Tugas Akhir TM1486
Analisa Konstruksi Dan Kontrol Pada Perancangan Mesin Hot Press Berbasis PLC Dengan Sistem Pneumatik Nur Nugroho Irianto S. 2105.100.031
Pembimbing: Ir. Sampurno, MT
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Mei 2010
LATAR BELAKANG Industri
Proses Produksi
Mesin Hot Press
PERUMUSAN MASALAH Perumusan masalah yang digunakan untuk permasalahan ini adalah Bagaimana merancang mesin hotpress berbasis PLC yang dapat menghasilkan produk berupa topi tiruan? Karena topi tiruan dengan bahan baku kain membutuhkan panas untuk membentuk tekstur sesuai dengan cetakannya dan memerlukan waktu penahanan pada proses penekanan. Perencanaan ini meliputi konstruksi dan analisa control mesin sehingga mendapatkan desain mesin yang dengan mudah pengoperasiannya atau secara otomatis cara penggunaannya.
TUJUA N ¾ Merancang hot press dengan basis PLC yang sederhana. ¾ Menganalisa konstruksi mesin hot press yang dapat menghasilkan produk dengan kualitas yang baik. ¾ Menganalisa sistem kontrol mesin hot press berbasis PLC agar berjalan dengan baik.
MANFAAT PERENCANAAN ¾ Dapat memberikan kesempatan kepada industri kecil agar mengurangi ketergantungan dari produk luar negeri. ¾ Dapat menghasilkan produk yang mempunyai kualitas sama baiknya dengan produk luar negeri. ¾ Dapat menekan biaya produksi seminimal mungkin karena komponen – komponen pendukungnya lebih sedikit daripada control relay. ¾ Memberikan alternative pada pasar selain produk yang di import. ¾ Sebagai studi perbandingan di kalangan industri manufaktur. ¾ Konstruksi mesin yang kuat dan tahan lama membuat mesin akan bisa bertahan lama sehingga fungsi dan kegunaannya bisa dirubah sewaktu – waktu. ¾ Sistem control yang mudah dilakukan dan perawatannya yang mudah.
BATASAN MASALAH ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Aspek finansial tidak terlalu signifikan. Proses pengelasan tidak terlalu signifikan. Proses pemesinan tidak terlalu signifikan. Desain cetakan topi sudah ideal atau permukaan cetakan sudah rata. Perlakuan heater pada mesin hot press sama. Simulasi software hanya mencari nilai tegangan kritis pada konstruksi. Perhitungan manual hanya mengambil contoh satu benda kerja. Material untuk mesin hot press bersifat homogen. Kestabilan sistem kontrol menggunakan software dan jenis komponen kontrol tidak terlalu signifikan. Temperatur didalam ruangan diasumsikan konstan. Tekanan udara untuk pengoperasian mesin hot press diasumsikan konstan. Tegangan listrik diasumsikan stabil.
2 3
Tinjauan Pustaka
Bab 3
Perancangan yang mengangkat tentang pembuatan dan kegunaan mesin hot press: ¾J. Zhao, P. Glendenning, G. Chen, Y. K. Juay and M. S. Yong dengan judul mengurangi dampak proses pada kualitas mesin hot press terhadap perangkat koneksi polimer serta mengembangkan perangkat yang tidak menghalang sambungan listrik antara chip dan konduktif foil. ¾Budi Widya Septiawan dengan judul Penerapan kontrol relay yang digunakan pada mesin emboss dengan bentuk cetakan daun tiruan. ¾Ahmad Hanif dengan judul penerapan PLC pada sistem kendali mesin konveyor. ¾Mohammad Alimashut dengan judul rancang bangun sistem kendali seleksi dimensi barang menggunakan PLC.
