kanker

Explorasi bawah laut

Eksplorasi luar angkasa

Beberapa alasan mengapa robot digunakan, yaitu:

1. Meningkatkan nilai guna dari plant: robot dapat bekerja lebih cepat dan lebih lama

dlibandingkan manusia pada plant/pabrik.

2. Mengurangi biaya produksi: robot memproduksi barang dengan prosentasi jauh lebih

tinggi dari manusia dan tidak pernah lelah sehingga terhindar dari kesalahan

produksi.

3. Lingkungan kerja: lingkungan kerja pada pabrik (shop floor) sangat bising, berulang-

ulang dan membosankan. Robot digunakan untuk menggantikan tugas manusia yang

terbatas pada lingkungan kerja seperti diatas dimana pada periode yang lama

mempengaruhi fisik manusia.

4. Meningkatkan kualitas: Ketelitian dalam memposisikan lebih tepat robot daripada

manusia. Selain teliti, juga melakukannya dengan aksi yang cepat. Hal ini

meningkatkan kualitas terutama pada proses pengelasan.

5. Pengoperasian pada lingkungan yang ekstrem dan berbahaya: robot menggantikan

tugas manusia dalam lingkungan yang ticlak memungkinkan seperti plant nuklir, dan

eksplorasi ruang angkasal.

6. Umur kegunaan yang lebih panjang: robot memberikan umur penggunaan yang

sangat lama dengan berbagai macam fungsi dan pekerjaan yang diprogramkan untuk

aplikasi tertentu.

Mengingat kegunaan yang potensial dari suatu robot dalam melaksanakan pekerjaan

maka perlu mempertimbangkan tiga hal pokok dari aplikasi robot yaitu:

1. robot harus menggantikan manusia pada pekerjaan yang berbahaya;

2. robot harus menggantikan manusia pada pekerjaan dimana manusia tidak ingin

melakukannya;

3. robot harus menggantikan pekerjaan manusia dengan lebih secara ekonomis.

105

8.2 AGV (Automatically Guided Vehicle): Suatu contoh Mobile Robot

AGV adalah suatu kendaraan tanpa pengemudi yang digerakkan oleh sebuah

battery (sumber tegangan) dengan kemampuan terprogram untuk menuju tempat tujuan,

seleksi jalur dan posisi. Daya penggerak yang digunakan adalah 0,7 kW dari batery 200 -

400 Ah yang dapat diisi ulang (rechargable). AGV merupakan alat transportasi untuk

memindahkan barang dari lokasi yang satu ke lokasi yang lain didalam lingkungan fasilitas

pabrik secara otomatis.

Gambar 8.14 AGV

8.2.1 Komponen AGV

AGV terdiri dari empat komponen utarna yaitu:

1. Kendaraan (vehicle): digunakan untuk memindahkan material pada sistem

(pabrik/plant) tanpa operator (manusia) terdiri dari dari body dan/atau rangka

seperti halnya kendaraan truk. Jenis dari kendaraan AGV ini adalah truk pallet, truk

gandeng, truk ringan, truk perakitan dan forklift.

2. Jalur penuntun (guide path): digunakan sebagai penuntun kendaraan untuk bergerak

sepanjang lintasan yang telah ditentukan pada sistem, biasanya terpasang pada

lantai. Komponen ini tersusun dari sensor-sensor pengarah seperti magnet permanen

dan sensor optik yang ditanam pada lantai lintasan yang dilalui oleh AGV (lihat

Gambar 8.16).

3. Unit pengendali (control unit): komponen yang berfungsi memantau dan

mengarahkan gerakkan, inventori dan status kendaraan saat operasi. Unit ini

merupakan sistem komputer yang terpasang layar monitor dimana dapat dilihat

posisi kendaaan AGV dan apa yang sedang dilakukan. Komunikasi dan instruksi

antara unit kontrol dengan AGV biasanya melalui transceiver infra merah (sensor)

bersifat jarak-jauh. Fungsi pengendalian pada operasi AGV adalah start/stop,

Trolley/Truck

AGV

Sistem Kemudi Sensor

106

perubahan kecepatan, perubahan arah gerak, indikator kendaraan dan

loading/unloading material.

4. Pengantarmukaan komputer (computer interface): berfungsi mengantarmukaan

(menghubungkan) dengan jaringan komputer database dan sub-sistem yang lain

seperti sistem penyimpan dan pengiriman barang/material, mesin CNC, robot dan

sistem manufakturing fleksibel (FMS).

Gambar 8.15 Komponen Utama AGV

Gambar 8.16 Lintasan AGV di dalam lini produksi suatu pabrik

107

Keunggulan AGV dibandingkan dengan handling equipment (pesawat angkat) yang lain

seperti konveyor adalah:

1. fleksibilitas: kemudahan perubahan jalur lintasan, mudah bergerak pada ruang/space

yang minim, perubahan penggunaan jumlah kendaraan dan mudah untuk diprogram

ulang pada sistem plant yang dimodifikasi.

2. Kehandalan yang lebih tinggi: kerusakan atau gangguan yang terjadi dapat diatasi

tanpa mengganggu operasi keseluruhan.

3. Kebebasan gerak: kendaraan bebas bergerak yang tanpa pengemudi secara fleksibel,

halus; dan lebih aman bagi lingkungan kerja sebab adanya sensor yang dipasang

pada jalur lintasannya.

