mekatronika - Official Site of Ary Bima Kurniawan

MEKATRONIKA
Disusun Oleh :
Dr. Lussiana ETP, Ssi., MT.
Hustinawati, SKom., MMSI.
Atit Pertiwi Skom., MMSI.
Ary Bima Kurniawan, ST., MT.
Yogi Permadi, SKom.
Jurusan Sistem Komputer Fakultas Ilmu Komputer
UNIVERSITAS GUNADARMA
2011
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
BAB I
Pengenalan Mekatronika
POKOK BAHASAN:
1. Pendahuluan
2. Pengertian Mekatronika
3. Aplikasi-Aplikasi Mekatronika
TUJUAN BELAJAR:
Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan
mampu: Memahami tentang Mekatronika dan dapat menjelaskan contohcontoh aplikasi yang termasuk mekatronika
1.1. Pendahuluan
Mekatronika adalah kata baru yang lahir di Jepang pada awal tahun
1970an yang merupakan gabungan antara 2 kata yaitu mechanics dan
electroinics. Sekarang ini sering terlihat barang barang mekatronik seperti
robot, mesin bubut NC, kamera digital, printer dan lain sebagainya. Persamaan
dari barang-barang mekatronik ini adalah objek yang dikendalikan adalah
gerakan mesin. Jika dibandingkan dengan gerakan mesin konvensional maka
gerakan mesin tersebut lebih bersifat fleksibel dan lebih memiliki kecerdasan.
Hal ini dimungkinkan karena memanfaatkan kemajuan iptek micro-electronics.
Artinya dengan bantuan micro-electronics mesin dapat bergerak dengan lebih
cerdas. Jika seseorang memberikan sebuah perintah, lalu semua dapat
dipasrahkan ke mesih yang dapat bererak secara otomatis. Ini santat membantu
menciptakan mesiha tau alat yang praktis dan mudah digunakan. Sehigga
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 1
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
sumber daya manusia seperti waktu dan otak dapat dipakai untuk pekerjaan
yang lain, sehingga daapt menciptakan nilai tambah.
Pada awalnya mekatronik diarahkan pada 3 target yaitu: penghematan
energi (energi saving), pengecilan dimensi dan peringanan berat dan
peningkatan kehandalan (reliability). Sekarang, setelah 30 tahun lebih berlalu
dari kelahirannya, perlu dirumuskan kembali arah mekatronik sesuai dengan
perkembangan jaman. Dan khususnya untuk Indonesia sebagai negara yang
masih berkembang dengan segudang permasalahnnya, rasanya arah mekatronik
perlu ditentukan agar dapat membantu memecahkan masalah-masalah yang ada
dengan tetap memperhatikan lingkungan regional dan global.
1.2
Pengertian Mekatronika
Mekatronik adalah teknologi atau rekayasa yang menggabungkan
teknologi tentang mesin, elektronika, dan informatika untuk merancang,
memproduksi, mengoperasikan dan memelihara sistem untuk mencapai tujuan
yang diamanatkan. Seperti diketahui dari definisi mekatronika adalah
gabungan disiplin teknik mesin, teknik elektro, teknik informatika, dan teknik
kendali. Pada awalnya, secara khusus tidak ada disiplin mekatronika. Untuk
menggabungkan beberapa disiplin iptek tersebut, mekatronika memerlukan
teori kendali dan teori sistem.
Secara sempit pengertian mekatronika mengarah pada teknologi kendali
numerik yaitu teknologi mengendalikan mekanisme menggunakan aktuator
untuk mencapi tujuan tertentu dengan memonitor informasi kondisi gerak
mesin menggunakan sensor, dan memaukan informasi tersebut ke dalam
mikro-prosesor. Ini menumbangkan kemajuan yang spektakuler jika
dibandingkan dengan kontrol otomatis menggunakan instrumen analog, karena
dapat merubah skenario kontrol secara fleksibel dan dapat memiliki fungsi
pengambilan keputusan tingkat tinggi.
Contoh klasik barang mekatronik adalah lengan robot dan mesin bubut
kontrol numerik. Barang-barang ini dapat melakukan pekerjaan-pekerjaan yang
berbeda-beda dengan cara merubah program mereka sesuai kondisi yang
diminta, karena telah ditambahkan kemampuan kendali aktif yang canggih
terhadap mekanisme yang telah ada. Beberapa manfaat penerapan mekatronik
adalah sebagai berikut:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 2
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
1. Meningkatakan fleksibiltas
Manfaat terbesar yang dapat diperoleh dari penerapan mekatronik adalah
meningkatkan fleksibilitas mesin dengan menambahkan fungsi-fungsi baru
yang mayoritas merupakan kontribusi mikro-prosessor. Sebagai contoh, lengan
robot industri dapat melakukan bebagai jenis pekerjaan dengan merubah
program peranti lunak di mikro-processornya seperti halnya lengan manusia.
Ini yuang menjadi faktor utama dimungkinkannya proses produksi produk
yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit.
2. Meningkatakan Kehandalan
Pada mesin-mesin konvensional (manual) muncul berbagai masalah yang
diakibatkan oleh berbagai jenis gesekan pada mekanisme yang digunakan
seperti: keusangan, masalah sentuhan, getaran dan kebisingan. Pada
penggunaan mesin mesin tersebut diperlukan sarana dan operator yang
jumlahnya banyak untuk mencegah timbulanya masalah-masalah tersebut.
Dengan menerapkan switch semikonduktor misalnya, maka masalah-masalah
akibat sentuhan tersebut dapat diminimalkan sehingga meningkatkan
kehandalan. Selain itu dengan menggunakan komponen-komponen mesin
sebagai pengendali gerak, tingkat presisi dan kecepatan telah mencapai garis
saturasi yang sulit untuk diangkat lagi. Dengan menerapkan kendali digital dan
teknologi elektronika maka tingkat presisi mesin dan kecepatan gerak mesin
dapat diangkat lebih tinggi lagi sampai batas tertentu. Batas ini misalnya adalah
rigiditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena munculnya
getaran. Hal ini melahirkan tantangan baru yaitu menciptakan sistem mesin
yang memiliki rigditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena
munculnya getaran. Hal ini melahirkan tatangan baru yaitu menciptakan sistem
mesin yang memiliki rigiditas lebih tinggi.
Struktur mekatronika dapat dipilah menjadi 2 buah dunia yaitu dunia
mekanika dan dunia elektronika. Di dunia mekanika terdapat mekansime mesin
sebagai objek yang dikendalikan. Di dunia elektronika terdapat beberapa
elemen mekatronika yaitu : sensor, kontroler, rangkaian pengerak aktuator dan
sumber energi.
Elemen-elemen mekatronika dapat dijejalaskan sebagai berikut:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 3
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Mekanisme mesin. Ini adalah objek kendali yang bisa berupa lengan robor,
mekanisme penggerak otomotif, generator pembangkit listrik dan lain
sebagainya. Sensor. Ini adalah elemen yang bertugas memonitor keadaan
objek yang dikendali. Sensor ini dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi
sinyal berfungsi memproses sinyal listrik menjadi sinyal yang mengandung
informasi yang bisa dimanfaatkan.
Kontroler. Ini adalah elemen yang mengambil keputusan apakah keadaan ojek
kendali telah sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan, dan kemudian
memproses infromasi untuk menetapkan nilai komando guna merefisi keadaan
objek kendali.
Rangkaian. Ini adalah elemen yang berfungsi menerima sinyal komando
dari kontroler dan mengkonversinya menjadi energi yang mampu
menggerakkan aktuator untuk melaksanakan komando dari kontroler. Elemen
ini selain menerima informasi dari konroler juga menerima catu daya berenergi
tinggi.
Aktutor. Ini adalah elemen yang berfungsi mengkonversi energi dari energi
listrik ke energi mekanik. Bentuk konkrit aktuator ini misalnya:motor listrik,
tabung hidrolik, tabung penematik. Dan lain sebagainya.
Sumber energi. Ini adalah elemen yang mencatu energi listrik ke semua
element yang membutuhkannnya. Salah satu bentuk konkrit sumber energi
adalah batere untuk sistem berpindah tempat, atau adaptor AC-DC untuk
sistem yang stasionari(tetap di tempat).
Struktur mekatronik yang digambarkan disini dari segi teori kendali
disebut sistem umpan balik (closed loop). Sistem umpan balik ini meyerupai
makhluk hidup, dimana dalam melakukan kegiatan selalu merevisi tindakannya
berdasarkan informasi umpan balik yang dikirim oleh indar ke otak. Dengan
demikian mekatronik adalah merealisasikan sistem mekanik yang mampu
melakukan pekerjaan seperti halnya seorang manusi yang memiliki kondisi
yang sempurna.
Batas formal antara berbagai disiplin ilmu rekayasa (enggineering) saati
ini semakin kabaru seiring dengan perkembangan teknologi IC (Integrated
Circuit = rangkaian elektronika terpadu) dan komputer. Hal ini terutama
terlihat jelas pada bidang mekanik dan elektronik yaitu semakin banyak produk
yang merupakan integrasi dari kedua bidang tersebut, sehingga berkembang
suatu bidang yang disebut mekatronika, yang merupakan perluasan cakupan
dari bidang elektromekanik.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 4
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Beberapa definisi dari yang diambil dari berbagai sumber diantaranya:
“Integration of micropocessor control system, electrical systems and
mechanical system” (Bolton, Mechtronics). The synergistic combination fo
precision mechanical engineering, electronic control and systems thinking in
the design of products and manufacturing processes”(Journal of Mechatornics).
“The synergistic use of precision engineering, control and procesess (ME
Magazine). “The interdisciplinary field of engineering dealing with the design
of products whose function relies on the synergistic integration of mechanical
and electronic components coordinated by a control architecture. “(A Iciatore,
D.G. and Histand, M.B.)
Dari berbagai pengertian diatas maka dicoba disusun pengertian dari
mekatronika yaitu integrasi dari sistem mekanik dan elektronik yang
dikendalikan dengan komputer dan dimanfaatkan pada produk maupun proses
produksi. Saat ini mekatronika sudah dianggap sebagai bidang tersendiri,
meskipun tidak terlepas hubungannya dengan bidang lainnya.
1.3
Aplikasi Aplikasi Mekatronika
Saat ini pengendalian sistem mekanik hampir seluruhnya dilakukan
menggunakan sistem kendali elektronik dan sebagian besar diantaranya
menggunakan komputer. Contohnya adalah mesin mobil. Dahulu sistem
pembakaran yang terjadi pada silinder dikendalikan sepenuhnya secara
mekanis. Banyak bahan bakar dan udara diataur langsung dari pedal lewat
perantraaan kabel dengan perbandingan yang telah dissetel sebelumnya. Katup
terbuka dan tertutup diatur secara mekanik menggunkana camshaft tergantung
posisi piston.
Saat ini banyak sekali sensor yang terlibat pada sistem pembakaran mobil
yaitu di antaranya sensor kecepatan dan posisi poros engkol, sensor temperatur
udara dan bahan bakar, dan sensor pada pedal gas. Semua informasi dari sensor
tersebut diolah oleh sistem pengendali berupa komputer yang disebut Engine
Control Unit untuk digunakan mengatur waktu dan besarnya bukaan katup
serta perbandingan bahan bakar-udara yang dapat disesuaikan dengan kondisi
mesin ataupun pengendara.
Pada mobil juga terdapat berbagai sistem lain yang saat ini menerapkan
sistem mekatronika, yaitu sistem transmisi automatis, sistem suspensi aktif,
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 5
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
sistem anti-lock braking system(ABS), sistem pengkondisi udar, serta display
kecepatan, putraran mesin dan level bahan bakar.
Selain kendaraaan bermotor, mekatronika juga diterapkan pada berbagai
hal antra lain :
a. Perancancang sensor/transduser
b. Peralatan rumah tangga dan perkantoran :mesin cuci, mesin isap
debut, timbangan digital, micarowave, remote control, pembuat kopi,
sistem HVAC, kamera, mesin foto kopi dan masih banyak lagi
c. Berbagai peranti pada komputer : mouse, printer. Disk drive, CD
ROM drive, keyboard.
d. Dunia penerbangan : pengendalian pesawat tebang secara Fly By
Wire(FBW)
e. Peralatan medis dan laboratorium
f. Bidang Industri : monitoring dan kendali berbagai peralatan industri
g. Bidang robotika
Komponen utama pada suatu sistem mekatronika adalah sensor, aktuator,
dan kontroler. Sensor digunakan untuk mendeteksi variabel pada sistem.
Aktuator befungsi untuk memberikan aksi pada sistem yang dikendalikan.
1.4.
Aspek Pengendalian Elektrik
Sistem Kendali mempunyai tiga unsur yaitu input, proses dan output.
Input
Proses
Output
Gambar 1.1. Unsur-unsur sistem kendali
Input pada umumnya berupa sinyal dari sebuth transduser, yaitu alat
yang dapat merubah besaran fisik menjadi besaran listrik, misalnya tombol
tekan, saklar batas, termostat, dan lain-lain. Transduser memberikan informasi
mengenai besaran yang diukur, kemudian infomrasi ini diproses oleh bagian
proses. Bagian proses dapat beruapa rangkaian kendali yang menggunakan
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 6
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
peralatan yang dirangkai secara listrik, atau juga berupa suatu sistem kendali
yang dapat diprogram mislanya sistem berbasis mikroprosesor, mikrokontroler
atau PLC.
Pemrosesan informasi(sinyal input) menghasilkan sinyal Output yang
selanjutnya digunakan untuk mengaktifkan aktuator (peralatan Output) yang
dapat berupa motor listrik, kontaktor, katup selenoid, lampu dan sebagainya.
Dengan peralatan output, besar listrik diubah kembali menjadi besar fisik.
Sistem Kendali dibedakan menjadi dua, yaitu sistem kendali loop
terbukan dan sistem kendali loop tertutup.
1.4.1
Sistem Kendali Loop Terbuka
Sistem kendali loop terbuka adalah proses pengendali dimana variabel
Input mempengaruhi output yang dihasilkan. Gambar 2 menunjukkan diagram
blok sistem kendali loop terbuka.
Gangguan
Setting
Peralatan
Kendali
Sistem yang
dikendalikan
Output
Gambar 1.2. sistem kendali loop Terbuka
Dari gambar 3 diatas, dapat dipahami bahwa tidak ada informasi yang
diberikan oleh peralatan output kepada bagian proses sehingga tidak diketahui
apakah hasil output sesuai dengan yang dikehendaki.
1.4.2
Sistem Kendali Loop Tertutup
Sistem Kendali loop tertutup adalah suatu proses pengendalian di mana
variabel yang dikendalikan (output) disensor secara kontinyu, kemduian
dibandingkan dengan besaran acuan.
Variabel yang dikendalikan dapat berupa hasil pengukuran temperatur,
kelembaban, posisi mekanik, kecepatan putaran, dan sebagainya. Hasil
pengukuran tersebut diumpan-balikkan ke pembanding (komparator) yang
dapat berupa peralatan mekanik, listrik, elektronik atau peneumatik.
Pemanding membandingkan sinyal sensor yang berasal dari variabel yang
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 7
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
dikendalikan dengan besaran acuan, dan hasilnya beruapa sinyal kesalahan.
