Simulasi Pergerakan segitiga Bucket untuk indentifikasi kemungkinan interferensi antara pahat dan benda-kerja (Gouging) pada sistem-CAM berbasis model-faset 3D G. Kiswanto, Priadhana Laboratorium Teknologi Manufaktur Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia Kampus Baru – UI Depok 16424
[email protected] Abstrak Dengan meningkatnya kompleksitas produk akhir yang diinginkan, kehandalan sistem-CAM untuk pemesinan multi-axis menjadi hal yang utama untuk menjamin keakurasian produk akhir. Laboratorium Teknologi Manufaktur, Departemen Teknik Mesin – Universitas Indonesia, mengembangkan suatu sistem-CAM untuk pemesinan milling multi-axis (3-5 axis) berbasis model faset 3D yang handal dan memiliki kecerdasan dalam otomasi perancanaan strategi pembuatan lintasan pahat. Sistem-CAM ini mampu mendeteksi interferensi antara pahat dan model produk (gouging) dengan akurat. Untuk melakukan pendeteksian dan verifikasi terhadap gouging, maka model pahat dan model produk dalam bentuk tirangular mesh (model faset) harus di proyeksikan kesuatu bidang proyeksi model (mis : XY). Bidang proyeksi sendiri berisi serangkaian bucket yang tersusun dalam kolom dan baris. Setiap bucket, yang secara imajiner berbentuk bujur sangkar dengan suatu ukuran tertentu, berisi data segitiga-segitiga yang menutupi bucket tersebut. Hanya segitiga-segitiga dari bucket-bucket yang tertutup bayangan pahat (proyeksi terhadap bidang proyeksi XY) yang akan dicek secara simulasi apakah terjadi interferensi dengan model pahat. Dengan metode ini secara efektif dapat dilihat bucket-bucket mana yang harus dicek segitiganya terhadap terjadinya interferensi dengan model pahat. Sistem-CAM ini telah mengadopsi motode simulasi ini sebagai suatu modul sebagai basis untuk pengembangan sistem-CAM lebih lanjut. Kata kunci : simulasi interferensi, sistem-CAM, model-faset 3D,
Pendahuluan Proses manufaktur pembuatan suatu produk, yang memerlukan proses pemesinan dalam pembuatannya, secara umum di awali dengan pembuatan konsep desain dari produk tersebut, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan model geometri 3D dari produk dengan menggunakan sistem-CAD (Computer Aided Design). Hampir seluruh sistem-CAD yang ada saat ini membuat model geometri 3D dengan menggunakan model parametric surface (permukaan parametrik, e.g. NURBS dan turunannya) dan/atau dengan model solid (Gambar 1).
a) b) Gambar 1. Permukaan parametrik (a), dan model solid primitif (b) Setelah pemodelan geometri 3D dengan sistem-CAD selesai, maka model produk tersebut ditransfer ke sistem-CAM (Computer Aided Manufacturing). Dengan menggunakan sistem-CAM ini kemudian dilakukan pembuatan trajektori/lintasan yang akan dilalui pahat (tool path generation) diatas model 3D (yang di dapat dari sistem-CAD). Lintasan pahat di dalam sistem-CAM ini nantinya digunakan sebagai lintasan pahat pada proses pemesinan sesungguhnya di mesin NC. Sistem-CAM yang ada pada saat ini, sayangnya memiliki tiga masalah utama yaitu : 1. kehandalan dalam transfer data geometri antara sistem-CAD dengan sistem-CAM 2. kehandalan dalam pembuatan lintasan pahat (tool path generation) khususnya dalam menangani gouging/interferensi 3. kehandalan optimasi proses pemesinan
Ketiga hal tersebut diatas dapat di pecahkan dengan menggunakan model faset 3D sebagai basis pembuatan lintasan pahat. Model faset 3D merepresentasikan permukaan model produk parametrik/solid dengan serangkaian segitiga. Pemakaian model faset (faceted model) sebagai basis pembuatan lintasan pahat (tool path generation) 5-axis telah dikembangkan didalam penelitian pengembangan dan pembuatan sistem-CAM berbasis model faset 3D di Laboratorium Teknologi Manufaktur – Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia. Pada makalah ini dikemukakan mengenai salah satu metode verifikasi dan simulasi untuk mengetahui kemungkinan terjadinya interferensi antara model-pahat dengan model bendakerja. Sistem CAM Berbasis Model Faset 3D Pada fase pertama, sistem CAM membaca model CAD. Kemudian dilakukan proses triangulasi untuk mendapatkan model-faset. Dengan menggunakan data model faset (segitiga), pembuatan lintasan pahat dapat dilakukan yang diikuti dengan pendeteksian dan penghilangan gouging atau collision. Jika lintasan pahat sudah berada dalam keadaan bebas gouging/collision, Cutter Location Point (CL-point) dapat dibuat.