AGV merupakan alat transport material yang berteknologi sangat maju sehingga dibalik

semua keunggulannya, AGV merupakan investasi modal yang tinggi.

108

BAB 9. PROBLEM SOLVING DESAIN MEKATRONIKA

HASIL INOVASI KARYA MAHASISWA TEKNIK MESIN

9.1 Desain Mesin Pengecat Genteng Otomatis (Susanto dkk, 2003) Mesin pengecat genting otomatis sekaligus sistem pengering hasil cat ini

dirancang untuk memenuhi kebutuhan industri genting. Keuntungan yang ditawarkan

adalah mampu melakukan fungsinya untuk produksi massal dan meninimalkan biaya

tenaga kerja. Cara kerja utama adalah memadukan antara material handling, proses

pengecatan dan proses pengeringan hasil cat dalam waktu yang singkat. Pengendalian

dilakukan secara otomatis, mulai persiapan genting, proses gerakan sprayer dan

pengeringan di daerah oven. Hasil karya ini dikerjakan oleh mahasiswa Teknik Mesin S-1

ITN Malang secara berkelompok dengan pembagian sub-bahasan meliputi a). desain dan

konstruksi mesin, b). pemilihan komponen pengerak dan aktuator, c). desain alat kontrol

atau pengaturan seluruh fungsi kerja komponen dan d). perhitungan kekuatan konstruksi

serta e). analisis kualitas dan time study hasil pengecatan dari berbagai jenis dan merk

genteng yang ada di pasaran.

Tujuan pembelajaran:

1. Pembaca/mahasiswa mampu mengidentifikasi dan problem solving komponen-komponen yang menyusun suatu sistem otomatik alat/mesin di bidang teknik mesin;

2. Pembaca/mahasiswa mampu menerapkan proses kegiatan perancangan otomatisasi mesin/alat yang melibatkan mata kuliah mekatronika di bidang ilmu Teknik Mesin yakni robotika dan mesin produksi/manufaktur;

3. Pembaca mampu mendeskripsikan perkembangan inovasi karya alat/mesin di bidang manufaktur yakni cara-cara baru di bidang teknik mesin.

109

Gambar 9.1 Mesin pengecat genteng otomatis

Gambar 9.1 hasil rancangan akhir mesin pengecat genteng otomatis. Selain pengendalian

proses pengecatan, juga dikendalikan proses pengeringan hasil cat menggunakan heater

sekaligus pengendalian material handling menggunakan wheel cart. Penerapan material

handling mobile pallet atau wheel cart mirip AGV juga dikendalikan terpadu menggunakan

bersifat otomatis dari gerak maju-mundur sesuai lintasan yang telah dirancang

Keterangan dibawah ini menjelaskan nomenklatur hasil desain, jenis komponen dasar

otomatisasi, pengendalian gerakan seluruh mekanisme dan waktu proses hingga genteng

kering.

Keterangan Gambar 9.1:

A = Daerah Persiapan dan penaruhan benda kerja, dengan P. lintasan = 46 cm, dan

waktu lintasan + waktu penaruhan = I,68 detik;

B = Daerah pengecatan, dengan P.lintasan = 38 cm, dan waktu lintasan = 13,9 detik;

C = Daerah pengovenan, dengan P. lintasan = 76 cm, dan waktu lintasan = 18,1 detik;

D = Daerah pengambilan benda kerja, dengan P. lintasan = 46 cm, dan waktu lintasan +

waktu diam= 1,92 detik;

D –A =Kereta kembali ke kondisi semula dengan waktu 6,4 detik.

Spesifikasi hasil desain:

α

Α

Β

Χ

Δ

Ο

Π

χ

δ ε

β

110

1. Temperatur kontrol analog dan pengaturan sistem pengering hasil cat genteng

-+

Fan

heaterthermocontrol

thermocoupleon/ off

contactorAC 220

volt

Gambar 9.2 Pengendalian temperatur dan komponen dasar

2. Ruang oven pengering

- Model : Tipe U

- Diameter inti : 1.5 cm

- Diameter cincin : 3 cm

- Panjang : 110 cm

- Konsumsi listrik : 1000 W

111

Thermokontrol Kontaktor Heater

Thermokopel

input output

Gambar 9.3. Diagram balok pengaturan heater - termokopel

3. Penggerak mekanis: motor listrik DC dan kontrol digital

112

Mikrokontroler

Relay untuk motormaju lambat

MOV P2# 01111111b

Relay untuk motormaju cepat

MOV P2# 10111111b

Relay untuk motormundur cepat

MOV P2# 11011111b

Motor wiperPin 28/ P2.7

Pin 26/ P2.5Pin 27/ P2.6

Gambar 9.4 Motor listrik DC dan sistem kontrol digital

4. Mekanisme aktuator: sproket-gear dan wheel cart pembawa genting

5. Kompresor untuk nozel atau end effector proses cat

113

6. Sprayer end effector

7. Identifikasi gerak sprayer end effector

sprayer

20 cm

Genteng

Semprotan cat

Arah langkah genteng

Arah langkah spray

114

Gambar 9.5 Mekanisme gerakan sprayer

8. Hasil pengaturan gerakan mesin pengecat genteng otomatis

Gambar 9.6 Simulasi gerakan wheel cart

9. Rangkaian sistem kontrol analog mesin pengecat genteng otomatis

Arah gerakan bolak-balik mekanisme sprayer/end effector

115

Mikrokontroler

SensorEND

posision

SensorTOP

posision

Senssormiddle

posision

SensorStart

Pin 1 (P1.0)