Selanjutnya, sinyal kesalahan diumpankan kepada peralatan kendali dan
diproses untuk memperbaiki kesalahan sehingga menghasilkan output sesuai
dengan yang dikehendaki. Dengan kata lain, kesalahan sama dengan nol.
Gangguan
Error
Peralatan
Setting
Sistem yang
dikendalikan
(Proses)
Output
Senso
Umpan Balik
Gambar 1.3. sistem kendali loop Tertutup
1.5.
Peran Teknologi Digital dalam Pengendalian
Perkembangan Teknologi rangkaian terintegrasi khususnya sistem
mikroprosesor memberikan kontribusi yang signifikan terhadap bidang kendali
digital Teknologi mikroprosesor telah banyak diterapkan untuk pengendalian
berbagai peralatan baik industri hingga rumah tangga. Kehadiran
mikrokontroler menjadi penerapan pengendali digital relatif mudah diterapkan
pada berbagai aplikasi yang portabel.
Hingga akhir tahun 1970, sistem otomasi mesin dikendalikan oleh rali
elektromagnet. Dengan semakin meningkatnya perkembangan teknologi,
tugas-tugas pengendalian dibuat dalam bentuk pengendalian terprogram yang
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 8
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
dapat dilakukan antara lain menggunakan PLC(Programmable Logic
Controller). Dengan PLC, sinyal dari berbagai peralatan luar diinterfis
sehingga fleksibel dalam mewujudkan sistem kendali. Disamping itu,
kemampuannya dalam komunikasi jaringan memungkinkan penerapan yang
luas dalam berbagai operasi pengendalian sistem.
Dalam sistem otomasi, PLC merupakan ‘Jantung’ ssitem kendali.
Dengan program yang disimpan dalam memori PLC, dalam ekskusinya, PLC
dapat memonitor keadaan sistem melalui sinyal dari peralatan input, kemudian
didasarkan atas logika program menentukan rangkaian untuk pengendalian
peralatan output luar.
PLC dapat digunakan untuk mengendalikan tugas tugas sederhana yang
berulang-ulang, atau di-interkoneksi dengan yang lain menggunakan komputer
melalui sejenis jaringan komunikasi untuk mengintegrasikan pengendalian
proses yang kompleks.
Cara Kerja sistem kendali PLC dapat dipahami dengan diagram blik
seperti ditunjukan pada Gambar 1.4.
PENUNJANG
DAYA
PERA
LATA
N
IN
PUT
CPU
I
N
P
U
T
MEMORI
O
U
T
P
U
T
PERA
LATA
N
OUT
PUT
Gambar 1.4. Diagram Blok PLC
1.6.
Aspek Mekanika
Otomotif adalah ilmu yang mempelajari tentang alat-alat transportasi
darat yang menggunakan mesin, terutama mobil dan sepeda motor. Otomotif
mulai berkembang sebagai cabang ilmu seiring dengan diciptakannya mesin
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 9
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
mobil. Dalam perkembangannya, mobil menjadi alat transportasi kompleks
yang terdiri dari ribuan komponen yang tergolong dalam puluhan sistem dan
subsistem.
Pompa bahan bakar adalah komponen penting dalam sebuah mobil
atau mesin kombusi dalam lainnya. Bahan bakar harus dipompa dari tangki
bensin ke mesin dan diantar dalam tekanan rendah ke karburator atau dalam
tekanan tinggi ke sistem injeksi bahan bakar. Beberapa mesin injeksi bahan
bakar memilki 2 macam pompa untuk tujuan ini: satu pompa tekanan
rendah/volume besar di tangki dan satu tekanan tinggi/volume rendah di atau
dekat mesin.
Suspensi adalah kumpulan komponen tertentu yang berfungsi meredam
kejuatan, getaran yang terjadi pada kendaraan akibat permukaan jalan yang
tidak rata yang dapat mengingkatkan kenyamanan berkendara dan
pengendalian kendaraan. Ada dua jenis utama suspensi yaitu sistem suspensi
dependen dan sistem suspensi independen.
Peredam kejut, shock absorber, shock breaker, atau damper adalah sebuah
alat mekanik yang didesain utuk meredam hentakan yang disebabkan oleh
energi kenetik. Peredam kejut adalah bagian penting dalam suspensi kendaraan
bermotor, roda pendaratan pesawat terbang, dan mendukung banyak mesin
industri. Peredam kejut berurukuran besar juga digunakan dalam arsitek dan
teknik sipil untuk mengurangi kelemahan struktur akibat gempa bumi dan
resonansi.
Dalam kendaraan, alat ini berfungsi untuk mengurangi efek dari kasarnya
permukaan jalan. Tanpa peredam kejut, kendaraan dapat terlempar, seperti
energi yang disimpan dalam per/pegas, kemudian dilepaskan pada kendaraan,
barangkali melebihi gerakan suspensi. Kontrol gerakan berlebih pada suspensi
tanpa peredam kejut diredam secara paksa oleh per yang kaku, yang dapat
menyebabkan ketidaknyamanan dalam berkendara. Peredam kejut
diperkenankan menggunakan per yang lembut yang mengontrol gerakan
suspensi dalam merespon gundukan atau lubang. Dan juga, berhubungan
dengan pelambatan efek fisik dalam ban itu sendiri, mengurangi grakan naik
turun per. Karena ban tidak selembut per, untuk meredam hendakan ban
mungkin dibutuhkan shock yang kaku yang lebih ideal untuk kendaraan.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 10
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Peredam kejut pneumatik dan hidraulik umumnya mengambil bentuk sebuah
silinder dengan piston yang bergerak didalamnya. Silinder harus diisi dengan
cairan kentalm, seperti minyak hidraulik atau udara. Cairan ini diisikan ke
dalam dashpot. Peredam kejut berbasi per umumnya menggunakan per keong
atau per daun Per ideal itu sendiri, bukanlah peredam kejut seperti per yang
hanya menyimpan dan tidak menghilangkan atau menyerap energi. Kendaraan
biasanya menggunakan dua per atau pelang torsi yang berfungsi sebagaimana
peredam kejut hidraulik. Dalam kombinasi ini, peredam kejut secara khusus
menyediakan psiton hidroaulik yang menyerap dan menghilangkan getaran.
Per tidak dianggap sebagai peredam kejut.
Peredam kejut harus menyerap atau menghilangkan energi. Desaiinya harus
dipertimbangkan, oleh karena itu harus dibuat ketika mendesain atau memilih
sebuath peredam kejut adalah ke mana energi akan pergi. Umumnya, dalam
kebanyakan dashpot, energi diubah ke dalam panas di dalam cairan kental.
Dalam silinder hidraulik, minyak hidraulik akan memanas. Dalam silinder
udara, udara panas selalu dilepaskan ke atmosfer. Dalam tipe dashpot yang
lain, seperti elektromagnetik, energi yang hilang dapat disimpan dan bisa
digunakan kemudian jika diperlukan.
Sistem transmisi dalam otomotif, adalah sistem yang menjadi penghantar
energi dari mesin ke diferensial dan as. Dengan memutar as, roda dapat
berputar dan menggerakan mobil.
Transmisi diperlukan karena mesih pembakaran yang umumnya digunakan
dalam mobil merupakan mesin pembakaran internal yang menghasilkan
putaran (rotasi) antara 600 sampai 6000 rmp. Sedangkan, roda berputar pada
kecapatan rotasi 0 sampai 2500 rmp.
Sekarang ini, terdapat dua sistem transmisi yang umum, yaitu transmisi manual
dan transmisi otomatis. Terdapat juga sistem-sistem transmisi yang merupakan
gabungan antara kedua sistem tersebut, namun ini merupakan perkembangan
terakhir yang baru dapat ditemukan pada mobil-mobil berteknologi tinggi.
Transmisi manual merupakan salah satu jenis transmisi yang banyak
dipergunakan dengan alasan perawatan yang lebih mudah. Biasanya pada
transmisi manual terdiri dari 3 sampai dengan 7 speed.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 11
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Transmisi semi otomatis adalah transmisi yang dapat membuat kita dapat
merasakan sistem transmisi manual atau otomatis, bila kita sedang
menggunakan sistem transmisi manual kita tidak perlu menginjak pedal
kopling karena pada sistem ini pedal kopling sudah teratur secara otomatis.
Transmisi otomatis terdiri dari 3 bagian utama yaitu : Torque converter,
planetrai gerar unit, dan Hydraulic control unit. Trorque converter berfungsi
sebgai kopling otomatis dan dapat memperbesar momen mesin. Sedangkan
Torque conventer terdiri dari Pump impeller, Turbine runner, dan Stator. Stator
terletak diantar impeller dan turbine. Torque converter diisi dengan ATF
(Automatic Transmition Fluid). Momen mesin dipindahkan dengan adanya
aliran fluida.
Begitu banyaknya penggunaan sistem mekantronika dalam kehidupan
kita memperkuat salah satu sifatnya yang multiguna(aplikatif). Sebagai contoh
sistem mekatronik pada kendaraan bermotor adalah sistem rem ABS (Antiblock Breaking system) atau sistem pengeraman yang menghindari terkuncinya
roda sehingga mobil tetap dapat dikendalikan dalam pengereman mendadak,
ESP(Elektronik Stability Programm), ABC(Active Body Control) dan MotorSystem. Contoh pada Teknologi Penerbangan. Dalan teknologi penerbangan
moderen digunakan Comfort-In-Turbulence System sehinga dapat
menginkatkan kenyamanan penumpang walau ketika terjadi turbelensi. Gust
Load Alleviation serta banyak contoh lainnya. Pada Teknik Produksi :Contoh
dalam teknik produksi adalah penggunaan sensor pada robot. Sistem kendali
umpan balik pada eletromoto berkecapatan rotasi tinggi dengan ‘pemegang as.
tenaga magnet.
Serta pemutar CD, Harddisk serta mesin pencetak berkecepatan tinggi,
atau alat-alat elektronika yang biasa kita gunakan sehari-hari aplikasi
mekantronika akan sangat sering kita jumpai
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 12
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
.
Bila sukses,
modifikasi
kontroler untuk
aplikasi lain
yang diinginkan
Sirkuit
Cerdas
Smart
Circuit
Uji coba
Kendaraan mini
Kendaraan mini
Bidang
Stasiun
Pembang
kit
Listrik
Bidang
Mekanis
asi
Pertanian
Bidang
Otomasi
pabrik
Bidang
Industri
Otomotif
........
Bidang
Mekatro
nika
yang lain
Gambar 1.5. Potensi pernerapan Sistem Cerdas dibidang mekatronika
Pada mobil juga terdapat berbagai sistem lain yang saat ini menerapkan
sistem mekatronika, yaitu sistem transmisi autotamatis, sistem suspensi aktif,
sistem anti-lock braking system (ABS), ssitem pengkondisi udara, serta display
kecepatan, putaran mesin dan level bahan bakar.
Sistem pada kendaraan bermotor, mekatronika juga diterapkan pada
berbagai hal antara lain :
•
Perancangan sensor/transduser
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 13
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
• Peralatan rumah tangga dan perkantoran :mesin cuci, mesin isap debu
timbangan digital, microwabe, remoter control, pembuat kopi, sistem
HVAC, kamera, mesin foto kopi dan masih banyak lagi.
• Berbagai peranti pada komputer :mouser, printer, disk drive, CD ROM
drive, keyboard
• Dunia penerbangan : pengendalian pesawat terbang secara Fly by Wire
(FBW)
• Peralatan medis dan laboratorium
• Bidang industri : monitoring dan kendali berbagai peralatan industri
• Bidang robotika
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 14
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
BAB II
Mekanika Statistika
POKOK BAHASAN:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Pendahuluan
Momen lengan
Momen kesetimbangan
Torsi
Gear
Friksi
TUJUAN BELAJAR:
Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan
mampu: Dapat memahami gaya yang ada didalam mesin (mekatronika) yang
timbul dari berbgai sumber
2.1. Pendahuluan
Mekanika statistika adalah aplikasi teori probabilitas, yang memasukkan
matematika untuk menangani populasi besar, ke bidang mekanika, yang
menangani gerakan partikel atau objek yang dikenai suatu gaya. Bidang ini
memberikan kerangka untuk menghubungkan sifat mikroskopis atom dan
molekul individu dengan sifat makroskopis atau limbak (bulk) materi yang
diamati sehari-hari, dan menjelaskan termodinamika sebagai produk alami dari
statistika dan mekanika (klasik dan kuantum) pada tingkat mikroskopis.
Mekanika statistika khususnya dapat digunakan untuk menghitung sifat
termodinamika materi limbak berdasarkan data spektroskopis dari molekul
individual.
Kemampuan untuk membuat prediksi makroskopis berdasarkan sifat
mikroskopis merupakan kelebihan utama mekanika statistika terhadap
termodinamika. Kedua teori diatur oleh hukum kedua termodinamika melalui
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 14
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
media entropi. Meskipun demikian, entropi dalam termodinamika hanya dapat
diketahui secara empiris, sedangkan dalam mekanika statistika, entropi
merupakan fungsi distribusi sistem pada kondisi mikro.
2.2.Momen Lengan
Pada gerak lurus atau gerak translasi, faktor yang menyebabkan adanya
gerak adalah gaya (F). Sedangkan pada gerak rotasi atau gerak melingkar,
selain gaya (F), ada faktor lain yang menyebabkan benda itu bergerak rotasi
yaitu lengan gaya (l) yang tegak lurus dengan gaya. Secara matematis, momen
gaya dirumuskan
τ=Fx l
= F l Sin θ
Dimana θ adalah sudut antara lengan gaya l dengan gaya F. Jika antara lengan
gaya l dan gaya F tidak tegak lurus maka
τ=F l
Lengan gaya merupakan jarak antara titik tumpuan atau poros ke titik dimana
gaya itu bekerja. Jika gaya dikenakan berada di ujung lengan maka bisa kita
katakan lengan gaya ( l ) sama dengan jari-jari lingkaran (r).
Sehingga momen gaya dapat juga kita tulis
τ=F.r
2.3. Momen Kesetimbangan
Syarat kesetimbangan dan Momen gaya adalah benda dikatakan berada
dalam kesetimbangan apabila :
- Benda itu sebagai satu keseluruhan tetap diam atau bergerak
menurut garis lurus dengan kecepatan konstan
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 15
PHK-I 2011
-
Buku Ajar
Mekatronika
Benda itu tidak berotasi sama sekali atau berotasi dengan kecepatan
tetap
Dalam kesetimbangan resultan dari semua gaya yang bekerja pada
benda tersebut sama dengan nol.
Σ Fx = 0 dan Σ Fy = 0
Fx komponen-komponen gaya pada sumbu X
Fy komponen-komponen gaya pada sumbu Y
Resultannya : F = Fx2 + Fy2
Fy
Fx
Momen gaya : perkalian antara besarnya gaya dengan lengan dari gaya
tersebut : M = F. l
F1
Arahnya
: tgθ =
l
F2
O
Gambar 2.1. Suatu benda dalam kesetimbangan
Suatu benda dikatakan dalam keadaan setimbang sempurna bila :
Σ F = 0 dan Σ M = 0
disini M adalah momen gaya F terhadap titk sembarang O.
