penelitian dosen 2016 - Jus Tekno

ISSN 2580-2801
JUS TEKNO
Jurnal Sains & Teknologi
RANCANG BANGUN TRAINING KIT CNC MILL 3 AXIS SEBAGAI MATERI
PRAKTEK CADCAM DI STT DUTA BANGSA
Sigit Widiyanto
Program Studi Teknik Mesin,
Sekolah Tinggi Teknologi Duta Bangsa
ABSTRAK
Dalam industri bidang manufacture, khususnya dalam bidang
pemesinan untuk tetap bersaing dengan pesaing industry maka
perusahaan harus selalu meningkatkan efisiensi baik itu produktivitas
maupun kualitas. Pada proses pembelajaran dibutuhkan media/alat
sebagai visualisasi dalam proses transfer ilmu khususnya dalam bidang
pemesinan.
Tujuan penelitian ini adalah membuat prototype CNC milling 3
Axis berukuran kecil (mini) sebagai media pengajaran, pelatihan dan
penelitian. Dalam penulisan ini di ambil judul “ Rancang Bangun
Prototype mesin CNC Milling 3 Axis” dengan sub judul “ Perancanagan
Konstruksi Rangka pada Prototype Mesin CNC Milling 3 Axis” Sedangkan
mengenai maintenance, Lubrication dimasukan ke dalama batasan
masalah dimana penulis kesulitan dalam perhitungannya.
Setelah melakukan perhitungan pada linier motion guide. maka
LM Guide yang digunakanType SRS 7M II Basic dynamic load rating C =
1,51 kN , Basic static load rating
= 1,29 kN, dan gaya – gaya yang
terjadi pada rangka hasilnya mesih dalam batasan nilai izin bahan SS41
yaitu a = 66,6 N.
Komponen electrical yang digunakan berupa Power supply, DC
servo drive, motor stepper DC, Break of Board .
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan akan mesin perkakas CNC atau mesin dengan CNC
Kontrol sebagai media pembelajaran dan penelitian merupakan bentuk
perkembangan dan perubahan teknologi harus disikapi dengan baik
dikarenakan tuntutan pekerjaan dan untuk mengerjakan bentuk
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 133
geometri yang kompleks dan mengurangi waktu set up tetapi dengan
biaya yang terjangkau. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, maka
perlu dikembangkan mesin CNC Milling mini 3–Axis dengan
menggunakan sistem kontrol yang sederhana dimana biayanya lebih
terjangkau, salah satunya adalah sistem kontrol terbuka atau Open loop
control system. Tetapi sistem ini sangat mudah dipengaruhi oleh
gangguan dari luar yang bersumber dari controller, driver, kelemahan
dari sisi mekanis konstruksi mesin dan efek dari proses pemotongan
sehingga mempengaruhi ketelitian gerakan. Ketidaktelitian gerakan
dalam proses pemesinan di mesin CNC juga disebabkan oleh kombinasi
berbagai sumber kesalahan (error) yang besarnya hanya dapat
diketahui setelah proses permesinan dilakukan.
Oleh karena itu penulis mencoba menyajikan perancangan mesin
CNC Milling 3 Axis kedalam Jurnal Perancanagn Guna menjadi bahan
referensi untuk perancanagn- perancanag yang berkaitan dengan
mesin perkakas.
Metode Perancanagn
Adapun penyusunan melakukan beberapa analisa yang dilakukan
dengan :
Maksud dan Tujuan
Maksud dan tujuan perancanagan ini adalah untuk mengetahui
bagaimana merancanag konstruksi utama dan merancanag Long
Motion Guide pada mesin CNC Kit 3 Axis
METODOLOGI PERANCANGAN
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 134
Gambar 1. Alur Proses Perancangan
DASAR TEORI DAN PERANCANAGAN
Konstruksi Rangka
Rangka dalam mesin ini menggunaka besi Kanal U,profil
berpenampang U dan pada salah satu ujung sayapnya berbentuk
bulat,di hasilkan dari proses canai panas / Hot roling mill . dengan
penmpang seperti gambar di bawah, profil ini akan di fungsikan sebagai
rangka utama pada Mesin CNC 3 Axis.
Untuk Mencari luas penampang pada krangka adalah.
Luas penampang
A = H
+ 2.