Pin 17 (P1.7)

Pin 4 (P1.3)Pin 2 (P1.1)

Gambar 9.7 Rangkaian kontrol digital untuk sensor/transduser

10. Diagram alat kontrol: jenis dan fungsi komponen otomasi

(1)Alat

Control

(2)Motor wipper

penggerak kereta pembawa palet

(3)Motor wipper

penggerak mekanisme spray

(4)Solenoid

(5)Sensor

Membawa palet bergerakmaju cepat, maju lambat danmundur cepat

Spray bergerak maju danmundur

Menarik tuas spray

Mengisyaratkan spraybergerak maju dan mundurMengisyaratkan motorpembawa palet berhenti ditop posisionMengisyaratkan motorpembawa palet berhenti diend posision

Gambar 9.8. Diagram jenis dan fungsi komponen otomasi yang digunakan.

116

9.2 Perancangan Robot Lengan Tipe Gantry ( Sudarmadi K.E., Setiadharma,

IY., Gede Agus, A.N., Suyono., dkk, 2002)

Robot gantry adalah jenis robot yang memiliki konstruksi menggantung seperti

struktur kantilever dengan beban kerja di ujung terpusat. Pada rancangan robot gantry

ini, tiang penyangga merupakan salah satu komponen yang sangat vital karena dengan

tiang ini robot akan dapat mencapai objek benda kerja dengan tepat dan harus dapat

bergerak dengan baik. Tiang penyangga ini hanya mampu bergerak sepanjang rel bawah.

Adapun gerakan dikontrol berupa gerakan maju dan mundur terhadap posisi awalnya.

Kecepatan gerakan dari tiang penyangga untuk berpindah dari posisi awal ke posisi

berikutnya ditentukan oleh kecepatan putar poros motor stepper yang kemudian direduksi

atau diteruskan oleh sproket yang ditransmisikan oleh rantai. Gambar robot lengan tipe

gantri dengan end effector yang dirancang untuk proses pengecatan pigura secara

otomatis.

Pada proses pengecatan, robot gantry ini memiliki pengaturan antara kecepatan

angin dan laju cat yang masih cara manual. namun pengaturan kecepatan gerak dari

dudukan lengan yang digerakkan oleh motor stepper, sama dengan gerakan dari pada

tiang penyangga, dikontrol secara otomatis.

Gambar 9.9 Desain robot gantry

Keterangan Gambar : 1. Rel Atas 6. Batang Penghubung Tiang Penyangga 2. Rantai Atas 7. Rantai Bawah 3. Tiang Penyangga 8. Tatakan 4. Lengan 9. Motor stepper

117

5. Rel Bawah 1. Konstruksi Robot Lengan dan Gantry

(a)

(b) (c)

Gambar 9.10 Rangka robot gantry (a) lengan untuk end effector, (b) konstruksi gantry dan (c) konstruksi pondasi robot.

2. Komponen Penggerak Pneumatis a. Silinder pneumatis tipe ganda

118

Gambar 9.11 Silinder pneumatis double acting actuator

3. Diagram balok sistem pengaturan

a. Diagram Alir Perubahan Energi Pada Transmisi Rantai Dan Sproket Untuk Tiang

Penyangga (Rel Bawah)

b. Diagram Alir Perubahan Energi Pada Transmisi Rantai Dan Sproket Untuk Rel

Atas

Penggerak (Motor Stepper)

Transmisi rantai dan

sproket 1

Transmisi rantai dan

sproket 2

Energi Listrik Energi Mekanik Energi Kinetik

Tiang Penyangga (maju-mundur)

Penggerak (Motor Stepper)

Transmisi rantai

dan sproket 1

Transmisi rantai

dan sproket 2

Energi Listrik

Energi Mekanik

Energi Kinetik

Rel atas (kiri-kanan)

119

c. Skematik Diagram Sistem Kontrol Digital Robot Gantry Pengecatan

d. Blok Diagram Rangkaian Interface

e. Prinsip kerja pengendalian mekanisme gerak robot gantry

Secara keseluruhan rangkaian robot Gantry pengecatan dapat dilihat pada gambar

blok diagram diatas. Apabila komputer mengeluarkan data melalui interface (PPI 8255)

ke:

1. Rangkaian penggerak motor untuk menggerakkan satu pasang motor stepper

untuk tiang penyangga untuk gerakan maju-mundur.

2. Rangkaian penggerak motor untuk menggerakkan satu pasang motor stepper

untuk rel atas (gerakan ke kiri dan ke kanan).

Penggerak

Motor Stepper

Penggerak

Katup Solenoid

Penyeleksi

Saklar Mikro

PPI 8255

C P U

Katup Solenoid

Silinder Pneumatik

Saklar Mikro

Satu pasang motor stepper untuk penggerak rel atas dan satu pasang motor stepper untuk

penggerak rel bawah

PORT A

PORT B

PORT C

KOMPUTER

INTERFACE (PPI 8255)

SAKLAR

MIKRO

PENGGERAK MOTOR

MOTOR STEPPER

REL ATAS

DAN REL

KATUP SOLENOID

PNEUMATIK

PENGGERAK KATUP

LENGAN

ROBOT

PENYELEKSI SAKLAR

SPRAYER

120

3. Katup solenoid untuk menggerakkan pneumatik sehingga lengan robot dapat

melakukan gerakan rotasi.