Jika gaya : F = Fx i + Fy j+ Fz k
Vector posisi titik tangkap gaya : r = x i + y j+ z k
Dan momen gaya : M = Mx i + My j+ Mz k
Maka : M = r x F
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 16
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
i
j
k
= x
disini :
y
z
Fx Fy Fz
= (Fz .y – Fy.z) i+(Fx .z – Fz.x).j+(Fy . x – Fx. y).k
Mx = (Fz . y – Fy. z)
My = (Fx . z – Fz. x)
Mz = (Fy . x – Fx. y)
Besar momen gaya M adalah : M = rxF = Fr sin θ = F.l
Efek gaya F1 ialah rotasi berlawanan arah putaran jarum jam terhadap sumbu
putar di O, biasanya diberi tanda positif, sedangkan efek gaya F2 ialah rotasi
searah dengan jarum jam dan diberi tanda negative.
Satuan momen gaya adalah Newton – meter (N-m) atau (lb-ft)
Jika garis gaya F1 dan F2 sejajar dan tidak berimpit seperti gambar dibawah ini,
maka pasangan gaya tersebut dinamakan kopel, contoh umum sebuah kopel
adalah gaya-gaya pada jarum kompas didalam medan magnet bumi. Pada
kutub utara dan selatan jarum itu bekerja gaya yang sama besar, yang satu
mengarah ke utara dan yang satu mengarah ke selatan
F1
l
r
F2
Momen resultan dari kopel terhadap titik sembarang O adalah :
C = ΣM
= r1xF + r2x(-F)
= (r1 - r2) F
=rxF
Besar momen Kopel C = rxF = r F sin θ = F.l
Sebuah benda yang padanya bekerja sebuah kopel hanya dapat dalam
keadaan seimbang bila ada kopel lain yang bekerja pada benda tersebut yang
besarnya sama dan berlawanan arah.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 17
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
1.3.1. Gaya-gaya sebidang
Gaya-gaya sebidang terletak dalam satu bidang datar, suatu sistem yang
berpotongan terdiri dari gaya-gaya yang berpotongan di suatu titik yang
disebut tititk perpotongan.
Gaya-gaya berpotongan : gaya-gaya yang garis kerjanya berpotongan di
suatu titik.
Besar vektor resultannya adalah : R = (∑ FX ) 2 + (∑ FY ) 2
∑ FY
Dengan arah : tgθ x =
∑ FX
Sebuah benda berada dalam keadaan setimbang jika dibawah pengaruh gayagaya yang berpotongan, maka :
- Benda itu diam dan tetap diam (disebut keadaan kesetimbang statik
- Benda itu bergerak dengan vektor kecepatan yang tetap (disebut
kesetimbangan translasi)
Syarat kesetimbangan : R = ΣF = 0 atau ΣFX = ΣFY = 0
Gaya – gaya paralel : gaya - gaya yang berpotongan di sutu titik tak
berhingga. Gaya resultan ini mungkin :
- sebuah gaya R yang sejajar dengan sistem
- suatu kopel
- nol
Jika sitem paralel ini sejajar dengan sumbu Y maka : R = ΣF dan R . x = M0
disini x adalah jarak tegak lurus dari pusat momen O ke resultan R dan
besarnya :
∑ M 0 x1.F1 + x2 .F2 + x3 .F3 + ........ + X n .Fn
=
x=
∑F
F1 + F2 + F3 + ........... + Fn
Jika ΣF = 0, kopel resultan jika ada besarnya sama dengan : C = ∑ M 0 = R.x
Gaya – gaya yang tidak berpotongan dan tidak sejajar adalah gaya – gaya yang
garis kerjanya tidak berpotongan di satu titik dan tidak sejajar.
Gaya resultan sistem mungkin :
- gaya tunggal R
- suatu kopel dalam bidang sitem atau bidang sejajar
- nol
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 18
PHK-I 2011
Secara aljabar : R = (∑ FX ) 2 + (∑ FY ) 2 dan tgθ x =
Buku Ajar
Mekatronika
∑ FY
∑ FX
Disini θx adalah sudut antara resultan R dengan sumbu x positif.
Garis kerja gaya resultan R di peroleh dari persamaan :
R . a = ΣM0
Disini a adalah jarak tegak lurus pusat momen O terhadap gaya resultan R .
Sitem gaya yang bekerja pada benda tegar pada umumnya sitem tidak
berpotongan dan tidak sejajar. Syarat kesetimbangan benda tegar di bawah
pengaruh gaya – gaya bidang adalah : ΣF = 0 atau ΣFX = ΣFY = ΣFz 0 dan
ΣM0 = 0
1.3.2.Pusat Massa
Pusat massa : titik tangkap dari resultan gaya – gaya berat pada setiap anggota
sistem, yang jumlah momen gayanya terhadap titik
tangkap ini (pusat massa ) sama dengan nol. Setiap
benda titik mengalami gaya tarik bumi dengan gaya w
= mg disebut gaya berat, arah gaya ini menuju pusat
bumi, gaya ini akan berpotongan di tempat yang jauh
sekali, arahnya dapat dikatakan sejajar.
Jadi :
wsistem = Σmg
∑ mi .g .ri ∑ mi .ri
=
rpm =
∑ mi .g
∑ mi
atau ditulis menurut komponen-komponennya :
∑ mi .xi
∑ mi .zi
∑ mi . yi
, y pm =
, z pm =
x pm =
∑ mi
∑ mi
∑ mi
(xpm, ypm, zpm), adalah koordinat dari pusat massa
d
d ∑ mi .ri
Perhatikan : v pm = rpm =
dt
dt ∑ mi
d
mi ( ri )
dt ∑(mi .vi )
=
∑ mi
∑ mi
d
d ∑ mi .vi
)
a pm = v pm = (
dt
dt ∑ mi
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 19
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
d
vi )
∑(mi .ai )
dt
∑ mi
∑ mi
mi (
=
lim
∞
∑ ∆mi = ∫ dm
∆m → 0 i =1
benda rigid adalah benda yang terdiri dari banyak sekali titik-titik massa. Jadi
y.dm
z.dm
x.dm
koordinat titik massa benda rigid : x pm = ∫
, y pm = ∫
, z pm = ∫
dm
dm
dm
dm = ρ.dv atau dm = σ.dA, atau dm = λ.dl
jika : ρ
= massa persatuan volume (v)
σ
= massa persatuan luas (A)
λ
= massa persatuan panjang (l)
untuk benda rigid :
jadi kordinat titik pusat massa juga dapat ditulis sebagai berikut :
x.dv
x.dA
x.dl
atau x pm = ∫
atau x pm = ∫
x pm = ∫
v
A
l
y.dA
y.dl
y.dv
atau y pm = ∫
atau y pm = ∫
y pm = ∫
A
l
v
z.dv
z.dA
z.dl
atau z pm = ∫
atau z pm = ∫
z pm = ∫
v
A
l
Jika benda rigid yang homogen mempunyai bentuk simetri, pusat massa akan
berimpit dengan pusat simetrinya, misalnya bola, parallel epipedum(balok),
kubus, dan lain-lain.Jika benda rigid yang homogen mempunyai sumbu simetri
misalnya kerucut, silinder, maka pusat massanya akan berada pada sumbu
simetrinya.
1.3.3. Titik Berat
Titik berat : titik-titik yang dilalui oleh garis kerja dari resultan gaya berat
sitem benda titik, berarti merupakan titik potong dari
garis kerja gaya berat bila letak dari sitem ini berubah –
ubah. Misal benda rigid seperti gambar dibawah ini :
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 20
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
tali
01
t
Gambar 2.2. Kesetimbangan
Sebuah benda rigid digantung dengan pusat 0, maka garis vertikal melalui 0
adalah tempat kedudukan titik berat benda. Jika digantung pada tempat yang
berlainan maka akan mempunyai titik berat yang berbeda.
Koordinat titik berat benda dirumuskan sebagai :
∑ wi .xi ∑ mi .g .xi ∑ mi .xi
=
=
∑ mi
∑ mi
∑ wi
dengan cara yangs sama didapat untuk titik yang lain :
∑ mi . yi
∑ mi .zi
, zz =
yz =
∑ mi
∑ mi
untuk benda rigid berlaku :
x.dw
∫ y.dw , z = ∫ z.dw
xz = ∫
, yz =
z
∫ dw
∫ dw
∫ dw
xz =
Titik berat dan titik pusat massa mempunyai koordinat yang sama, berati titik
ini berimpit. Hal ini benar bila benda atau system berada dekat dengan
permukaan bumi. Untuk benda-benda yang jauh dari permukaan bumi titik
berat letaknya berubah, lebih dekat ke arah bumi dari pada pusat massa, yang
selalu tetap letaknya dimana pun benda itu berada.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 21
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
2.4. Torsi
Definisi Torsi adalah Suatu batang dijepit dengan kuat pada salah satu
ujungnya dan ujung yang lainnya diputar dengan suatu torsi (momen puntir,
twisting moment) T = Fd yang bekerja pada bidang tegaklurus sumbu batang
seperti terlihat pada Gb. 5-1. Batang tersebut dikatakan dalam kondisi kena
torsi. T adalah torsi (Nm), F adalah gaya (N) dan d adalah diameter lengan
putar (m). Alternatif lain untuk menyatakan adanya torsi adalah dengan dua
tanda vektor dengan arah sejajar sumbu batang.
F
T
d
F
Gambar 2.3. Torsi yang bekerja pada bidang tegak lurus sumbu batang
1.4.1. Momen kutub inersia
Untuk suatu batang bulat berlobang (pipa) dengan diameter luar Do dan
diameter dalam Di, momen kutub inersia (polar moment of inertia) penampang
melintang luasnya, biasanya dinotasikan dengan J, diberikan dengan:
J=
π
32
( Do4 − Di4 )
Momen kutub inersia untuk batang bulat tanpa lubang (batang pejal) dapat
diperoleh dengan memberi nilai Di = 0. Kuantitas dari J merupakan sifat
matematis dari geometri penampang melintang yang muncul dalam kajian
tegangan pada batang atau poros bulat yang dikenai torsi.
Sering untuk tujuan praktis, persamaan diatas ditulis
kembali dalam bentuk:
J=
π
32
( Do2 − Di2 )( Do2 − Di2 )
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 22
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
=
π
32
( Do2 − Di2 )( Do − Di )( Do − Di )
Bentuk terakhir dari persamaan diatas sangat berguna khususnya pada evaluasi
numeris J dimana perbedaan antara ( Do − Di ) adalah kecil.
1.4.2. Torsi tegangan geser
Baik untuk poros pejal maupun poros berlubang yang dikenai momen
puntir T torsi tegangan geser (torsional shearing stress) τ pada jarak p dari titik
pusat poros dinyatakan dengan:
τ=
Tp
J
p
τ
Do
Gambar 2.4. Distribusi tegangan bervariasi
Penjabarannya diberikan dalam contoh 1. Distribusi tegangan bervariasi dari
nol pada pusat poros sampai dengan maksimum pada sisi luar poros seperti
diilustrasikan pada Gb. 2.4
1.4.3.Regangan geser
Suatu garis membujur a-b digambarkan pada permukaan poros tanpa
beban. Setelah suatu momen puntir T dikenakan pada poros, garis a-b bergerak
menjadi a-b’ seperti ditunjukkan pada Gb. 2.5. Sudut γ, yang diukur dalam
radian, diantara posisi garis akhir dengan garis awal didefinisikan sebagai
regangan geser pada permukaan poros. Definisi yang sama berlaku untuk
setiap titik pada batang poros tersebut.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 23
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
γ
a
b’
b
T
T
Gambar 2.5. Garis a-b bergerak menjadi a-b’
1.4.4. Modulus elastisitas geser
Rasio tegangan geser τ terhadap regangan geser γ disebut modulus
elastisitas geser dan, seperti pada bab 4, diformulasikan dengan:
G=
τ
γ
Lagi, dimensi untuk G adalah sama dengan dimensi tegangan geser, karena
regangan geser tak berdimensi.
1.4.5.Sudut puntir
Jika suatu poros dengan panjang L dikenai momen puntir T secara
konstan dikeseluruhan panjang poros, maka sudut puntir (angle of twist) θ yang
terbentuk pada ujung poros dapat dinyatakan dengan
θ=
TL
GJ
dimana J menunjukkan momen inersia pada penampang melintang poros. Lihat
Gb. 5-4. Persamaan ini hanya berlaku untuk poros dalam kondisi elastis.
θ
L
T
T
Gambar 2.6. Penampang melintang poros
1.4.6.Torsi plastis
Apabila momen puntir yang bekerja baik pada poros pejal maupun poros
berlubang dinaikkan terus, nilai momen puntir mungkin akan mencapai titik
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 24
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
lelah geser dari bahan bagian luar. Ini adalah batas maksimum untuk momen
puntir elastis dan dinyatakan dengan Te. Kenaikan selanjutnya dari momen
puntir menyebabkan tercapainya titik-titik lelah pada bahan untuk posisi lapis
yang semakin kedalam, sampai keseluruhan lapisan bahan mencapai titik
lelahnya; dan ini menunjukkan terjadinya momen puntir plastis penuh (fully
plastic twisting moment) Tp. Kita tidak bicarakan tegangan yang lebih besar
dari batas titik lelah, karena ini adalah batas momen puntir yang dapat
diberikan oleh poros. Dari hasil beberapa pengujian diperoleh bahwa Tp =
4/3(Te).
Contoh 1.
Jabarkan hubungan antara momen puntir yang bekerja pada poros pejal
dan regangan geser yang terjadi pada sembarang titik pada poros tersebut.
T
T
(a)
Gambar 2.7. Momen puntir yang bekerja pada poros pejal
dimana sudut α diukur dalam radian. Berdasarkan geometri pada gambar
diperoleh
α=
atau
AB rθ
=
L
L
γ=
rθ
L
Tetapi karena diameter poros oleh pengaruh pembebanan adalah tetap
setelah torsi, unit regangan geser pada jarak ρ dari pusat poros dapat dinyatakan
dengan γ p = ρθ / L . Konsekuensinya regangan geser pada titik titik arah
longitudinal bervariasi secara linier sebagai fungsi jarak dari pusat poros.
Jika hanya kita perhatikan pada rentang linier dimana tegangan geser
proporsional dengan regangan geser, maka terbukti bahwa tegangan geser pada
arah longitudinal bervariasi linier terhadap jarak dari pusat poros. Distribusinya
adalah simetris pada sekeliling sumbu poros, seperti ditunjukkan pada gambar
(d). Untuk kesetimbangan, jumlah momen distribusi gaya geser pada potongan
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 25
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
melintang ini sama dengan besarnya momen puntir. Juga jumlah momen gayagaya adalah sama dengan besarnya torsi T . Dengan demikian
T =
∫
r
0
τpda
dρ
r
ρ
τ
Gambar 2.8. Luasan elemen bidang cincin yang diarsir
dimana da menyatakan luasan elemen bidang cincin yang diarsir pada gambar
2.8.. Namun demikian, tegangan geser bervariasi terhadap jarak dari sumbu
poros; maka
τp
ρ
=
τr
r
=C
dimana subskrip pada tegangan geser menunjukkan jarak elemen dari sumbu
poros.