SISTEM-CAM MMI (Man-Machine Interface)
SIMULATION
- Simulasi lintasan pahat - Simulasi pergerakan pahat pada model faset - ...
KERNEL DATABASE
TOOL PATH PLANNING - Pengenal region permukaan model faset - Pemilih strategi pemesinan frais/milling : > Pemesinan 3-axis, 5-axis > Pola pemesinan > Segmentasi area dan arah pemesinan > ....
- Deskripsi model faset - Deskripsi model pahat - Deskripsi strategi pemesinan - Deskripsi lintasan pahat - Deskripsi proses pemesinan - Deskripsi interface - ...
TRIANGULATION - Pendeteksi & pemisah model - Pendeteksi kurvatur - Pendeteksi batas model - Pembuat triangulasi - ...
TOOL PATH GENERATION - Pembuat lintasan pahat pemesinan kasar dan akhir untuk 3-axis dan 5-axis - Pendeteksi dan penghilang interferensi model pahat dan model faset - Optimasi orientasi pahat - ...
Gambar 2. Mekanisme dan Arsitektur Sistem CAM yang sedang dikembangkan Sebagaimana gambar diatas, ada 4 modul, kernel (database), dan GUI (MMI) yang dikembangkan dalam sistem-CAM ini. Empat model tersebut adalah : 1. Modul simulasi
2. Modul perencanaan lintasan pahat 3. Modul pembuatan lintasan pahat 4. Modul triangulasi. Karena model faset merupakan rangkaian segitiga, maka interferensi antara model pahat dengan model faset sama artinya dengan interferensi antara model-pahat dengan segitiga. Sehingga cukup diperiksa segitiga mana saja yang memungkinkan terjadinya interferensi/gouging dan bagaimana menghilangkan interferensi dengan segitiga tersebut. Secara garis-besar algoritma sistem-CAM berbasis model faset yang dikembangkan dimulai dengan pembuatan titik kontak pahat (cutter contact points = cc-points) yang dijadikan sebagai posisi awal pahat (initial tool posisition). CC-point dibuat dengan melakukan perpotongan antara model faset dengan serangkaian bidang vertikal (cutting plane) yang saling paralel (Gambar 3). Titik potong yang dihasillkan digunakan sebagai cc-points antara pahat dengan model faset. Untuk keperluan penghitungan dan pengaturan orientasi pahat, pada setiap cc-point terdapat sebuah Sistem Koordinat Lokal (Local Coordinate System - LCS) virtual.
Gambar 3: Pembuatan lintasan pahat diatas model faset 3D Setelah didapatnya lintasan pahat, yang dibuat berbasiskan rangkaian cc-point, hal yang harus dilakukan kemudian adalah mengecek kemungkinan interferensi antara model pahat dengan model faset. Pada praktek pemesinan sesungguhnya, interferensi ini mengakibatkan terpotongnya material bendakerja melebihi yang telah dispesifikasikan atau yang biasa disebut gouging. Masalah ini harus dipecahkan sehingga setiap pergerakan pahat pada lintasannya tidak terjadi interferensi dengan model-faset. Sistem, Data dan Informasi yang Diperlukan Secara garis besar, informasi dan data yang harus diketahui dan disimpan adalah antara lain index segitiga, index vertex, lokasi vertex pada bidang xyz, cc-point, vektor normal cc-point, serta panjang dan radius pahat. Besarnya data yang diproses bergantung pada besarnya ukuran model faset. Semakin akurat model-faset terhadap model-CAD-nya, semakin kecil segitiga, sehingga besar pula jumlah faset (segitiga) yang berakibat data semakin besar dan proses yang harus dikerjakan semakin rumit. Pengembangan sistem-CAM ini menggunakan Java karena Java memiliki beberapa keuntungan yang dapat dimanfaatkan sehingga mempermudah pekerjaan, antara lain selain mendukung pemrograman berorientasi objek, Java juga mendukung multiplatform. Di sistem operasi mana pun program dibuka, asalkan sudah memiliki JRE (java runtime environment), program dapat dijalankan tanpa masalah, “write once run anywhere”. Untuk keperluan rendering bagi visualisasi model dan simulasi, digunakan VTK (Visualization Tool Kit) karena sistem yang sudah cukup handal dan bersifat open source. VTK dibuat menggunakan bahasa C++, tapi dapat digunakan oleh bahasa lain seperti TCL atau Java. VTK juga menyediakan class yang dapat menghubungkan Java dan C++ yang disebut Java Native Interface (JNI), sehingga tidak perlu dibuat class yang sama lagi.