(B-
) + 0,349 (
= 150.5 + 2.5 ( 75 – 5 ) + 0,394 (
-
)
)
= 1450
Long Motion Guide
Linier Motion Guide memiliki mekanisme untuk menanggung beban
dan untuk memandu gerakan linear secara bersamaan.
a) Long Motion Guide Horisontal,
Sumbu X & Y
Gambar 2. Long Motion Horizontal Sumbu X
m.g
P4 =
= 49 N ;
+
= 60 mm ;
+
=
= 71 mm ;
+
+
= 15 mm ;
= 30 mm ;
= 28,7 N
Sumbu Y
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 135
P4 =
m.g
+
–
= 98 N ;
=
= 60 mm ;
+
+
= 71 mm ;
= 57,4 N
= 15 mm ;
= 30 mm
Long Motion Vertikal Sumbu Y
mg = 19,6 N ;
= 60 mm ;
= 71 mm ;
= 110 mm
Gambar 3. Long Motion Horizontal Sumbu Z
P1~P4 =
=
= 18 N
Kesimpulan
Dari perhitungan diatas maka Linear Motion Gude yang di
gunakan adalah type SRS 7M dengan spesifikasi Basic dynamic
load rating C = 1,51 KN maupun Basic static load rating
=
1,29KN
Dari semua penggunaan LM Guide layak di aplikasikan pada
mesin ini, dikarenakan dari perhitungan LM guide tidak ada yang
melebihi batas maksimal Basic dynamic load rating maupun
Basic static load rating.
Beban Total
Beban total pada LM Guide merupakan beban total pada mesin,
=
+
+
= 28,7 + 57,4 + 18
= 104 N
Diambil 139 N
Factor koreksi pada gaya rata rata = 1,2 sampai 2. Di ambil 1,5Safety
factor pada Long Motion Guide = 1,0 sampai 1,5. Di ambil 1,5
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 136
Gaya Desain
=
x(
+
)
= 104 x ( 1,5 + 1,5 )
= 312 N
Gambar 4. Mesin Mini CNC Milling 3 Axis.
Gambar 5. Total Beban Pada Mesin.
Pengelasan Pada Rangka
Pengelasan pada rangka utama di bagi dua bidang, yaitu pada bidang
vertical, dan pada bidang Horisontal. Keduanya mempunya perhitungan
yang berbeda maka dari itu dalam perhitungannya di pisahkan.
Pengelasan Pada Bidang Vertikal
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 137
Pengelasan terhadap tegangan bengkok
=
=
= 0,07 N /
Pengelasan rangka terhadap tegangan geser.
=
=
= 0,6 N /
Tegangan resultan
tegangan geser.
pengelasan
terhadap
tegangan
bengkok
dan
=
=
= 0,6 N /
Dikaraenakan sisi vertikal benda tersebut ada dua sisi maka total
tegangan inersia benda tersebut adalaah.
=2x
= 2 x 0,6 N /
= 1,2 N /
Tegangan izin pengelasan,
=
x
x
= 0,65 x 1 x
= 7,15 kgf /
x22
= 70 N /
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 138
= Tegangan bengkok las ……………..N/
M
= Momen……………..N.mm
= Tebal pengelasan ……………..mm
= Panjang pengelasan …………….mm
= Tebal las efektif…………………….mm
sl = Tegangan geser pengelasan…….N/
= Tegangan resultan …………..N/
= Tegangan izin Pengelasan…….N/
= Faktor Pengelasan Fillet
= kualitas Pengelasaan
= 0,65
=1
=Tegangan Izin Material =
Kesimpulan
Dari perhitungan di atas teganagan resultan pengelasan lebih kecil dar
teganagan izin pengelasan dengan demikian maka pengelasan pada
rangka dapat di nyatakana AMAN.
1,2 N /
<
70
Pengelasan pada Bidang Horisontal
Gambar 6. Posisi pengelasan bidang horisontal
=
=
= 1,9 N /
Kesimpulan.
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 139
Tegangan Maksimum pengelasan masih lebih kecil dibandingjan
dengan tegangan izin pengelasan. Dengan demikian pengelasan pada
sudut horizontal pun dapat dinyatakan aman.
Perancangan Wiring Diagram
Agar memudahkan dalam proses perakitan dan perancangan setiap
komponen mesin maka di buat terlebih dahulu gambar sistem pengkawatan
(Wiring Diagram).
Berikut ini gambar lengkap dari Wiring Diagram mesin milling 3 axis :
Gambar 7. Total Wiring Diagram Mesin CNC 3-Axis
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 140
Gambar 8 Skema Wiring Diagram Mesin CNC 3-Axis
Tabel 1. : Bahan dan Alat untuk merakit mesin CNC 3-Axis
N
Nama Komponen
Type
Jumlah
1
Power Supply
SMPS 20 ampere 12
1
2
Break Out Board
BOB DB25
1
3
Driver Motor Stepper
TB6600
3
4
Motor Stepper
Nema23
3
5
Limit Switch
Push limit switch
6
6
Push Button
Emergency push button 1
7
Kabel
Kabel terisolasi
o
Secukupn
ya
8
Ground Box
9
Relay
Single Pole 5V
10 Fuse Box
1
1
11 Motor Spindle
AC220V, 350 watt
1
12 Voltage Regulator
In 220v, out 0-260v, 1A 1
max
Proses Perakitan
Langkah pertama adalah menghubungkan motor stepper dengan driver
motor stepper dengan mengikuti skema berikut ini(Contoh sumbu X):
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 141
Gambar 9. : Skema koneksi driver ke motor stepper
Karena mesin CNC milling ini memiliki 3 axis maka di perlukan 3 buah
rangkaian seperti di atas untuk masing-masing sumbu dan setiap sumbu
tidak ada perbedaan skema rangkaian.