Konsekuensinya kita dapat menulis
T =
∫
r
0
τρ
τρ
( ρ 2 ) da =
ρ
ρ
∫
r
0
ρ 2 da
karena rasio τρ/ρ adalah konstanta. Namun, pernyataan
∫
r
0
ρ 2 da berdasarkan
definisi adalah momen inersia luasan penampang melintang. Dengan demikian
diperoleh:
T=
τρJ
ρ
atau
τρ =
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Tρ
J
Hal. 26
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Contoh 2.
Jabarkan penyataan untuk sudut puntir suatu poros sebagai fungsi momen
puntir. Asumsikan bahwa poros bekerja pada rentang elastis.
θ
L
T
T
Gambar 2.9. Sudut Puntir
Misalkan L adalah panjang poros, dan J adalah momen inersia penampang
melintang, T adalah momen puntir (diasumsikan konstan sepanjang poros), dan
G adalah modulus elastisitas geser. Sudut puntir pada panjang L adalah θ
seperti ditunjukkan gambar disamping.
Dari contoh 1, kita dapatkan bahwa untuk posisi dimana ρ = r:
γr =
rθ
L
dan
τr =
Tr
J
Berdasarkan definisi, modulus geser diberikan dengan G = τ = Tr / J = TL ,
γ rθ / L Jθ
TL
dimana selanjutnya kita peroleh θ =
. Disini θ dinyatakan dalam radian.
GJ
Kadang-kadang sudut puntir juga dinyatakan dalam unit panjang; sering
dinyatakan dengan φ , dan dinyatakan dengan φ = θ / L = T / GJ
Contoh 3.
Suatu poros dijepit di salah satu ujungnya, ujung lainnya bebas, dan dibebani
dengan momen putir secara seragam disepanjang poros dengan besar t per
satuan panjang gambar 2.10.a Kekakuan poros adalah GJ. Tentukan besarnya
sudut puntir pada ujung bebas poros.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 27
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
t
tx
t
L
x
dx
(a)
(b)
Gambar 2.10. Suatu poros dibebeani beban puntir
Momen puntir per unit panjang dinyatakan dengan t, dan koordinat x
mempunyai origin disebelah kiri. Diagram porsi batang ujung sebelah kiri dan
bagian x ditunjukkan pada gambar 2.10.b. Suatu elemen dengan panjang dx
tampak pada gambar dan kita akan menentukan sudut putar pada elemen
silinder dengan panjang dx ini. Untuk kesetimbangan momen terhadap sumbu
batang, suatu momen puntir tx bekerja pada bagian sebelah kanan bagian.
Momen puntir tx ini menyebabkan elemen sepanjang dx terpuntir dengan sudut
putar:
dθ =
(tx)dx
GJ
Total putaran pada ujung sebelah kiri diperoleh dengan integrasi keseluruhan
elemen sedemikian sehingga sudut puntir dapat dinyatakan dengan
θ =∫
x=L
x =0
(tx)dx tL2
=
2GJ
GJ
2.5. Gear
Gear adalah berputar mesin bagian memiliki gear dipotong, atau roda,
yang dimesh dengan bagian lain bergigi untuk mengirimkan torsi . Dua atau
lebih Gear yang bekerja di tandem disebut transmisi dan dapat menghasilkan
keuntungan mekanis melalui rasio gear dan dengan demikian dapat dianggap
sebagai mesin sederhana . Diarahkan perangkat dapat mengubah kecepatan,
torsi, dan arah dari sumber listrik . Situasi paling umum adalah untuk gear
untuk mesh dengan peralatan lain, namun roda gear dapat juga mesh bagian
non-rotating bergigi, yang disebut rak, sehingga menghasilkan terjemahan
bukan rotasi.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 28
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Roda gear dalam transmisi analog dengan roda di katrol . Keuntungan
dari gigi adalah bahwa gear dari roda gigi mencegah tergelincir. Ketika dua
gear dari jumlah tidak sama gear digabungkan. Keuntungan mekanik yang
dihasilkan, dengan baik kecepatan rotasi dan torsi dari dua roda gear yang
berbeda dalam suatu hubungan yang sederhana.
Dalam transmisi yang menawarkan beberapa rasio gigi, seperti sepeda
dan mobil, istilah gear, seperti pada gear satu, mengacu pada rasio gear
daripada gear fisik yang sebenarnya. Istilah ini digunakan untuk
menggambarkan perangkat sejenis bahkan ketika rasio gear terus menerus
bukan diskrit , atau bila perangkat tidak benar-benar mengandung gear, seperti
dalam transmisi continuously variable . [1]
Referensi paling awal yang diketahui adalah sekitar gigi AD 50 oleh
Pahlawan dari Alexandria , [2] tetapi mereka dapat ditelusuri kembali ke Yunani
mekanik dari sekolah Aleksandria pada abad ke-3 SM dan itu sangat
dikembangkan oleh Yunani polymath Archimedes (287-212 SM). [3] Para
mekanisme Antikythera adalah contoh dari perangkat diarahkan sangat awal
dan rumit, yang dirancang untuk menghitung astronomi posisi. Waktu
konstruksi sekarang diperkirakan antara 150 dan 100 SM. [4]
Gambar 2.11. Gear
1.5.1.Perbandingan dengan mekanisme drive
Rasio kecepatan tertentu yang hasil dari memiliki gigi persneling
memberikan keuntungan lebih dari drive lain (seperti traksi drive dan V-sabuk
) dalam mesin presisi seperti jam tangan yang bergantung pada rasio kecepatan
yang tepat. Dalam kasus di mana driver dan pengikut berada di dekat gigi juga
memiliki keuntungan lebih dari drive lain dalam berkurangnya jumlah bagian
yang diperlukan; downside adalah bahwa roda gigi yang lebih mahal untuk
memproduksi dan persyaratan pelumasan mereka dapat mengenakan biaya
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 29
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
operasi yang lebih tinggi. Para mobil transmisi memungkinkan pemilihan
antara gigi untuk memberikan keuntungan mekanik berbagai.
Jenis
Bentuk
Keterangan
Sebuah gigi eksternal adalah satu dengan gigi
Eksternal
yang terbentuk pada permukaan luar dari
vs internal
silinder atau kerucut. Sebaliknya, sebuah gigi
yang gigi
internal adalah satu dengan gigi yang terbentuk
pada permukaan dalam dari silinder atau
kerucut. Untuk roda gigi bevel, sebuah gigi
internal adalah salah satu dengan sudut pitch
melebihi 90 derajat. Internal gigi tidak
menyebabkan pembalikan arah. [5]
Spur gear
Memacu
Spur gigi atau gigi lurus dipotong adalah tipe
sederhana gigi. Mereka terdiri dari sebuah
silinder atau disk dengan gigi memproyeksikan
radial, dan meskipun mereka tidak lurus-sisi
dalam bentuk, tepi tiap gigi lurus dan sejajar
sejajar dengan sumbu rotasi. Gigi ini dapat
menyatu bersama-sama dengan benar hanya jika
mereka dipasang ke poros paralel
Helical gigi Top: konfigurasi paralel
Spiral
Bawah: Konfigurasi menyeberangi Helical atau
"kering tetap" gigi menawarkan perbaikan atas
gir pendorong. Tepi terkemuka dari gigi tidak
sejajar dengan sumbu rotasi, namun ditetapkan
di sudut. Karena gigi melengkung, memancing
ini menyebabkan bentuk gigi menjadi segmen
dari heliks . Gigi heliks dapat menyatu dalam
orientasi paralel atau menyeberang. Yang
pertama mengacu pada ketika poros yang sejajar
satu sama lain, ini adalah orientasi yang paling
umum. Pada yang terakhir, poros non-paralel,
dan dalam konfigurasi ini kadang-kadang
dikenal sebagai "roda gigi miring".
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 30
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gigi miring terlibat lebih bertahap daripada memacu gigi gigi
menyebabkan mereka untuk berjalan lebih lancar dan tenang. [6] Dengan roda
gigi heliks paralel, setiap pasangan gigi pertama membuat kontak pada satu
titik di salah satu sisi roda gigi; kurva bergerak kontak kemudian tumbuh
secara bertahap di seluruh muka gigi secara maksimal maka surut sampai gigi
memutuskan kontak pada satu titik di seberang. Dalam memacu gigi gigi tibatiba bertemu di kontak baris di seluruh lebar mereka menyebabkan stres dan
kebisingan. Spur gigi membuat merengek karakteristik pada kecepatan tinggi.
Sedangkan gir pendorong digunakan untuk aplikasi kecepatan rendah dan
situasi-situasi di mana kontrol kebisingan tidak masalah, penggunaan gigi
heliks diindikasikan bila aplikasi melibatkan kecepatan tinggi, transmisi listrik
yang besar, atau di mana pengurangan kebisingan adalah penting. Kecepatan
dianggap tinggi ketika kecepatan melebihi garis lapangan 25 m / s. [7]
Kelemahan dari heliks gigi adalah resultan dorong sepanjang sumbu roda gigi,
yang perlu diakomodasi oleh tepat bantalan dorong , dan gelar yang lebih besar
dari geser gesekan antara meshing gigi, sering ditangani dengan aditif dalam
pelumas.
1.5.2. Skew gigi
Untuk konfigurasi 'menyeberangi' atau 'miring' roda gigi harus memiliki sudut
tekanan yang sama dan pitch normal, namun sudut heliks dan wenangan dapat
berbeda. Hubungan antara dua shaft sebenarnya ditentukan oleh sudut heliks
(s) dari dua shaft dan wenangan, seperti yang didefinisikan: [8]
E = β 1 + β 2 untuk gigi dari wenangan yang sama
E = β 1 - β 2 untuk gigi dari wenangan yang berlawanan
Di mana β adalah sudut heliks untuk gigi. Konfigurasi menyeberangi kurang
mekanis suara karena hanya ada titik kontak antara roda gigi, sedangkan dalam
konfigurasi paralel ada kontak baris. [8]
Roda gigi heliks cukup umum digunakan dengan sudut heliks dari satu
memiliki negatif dari sudut heliks yang lain; seperti sepasang mungkin juga
disebut sebagai memiliki heliks kanan dan heliks kidal dari sudut yang sama.
Dua sudut yang sama tetapi berlawanan menambah nol: sudut antara poros
adalah nol - yaitu, poros sejajar. Dimana jumlah atau perbedaan (seperti yang
dijelaskan dalam persamaan di atas) tidak nol poros disilangkan. Untuk shaft
menyilang di sudut kanan sudut heliks adalah dari tangan yang sama karena
mereka harus menambah 90 derajat.
• 3D Animasi roda gigi heliks (sumbu paralel)
• Animasi 3D roda gigi heliks (sumbu melintasi)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 31
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
2.6. Friksi
Friksi adalah gaya yang menahan gerakan sliding atau rolling satu benda
terhadap benda lainnya. Friksi merupakan faktor yang penting dalam
mekanisme operasi sebagian besar peralatan atau mesin.
Friksi besar (high friction) dibutuhkan untuk bekerjanya mur dan baut,
klip kertas, penjepit (tang catut), sol sepatu, alat pemegang dll. Gaya friksi
dibutuhkan pada saat kita jalan agar tidak terpeleset. Friksi juga dibutuhkaan
agar dapat menumpuk pasir, apel dll. Namun friksi juga merupakan tahanan
tehadap gerakan yang bersifat merugikan.20% tenaga mesin mobil
dipergunakan untuk mengatasi gaya friksi pada elemen mesin yang bergerak.
Oleh karena itu friksi kecil (low friction), dikehendaki untuk benda yang
bergerak seperti mesin tenaga (engine), ski, elemen arloji/jam dll.
Disamping itu juga dibutuhkan friksi konstan (constant friction ) yaitu
untuk rem, dan kopling agar geakkan tidak tersendat sendat. Friksi telah
dipelajari sebagai cabang mekanika beberapa ratus tahun yang lalu, dan hukum
dan metode untuk memperkirakan besarnya friksi telah diketahui 2 abad lalu.
Manun
mekanisme friksi, yaitu proses hilangnya energi jika dua permukaan saling
bergesek tidak dapat diterangkan dengan baik. Penyebab utama friksi antara
dua logam kelihatannya adalah gaya tarik (adesi) daerah kontak (contact
region) dari permukaan yang secara mokroskopik tidak beraturan. Jika
diperbesar permukaan menyerupai bukit dan lembah. Jika ada beban, ketika 2
permukaan bersinggungan, dua bukit menempel (adesi atau menyatu) atau
terkunci dilembah permukaan dihadapannya. Friksi timbul akibat adanya
geseran (shearing) bukit yang menyatu tersebut dan jua akibat ketidak teraturan
permukaan.tersebut, bagian yang keras tertanam kepada bagian lunak. Friksi
dari slidding dua benda padat yang diperoleh dari ekperimen sederhana
menghasilkan kesimpulan sbb :
1. Besarnya friksi hampir tidak bergantung pada luas kontak .
Jika sebuah bata ditarik diatas meja, gaya friksi tetap sama, baik posisi
bata berdidri ataupun tidur. (Leonardo da Vinci (1452-1519)
2. Friksi berbanding lurus dengan beban yang bekerja pada permukaan.
Jika bata ditumpuk empat ditarik diatas meja, besarnya friksi
empatkalinya friksi satu batayang ditarik.. Jadi rasio gaya friksi F terhadap
beban L adalah tetap.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 32
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Rasio yang tetap tersebut disebut koefisen friksi (coefficient of friction )
dan biasanya diberi simbol huruf Yunani mu (μ ). Secara matematik persamaan
dapat ditulis sbb :
Koefisien friksi tidak punya satuan, karena friksi dan beban yang diukur dalam
satuan gaya (pound atau Newton) saling meniadakan. Sebagai contoh : Harga
koefisien friksi μ=0,5 untuk kasus bata ditarik diatas kayu yang berarti bahwa
dibtuhkan gaya sebesar setengah dari berat bata untuk mengatasi friksi, dan
menjaga bata bergerak secara konstan. Gaya friksi arahkan berlawanan dengan
arah gerak bata. Karena friksi timbul antara permukaan yang bergerak maka ini
disebut friksi kinetik (kinetic friction). Ini untuk membedakan dengan friksi
statik (static friction), yang bekerja pada permukaan yang diam. Harga friksi
statik selalu lebih besar dari friksi kinetik Friksi rolling (rolling friction)
terjadi jika suatu roda, slinder ataupun bola menggelinding bebas diatas
permukaan, sepertihalnya pada ball tau roller bearing. Sumber friksi utama
dalam gerakan rolling adalah disipasi energi yang meilbatkan deformasi benda.
Jika bola keras menggelinding diatas permukaan, bola sedikit peyang dan
permukaan sedikit legok pada daerah kontak. Deformasi elastik atau kompresi
pada daerah kontak tersebut merupakan penghambat gerakan dan energinya
tidak kembali saat benda kembali ke bentuk semula. Enegi yang hilang pada
kedua bagian permukaan sama dengan energi yang hilang pada bola yang jatuh
dan terpantul. Besarny friksi slidding pada umumnya 100 sampai 1000 kali
lebih besar dibandingkan dengan friksi rolling.Keuntungan gerakan rolling
dipahami oleh manusia pendahulu sehingga ditemukan roda.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 33
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
BAB III
Mekanika Dinamika
POKOK BAHASAN:
1.
2.
3.
4.