Pemeriksaan Interferensi Model Pahat dan Model Faset Model pahat yang digunakan dalam sistem ini terbagi menjadi dua tipe, yaitu tipe flat-end, dan tipe ball-end. Area interferensi berbeda pada kedua tipe ini, sehingga perhitungan area gouging untuk segitiga pun berbeda. Pada makalah ini hanya akan diperlihatkan penggambaran titik-singgung dari interferensi antara pahat ball-end dengan segitiga. 1. muka-pahat (tool bottom) interferensi terhadap vertex dari segitiga (Gambar 4a.) 2. muka-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (Gambar 4b.) 3. muka-pahat interferensi terhadap bidang (face) dari segitiga (Gambar 4c.) 4. sis-pahat (peripheral) interferensi terhadap vertex dari segitiga (Gambar 4d.) 5. sisi-pahat interferensi terhadap sisi (edge) segitiga (Gambar 4e.) u
u
u
NL
NL
NL
G G
TL G
I P
H I=titik singgung pada VERTEX dari segitiga
TL
T
I
H
FL
C
T=titik singgung pada SISI dari segitiga
TL
T
I
P
H
cc-point
cc-point
a)
b)
c) u
u
NL
NL
G
FL
C pada muka Bidang segitiga
C
cc-point
P
FL T=titik singgung
G I T
I
TL
TL
H
H
P
P
FL
C I=titik Singgung pada VERTEX dari segitiga cc-point
FL
C T=Titik Singgung pada SISI pada segitiga cc-point
d) e) Gambar 4. Titik singgung dari berbagai interferensi antara model pahat (ball-end) dengan segitiga Untuk mempermudah proses pendeteksian atau identifikasi interferensi (gouging) antara model pahat dan segitiga maka digunakan sistem bucketing atau kotak lokalisai segitiga. Bucket tidak digunakan dan ditampilkan secara fisik dalam sistem, tapi hanya digunakan secara virtual untuk mengelompokkan segitiga berdasarkan lokasinya sehingga mengidentifikasi segitiga berdasarkan letak/lokasinya menjadi lebih mudah. Pembagian bucket dibuat berdasarkan suatu bidang proyeksi model pahat, mis : bidang-xy. Kemudian model faset diproyeksikan pada bidang xy. Kemudian, setiap segitiga yang bersesuaian dengan posisi-xy bucket akan dimasukkan ke dalam bucket tersebut. Sehingga bucket akan memiliki informasi berupa index segitiga-segitiga yang berada di dalamnya (Gambar 5). Dengan adanya bucket ini, proses pengecekan gouging antara pahat dan segitiga dapat dilakukan dengan lebih cepat, karena tidak perlu memeriksa semua segitiga yang berada di model faset. Cukup dengan memeriksa bucket yang terkena proyeksi dari pahat, kemudian cek segitiga yang menjadi anggota dari bucket tersebut. Setelah itu dilakukan penghilangan terhadap interferensi yang terjadi.