4. Ada 10 buah saklar mikro yang digunakan untuk membatasi gerakan robot yaitu:

a. Satu pasang untuk membatasi gerakan rel atas (kiri-kanan).

b. Satu pasang untuk membatasi gerakan rel bawah (maju-mundur).

c. Satu pasang untuk membatasi gerakan silinder pneumatik I (pangkal).

d. Satu pasang untuk membatasi gerakan silinder pneumatik II (tengah).

e. Satu pasang untuk membatasi gerakan silinder pneumatik III (ujung).

5. Rangkaian penyeleksi saklar mikro yang dihubungkan ke PPI 8255 sehingga dapat

mengetahui posisi dari robot yang kita gerakkan.

Software yang digunakan dalam pengendalian / kontrol robot gantry pengecatan

adalah Turbo Pascal. Program yang tersedia di pasaran baik berbasis operating system

DOS atau Windows cukup banyak, dan selain Turbo Pascal, bahasa program lainnya

yang termasuk sebagai bahasa beraras tinggi yakni: BASIC, COBOL, FORTRAN, C dan

C++, Visual Basic serta Delphi. Semua aktivitas yang akan dilakukan oleh robot diatur

dan dikendalikan oleh software, meliputi: inisialisasi PPI 8255, pengaturan port-port yang

akan digunakan sebagai jalur input, output, maupun input-output. Dengan tujuan untuk

menggerakkan motor stepper dan batang torak pada silinder pneumatik sehingga

menghasilkan gerakan robot sesuai dengan yang kita kehendaki.

f. Tampilan pengendalian robot gantry di layar komputer untuk mode manual

Gambar 9.12 Display pengendalian gerakan mesin las

121

9.3 Robot Mobile Pemotong Rumput (Widisila, IK., Ery, IWK., Tomy, RS., Mustika, G., Artono, IW, 2002)

1. Tujuan dan manfaat

Tujuan perancangan robot mobile pemotong rumput adalah menerapkan ilmu

mekatronika dengan modifikasi system penggerak 4 roda yang diaplikasikan untuk

memotong rumput di lapangan dengan keadaan lapangan dan rumput adalah sebagai

berikut.

1.Keadaan lapangan miring dengan kemiringan lapangan 150;

2. Kondisi rumput bisa dalam keadaan basah ataupun kering , tetapi tidak dalam

keadaan hujan;

3. Tinggi rumput yang akan dipotong tidak melebihi ketinggian mesin atau

tingginya tidak lebih dari 6 cm;

4. Lapangan tidak dalam keadaan berair atau becek.

Untuk idealnya mesin pemotong rumput diaplikasikan untuk lapangan maupun

taman dalam kondisi lapangan yang datar dan rumput yang halus, sehingga mesin

mampu bekerja secara optimal.

Gambar 9.13 Robot mobile pemotong rumput

122

2. Komponen utama dari sistem penggerak roda

1. Poros

2. Bantalan (bearing)

3. Arm Roda (lengan Roda)

4. Roda

5. Rantai (chain)

6. Roda gigi (worm Gear)

7. Motor Wiper

Gambar 9.14 Sistem penggerak roda dan chassis/rangka

3. Sistem Mekanis

A. Transmisi Roda Gigi.

Transmisi roda gigi yang dipakai pada mesin pemotong rumput

adalah merupakan bagian dari transmisi roda gigi motor wiper yang

digunakan sebagai penggerak roda dan kemudi. Jenis roda gigi yang

digunakan adalah roda gigi cacing. Hal ini dilakukan agar pada saat

bekerjanya sistem kemudi, tidak terjadi putaran yang berbalik karena

telah ditahan/dihentikan oleh ulir cacing, sehingga pada saat gerakan

roda maju-mundur dan belok tidak terjadi macet akibat posisi roda yang

tidak sesuai. Selain itu penggunaan motor wiper pada sistem mekanis

gerak roda dan kemudi sangat menguntungkan pada sistem gerak mesin

pemotong rumput penggerak 4-roda dimana daya yang dihasilkan pada

motor wiper cukup besar.

123

Ciri yang sangat menonjol pada roda gigi cacing adalah kerjanya yang

halus dan tidak berisik, serta memungkinkan perbandingan transmisi yang

besar. Roda gigi yang digunakan pada motor wiper adalah roda gigi yang

memiliki diameter 55 mm untuk roda cacing dan diameter 8 mm untuk

ulir cacing. Sedangkan jumlah giginya 55 untuk roda cacing dan 8 pada

ulir cacing.

B. Transmisi Rantai

Transmisi rantai ini digunakan pada roda mesin pemotong rumput

penggerak 4-roda, yang fungsinya meneruskan putaran motor wiper

sehingga roda dapat bergerak. Ada beberapa alasan mengapa rantai

dipergunakan pada mesin pemotong rumput penggerak 4-roda yaitu :

• Keausan yang kecil pada bantalan;

• Mampu meneruskan daya yang besar karena kekuatannya yang besar;

• Mampu meneruskan daya tanpa adanya slip, sehingga menjamin

perbandingan putaran yang tetap;

• Mudah memasangnya;

• Tidak memerlukan tegangan awal.

4. Konfigurasi Pisau Pemotong Rumput Penggerak Empat Roda

Sesuai dengan aplikasi yang diambil yaitu mesin pemotong rumput maka dipilih

beberapa peralatan yang digunakan motor AC untuk memutar pisau potong rumput.