Perpindahan
Kecepatan
Percepatan
Momentum
TUJUAN BELAJAR:
Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan
mampu memahami mengenai konsep dan analisa dinamik pada mesin (robot)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 34
PHK-I 2011
3.1.
Buku Ajar
Mekatronika
Pendahuluan
Apabila kita membicarakan tentang mekatronika, maka persepsi
yang muncul tidak lepas dari mesin yang dapat bergerak ke segala arah,
baik bergerak lurus maupun bergerak melingkar. Seperti diketahui bahwa
pergerakan muncul apabila terjadi perubahan gaya pada suatu benda.
Dengan demikian dalam membahas mekatronika, maka erat hubungannya
dengan mekanika seperti kinematika dan dinamika. Besaran-besaran fisis
yang timbul antara lain: perpindahan atau perubahan posisi, kecepatan,
percepatan, momentum, dan lainnya.
Gerak didefinisikan sebagai keadaan benda yang melakukan
perpindahan akibat adanya perubahan gaya. Di dalam ilmu Fisika gerak
dibedakan menjadi gerak lurus, gerak proyektil, dan gerak melingkar.
Gerak lurus dibedakan menjadi gerak lurus beraturan dan gerak lurus
berubah beraturan. Untuk mengukur besarnya perpindahan (jarak)
direpresentasikan sebagai S, yang menunjukkan perpindahan posisi dari
satu posisi ke posisi yang lain, sedangkan kecepatan benda dinyatakan
dalam v, dan percepatan yang ditimbulkan direpresentasikan dalam a.
3.2. Perpindahan
3.2.1. Perpindahan dalam gerak lurus beraturan
Seperti diketahui bahwa perpindahan erat kaitannya dengan
pergerakan, sedangkan pergerakan dapat dibedakan menurut jenis
lintasannya dan perubahan kecepatan yang terjadi. Apabila lintasan
benda berupa garis lurus, maka dikategorikan ke dalam gerak lurus.
Untuk kecepatan yang konstan disebut dengan Gerak Lurus Beraturan,
sedangkan bila terjadi perubahan kecepatan, maka gerak tersebut
termasuk dalam Gerak Lurus Berubah Beraturan.
Perpindahan S, dalam gerak lurus beraturan dinyatakan dengan
hubungan:
S = v∆t
(3.1)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 35
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
S: menyatakan besar perpindahan
v: Kecepatan benda
∆t:waktu
yang
diperlukan
untuk
perpindahan
3.2.2. Perpindahan
beraturan
dalam
gerak
lurus
melakukan
berubah
Selain Gerak Lurus Beraturan, dapat pula berada pada kondisi
Gerak Lurus Berubah Beraturan. Gerak ini bercirikan memiliki
kecepatan yang tidak konstan, sehingga dapat berubah menjadi lebih
cepat atau sebaliknya menjadi lebih lambat. Apabila kecepatan
bertambah maka terjadi percepatan, sedangkan bila kecepatan
berkurang sebaliknya terjadi pelambatan.
3.3.
Percepatan, Kecepatan, dan Perpindahan
Di dalam fisika besar percepatan dinotasikan dengan a. Besar a
diukur dari perbandingan perubahan kecepatan terhadap perubahan waktu,
dan direpresentasikan dalam persamaan (3.2):
∆v
(3.2)
a=
∆t
∆v: perubahan kecepatan
∆t: waktu yang diperlukan
Bila kecepatan awal dinotasikan sebagai vo, dan kecepatan selang
waktu ∆t adalah vt, maka besar perubahan kecepatan adalah ∆v sebesar:
∆v = v t − v o
Dari persamaan (3.2) didapatkan:
∆v = a∆t
v t − v o = a (t t − t o ) , apabila to =0 maka
vt = v o + at
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
(3.3)
Hal. 36
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Besar perpindahan S diukur berdasarkan hubungan:
dS = v t dt
S = ∫ v t dt
1 2
(3.4)
at
2
Pada kenyataannya dalam performa mekatronika, selain gerak
lurus yang banyak digunakan adalah gerak melingkar. Seperti pada
gerak lurus, gerak melingkar terbagi ke dalam Gerak Melingkar
Beraturan dan Gerak Melingkar Berubah Beraturan.
S = vo t +
3.4.
Gerak Melingkar Beraturan
Jika benda bergerak di sepanjang lintasan yang berbentuk
lingkarang atau di sekeliling lingkaran dengan kelajuan konstan, maka
benda tersebut dinyatakan melakukan gerak melingkar beraturan.
Kecepatan pada gerak melingkar selalu konstan, namun arahnya berubahubah dan menyinggung lingkaran. Dengan demikian v selalu tegak lurus
garis yang ditarik melalui titik pusat lingkaran ke sekeliling lingkaran
tersebut. Gerak melingkar ini seperti diilustrasikan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Gerak melingkar beraturan
Dari Gambar 3.1. diasumsikan benda mulai bergerak dari titik P,
dan melakukan pergerakan satu lingkaran penuh, maka waktu yang
diperlukan untuk melakukan gerak satu lingkaran disebut sebagai waktu
edar atau perioda. Perioda dinotasikan dalam T. Banyaknya putaran yang
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 37
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
dihasilkan dalam satu detik menyatakan besar frekuensi (f) yang
dinyatakan dalam Hz atau cps (cycle per second).
3.4.1. Kecepatan Linier dan Kecepatan Sudut
Jika waktu yang dibutuhkan untuk menempuh lintasan satu
lingkaran adalah T dan menempuh jarak sejauh 2πR, maka kelajuan
s
benda untuk mengelilingi lintasan dinyatakan dalam v = , inilah yang
T
dinyatakan sebagai kecepatan linier. Kecepatan sudut (angular)
dinotasikan sebagai ω merupakan perubahan perpindahan sudut per
satuan waktu. Untuk menyatakan kecepatan sudut seringkali dinyatakan
dalam radian. Sebagai contoh radian per detik (rps) atau radian per
menit (rpm). Keadaan tersebut dapat diekspresikan sebagai:
besarsudut (radian)
(3.5)
ω=
waktuyangdiperlukan
Jika benda melakukan perpindahan sebanyak satu putaran maka:
2π
rad/detik
ω=
T
ω = 2πf
Secara umum hubungan kecepatan linier (v) dengan kecepatan
angular (ω) dapat dinyatakan sebagai berikut:
θ 2π
(3.6)
ω= =
t
t
persamaan (3.6) menyatakan besar perubahan arah gerak per
satu satuan waktu, sedangkan untuk kecepatan linier dinyatakan
dengan:
s 2πR
(3.7)
v= =
t
t
persamaan (3.7), s menyatakan jarak yang ditempuh selama satu
lingkaran penuh. Dengan demikian didapatkan:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 38
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
v = ωR
(3.8)
Berkaitan dengan aplikasi mekatronika, sering kali
penggunaannya pada susunan roda. Gerak pada susunan roda ini dapat
dibedakan menjadi sistem gerak langsung, sistem gerak tidak langsung,
dan sistem gerak dalam satu sumbu.
3.4.2. Sistem Gerak Susunan Roda Secara Langsung
Sistem gerak melingkar ini seperti pada ilustrasi Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Sistem gerak susunan roda secara langsung
Pergerakan pada sistem langsung adalah melalui persinggungan
roda I dan roda II. Pada pergerakan ini jelas bahwa kecepatan linier
yang terjadi pada roda I dengan roda II adalah sama, sedangkan untuk
kecepatan angularnya berbeda, atau:
v1 = v 2
ω1 ≠ ω 2
3.4.3. Sistem Gerak
Langsung
Susunan
Roda
Secara
Tidak
Contoh gerak melingkar dengan susunan roda tidak langsung
adalah pada ban berjalan (conveyer), yaitu roda yang dikaitkan dengan
ban, tali, atau rantai yang digunakan untuk mengangkut beban. Sistem
gerak tersebut seperti diilustrasikan pada Gambar 3.3.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 39
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 3.3. Sistem gerak susunan roda secara tidak langsung
Berdasarkan Gambar 3.3. pergerakan dengan sistem ini
memiliki kecepatan linier yang sama, sedangkan kecepatan angularnya
berbeda, dengan demikian berlaku seperti pada sistem langsung, yaitu:
v1 = v 2 dan ω1 ≠ ω 2
3.4.4. Gerak Melingkar pada Sistem Roda dengan Satu
Sumbu
Jenis gerak melingkar lain yang sering digunakan untuk
kebutuhan rekayasa dan mekatronika adalah sistem roda dengan
menggunakan satu sumbu untuk melakukan gerak, seperti yang
diilustrasikan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Gerak melingkar pada sistem roda dengan satu sumbu
Pada Gambar 3.4. tampak bahwa roda I memiliki jari-jari lebih
kecil dibanding jari-jari roda II. Kedua roda tersebut disusun dalam titik
pusat yang sama atau berada dalam satu poros putar. Apabila roda
tersebut diputar, maka kecepatan linier roda I berbeda dengan roda II,
sedangkan kecepatan angular dari masing-masing roda adalah sama
besar. Hal ini ditunjukkan oleh titik A, B, dan C yang berada pada sudut
yang sama, dengan demikian:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 40
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
v1 ≠ v 2 dan ω1 = ω 2
Atau dengan kata lain:
v A ≠ v B ≠ vC dan ω A = ω B = ω C
3.5.
(3.9)
Percepatan pada Gerak Melingkar
Jika benda melakukan gerak melingkar dengan kelajuan tetap, maka
arah gerak benda tersebut memiliki perubahan yang tetap, dengan demikian
harus ada yang mengubah arah dari kecepatan tersebut. Seperti yang telah
diketahui bahwa perubahan kecepatan erat kaitannya dengan percepatan,
sehingga untuk mengubah arah kelajuan pada gerak ini tidak lain adalah
percepatan geraknya. Arah percepatan yang timbul selalu tegak lurus
dengan arah kecepatan yang dimiliki, oleh karena arah kecepatan linier
selalu menyinggung lingkaran, sedangkan arah percepatan adalah tegak
lurus terhadap kecepatannya, maka jelaslah bahwa arah percepatan yang
timbul adalah menuju pusat lingkaran. Arah yang menuju pusat lingkaran
ini disebut dengan centripetal, sehingga percepatan yang memiliki arah ke
pusat lingkaran dinamakan sebagai percepatan centripetal.
Besar percepatan centripetal didefinisikan sebagai:
a cp =
3.6.
(vlinier )2
R
(3.10)
Momentum
Momentum benda yang dinotasikan dengan p didefinisikan sebagai
perkalian massa dengan besar kecepatan gerak benda. Apabila benda
bergerak dengan lintasan lurus, disebut dengan momentum linier, maka:
p=mv
sedangkan apabila benda bergerak melingkar, maka momentumnya
disebut dengan momentum sudut, dan besarnya adalah:
l=rxp
𝑙𝑙 = 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
(3.11)
Ilustrasi untuk mencari momentum sudut seperti pada Gambar 3.5.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 41
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 3.5. Momentum sudut benda
Dari definisi momentum sudut, apabila didefferensialkan menghasilkan:
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
=
𝑑𝑑(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 )
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
(3.12)
𝑑𝑑𝑑𝑑
= �𝑟𝑟 × 𝑑𝑑𝑑𝑑 � + ( 𝑑𝑑𝑑𝑑 × 𝑝𝑝)
= (𝑟𝑟 × 𝐹𝐹) + (𝑣𝑣 × 𝑚𝑚𝑚𝑚)
= 𝜏𝜏
(3.13)
Berdasarkan pada persamaan tersebut, dapat dinyatakan bahwa laju perubahan
momentum sudut terhadap waktu sebanding dengan torsi yang bekerja pada
benda tersebut.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 42
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
BAB IV
Sistem Sensor
POKOK BAHASAN:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Sensor Categories
Binary Sensor
Analog versus Digital Sensors
Shaft Encoder
A/D Converter
Position Sensitive Device
Compass
Gyroscope, Accelerometer, Inclinometer
Vision Sensor
TUJUAN BELAJAR:
Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan
mampu:
• Memahami pengertian sensor dan penggunaan dalam sistem kendali
• Menjelaskan jenis sensor yang ada di industri.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 43
PHK-I 2011
4.1.
Buku Ajar
Mekatronika
Pendahuluan
Untuk menghasilkan performa yang optimal, hampir di berbagai divais
elektronik digunakan sensor yang sesuai dengan hasil yang diinginkan.
Menurut definisi sensor adalah suatu elemen atau piranti yang dapat mengubah
besaran fisik (kecepatan, cahaya, tekanan) menjadi besaran elektrik, misal arus,
tegangan, atau resistansi.
4.2.
Kategori Sensor
Saat ini telah banyak tersedia berbagai macam sensor yang digunakan
untuk menyelesaikan masalah tertentu. Di dalam dunia elektronik sensor dapat
di kategorikan berdasarkan pada:
1. Aktivitas
Berdasarkan aktivitas sensor, dikenal antara lain untuk keamanan,
biomedical, agrikultur, industri, kontrol iklim, otomasi, dan otomotif.
2. Teknologi sensor dan prinsip pengukuran
Pada kategori ini sensor terbagi menjadi berdasarkan pada teknologi:
• Akustik, seperti bimetallic, capacitive, chemical, conductivity,
differential temperature, gyroscopic, dan masih banyak yang
lain.
• Amperometric, di antaranya biological, doppler, electrostatic,
field effect, hall, laser, magnetic, dan mechanical.
• AMR (anisotropic magnetoresistive), biometric, CCD, CMOS,
differential pressure, dan lain-lain.
3. Aplikasi sensor menurut parameter yang diukur
Berdasarkan kategori ini, sensor dibedakan atas aplikasi untuk:
• Posisi dan dimensi, seperti sensor sudut, inklinasi, kontur
(2D/3D), posisi, GPS, jarak, topografi, ukuran, volome, dll.
• Mekanik atau dinamik, dibedakan atas akselerasi, akselerasi
rotasi, dan akselerasi yang berkaitan dengan vibrasi.
• Tekanan, aliran, dan level
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 44
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
•
•
•
4.3.
Sensor yang dipergunakan untuk yang berkaitan dengan kimia,
biologi, dan lingkungan
Sensor yang ditujukan untuk yang berkaitan dengan temperatur,
kelembaban, cuaca, dan lingkungan,
Sensor yang berkaitan dengan tubuh, manusia, dan kedokteran,
seperti fingerprint, bloodpressure, human identification, dll.
Sensor Biner (Binary Sensor)
Berdasarkan output yang dihasilkan, sensor dibedakan menjadi sensor
biner dan sensor analog. Sensor biner menghasilkan dua output sinyal, yaitu
status “on” dan status “off”. Status-status tersebut dikonversikan ke dalam
bilangan biner 1 untuk “on” dan 0 untuk “off”. Untuk mendapatkan output
biner, dapat menggunakan sistem threshold atau komparasi pada outputnya.
Jenis sensor biner yang sering digunakan antara lain:
• Sensor manual (push button), contoh normally open/closed contact dan
changeover contact.
Sensor jenis ini memberikan logika “0” atau “1” selama penekakanan.