Untuk selanjutnya adalah menghubungkan driver motor stepper dengan
Break Out Board (BOB).Karena di mesin CNC milling memiliki 3 axis maka
ada 3 driver motor stepper yang di hubungkan ke BOB sesuai dengan axis
yang akan di gerakkan. Cara menghubungkan setiap axis dengan mengikuti
skema sbb :
Driver↔Motor Stepper Sumbu X=Y=Z (Sesuai masing sumbu) :
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 142
Gambar10 : Skema koneksi driver sumbu X=Y=Z ke BOB
Setelah selesai menghubungkan setiap motor stepper ke Driver motor steper
maka di lanjutkan dengan merakit komponen limit switch ke komponen BOB,
limit switch dalam mesin CNC yang penulis rakit berfungsi sebagai sakelar
pengaman untuk mencegah eretan bergerak melebihi kapasitas langkah
masing-masing sumbu karena kalau sampai ini terjadi akan terjadi
kerusakan mekanis dari eretan atau motor stepper menjadi overload. Limit
switch harus di pasang di setiap ujung eretan sehingga saat eretan bergerak
melebihi batas akan membuat switch menutup (Close Condition). Yang di
maksud kondisi limit switch tertutup adalah ketika terminal limit di BOB
terhubung dengan ground.
Adapun skema perakitan adalah sebagai berikut :
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 143
BOB↔Limit Switch Sumbu X=Y=Z
Posisi penempatan limit switch dari sumbu X adalah saat dimana eretan
mulai menabrak braket ulirtransportir atau mur di kedua sisi lintasan eretan
X (Arah plus (+) dan minus (-). Cara penyusunan limit switch adalah dengan
sistem paralel sehingga apabila salah satu switch tertekan akan
mengakibatkan motor penggerak berhenti.
Berikut ini skema perakitan dari limit switch untuk sumbu
X=Y=Z :
Gambar 11 : Skema koneksi limit switch sumbu X=Y=Z
Langkah selanjutnya adalah memasang Emergency Stop Button,
Emergency switch bekerja dengan cara memutuskan atau menghentikan
setiap aktivitas gerakan mesin dengan cara memutus arus listrik. Emergency
Stop adalah cara terbaik untuk menghentikan semua aktivitas mesin dengan
cepat dan aman, bukan dengan memutus aliran listrik utama dari PLN
karena dengan cara ini di khawatirkan masih terdapat aliran listrik yang
tersimpan di dalam Capacitor yang mengakibatkan motor berhenti dengan
lambat.
Emergency Stop Button di koneksikan dengan BOB dengan skema seperti di
bawah ini :
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 144
Gambar 12 : Skema koneksi Emergency Button
Tombol emergency stop mempunyai mekanisme akan mengunci ketika
sekali di tekan, dan akan kembali membuka ketika kepala tombol di tekan.
Mungkin Mach3 tidak bisa melanjutkan proses machining ketika tombol
emergency di tekan, tapi tidak masalah karena keselamatan diri dan mesin
lebih utama.
Langkah selanjutnya adalah merakit motor spindle sebagai penggerak
Pisau Milling.
Sebenarnya ada beberapa pilihan kontrol motor spindle utama, ini
menyesuaikan dengan jenis motor yang akan di pakai, apakah Motor Stepper
atau Motor Servo.
Untuk perancangan mesin CNC milling ini akan di gunakan motor ac
dengan pengaturan putaran manual dengan mengubah voltase yang masuk
ke motor. Sedangkan pengaturan On/Off di lakukan dengan M-Code.
M-Code di program G-Code.
M3 = Motor Spindle ON
M5 = Motor Spindle OFF
Gambar.13 : Skema koneksi Motor Spindle
Karena tegangan tinggi masuk ke dalam rangkaian BOB, di harapkan
untuk berhati-hati dalam merakit dan menyentuh komponen saat mesin
berjalan.
Proses terakhir adalah merangkai semua komponen elektrik mesin dengan
power supply, dimana sebelum menuju ke setiap komponen harus melewati
Fuse box terlebih dahulu sebagai perangkat pengaman hubungan singkat.