Motor pengerak (Motor AC 220 volt) yang digunakan adalah motor Ac yang tersedia di

pasaran, yaitu motor Ac yang biasa digunakan pada mesin jahit.

Gambar 9.15 Sistem mekanis penggerak mekanis roda dan pisau potong.

124

Untuk bahan pisau potong rumput dipilih khusus dari bahan baja pisau gergaji

kayu, dasar pemilihan bahan ini adalah karena baja tersebut memiliki daya lentur yang

tinggi dan memiliki nilai ketajaman yang bagus. Bahan dibentuk sedemikian rupa dan

diasah menggunakan gerinda. Gambar 9.16 adalah pisau potong dan gambar motor

penggeraknya.

Gambar 9.16 Pisau Potong dan Motor AC 220 volt

Gambar 9.17 menunjukkan rute lintasan dan gerakan robot mobile ini dikendalikan

dengan remote control yang memiliki daya jangkauan gelombang radio dengan radius

300 m.

125

Gambar 9.17 Pengendalian gerakan dan lintasan robot mobile

126

9.4 Mesin Las Listrik Tipe Mobile Otomatis (Puspito, H.J dan Santoso, A.B., 2003)

1. Desain dan Komponen mekanis

Gambar 9.20 Desain dan Komponen mekanis

2. Kebutuhan dan perakitan komponen mekanis

Bagian linier I Bagian linier II Bagian linier III A. Motor DC B. Dudukan Motor DC C. Gear Box D. Sambungan Poros Motor E. Gear atau Roda Gigi F. Poros Roda G. Bearing dan Dudukan

Bearinng H. Roda Belakang I. Rangka (casing)

A. Motor DC B. Dudukan Motor DC C. Sambungan Poros D. Rumah Roda Gigi E. Roda Gigi F. Poros Roda Gigi G. Dudukan Poros

A. Poros Sliding B. Poros Berulir C. Bantalan dan Pemegang Poros D. Sliding E. Dudukan Penjepit Elektrode F. Penjepit Elektrode G. Kerangka Linear I H. Roda Depan

3. Pengendalian dan Pengaturan gerakan

127

MESIN LAS

ARAH PENGELASAN

PENGELASAN HORISONTAL (DATAR)

y

BENDA KERJA

PENGELASAN VERTIKAL (NAIK)

ARAH PENGELASAN

ELEKTRODA

x

PENCEKAM

ARAH ELEKTRODA

Gambar 9.21 Pengaturan gerakan linier X-Y saat pengelasan

9.5 Perancangan Unit Sel Pengelasan Potong dan Konveyor (Santoso, E., Oka, J.A.D., Ling, N.T., Roland., 2002)

(a) Konveyor Roller

128

(b) Robot lengan las potong

(c) Unit sel robot las potong dan konveyor

Gambar 9.22 Simulasi kerja unit sel las potong dan gerak konveyot

Pengendalian gerakan robot lengan dengan metode slider yakni komponen poros

berulir yang berputar. Putaran poros ulir menggerakan mekanisme robot lengan ke kanan

dan ke kiri sesuai program gerakan yang dirancang. Gambar 9.23 menunjukkan

mekanisme penggerak robot lengan pengelasan dengan poros ulir yang dikendalikan

otomatis closed loop dilengkapi komponen saklar pembatas mikro (micro limit switch).

129

(a) Kontrol gerakan ulir open loop (b) Kontrol gerakan poros ulir closed loop

Gambar 9.23 Kontrol otomatis gerakan poros ulir

9.6 Perancangan Lift Pemindah Barang untuk Dua Lantai (Fajar, 2002) Hasil perancangan lift barang ini khusus untuk kemampuan angkat beban

maksimum 200 kg dan kemampuan tinggi angkat untuk dua lantai yakni sebesar 17

meter. Mekanisme yang dipilih adalah sistem pengangkat sabuk puli yang digerakan oleh

motor listrik AC dan dilengkapi sensor dan saklar pengaman serta pendeteksi besar beban

maksimal. Pengendalian gerakan lift terprogram dengan komputer dan menerapkan

sistem pengendalian ON/OFF dengan mendeteksi ada atau tidak adanya barang dan input

pemilihan tingkat lantai (lantai 1 atau 2) ditentukan oleh operator di depan komputer

kontrol.

(a) Posisi di lantai II (b) Posisi barang di lantai I

130

(c) Posisi barang di lantai dasar (d) Konstruksi dan sistem mekanis lift

Gambar 9.24 Pengaturan gerakan dan konstruksi lift barang dua lantai

9.7 Perancangan Mesin Snai Tiga Axis Otomatis (Prasetya, H, Utomo, B., Adi Dharma, A., 2003)

Perancangan mesin snai otomatis ini menganalisis tentang perakitan dan

pembuatan komponen-komponen dari mesin snai otomatis 3-axis yang dikelompokan

data kebutuhan komponen seperti pada Tabel 9.1.