a) b) Gambar 5. a) Proyeksi model faset kebidang proyeksi xy, b) segitiga dalam bucket (kotak lokalisasi)
Vektor proyeksi pahat
NL β
u
Bidang potong
Cc-curve
Model Faset
R
α
P C
Area Interferensi Bidang Proyeksi
Area Kemungkinan Interferensi
FL
Model Faset
Area kemungkinan interferensi
a)
b)
Gambar 6. Proyeksi pahat pada bidang proyeksi untuk menentukan segitiga yang terkena interferensi Bucket yang berpotongan dengan proyeksi pahat
Proyeksi pahat yang diperluas
Gambar 7. Detail dari bucket yang terkena proyeksi pahat pada bidang proyeksi
Simulasi Pergerakan Bucket Segitiga Langkah yang harus dilakukan dalam menentukan bucket yang terkena proyeksi model pahat pada bidang proyeksi adalah sebagai berikut, 1. Menghitung sudut normal vector pada setiap cc-point pada bidang :
x2 = ∆x + x1 y 2 = ∆y + y1 z 2 = ∆z + z1 Perubahan atau delta dari x,y, dan z dapat dihitung menggunakan formula berikut,
∆x = h * cos α * cos Θ ∆y = h * cos α * sin Θ ∆z = h * sin α
2. Menentukan titik-titik penting proyeksi. Berdasarkan analisis yang telah dilakukan, terdapat 6 titik penting sesuai dengan gambar berikut :
3. Ke-6 titik tersebut kemudian dihitung koordinatnya berdasarkan persamaan berikut dimana x0,y0, dan z0, adalah titik cc-point pahat. Informasi lain yang diperlukan adalah tinggi pahat adalah h dan radiusnya r.
x1 = x 0 + r * cos( Θ + 90) y1 = y 0 + r * sin( Θ + 90) x3 = x1 + h * cos α * cos Θ y 3 = y1 + h * cos α * cos Θ x5 = x 2 + 2 * r * cos(α + 90) * cos Θ y 5 = y 2 + 2 * r * cos(α + 90) * sin Θ
x 2 = x 0 + r * cos( Θ − 90) y 2 = y 0 + r * sin( Θ − 90) x 4 = x 2 + h * cos α * cos Θ y 4 = y 2 + h * cos α * cos Θ x 6 = x1 + 2 * r * cos(α + 90) * cos Θ y 6 = y1 + 2 * r * cos(α + 90) * sin Θ
Dari titik-titik penting tersebut, semua bucket yang tertutup proyeksi model pahat dapat diperoleh. Setelah mendapatkan bucket-bucket yang memungkinkan terjadi interferensi dengan model pahat di setiap cc-point, maka proses simulasi bucket yang terkena proyeksi model pahat dapat
dilakukan untuk menentukan segitiga-segitiga yang terkena interferensi bila memang terjadi. Simulasi pergerakan segitiga dari bucket dilakukan berdasarkan pergerakan model pahat untuk setiap cc-point yang diidentifikasi dengan memberikan warna terhadap segitiga dari setiap bucket yang terkena proyeksi model-pahat dalam setiap pergerakannya seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 8. Segitiga yang diwarnai berjalan pada bidang sesuai dengan lintasan model pahat Kesimpulan Makalah ini mempresentasikan metode simulasi dalam identifikasi kemungkinan interferensi antara model pahat dan model faset dengan menggunakan lokalisasi segitiga kedalam bucket. Hasil simulasi secara efektif dapat melihat dan memperhitungkan segitiga-segitiga dari bucket-bucket mana yang harus dicek terhadap kemungkinan terjadinya interferensi dengan model pahat. Ucapan Terimakasih Terimakasih kepada Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republika Indonesia yang telah membiayai penelitian ini melalui dana Riset Unggulan Terpadu XII 2005-2007. Daftar Acuan Austin S. P., Jerard R. B., Drysdale R. L., Comparison of discretization agorithms for NURBS surfaces with application to numerically controlled machining, Computer Aided Design, vol. 29, no. 1, pp. 71-83, 1996.
G. Kiswanto, ''The Development of Advanced CAM-system", Proceeding Viable Manufacturing System, 2004. G. Kiswanto, "Pengembangan metode pengaturan orientasi pahat yang optimum secara dinamik berdasarkan kurvatur pada pembuatan lintasan pahat pemesinan milling 5-axis simultan berbasis model faset 3D", Proceeding SNTTM IV (Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin IV), 2004. G. Kiswanto, "Identifikasi jenis gouging pada pembuatan lintasan pahat pemesinan end milling dan peripheral milling multi-axis berbasis model faset 3D", Proceeding SNTTM IV (Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin IV), 2004. G. Kiswanto, "Pengaruh orientasi pahat terhadap lebar permukaan kontak pemesinan pada pemesinan milling multi-axis permukaan berkontur", 2nd National Conference on Progress in Research and Technology in Industri, MBF-2, 2006, You C. -F., Chu C. -H., Tool-path verification in five-axis machining of sculptured surfaces, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 13, pp. 248-255, 1997.
Wang Y. M., Tang X. S., Five-axis NC machining of sculptured surfaces, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 15, pp. 7-14, 1999.