Gambar sensor push button seperti pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. Push Button
Sumber: Kilian, Christopher T, Modern Control Technology, (West Publishing
Co : 1996)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 45
PHK-I 2011
•
Buku Ajar
Mekatronika
Sensor batas (limit switch)
Limit Switch adalah sensor peraba yang bersifat mekanis dan
mendeteksi sesuatu setelah terjadi kontak fisik. Penggunaan sensor ini
biasanya digunakan untuk membatasi gerakan maksimum sebuah
mekanik. Contohnya pada penggerak lengan di
mana limit switch akan aktif dan memberikan masukan pada CPU untuk
menghentikan gerak motor di saat lengan sudah ditarik maksimum.Pada
umumnya limit switch digunakan untuk mengetahui ada tidaknya suatu
obyek di lokasi tertentu. Gambar 4.2. merupakan bentuk-bentuk dari
sensor limit switch
Gambar 4.2. Limit Switch
Sumber: Kilian, Christopher T, Modern Control Technology,
(West Publishing Co : 1996)
•
Sensor proximity
Sensor ini biasanya digunakan untuk mendeteksi ada atau tidak nya
suatu objek, tanpa melakukan kontak fisik. Jenis sensor proximity
meliputi limit switch (saklar mekanik), ultrasonic proximity, infra
merah, kamera dan lain sebagainya. Contoh sensor proximity jenis infra
merah seperti pada Gambar 4.3.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 46
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 4.3. Sensor Infra Red Proximity
Sumber: http://2.bp.blogspot.com/IR_proximity.jpg
4.4.
Sensor Analog
Setelah mengenal sensor biner, tentu dengan mudah kita dapat
mendefinisikan sensor analog. Sensor analog merupakan sensor yang
mengukur atau menentukan informasi kontinyu. Dengan kata lain sensor
analog merupakan sensor yang dapat membangkitkan atau menghasilkan
perubahan sinyal elektrik berupa perubahan arus atau perubahan tegangan.
Contoh dari sensor analog antara lain adalah LDR (sensor cahaya) yang
memonitor jumlah intensitas cahaya, sensor untuk mengukur temperatur, jarak
dan tekanan.
Gambar 4.4. Sensor cahaya (LDR)
Sumber: http://vegasuz.wordpress.com
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 47
PHK-I 2011
4.5.
Buku Ajar
Mekatronika
Sensor Analog vs Sensor Digital
Pada dasarnya penggunaan sensor sangat bergantung pada
permasalahan yang ingin diselesaikan. Pemilihan sensor yang tepat
menghasilkan unjuk kerja yang lebih optimal. Berdasarkan pada dua kategori
sensor (analog dan digital) dapat disarikan seperti tabel 4.1 berikut:
Tabel 4.1. Sensor Analog versus Sensor Digital
SENSOR
OUT PUT
APLIKASI
Analog
temperatur,
• Berupa tegangan (0-5) Sensor
sensor
cahaya,
sensor
volt
accelerometer
• Berupa arus (4-20) mA
Digital
Limit Switch, Infra Red
• 2 kondisi: “1” dan “0”
Dapat menggunakan
thresholding untuk
Giroskop Digital
membatasi output
• Pulsa (PWM)
4.6.
Shaft Encoder
Shaft encoder, sering disebut juga dengan rotary encoder, merupakan
divais elektro mekanik yang berfungsi mengubah atau mengkonversi posisi
gerakan angular dari batang atau pangkal ke dalam kode analog atau digital.
Output deret sensor ini berupa informasi gerak seperti kecepatan, jarak, RPM,
dan posisi, sedangkan output absolut menunjukkan arus dari posisi shaft.
Encoder ini banyak digunakan di berbagai aplikasi yang membutuhkan ukuran
yang presisi, seperti robotik,lensa fotografi, trackball, pengendali tekanan
(rheometer), dan radar.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 48
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 4.5. Rotary Encoder
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray_code_rotary_encoder_13track_opened.jpg
4.7.
A/D Converter
A/D Converter atau Analog to Digital converter berfungsi sebagai
pengubah sinyal/data analog menjadi sinyal/data digital. Biasanya oputput dari
ADC ini masuk ke dalam komponen digital seperti mikrokontroller. Terdapat
dua input ADC, yaitu input positif (+) dan input negatif (-). Sebagai contoh
ADC 0804 yang terdiri dari 8 bit microprocessor Analog to Digital Converter.
V(+) dan V(-) merupakan input tegangan analog differensial, sehingga
data tegangan yang diproses adalah selisih dari kedua tegangan tersebut.
Vref merupakan tegangan referensi ADC yang digunakan untuk
mengatur tegangan input pada Vi+ dan Vi-. Besar tegangan referensi adalah
setengah dari tegangan input maksimum, ini bertujuan agar pada saat input
maksimum data digital juga maksimum.
Frekuensi clock dapat diatur dengan menggunakan komponen R dan C
eksternal pada pin Rclk dan Cclk, dengan mengikuti persamaan:
1
𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 1,1𝑅𝑅𝑅𝑅
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
(4.1)
Hal. 49
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Chip select berfungsi untuk mengaktifkan ADC yang diaktifkan dengan
logika low. Read adalah input yang digunakan untuk membaca data digital
hasil konversi yang aktif pada kondisi low, sedangkan Write berfungsi untuk
memulai konversi ADC yang diaktifkan pada kondisi low. Instruksi berfungsi
utnuk mendeteksi apakah konversi sudah selesai atau masih berlangsung, jika
sudah selesai maka pin instruksi mengeluarkan logika low.
Output berupa digital sebanyak 8 byte (DB0-DB7), dengan biner dari
0000 0000 sampai dengan 1111 1111, dengan demikian bilangan decimal yang
muncul berkisar dari 0 sampai dengan 255, diambil dari pin D0 sampai D7.
Gambar 4.6. ADC0804
4.8.
Positive Sensitive Device
Positive sensitive device merupakan fotodiode sederhana, yaitu sensor
posisi bersifat optik yang dapat mengukur atau mendeteksi seberkas cahaya
yang jatuh di permukaan sensor. Posisi dihitung dari besar (magnitudo) signal
photocurrent yang dikandung PSD.PSD terdiri atas sebuah photodiode PIN
monolitik dengan resistansi uniform, baik satu atau dua dimensi. PSD memiliki
banyak keuntungan dibanding Discrete Element Detector, yaitu memiliki
resolusi tinggi, respon yang tinggi, dan rangkaian operasi yang sederhana.
Salah satu aplikasi PSD ini adalah untuk penjejakan objek (optical tracking
object).
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 50
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
(a) Sumber: http://sirad.pd.infn.it
Sumber: (b) www.aculux.com
Gambar 4.7. Sensor PSD (a) dan Disain Sensor PSD (b)
4.9.
Compass Sensor
Sensor compass merupakan alat yang dapat digunakan untuk navigasi
atau penunjuk arah. Salah satu sensor tersebut adalah modul magnetic compass
CMPS03. Modul ini sering digunakan dalam membuat robot yang berfungsi
untuk memberikan referensi keberadaan robot dan arah dari robot tersebut,
kemudian posisi dan arah yang telah ditentukan dijadikan acuan untuk gerakan
robot selanjutnya. Modul Magnetic Compass menggunakan jalur komunikasi
data 12C ke mikrokontroller.
(a)
(b)
Gambar 4.8. Modul CMP03 (a), dan Rangkaian aplikasi modul CMP03 (b)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 51
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
4.10. Gyroscope, Accelerometer, Inclinometer
4.10.1.
Gyroscope
Giroskop (Gyroscope) adalah alat yang memiliki prinsip kerja
yang sama dengan prinsip kerja sebuah gasing. Gasing berputar pada
sumbunya untuk menjaga gerak rotasi agar tetap seimbang. Pada kapal
dan pesawat, girokompas digunakan untuk navigasi. Giroskop dipasang
khusus sehingga tidak terpengaruh pada berputarnya kapal atau
pesawat. Selain itu giroskop juga digunakan untuk menjaga peralatan
navigasi agar tetap stabil. Giroskop yang berputar selalu berusaha untuk
tetap mengarah pada arah yang ditentukan sehingga perputaran tetap
seimbang, Inilah yang disebut dengan gaya giroskopik. Contoh aplikasi
giroskop adalah pada ban sepeda atau motor. Ban dapat terus seimbang
berputar karena pengaruh gaya giroskopik.
Gambar 4.9. Giroskop
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:3D_Gyroscope.png
4.10.2.
Accelerometer
Accelerometer merupakan sensor yang berfungsi untuk
mengukur percepatan, mendeteksi dab mengukur adanya getaran.
Sensor ini juga dapat digunakan untuk mengukur percepatan akibat
gravitasi bumi. Prinsip kerja accelerometer mengikuti hukum fisika,
yaitu seperti peristiwa timbulnya medan magnet. Bila medan magnet
digerakkan melalui komduktor, maka timbul tegangan induksi pada
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 52
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
accelerometer tersebut, sehingga dapat dilakukan pengukuran
percepatan. Bentuk sensor accelerometer ditunjukkan pada Gambar
4.10.
Gambar 4.10. Accelerometer
Sumber: www. ai.ia.agh.edu.pl
4.10.3.
Inclinometer
Inclinometer atau clinometer adalah instrumen yang digunakan
untuk mengukur kemiringan atau sudut kemiringan objek yang
berkaitan dengan gravitasi. Sensor ini dapat digunakan pada kamera,
pengendali pesawat terbang, sistem keamanan mobil dan lain
sebagainya. Contoh inclinometer seperti ilustrasi gambar 4.11.
Gambar 4.11. Inclinometer
Sumber: www. shzhichuan.51ev.org
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 53
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
4.11. Sensor Vision
Saat ini pada aplikasi robot banyak sekali penggunaan sensor vision,
demikian juga pada mekatronika. Sensor vision erat kaitannya dengan
pendeteksian atau pengenalan suatu objek, sehingga di dalamnya terkandung
sistem kecerdasan buatan (AI), yang digunakan sebagai pengambilan
keputusan. Dengan demikian sensor vision dapat dinyatakan sebagai sensor
yang berfungsi menganalisis citra (image) untuk pengenalan atau pendeteksian
objek, pengenalan karakter, pendeteksian posisi, dan pendeteksian kerusakan
atau cacat.
Terdapat setidaknya 13 macam poduk sensor vision, antara lain sensor
untuk menentukan posisi, sensor untuk penjejakan (tracking), dan sensor
camera. Gambar 4.12. adalah berbagai bentuk fisik dari sensor vision:
Sensor jenis FQ
Jenis FZ3
Jenis FL
Jenis FQ-M
Jenis FZM1
Gambar 4.12. Berbagai jenis sensor vision
Sumber: http://www.ia.omron.com/product/29.html
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 54
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
BAB 6
SISTEM KONTROL
POKOK BAHASAN:
1. Pengenalan Sistem Kontrol
2. Jenis – Jenis Sistem Kontrol
a. Logic Control
b. On-Off Control
c. Linear Control : PID
d. Fuzzy Logic
e. PLC
TUJUAN BELAJAR:
Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan
mampu:
1. Memahami jenis-jenis system control
2. Mengaplikasikan jenis-jenis system control pada robotic
6.1.
Pengenalan Sistem Kontrol
Istilah "sistem kontrol" dapat diterapkan dengan kontrol manual yang
memungkinkan dasarnya operator, misalnya, untuk menutup dan membuka
tekan hidrolik, mungkin termasuk logika sehingga tidak dapat dipindahkan
kecuali penjaga keselamatan di tempat. Sebuah sistem kontrol otomatis
sekuensial dapat memicu serangkaian aktuator mekanik dalam urutan yang
benar untuk melakukan tugas. Misalnya berbagai transduser listrik dan
pneumatik dapat lipat dan lem kotak karton, mengisinya dengan produk dan
kemudian segel dalam sebuah mesin kemasan otomatis.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 90
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Kontrol otomatik telah memainkan peranan penting dalam sains dan rekayasa
modern. Disamping untuk kepentingan khusus seperti space-vehicle system,
missile-guidance system, robotic system, kontrol otomatik telah menjadi bagian
integral yang penting dalam manufaktur modern dan industri proses. Sebagai
contoh, kontrol otomatik merupakan esensi dalam numerical control mesinmesin presisi pada industri manufaktur, disain sistem auto pilot pada industri
penerbangan, disain mobil dalam industri otomotif. Juga dapat diterapkan pada
operasi-operasi industri seperti mengontrol tekanan, temperatur, kelembaban,
viskositas, aliran dalam industri proses. Beberapa istilah yang banyak
digunakan:
• Controlled Variable: kuantitas atau kondisi yang diukur dan dikontrol
• Manipulated Variable: kuantitas atau kondisi yang divariasikan oleh
pengontrol sehingga mempengaruhi variabel yang dikontrol. Biasanya
variabel yang dikontrol adalah output dari sistem. Kontrol dapat berarti
mengukur controlled variable dari sistem dan menerapkan manipulated
variable pada sistem untuk mengoreksi dan membatasi deviasi harga
terukur (output) dari harga yang diinginkan.
• Plant: Obyek yang akan dikontrol
• Proses: Operasi dan pengembangan kontinu yang ditandai oleh
perubahan gradual dari variabelnya dengan cara tertentu sehingga
sampai pada suatu hasil atau keadaan tertentu.
• Sistem: Kombinasi dari berbagai komponen yang beraksi bersamasama dan menghasilkan suatu performansi tertentu.
• Gangguan: Sinyal yang mempengaruhi sistem sehingga mempengaruhi
harga output dari harga yang diinginkan.
Dalam kasus sistem umpan balik linear, loop kontrol, termasuk kontrol
algoritma sensor, dan aktuator, diatur sedemikian rupa untuk mencoba untuk
mengatur variabel di sebuah setpoint atau nilai referensi. Sebuah contoh dari
ini dapat meningkatkan pasokan bahan bakar ke tungku ketika suhu diukur
tetes. PID kontroler yang umum dan efektif dalam kasus-kasus seperti ini.
Kontrol sistem yang mencakup beberapa penginderaan dari hasil yang mereka
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 91
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
capai yang membuat penggunaan umpan balik dan sehingga dapat, sampai
batas tertentu, beradaptasi dengan berbagai keadaan. Loop terbuka sistem
kontrol tidak menggunakan umpan balik, dan berjalan hanya dalam pre arrange
way.
6.2.
Jenis – Jenis Sistem Kontrol
Ada beberapa jenis system control yang dapat digunakan pada
mekatronika robotic, diantaranya; logic control, on-off control, linear control
(PID), Fuzzy logic, dan Proggramable Logic Control (PLC).
6.2.1. Logic Control
Sistem kontrol logika untuk mesin industri dan komersial secara
historis diterapkan pada relay tegangan listrik menggunakan saling
berhubungan, dirancang dengan menggunakan logika tangga. Saat ini,
kebanyakan sistem tersebut dibangun dengan programmable logic controller
(PLC) atau mikrokontroler. Notasi logika tangga masih digunakan sebagai
idiom pemrograman untuk PLC.
Logic controller dapat menanggapi switch, sensor cahaya, saklar
tekanan, dll, dan dapat menyebabkan mesin untuk memulai dan menghentikan
berbagai operasi. Sistem logika digunakan untuk operasi urutan mekanik di
banyak aplikasi. PLC perangkat lunak dapat ditulis dalam berbagai cara diagram tangga, SFC -. Grafik fungsi sekuensial atau dalam istilah bahasa yang
dikenal sebagai daftar pernyataan Contoh termasuk lift, mesin cuci dan sistem
lain dengan saling menghentikan operasi-pergi.