Tabel 9.1 Daftar kebutuhan komponen untuk perakitan mesin snai 3 axis

131

1. Perancangan Gerakan 3- Axis Otomatis

Mesin snai ini resusun dari tiga bagian utama dan memiliki arah gerakan yang berbeda

dan bagian utamanya disebut sebagai linier.

a. Linier I :Komponen linier I terdiri dari beberapa komponen diantaranya motor

servo, poros ulir penggerak, roda gigi. Gerakan yang dilakukan oleh linier 1 adalah

gerakan naik dan turun.

b. Linier II :Komponen pada linier II adalah satu motor servo, satu poros ulir

penggerak. Poros dari motor servo akan memutar poros ulir penggerak, sehingga

linier II dapat bergerak ke kiri dan ke kanan.

c. Linier III :Komponen pada linier III terdiri dari satu motor servo, satu poros ulir

penggerak. Prinsip kerja dari linier III sama dengan linier II tetapi arah gerakannya

yang berbeda yaitu maju dan mundur.

132

Gambar 9.25 Bagian utama mesin snai 3 Axis otomatis

2. Kontrol Gerakan

Mesin jenis ini mempunyai tiga gerakan sumbu kerja yang dilakukan mesin pada

saat beroperasi, atau sistem derajat kebebasan yang memiliki tiga buah sumbu koordinat

sebagai sumbu gerakannya. Ketiga buah sumbu gerak tersebut adalah biasanya untuk

sumbu gerak dari meja dan perkakas potongnya. Tetapi mejanya memiliki dua buah

sumbu gerak yang saling menyiku yang bergerak secara horizontal yaitu biasanya didapat

tiga sumbu gerak ( x1 – x

2 ), ( y

1 – y

2 ) dan ( z

1 – z

2 ).

133

Daftar Pustaka Asfahl,Ray.,(1985), Robots and Manufacturing Automation, pen. John Wiley, Kanada. Billingsley, J., 2006., Essentials of Mechatronics , pen. John wiley and Sons, New

Jersey. Bishop,R.H., (2006), Mechatronics: an Introduction, pen. Taylor and Francis, New

York. Bolton, (1995), Mechatronics, pen. Longman, Inggris. Dwijaya, I.N., Eliadnyana, I.P., Mujib, A., Triwidodo, E., Susanto, A., (2003),

Perancangan Mesin Pengecat Genteng Otomatis, Laporan Skripsi Kelompok, Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang.

Fajar., M, (2002), Perancangan Lift Pemindah Barang untuk Dua Lantai, Laporan

Skripsi , Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang. Grover., Mikell, (1986), Industrial Robotics, pen. McGrawHill, Singapore. Prasetya, H, Utomo, B., Adi Dharma, A., (2003), Perancangan Mesin Snai Tiga Axis

Otomatis, Laporan Skripsi , Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang. Puspito, H.J dan Santoso, A.B., (2003), Mesin Las Listrik Tipe Mobile Otomatis,

Laporan Skripsi Kelompok, Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang. Sandler, B.Z., (1999), Robotics: Designing the Mechanism for Automated

Machinery, edisi ke-2, pen. Academic Press, California. Santoso, E., Oka, J.A.D., Ling, N.T., Roland., (2002), Perancangan Unit Sel

Pengelasan Potong dan Konveyor, Laporan Skripsi Kelompok, Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang.

Tokheim, Roger.,(1995), Elektronik Digital, ed. 2nd, terjemahan Digitals Electronics,

pen.Erlangga, Jakarta. Widisila, IK., Ery, IWK., Tomy, RS., Mustika, G., Artono, IW, (2002), Robot Mobile

Pemotong Rumput, Laporan Skripsi Kelompok, Jurusan Teknik Mesin S-1, FTI, ITN Malang.

--------------------, Katalog Produk 1997, ASCO: Solenoid Valves, Asco, Britain -------------------, Katalog Produk 2000, Keyence: Sensors Cataloque, Keyence, Japan -------------------, Quick Guided to Visual PLC, 2000, Keyence, Jepang -------------------, Katalog Produk 1995, Fanuc: Industrial Robotic, Britain -------------------, internet website, http://info.lboro.ac.uk/research/mechatronics ------------------,internet website, http://www.robotics.com

134

Lampiran 1. Kondisi Industri Non-Otomatisasi dan Full-Otomatisasi

(a) NON-AUTOMATION

(b) FULL AUTOMATION

135

Lampiran 2. Gambaran Karikatur Penyampaian Kode Biner di dalam Sistem Komputer

136

Lampiran 3. Contoh Spesifikasi Robot Industri (Katalog Produk Fanuc, 1995)

137

138

139

Lampiran 4. Soal-Soal Latihan 1. Jelaskan definisi-definisi mekatronika yang anda ketahui dan jelaskan pula

apa alasan mempelajari mekatronika di bidang mesin 2. Tentang pemahaman definisi mekatronika , jelaskan perkembangan yang

sedang terjadi di bidang industri.

3. Mekatronika mengantarkan menuju otomatisasi, jelaskan komponen-

komponen dasar otomatisasi yang anda ketahui

4. Sistem atau proses di bidang teknik selalu diperlukan pengaturan-

pengaturan, sebutkan dua jenis cara pengaturan dan contohnya

5. Di bidang industri dan permesinan dikenal ada beberapa jenis motor

penggerak seperti motor listrik, jelaskan secara diagram blok sistem

pengaturan motor listrik

6. Gambarkan simbol gerbang logika dan susun tabel kebenaran logika dari persamaan Boolean berikut ini (catatan: terdapat 3 input A, B dan C) :

(A + B + C).(B + C )= Y

7.

8. Saklar merupakan komponen dasar otomatisasi, gambarkan konfigurasi

saklar dan berikan masing-masing contoh terapannya.