MESIN HOT PRESS Mesin hot press merupakan mesin yang memproses pembentukan kain berupa alur–alur yang disiapkan pada matras pada mesin, dengan adanya tegangan dan tekanan yang terjadi pada posisi yang ditentukan maka akan terjadi suatu bentuk topi tiruan yang mengalami proses hot press. Tekanan yang diberikan juga diberikan pemanasan pada cetakan sehingga dapat membentuk alur–alur yang diinginkan.
KOMPONEN KOMPONEN PENDUKUNGNYA:
Limit Switch
Pressure regulator
PLC
Timer
RTD
Actuator pneumatik
Kompresor udara
PLC PLC disebut juga programmable controller yaitu sebuah sistem kontrol elektronik yang bisa diprogram untuk membaca satu atau banyak masukkan data yang kemudian mengeluarkan data ke alamat – alamat yang sesuai secara terus menerus.
Sensor
Resistance Temperatur Detector ( RTD )
Limit Switch
Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia
Salah satu jenis sensor yang bersifat diskrit ialah limit switch. Umumnya limit switch digunakan untuk mengetahui ada tidaknya suatu obyek di lokasi tertentu. Limit switch akan aktif jika mendapatkan sentuhan atau tekanan dari suatu benda fisik. Atau limit switch merupakan sensor mekanik dimana cara mengaktifkannya dengan kontak langsung dari benda kerja pada tuas yang dimiliki oleh limit switch. Switch digunakan untuk mengetahui posisi dari sebuah batasan yang berhubungan dengan piston, silinder, rotor, pergerakan tempat mesin dan lain – lain agar peralatan tersebut dapat terkontrol secara otomatis. Switch jenis ini disebut sebagai switch pembatas (limit switch).
RTD adalah suatu alat deteksi yang didasarkan atas prinsip hubungan antara tahanan dan temperatur. Logam yang dipakai adalah platina (yang mempunyai sifat linier, sangat mahal, umum dipakai), nikel (range temperatur lebih rendah, lebih murah, non linier), nickel alloys (range temperatur lebih rendah, lebih murah), tembaga (range temperatur lebih rendah).
Karakteristik RTD
KLIK
Koefisien resistansi
Konstruksi
Kepekaan
Signal conditioning
Setiap metal mempunyai koefisien resistansi spesifik yang bervariasi terhadap temperatur dan ditentukan secara eksperimental
Kepekaan dari RTD dapat dilihat dari besarnya harga α0 yaitu perubahan fraksi linier pada tahanan dan temperature. Untuk bahan platinum α0 = 0,004 /0C. sedangkan bahan nikel α0 = 0,005 /0C, jika perubahan tahanan akan menimbulkan 100 RTD jika temperaturnya berubah 10C
RTD sangat sederhana dimana rangkaiannya terdiri dari kawat yang panjang dan tahanannya dimonitori sebagai fungsi dari temperatur. Kawatnya digulung dalam bentuk coil untuk memperkecil ukurannya, menaikkan thermal konduktivitasnya sehingga dapat menurunkan responnya
Dengan adanya perubahan fraksi (α0 ) yang relative kecil maka RTD dipakai pada rangkaian jembatan (bridge circuit) dengan kondisi yang sangat akurat dalam mendeteksinya. Untuk aplikasi proses kontrolnya jembatan tersebut membutuhkan sifat membuat null sendiri (self null), output dari rangkaian nulling yang merupakan controller output adalah 4 – 20 mA atau 10 – 50 Ma
GAYA DAN TEGANGAN Tegangan (σ) adalah gaya per satuan luas
Gaya ( F )
Bending
Tegangan terjadi karena adanya gaya – gaya yang terjadi seperti gaya tarik, gaya tekan dan gaya geser. Berikut rumusan tegangan yang disebabkan dari gaya – gaya tersebut. |
Tegangan tarik
|
Tegangan tekan
|
Tegangan geser
Bending merupakan proses mengubah bentuk lurus menjadi melengkung. Pada proses bending bagian dalam lengkungan terjadi tegangan kompresi sedangkan bagian luar lengkungan terjadi tegangan tarik | Persamaan yang digunakan untuk menghitung besarnya gaya pada proses bending adalah |
Gambar
B Freaksi A
γ
C
M = F.L
Faksi L
Freaksi A M
Tegangan juga dapat terjadi karena momen yang terjadi pada benda dibawah ini merupakan rumus tegangan akibat momen.