Sistem logika yang cukup mudah untuk merancang, dan dapat menangani
operasi yang sangat kompleks. Beberapa aspek dari desain sistem logika
menggunakan logika Boolean.
6.2.2. On – Off Control
Pada sistem kontrol dua posisi, elemen aktuasi hanya mempunyai dua
posisi yang tetap. Kontrol on-off ini banyak digunakan di industri karena
murah dan sederhana. Sinyal control akan tetap pada satu keadaan dan akan
berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error positif atau negatif.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 92
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
u(t) = sinyal control
e(t) = sinyal error
u(t) = U1 , e(t)>0
= U2 , e(t)<0
Kontroler dua posisi pada umumnya dijumpai pada komponen elektrik (relay)
dan komponen pneumatik (katup dan silinder). Ilustrasi dari kontroler on-off
adalah sebagai berikut:
Gambar 6.1 Kontroler On – Off
Dari gambar dapat diamati bahwa jika output lebih besar dari set point,
aktuator akan off. Output akan turun dengan sendirinya sehingga menyentuh
set point lagi. Pada saat itu, sinyal kontrol akan kembali on (aktuator on) dan
mengembalikan output kepada set pointnya. Demikian seterusnya sinyal
kontrol dan aktuator akan on-off terus menerus. Kelemahan dari kontroler on
off ini adalah jika output berosilasi di sekitar set point (keadaan yang memang
diinginkan) akan menyebabkan aktuator bekerja keras untuk on-off dengan
frekuensi yang tinggi. Hal ini akan menyebabkan kontroler akan cepat aus dan
memakan energi yang banyak (boros). Untuk sedikit mengatasi hal ini maka
dibuat suatu band pada set point sehingga mengurangi frekuensi on-off dari
kontroler. Ilustrasinya adalah sebagai berikut:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 93
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 6.2. Frekuensi Kontroler On-Off
Sinyal kontrol akan off ketika output menyentuh batas atas dan baru on
kembali ketika menyentuh batas bawah. Band dari set point ini disebut juga
diferensial gap. Dengan keadaan seperti ini serta mengatur besarnya diferensial
gap maka frekuensi on-off dapat dikurangi tetapi harus dibayar dengan
penurunan akurasi terhadap set point.
6.2.3. Linear Control (PID)
Operasi jangka panjang dari sistem apapun, besar atau kecil,
mensyaratkan bahwa harus ada keseimbangan massa / energi antara masukan
dan output. Jika proses dioperasikan pada ekuilibrium di setiap saat,
kontrol akan sederhana. Karena perubahan tidak ada, yang penting
parameter dalam kontrol proses adalah WAKTU, yaitu berapa lama waktu
yang dibutuhkan untuk perubahan dalam input apapun untuk muncul dalam
output. Sistem konstanta waktu dapat bervariasi dari sepersekian detik untuk
berjam-jam.
Kontroler PID adalah jenis yang paling banyak digunakan dari proses
kontroler. Ini adalah kemampuan untuk menyempurnakan tindakan kontrol ke
spesifik konstanta waktu proses dan oleh karena itu untuk menangani proses
perubahan dari waktu ke waktu yang telah menerima kontroler PID
penerimaan luas. Untuk mengukur output atau bentuk penyimpangan, apa yang
diinginkan yang untuk mengukur perbedaan (kesalahan). Cara yang paling
umum mengukur dan mengurangi kesalahan apapun adalah melalui kritik,
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 94
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
yang teknik pengukuran output dan makan kembali ke kontroler. Fungsi
controller proses untuk menyesuaikan variabel proses input untuk
menghilangkan kesalahan itu. PID kontroler yang paling sering jenis kontroler
dipilih untuk melakukan hal ini.
Gambar 6.3. Blok Diagram Sistem Konrol PID
Proportional control
Hubungan antara sinyal kontrol dan error adalah: u(t) = Kpe(t)
Fungsi transfer dalam domain s:
Proportional controller tidak lain adalah amplifier dengan penguatan sebesar
Kp.
Kata proportional mempunyai arti bahwa besarnya aksi kontrol sesuai dengan
besarnya error dengan faktor pengali tertentu. Kelemahan dari aksi kontrol ini
adalah terdapatnya steady state error yaitu output mempunyai selisih terdapat
set point.
Integral control
Pada pengontrol ini, kecepatan perubahan sinyal kontrol sebanding dengan
sinyal error.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 95
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
,
Fungsi transfer dalam domain s:
Jika e(t) diduakalikan, maka kecepatan perubahan u(t) adalah dua kali semula.
Selama sinyal error masih ada, maka sinyal kontrol akan beraksi terus. Ketika
sinyal error nol, u (t) tetap stasioner. Dengan demikian, aksi kontrol integral
akan menghilangkan steady state error. Artinya output sistem akan selalu
mengejar set point sedekat mungkin. Aksi kontrol integral sering disebut
automatic reset control. Kerugian dari aksi kontrol ini adalah terjadi osilasi
sehingga mengurangi kestabilan sistem.
Proportional plus integral control
Fungsi transfer dalam domain s:
Kp adalah gain proporsional, Ti adalah integral time. Integral time mengatur
aksi control integral sedangkan Kp akan mempengaruhi baik bagian integral
maupun proporsional. Kebalikan dari Ti disebut reset rate yang artinya jumlah
waktu per menit dimana bagian proporsional dari aksi kontrol diduplikasi.
Proportional plus derivative control
Fungsi transfer dalam domain s:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 96
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Td adalah derivative time. Aksi kontrol derivative sering disebut rate control
karena kecepatan perubahan error sebanding dengan sinyal kontrol. Artinya,
apabila ada perubahan error, maka sinyal kontrol beraksi. Aksi kontrol ini
memberikan respon terhadap perubahan sinyal error dan mampu
mengoreksinya sebelum error bertambah besar. Aksi kontrol ini mampu
mengantisipasi error, mempercepat respon sistem dan meningkatkan stabilitas
sistem. Dengan demikian, apabila ada gangguan tiba-tiba, output akan berubah
secara tiba-tiba menjauhi set point, menghasilkan perubahan error. Perubahan
error yang tiba-tiba akan menghasilkan sinyal kontrol antisipasi sebelum error
bertambah besar dan berusaha mengembalikan ke keadaan steady. Kekurangan
dari aksi ini adalah terdapat steady state error karena error yang konstan tidak
akan menghasilkan sinyal kontrol (sistem yang sudah steady tidak
menghasilkan aksi kontrol walaupun jauh dari set point).
Proportional plus integral plus derivative control
Ini adalah kombinasi dari ketiga aksi kontrol:
Dalam bentuk fungsi transfer
Aksi kontrol gabungan seperti ini menghasilkan performansi serta keuntungan
gabungan dari aksi kontrol sebelumnya. PID mempunyai karakteristik reset
control dan rate control yaitu meningkatkan respon dan stabilitas sistem serta
mengeliminasi steady state error.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 97
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
6.2.4. Fuzzy Logic
Fuzzy Logic adalah metodologi pemecahan masalah dengan beribu –
ribu aplikasi dalam pengendali yang tersimpan dan pemrosesan informasi.
Fuzzy logic menyediakan cara sederhana untuk menggambarkan kesimpulan
pasti dari informasi yang ambigu, samar – samar, atau tidak tepat. Sedikit
banyak, fuzzy logic menyerupai pembuatan keputusan pada manusia dengan
kemampuannya untuk bekerja dari data yang ditafsirkan dan mencari solusi
yang tepat. Fuzzy logic pada dasarnya merupakan logika bernilai banyak
(multivalued logic) yang dapat mendefinisikan nilai diantara keadaan
konvensional seperti ya atau tidak, benar atau salah, hitam atau putih, dan
sebagainya. Penalaran fuzzy menyediakan cara untuk memahami kinerja dari
system dengan cara menilai input dan output system dari hasil pengamatan.
Dasar – Dasar Logika Fuzzy
Fungsi keanggotaan dari suatu himpunan fuzzy dinyatakan dengan derajat
keanggotaan suatu nilai terhadap nilai tegasnya yang berkisar antara 0,0 sampai
dengan 1,0. Jika A: himpunan fuzzy, μA: fungsi keanggotaan dan X : semesta,
maka fungsi keanggotaan dalam suatu himpunan fuzzy dapat dinyatakan
dengan:
A={(x,μA(x))|xЄX}
Fungsi Keanggotaan suatu himpunan fuzzy dapat ditentukan dengan fungsi
segitiga (Triangle),trapesium (Trapezoidal) atau Fungsi Gauss (Gaussian).
Persamaan fungsi keangotaan segitiga adalah:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 98
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Persamaan tersebut dalam bentuk grafik ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 6.4. Fungsi Kenaggotaan Segitiga
Persamaan fungs i keangotaan Trapes ium adalah:
Persamaan tersebut dalam bentuk grafik ditunjukkan pada gambar
berikut:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 99
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 6.5. Fungsi Keanggotaan Trapesium
Persamaan fungs i keangotaan Gauss ian adalah
Persamaan tersebut dalam bentuk grafik ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 6.5. Fungs i keanggotaan Gauss ian
Cara Kerja Kontrol logika fuzzy
Dalam system control logika fuzzy
operasional yang meliputi:
1. Fuzzyfikasi
2. Penalaran (Inference Machine)
3. Aturan Dasar (Rule Based)
4. Defuzzyfikas i
terdapat beberapa tahapan
Blok diagram control logika fuzzy d itunjukkan pada gambar berikut:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 100
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 6.6. Diagram Kontrol Logika Fuzzy
Kerangka operas ional control logika fuzzy ditunjukkan pada gambar berikut:
Gambar 6.7. Alur Kerja Kontrol Logika Fuzzy
Dari gambar 6.7. s inyal masukan dari KLF dapat berupa nilai tegas.
Sinyal masukan KLF dapat diamb ilkan dari:
a) Selis ih antara rujukan (reference) dengan nilai keluaran
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 101
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
nyata dari KLF yang berupa nilai kesalahan (error=E).
b) Turunan pertama dari nilai error yang d ikenal dengan delta
error=dE
Fuzzyfikasi
Fuzzifikasi adalah suatu proses pengubahan nilai tegas/real yang ada ke dalam
fungsi keanggotaan
Misal: merujuk pada gambar 6.8. fuzzifikasi dari suhu 35oC adalah:
Gambar 6.9. Fungs i Fuzzyfikasi suatu sinyal
Defuzzifikasi
Merupakan proses pemetaan himpunan fuzzy ke himpunan tegas (crips). Proses
ini merupakan kebalikan dari proses fuzzyfikasi.
Proses defuzzyfikas i diekspres ikan sebagai berikut :
Z* = defuzzifier (Z)
Z = Hasil penalaran fuzzy Z* = Keluaran Kontrol FL Defuzzifier = Operasi
defuzzier
6.2.5. Programmable Logic Control (PLC)
PLC (kepanjangan Programmable Logic control) adalah sebuah alat
yang digunakan untuk menggantikan rangkaian sederetan relay yang dijumpai
pada sistem kontrol proses konvensional. PLC bekerja dengan cara mengamati
masukan (melalui sensor-sensor terkait), kemudian melakukan proses dan
melakukan tindakan sesuai yang dibutuhkan, yang berupa menghidupkan atau
mematikan keluarannya (logika 0 atau 1, hidup atau mati). Pengguna membuat
program (yang umumnya dinamakan diagram tangga atau ladder diagram )
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 102
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
yang kemudian harus dijalankan oleh PLC yang bersangkutan, Dengan kata
lain, PLC menentukan aksi apa yang harus dilakukan pada instrumen keluaran
berkaitan dengan status suatu ukuran atau besaran yang diamati.
Program kendali PLC terdiri atas tiga unsur yaitu: alamat, instruksi, dan
operand. Alamat adalah nomor yang menunjukkan lokasi, instruksi, atau data
dalam daerah memori. Instruksi harus disusun secara berurutan dan
menempatkannya dalam alamat yang tepat sehingga seluruh instruksi
dilaksanakan mulai dari alamat terendah hingga alamat tertinggi dalam
program. Instruksi adalah perintah yang harus dilaksanakan PLC. PLC hanya
dapat melaksanakan instruksi yang ditulis menggunakan ejaan yang sesuai.
Oleh karena itu, pembuat program harus memperhatikan tata cara penulisan
instruksi. Operand adalah nilai berupa angka yang ditetapkan sebagai data yang
digunakan untuk suatu instruksi. Operand dapat dimasukkan sebagai konstanta
yang menyatakan nilai angka nyata atau merupakan alamat data dalam memori.
Bahasa Pemrograman
Program PLC dapat dibuat dengan menggunakan beberapa cara yang disebut
bahasa pemrograman. Bentuk program berbeda-beda sesuai dengan bahasa
pemrograman yang digunakan. Bahasa pemrograman tersebut antara lain:
diagram ladder, kode mneumonik, diagram blok fungsi, dan teks terstruktur.
Beberapa merk PLC hanya mengembangkan program diagram ladder dan kode
mneumonik.
Diagram Ladder
Diagram ladder terdiri atas sebuah garis vertikal di sebelah kiri yang disebut
bus bar, dengan garis bercabang ke kanan yang disebut rung. Sepanjang garis
instruksi, ditempatkan kontak-kontak yang mengendalikan/mengkondisikan
instruksi lain di sebelah kanan. Kombinasi logika kontak-kontak ini
menentukan kapan dan bagaimana instruksi di sebelah kanan dieksekusi.
Contoh diagram ladder ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 103
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 6.10. Contoh Diagram Ladder
Terlihat dari gambar di atas bahwa garis instruksi dapat bercabang kemudian
menyatu kembali. Sepasang garus vertikal disebut kontak (kondisi). Ada dua
kontak, yaitu kontak NO (Normally Open) yang digambar tanpa garis diagonal
dan kontak NC (Normally Closed) yang digambar dengan garis diagonal.
Angka di atas kontak menunjukkan bit operand.
Kode Mneumonik
Kode mneumonik memberikan informasi yang sama persis seperti halnya
diagram ladder. Sesungguhnya, program yang disimpan di dalam memori PLC
dalam bentuk mneumonik, bahkan meskipun program dibuat dalam bentuk
diagram ladder. Oleh karena itu, memahami kode mneumonik itu sangat
penting. Berikut ini contoh program mneumonik:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 104
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Tabel 6.1. Contoh Program Mnemonic
Alamat
00000
00001
00002
00003
00004
00005
00006
Instruksi
LD
AND
OR
LD NOT
OR
AND LD
MOV(21)
Operand
HR 01
0.01
0.02
0.03
0.04
0.00
DM 00
00007
CMP(20)
DM (00)
HR (00)
Struktur Daerah Memori
Program pada dasarnya adalah pemrosesan data dengan berbagai instruksi
pemrograman. Data disimpan dalam daerah memori PLC. Pemahaman daerah
data, disamping pemahaman terhadap berbagai jenis instruksi merupakan hal
yang sangat penting, karena dari segi inilah intisari pemahaman terhadap
program.