9. Jelaskan prinsip kerja sensor non-kontak dan berikan contoh

penggunaanya di industri (cantumkan gambar/sketsa)

10. Jelaskan diagram pengendalian motor listrik berikut ini. Berikan sebuah contoh aplikasinya

11.

140

12. Transduser merupakan salah satu komponen dasar otomatisasi, jelaskan

cara kerja transduser dibawah ini (lengkapi diagram blok input-outputnya)

a. optical enkoder

b. strain gages

c. potensiometer

13. Termokopel tembaga terkalibrasi 0 0C hingga 450 0C pada suatu oven

pemanas dengan tegangan listrik maksimum tercatat di ruang kontrol

sebesar 20,5 mV.

a. tentukan tegangan listrik jika termokopel menunjukkan temperatur

210 C (hitung dulu sensitifitas termokopel)

b. Jika tegangan listrik tercatat sebesar 10 mV, berapakah temperatur

titik panasnya

14. Jelaskan jenis rangkaian penguat operasional (minimal 3 jenis rangkaian)

yang digunakan untuk pengkondisian sinyal (sertai diagram blok

pengkondisian sinyal)

15. Sensor dan saklar merupakan komponen masukkan pada sistem otomatik.

a. Gambarkan konfigurasi saklar yang anda ketahui b. Apa perbedaan yang mendasar antara sensor dan transduser

(disertai contohnya) 16. Otomatisasi selalu membahas tentang cara kerja sistem atau proses,

jelaskan tentang : a. definisi sistem b. definisi manual dan otomatik

17. Ada dua jenis teknik atau cara pengendalian, jelaskan masing-masing

teknik pengendalian suatu proses beserta contohnya secara diagram blok 18. Motor listrik merupakan salah satu jenis motor penggerak yang aplikasinya

sangat luas, jelaskan tentang: a. Model Beban dari motor (tinjauan mekanis) b. Diagram blok kontrol otomatik motor listrik

20,5 mV

oven,450 C ruang

141

19. Perhatikan gambar berikut ini.

a. Jelaskan cara kerja komponen tersebut b. Berikan contoh aplikasinya

20. Jelaskan perbedaan sistem hidrolis dan pneumatis berikut ini. Berikan

contoh aplikasi mekatronika di industri dari masing-masing sistem tersebut

21. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Programmable Logic Controller (PLC)

dan fungsinya di industri serta sebutkan komponen-komponen hardware input-output yang menyusun sebuah PLC.

22. Perhatikan gambar berikut ini. Sebuah sistem konveyor membawa barang

dan dilengkapi sebuah sensor yang mengaktifkan dan non-aktifkan konveyor jika sensor mendeteksi ada dan tidak adanya barang yang lewat. Buatkan instruksi diagram tangga untuk kontrol PLC sistem konveyor tersebut.

142

23. Perhatikan gambar mekanisme berikut ini. Jelaskan sistem kerja dan fungsi masing-masing komponen utama otomatisasi pada gambar tersebut.

24. Jelaskan 3 tahapan cara-cara merancang sebuah robot industri standar ISO 8373, berikan contoh jenis robot industri yang anda maksud dan lengkapi ilustrasi konfigurasi robot tersebut serta mekanisme penggerak/komponen aktuator yang digunakan.

25. Perhatikan gambar konfigurasi robot berikut ini. Jelaskan :

a. Apa jenis kelompok robot pada gambar tersebut menurut definisi ISO 8373

b. Apa saja komponen otomatisasi yang digunakan c. Berikan 2 contoh aplikasinya di industri

139

Indek A AC 27,29,30,31,33,110,123 ADC(/DAC) 24,55,56,57,58,75,81,82 AGV 3,32,90,105,106,107,109 Analog 10,22,23,47,50,51,52,53,54, 55,56,58,59,62,72,81,87,102,110,114 Arus (-listrik) 7,10,13,19,23, 27,28,29,30,33,34,35,36,37,38,40,41,45,59,64,65,84

B Baterai 34,35,47,140 Biner 47,48,49,50,52,53,55,57,58, 61,66,67,74,78,81,135

C Close (-loop) 5,27,29, 77,86,128,129 CPU 67,70,71,72,73,74

K Kode 23,48,61,73,74,136 Komponen 3,4,5,6,11,12,22,24,25,27, 55,56,57,58,59,65,66,75,81,82,83,84,85, 87,90,96,97,99,100,101,105,108,109, 110,115,116,117,122,126,128,130,131, Komputer 1,2,3,8,9,22,24,29,47, 49,50,55,56,59,66,67, 73,75,79,80,81,82,101,102 105,106,119,120,129,135 Kontrol 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,22, 24,29,30,22,33,39,56,62,68,70,74, 75,78,79,80,87,91,95,97,102,102, 105,108,110,112,115,116,119, 120,129,132 Konversi 16,17,19,30,31,33,44,47,48, 49,50,56,58,75,81,87,99,

L Linier 5,12,18,19,23,25,26,27,44,81,84, 93,98,99,100,126,127,131 Listrik 1,7,8,10,13,17,23,26,27 28,29, 30,31,32,33,35,38,39,40,41, 42,45,46,56,59,62,65,78,79, 81,82,84,103,110,111,112,118 126,129,133 Logika 24,48,51,52,53,54,55,56,60,61, 62,68,70,76,77,78,79,83,141