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 145
Berikut ini skema rangkaian merakit komponen dengan power supply
sesuai tegangan yang di butuhkan :
BOB menggunakan power supply tersendiri dengan output 5VDC arus 3
ampere.
Gambar 14 : Skema koneksi Power Supply ke BOB
Karena motor spindle membutuhkan tegangan AC yang bisa di atur voltase
nya, maka rangkaian di buat seperti gambar di bawah :.
Gambar 15 : Skema koneksi Motor Spindle & Regulator
Untuk driver motor stepper menggunakan power supply yang sama untuk
motor stepper nya.
Gambar 16 : Skema koneksi Power supply ke Motor Stepper Driver
Langkah selanjutnya adalah menghubungkan massa dari power supply
dengan Ground Box serta massa dari setiap komponen mesin. Karena dari
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 146
Mach3 merekomendasikan penggunaan ground box agar aliran listrik massa
berpusat pada satu titik. Ground box dapat di buat menggunakan sebuah
plat tembaga atau aluminium yang di buat berlubang-lubang dan setiap
kabel di sekrupkan dengan erat ke plat tersebut. Apabila ada koneksi yang
menggunakan kabel terlindung (Coaxial) maka konduktor untuk pelindung
harus di hubungkan juga dengan ground box.
Perhitungan Electric
Karena mesin ini menggunakan tegangan searah (DC) dengan tegangan
rendah maka di perlukan sebuah power supply untuk mengubah tegangan
AC 220V menjadi DC 12V.
Agar pemakaian power supply menjadi efisien maka spesifikasi dari power
supply harus tepat. Mengacu dari spesifikasi masing-masing komponen. Di
bawah ini adalah perhitungan kebutuhan total arus maksimal mesin :
Tabel 2 : Total Kebutuhan Arus Listrik Komponen
N
Voltas Arus
Komponen
Qty
Total arus
o
e
(A)
1
BOB
5
0.7
1
0.7
Driver
Motor
2
12
0.007
3
0.021
Stepper
3
Motor Stepper
12
3
3
9
4
Motor Spindle
220
1.59
1
1.59
Total
11.311
PENUTUP DAN KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat di ambil dari Rancang bangun meini CNC Milling
3 axis ( perancangan rangka Utama ) ini adalah.
Mesin ini nantinya akan di gunakan sebagai prototype
pembelajaran cara kerja, pemograman mesin CNC Milling 3 Axis
Struktur rangka pada mesin Mini CNC 3 Axsis berdasarkan desain
dan perancangan dinyatakan aman dan kuat, karena semua
tegangan yang terjadi pada semua komponen tersebut di bawah
dari tegangan izin matrial, yaitu:
<
= Aman
.5 N
< 66,6 N
= Aman
Long Motion Guide yang di gunakan pada mesini Mini CNC Milling
3 Axis ini adalah Jenis RSR7WV
Dari semua penggunaan LM Guide layak di aplikasikan pada
mesin ini, dikarenakan dari perhitungan LM guide tidak ada yang
melebihi batas maksimal Basic dynamic load rating C = 1,51 kN
maupun Basic static load rating = 1,29 kN, Aman.
Pengalasan pada struktur utama dinyatakan aman dikrenakan
teganagan maksimal pengelasan dari bidang vertical maupun
horisontallebih kecil dari tegangan izin pengelasan.
Pengelasan bidang vertical
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 147
1.2 N/
<
70 N = Aman.
Pengelasan bidang Horisontal
1,9 N /
<<
70 N = Aman.
1,9N /
<
70 N = Aman.
Daftara Pustaka
1. Kurmi dan Gupta. 2005
. Machine Design .New Deldi : Eurasia
Publishing House .
2. Jhon H. Jacson dan Harold G. wirte 1983 Streng of Matrial. New York :
Mc Graw Hill.
3. Alien S. Hall,Alfred R. Hollowenko, dan Herman G. Laughlin . Machine
Design. Singapore: Mc Graw Hill.
4. Kazimi, dan Jindal. 1981 . Design of Steel Struktures . New delhi :
Prinicel Hall.
5. Neman G. 1978. Machine Element. New york .
6. 2015. General catalogue. www.THK – General – Catalogue.co.ltd . di
akses 25 Maret 2015.
7. 2015.
Linear
Motion
Gude.
www.NSK
LinearMotionGude
–
catalogue .co.ltd diakses 15 April 2015.
8. Sigit Widiyanto. Skripsi Universitas Negeri Jakarta.
9. Bahan ajar Sekolah Tinggi Teknologi Duta Bangsa. Modul Matrial
Teknik.
Vol. 01 No. 01 Mei 2017 148