Data yang merupakan operand suatu instruksi dialokasikan sesuai dengan jenis
datanya. Tabel di bawah ini ditunjukkan daerah memori PLC CPM2A sebagai
berikut:
IR
Daerah Data
Daerah Input
Tabel 6.2. Memori PLC
Channel IWord
IR 000 sd IR 009
Daerah Output
IR 010 sd IR 019
Daerah ‘Kerja’
IR 010 sd 049
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Bit
IR 000.00 sd
009.15
IR 010.00 sd
019.15
IR 020.00 sd
049.15
IR
IR
IR
Hal. 105
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
IR 200 sd IR 227
SR
TR
HR
SR 228 sd 255
-HR 00 sd HR 19
AR
LR
TIM! CNT
AR 00 sd AR 23
LR 00 sd LR 15
TC 000 sd C 255
IR 200.00 sd IR
227.15
SR 228 sd SR 255.15
TR 0 sd TR 7
HR 00.00 sd HR
19.15
AR 00 sd AR 23.15
LR 00.00 sd LR 15.15
Instruksi Pemrograman
Terdapat banyak instruksi untuk memrogram PLC, tetapi tidak semua instruksi
dapat digunakan pada semua model PLC. Instruksi pemrograman dapat
dikelompokkan sebagai berikut:
Klasifikasi menurut pengkodean mneumonik:
•
Instruksi dasar
•
Instruksi khusus
Klasifikasi menurut kelompok fungsi:
•
Instruksi sisi kiri (ladder)
•
Instruksi sisi kanan
Klasifikasi menurut kelompok fungsi:
•
Instruksi ladder
•
Instruksi kendali bit
•
Instruksi timer/counter
•
Instruksi geser bit
•
Instruksi sub routine
•
Instruksi ekspansi
Pada dasarnya, tingkat pemahaman pemakai PLC ditentukan oleh seberapa
banyak instruksi yang telah dipahaminya. Oleh karena itu, untuk pemula
berikut ini hanya dijelaskan beberapa instruksi saja. Untuk pendalaman lebih
lanjut dapat mempelajari manual pemrograman yang diterbitkan oleh pemilik
merk PLC.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 106
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Instruksi Diagram Ladder
Instruksi diagram ladder adalah instruksi sisi kiri yang mengkondisikan
instruksi lain di sisi kanan. Pada program diagram ladder instruksi ini
disimbolkan dengan kontak-kontak seperti pada rangkaian kendali
elektromagnet.
Instruksi diagram ladder terdiri atas enam instruksi ladder dan dua
instruksi blok logika. Instruksi blok logika adalah instruksi yang digunakan
untuk menghubungkan bagian yang lebih kompleks.
Instruksi LOD dimulai dengan barisan logic yang dapat diteruskan
menjadi ladder diagram rung. Instruksi LOD digunakan setiap kali rung baru
dimulai.
Diagram Ladder ( relay circuit )
List Program
Address
0
1
Instruction Word
LOD
-
Data
0
-
Key Operation
Instruksi AND
•
Instruksi AND digunakan untuk membuat program kontak sirkuit seri.
•
Instruksi AND dimasukan sebelum set yang kedua yang berhubungan
dan selanjutnya
•
Dapat dilanjuti dengan instruksi NOT untuk contact normally closed
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 107
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gerbang Logic AND
Tabel kebenaran gerbang AND
Input 1
Input 2
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
ON
Input 3
OFF
OFF
OFF
ON
Diagram Ladder (relay circuit)
List Program
Address
0
1
Instruction Word
LOD
AND
Data
0
1
Key Operation
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 108
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Intruksi OR
•
•
•
Instruksi OR digunakan untuk memprogram parallel contact circuit
Instruksi OR dimasukan sebelum set kedua dan selanjutnya
Instruksi ini dapat diikuti oleh instruksi NOT pada contact normaly
closed
Gerbang Logic OR
Tabel Kebenaran Gerbang OR
Input 1
OFF
ON
OFF
ON
Input 2
OFF
OFF
ON
ON
Input 3
OFF
ON
ON
ON
Diagram Ladder (relay circuit)
List Program
Address
0
1
Instruction Word
LOD
OR
Data
0
1
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 109
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Key Operation
Instruksi AND LOD
•
Instruksi AND LOD digunakan untuk menyambung dua atau lebih
circuit seri yang di mulai dengan LOD ins truction.
•
Instr uksi AND LOD sama dengan NODE pada ladder program.
•
Instr uksi AND LOD di mas ukan setelah memas ukkan circuit-circuit
yang akan disambung.
Gerbang Logic AND LOD
Diagram Ladder (relay circuit)
AND LOD
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 110
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
List Program
Address
0
1
2
3
Instruction Word
LOD
LOD
OR
AND LOD
Data
1
2
3
Key Operation
Instruksi OR LOD
•
Instruksi OR LOD digunakan untuk menyambung dua atau lebih circuit
parallel yang dimulai dengan LOD instruction
•
Instruksi OR LOD sama dengan NODE pada ladder diagram
•
Instruksi OR LOD dimasukan setelah memasukkan circuit yang akan
disambung
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 111
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gerbang Logic OR LOD
Diagram Ladder (relay circuit)
List Program
Address
0
1
2
3
4
Instruction Word
LOD
AND
LOD
AND
OR LOD
Data
1
2
3
4
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 112
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Key Operation
Instruksi NOT
•
Instruksi NOT digunakan sebelum memasukan input address untuk
menyatakan kontak yang normaly closed
•
Instruksi NOT membuat pembacaan input menjadi kebalikannya
•
Instruksi ini dapat dimasukan setelah memasukkan instruksi LOD,
AND, OR
Gerbang Logic NOT
Tabel Kebenaran Gerbang NOT
Input
Output
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 113
PHK-I 2011
OFF
ON
Buku Ajar
Mekatronika
ON
OFF
Diagram Ladder (relay circuit)
List Program
Address
0
1
Instruction Word
LOD NOT
-
Data
0
-
Key Operation
Instruksi SET & RST
•
Instruksi SET &RST digunakan untuk mengaktifkan atau mereset
output dan internal relay
•
Hanya memerlukan satu address
•
Output yang sama dapat di set dan reset berkali-kali dalam satu
program
•
Beroperasi pada setiap scan waktu input ON
Diagram Ladder (relay circuit)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 114
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
List Program
Address
0
1
2
3
Instruction Word
LOD
SET
LOD
SET
Data
1
00
2
00
Key Operation
Timing SET & RST Instruction
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 115
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Instruksi TIM (TIMER)
•
100-msec, Time down timer
•
Selalu diperlukan dua address
•
Instruksi timer dimasukkan pada address pertama yang diikuti oleh
nomer timer
•
Nilai preset dimasukan pada address kedua, preset timer antara 0
sampai 9999
•
Nomer timer, T 0 sampai T 79
Diagram Ladder (relay circuit)
List Program
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 116
PHK-I 2011
Address
0
1
2
3
Buku Ajar
Mekatronika
Instruction Word
LOD
TIM
OUT
Data
1
5
50
00
Key Operation
Timing Chart
•
Diagram Ladder
•
Timing Chart
Persyaratan Instruksi Timer:
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 117
PHK-I 2011
•
•
•
•
•
•
Buku Ajar
Mekatronika
Time down dari nilai yang telah ditentukan akan dimulai setelah timer
input aktif.
Output dari timer akan menyala jika nilai angka mencapai nol.
Nilai waktu kembali ke setting awal jika timer input mati.
Nomor timer yang sama tidak dapat di program lebih dari sekali, jika
dicoba maka akan ERROR MESSAGE.
Nilai preset timer dapat diubah tanpa harus mentransfer seluruh
program ke memory pack lagi. Jika nilai timer diubah pada waktu time
down, perubahan akan mulai efektif pada siklus yang berikutnya.
Jika nilai preset timer diubah menjadi nol, timer akan menghentikan
operasi dan timer output akan langsung aktif.
Instruksi CNT (Counter)
Adding (UP) Counter
Persyaratan:
•
Tersedia 100 Counter tambahan.
•
Counter di program dalam urutan RESET INPUT, PULSE INPUT dan
CNT.
•
Nilai preset Counter adalah 0 sampai 9999.
•
Dua address diperlukan, pertama untuk instruksi counter, kedua untuk
nilai presetnya.
•
Nomor Counter yang sama tidak dapat di program lebih dari sekali.
•
Ketika reset OFF, counter menghitung pulse input yang dibandingka
dengan nilai preset.
•
Ketika nilai terhitung mencapai nilai preset, output aktif dan tetap aktif
sampai reset itu dinyalakan.
•
Ketika input reset berubah dari OFF ke ON, nilai Counternya
terulang/reset.
•
Ketika reset input ON semua pulse input diabaikan.
•
Jika power mati, nilai counter dapat dipertahankan dengan
menggunakan konfigurasi CPU FUN7.
•
Nilai Counter preset dapat diubah tanpa mentransfer seluruh program
kembali.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 118
PHK-I 2011
•
Buku Ajar
Mekatronika
Input reset mempunyai prioritas diatas input pulse. Satu scan setelah
preset input akan mengubah dari ON ke OFF, counter akan mulai
menghitungpulse input setelah berubah dari OFF ke ON.
List Program
Address
0
1
2
3
Instruction Word
LOD
LOD
CNt
Data
1
2
1
5
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 119
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Key Operation
Timing Chart
Instruksi OUT
•
Instruksi OUT akan mengakhiri logic Line yang berhubungan dengan
ladder diagram baris
•
Internal relay IR dapat digunakan dengan instruksi OUT
Diagram Ladder (Relay Circuit)
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 120
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
List Program
Address
0
1
2
3
Instruction Word
LOD
OUT
LOD NOT
OUT
Data
0
00
1
01
Key Operation
Counter Reversible
1. Dual-pulse reversible Counter (CNT 45)
2. Up/Down selection Reversible Counter (CNT 46)
Persyaratan DUA L-PULSE REVERSIBLE COUNTER CNT 45 & CNT 46:
•
Diperlukan 3 input
•
Preset input, Up-pulse Input, CNT 45 atau CNT 46, Preset Value
•
Nomor Counter yang sama tidak dapat digunakan lebih dari sekali
•
Jika pulse up dan pulse down aktif bergantian maka akan ERROR
•
Jika input ON, nilai preset sudah set
•
Up mode diplih jika UP/DOWN input ON
•
Down mode diplih jika UP/DOWN input OFF
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 121
PHK-I 2011
•
•
•
•
•
•
•
•
Buku Ajar
Mekatronika
Perhitungan dimulai ketika preset input OFF
Counter output aktif jika nilai perhitungan mencapai nol
Setelah nilai counter mencapai nol, lalu akan berubah menjadi 9999
untuk perhitungan mundur berikutnya
Setelah nilai counter mencapai 9999, lalu akan berubah menjadi nol
untuk perhitungan naik berikutnya
Input preset harus diaktifkan sebelum programming agar nilai
perhitungan kembali ke nilai yang di set
Preset harus dimatikan sebelum perhitungan dimulai
Jika nilai preset diubah pada waktu operasi, perubahan langsung efektif
Perhitungan tidak akan berfungsi jika nilai preset diubah setelah nilai
presetnya telah tercapai
Diagram Ladder
List Program
Address
0
1
2
3
4
5
Instruction Word
LOD
LOD
LOD
CNT
OUT
Data
1
2
3
45
50
00
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 122
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Key Operation
Diagram Ladder
List Program
Address
0
1
2
3
4
5
Instruction Word
LOD
LOD
LOD
CNT
OUT
Data
1
2
3
46
50
00
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 123
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Key Operation
Timing Chart CNT45 Dual-Pulse Reversible Counter
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 124
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Timing Chart CNT45 Dual-Pulse Reversible Counter
Eksekusi Program
Untuk mengurangi kemungkinan terjadinya kesalahan dalam merancang
program kendali, perlu diingat hal-hal sebagai berikut:
a. Jumlah kondisi (kontak) yang digunakan seri atau paralel dan juga
banyaknya perulangan penggunaan suatu bit tak terbatas sepanjang
kapasitas memori PLC tidak dilampaui.
b. Diantara dua garis instruksi tidak boleh ada kondisi yang melintas
secara vertikal.
c. Tiap garis instruksi harus memiliki sedikitnya satu kondisi yang
menentukan eksekusi instruksi sisi kanan, kecuali untuk instruksi END
(01), ILC (03) dan JME (05).
d. Dalam merancang diagram ladder harus memperhatikan kemungkinan
instruksi yang diperlukan untuk memasukannya. Misalnya, pada
gambar A di bawah ini diperlukan instruksi OR LOAD. Hal ini dapat
dihindari dengan menggambar ulang diagram ladder seperti gambar B.
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 125
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
Gambar 6.11. Penyederhanaan Program Logika
Saat eksekusi program, PLC men-scan program dari atas ke bawah, mengecek
semua kondisi, dan mengeksekusi semua instruksi. Instruksi harus ditempatkan
dengan tepat, misalnya data yang dikehendaki dipindahkan ke words sebelum
words tersebut digunakan sebagai operand instruksi. Ingat bahwa garis
instruksi berakhir pada instruksi terminal sisi kanan, setelah itu baru
mengeksekusi garis instruksi bercabang ke instruksi terminal yang lain.
Eksekusi program semata-mata merupakan salah satu tugas yang dilakukan
oleh PLC sebagai bagian dari waktu siklus.
Langkah-langkah pembuatan program
Untuk membuat program kendali PLC ditempuh melalui langkah-langkah
sistematis sebagi berikut:
a. Menguraikan urutan kendali. Pembuatan program diawali dengan
penguraian urutan kendali. Ini dapat dibuat dengan menggunakan
kalimat-kalimat logika, gambar-gambar, diagram waktu, atau bagan alir
(flow chart).
b. Menetapkan bit operand untuk peralatan input/output Bit operand untuk
peralatan input/output mengacu pada daerah memori PLC yang
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 126
PHK-I 2011
Buku Ajar
Mekatronika
digunakan. Bit operand dapat dipilih secara bebas sejauh berada pada
jangkah daerah memori yang dialokasikan. Tetapi, penggunaan secara
bebas sering menjadikan ketidak-konsistenan sehingga menjadikan
program kendali keliru. Oleh sebab itulah penggunaan bit operand
harus ditetapkan sebelum program dibuat. Inventarisir semua peralatan
input dan output yang akan disambung ke PLC, kemudian tetapkan bit
operandnya. Jumlah bit oprand yang tersedia bergantung kepada tipe
PLC yang dispesifikasikan menurut jumlah input-outputnya.
Perbandingan jumlah bit input dan output pada umumnya 3 : 2.
Misalnya PLC dengan I/O 10 memiliki bit input sejumlah 6 dan bit
output 4.
Di bawah ini diberikan contoh daerah memori PLC OMRON CPM1A10CDRA.
Daerah Data
IR
Input
(Internal
Output
Relay)
Kerja (Internal)
TR (Temporeraly Relay)
Timer /Counter
Words
0
10
200 – 231
Bit
0.00 – 0.11
10.00 – 10.07
200.00 – 231.15
TR0 – TR7
TC0 – TC7
Lussiana ETP, Atit Pertiwi, Hustinawati, Ary Bima K, M. Achsan Isa A.A,
Yogi Permadi
Hal. 127