S Saklar (switch) 7,8,12,13,14,15,22, 27,33,38,39,51,52,53,61,75,76,77,78, 96,97,100,119,120,128,129 Semikonduktor 59 Sensor 1,6,10,12,14,15,16,17 22,23,30,56,57,62,75,76,81 91,96,97,101,102,105,107, 115,129,133 Servo 1,29,30,31,33,38,39,40,98,131 Simulasi 3,115,129 Sinyal 6,9,12,14,16,17,22,23,24,30, 39,40,50,52,56,58,60,62,65,66,73,75,78,81,87,102 Sistem 1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,14, 22,24,25,26,29,30,31,33,39,42, 44,46,47,48,49,55,56,57,58,59,62,67,68,71,73,74,75,79,84,86,87,90,96,98,99,100,105,106,108,110,112,114,118,119,122,123,129,130,132,135 Stabil 58,62 Stator 28,29,30,41,42 Stepper 28,29,31,33,38,40,41,42,45, 98,116,118,119,120 Strain (gage) 19,20

D Data 5,50,55,58,59,60,61,66,67,68, 69,70,71,72,73,74,81,82,119 Database 68,106 Daya 10,27,33,39,42,45,69,71,84,98, 101,122,123,124, DC 27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37,38,39,40,43,44,61,64,75,78,81,98, 111,112,126 Dekoder 23,67 Desain 2,5,6,83,91,99,101,102,109, 110,117,127 Digital 2,22,23,24,29,47,49,50,55,56, 57,58,59,60,66, 68,70,71,75,78,81, 102,111,112, 115,119,133

E Elektroda 128 Elektromagnet 12,14,15,41

M Manual 1,7,11,12,13,14,38,39,87,116, 120 Magnet 19,26,28,29,31,33,35,36,41,84, 105 Mekanis 12,14,24,25,30,31,42,45,46, 75,81,98,99,100,111,122,123,126,130 Mekatronika 1,2,3,4,5,83, 84,87,90 108, 121 Memori 49,50,66,67,69,71,72,73,74 Mesin 1,2,3,5,10,11,22,25,29,32,33,46, 47,49,66,68,75,76,79,80,87,106,108,109114,120,121,123,126,127,130,132,133 Mikrokomputer 49,66,70,71, 73, 75 Mikroprosesor 1,50,55,59,66,67,68,69, 71,72,105 Motor 1,10,24,27,28,29,30,31,32, 33,34,35,36,38,39,40,41,42,43,45,51, 53,57,75,76,77,78,79,81,84,91, 101,102,111,112,115,116,118,119,120, 122,123,124,126,129,131

T Tegangan 7,10,17,26,27,29,31,33, 34,35,36,37,38,40,56,58,61,62,63,64,65,69,75,105,123 Teknik, 1,2,3,4,6,7,12,48,51,56,63,76, 79,82,87,109,134 Termokopel 7,8,20,21,23,24,65,111 Transduser 6,12,16,17,18, 19,20,21,22,56,57,62,81 115 Transistor 10,38, 59,82 Translasi 42,44,93

U Umpan (balik) 6,7,8,9 10,29,39,40,62,64,65,97, 101,102 Ulir 82,100,102,123,124,127,129, 130,132

140

Elektronika 2,3,5,12,59,65,75, 84 Elemen 6,7,8,9,10,12,17,40,46,59, 100,101,102 Enkoder 40,41 End (effector) 94,95,96,100,112, 113,114,115,116,117 Energi (-sed) 16,17,24,25,28,29,30,31,43,44, 68,78,82,84,118 Error 6,7,9,39,82

N Negatif 19,34,35,36,38,61,62,64 Normal (-ly) 13,28,59,70,77,78,89,92

O Op-amp 24,25,58,59,62,63,64,65,66,82 Open (-loop) 5,27,29,76,129 Optik 16,106 Otomatis 1,3,7,11,12,14,75, 81,84,90,101,102,105,108,109, 114, 126,128, 131, 132,133 134 Otomotif 2

F Feedback 6,7,10,29,62,97,102 Flow (meter) 12

G Gain 12, 23,60,62,94 Gerbang (logika) 47,50,52,53,54, 55,60,61,66,67

P PLC 22,59,71,75,76,77,78,81,82,87,133 Pneumatis 12,14,25,26,83,84,85,86, 87,100,117,118 Poros 9,11,29,31,32,35,41,43,44,46, 82,100,117,123,127,129,130,132 Positif 34,35,36,38,61,62 Proses 2,5,6,7,8,9,12,22,24,27,50, 57,58,62,66,67,68,71,72,73,77,78,81,82, 94,100,103,104,108,109,112,116

H Hidrolis 12,14,25,26,83,84,85,98

I IC (Integrated Circuits) 50,55,59, 60,61,62,63,64,66,67,71,72,75,82 Industri 3,12,32,69,72,77,82,91,92, 93,95,96,97,99,101,109,134 Infrared 16 Interface 82,106,119 Inverter 52,53 I/O (port-) 69,71

R Relay 25,27,30,51,52,62,76,77,78,112 Remote 92,125 Robot 1,3,10,14,29,32,33,711,75,81,87, 90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101, 102,104,105,106,108,116,119,120,121, 124,125,128,133 Roda (gigi) 25,26,40,44,45,100,101, 102,122,123,124,127,132 Rotasi 8,27,37,42,43,44,81,93,98,99, 100,120 Rotor 28,29,30,31,34,41,42