MESIN HOT PRESS Proses hot press merupakan proses pembentukan kain berupa alur – alur yang disiapkan pada matras pada mesin, dengan adanya tegangan dan tekanan yang terjadi pada posisi yang ditentukan maka akan terjadi suatu bentuk topi tiruan yang mengalami proses hot press.
ANALISA KESTABILAN Suatu sistem yang stabil dapat didefinisikan sebagai sistem yang memiliki respon sistem yang terbatas. Dengan maksud, jika suatu sistem diberikan suatu input atau gangguan dengan besaran terbatas, maka respon dari sistem tersebut dibatasi pada besaran tertentu maka sistem tersebut bisa dikatakan stabil. Nyquist
Root Locus
Bode Plot
Routh – Hurwitz
KRITERIA STABILITAS ROUTH – HURWITZ Kriteria stability yang ditemukan oleh E.J.Routh dan A.Hurwithz merupakan kriteria yang penting dan handal diterapkan dalam analisa stabilitas suatu sistem linier. Kriteria Routh-Hurwitz didasarkan pada pengurutan koefisien persamaan karakteristik suatu sistem transfer function G(s) = p(s)/q(s) dengan persamaan karakteristik (Ogata, 2002).
Diikuti suatu syarat: | Jika koefisien ai dari q(s) adalah nol atau negatif, maka tidak semua akar – akar terletak pada s-plane disebelah kiri. | Jika tidak, maka haruslah menggunakan kriteria Routh – Hurwitz yang diawali menyusun Routh Array. Dimana :
klik
.
Algoritma dalam menentukan bilangan yang dimasukkan dalam array dapat dilakukan dengan mengikuti algoritma yang digunakan dalam menentukan bilangan. Kriteria ini menyatakan bahwa akar banyaknya akar positif persamaan karakteristik q(s) sama dengan terjadinya perubahan tanda pada kolom pertama array yang ada.
BODE PLOT Suatu transfer functiondari suatu sistem G(s) dapat dituliskan dengan dua cara yaitu sebagai berikut : 1. Dalam suatu frekwensi domain melalui hubungan: Dimana : 2. Dalam suatu besaran dan sudut fase (jw) dengan bentuk : Dimana : Bode plot mempunyai fungsi untuk menyederhanakan gambaran grafis suatu frekwensi response dengan ω bervariasi dimana persamaan logaritmik gain yang didefinisikan sebagai berikut : Sedangkan
PRINSIP DASAR PERPINDAHAN PANAS Perpindahan panas didefinisikan sebagai proses berpindahnya energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu dimana arah perpindahan terjadi dari benda yang mempunyai temperatur tinggi ke benda yang mempunyai temperatur lebih rendah. Secara umum mkanisme perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi, perbedaan skematis proses perpindahan panas tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini :
KONDUKSI Konduksi adalah proses perpindahan panas dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu media (padat, cair dan gas) atau beberapa media berlainan yang bersinggungan secara langsung dan tidak ada gerak relatif antara kedua media tersebut.
SISTEM PNEUMATIK
| | | | | | |
Sistem pneumatik terdiri dari peralatan dan perlengkapan yang menghasilkan, mengontrol dan menghantarkan udara bertekanan. Konstruksi dasar silinder pneumatik terdiri dari beberapa bagian, antara lain : Tabung pneumatik Saluran masuk Saluran keluar Batang Piston Seal Bearing Piston
TABUNG PNEUMATIK Tabung silinder merupakan dinding silinder dan piston meluncur pada permukaan dalam dinding. Diameter silinder adalah dasar untuk tenaga output nominal silinder dan luas permukaan yang menerima tekanan. Besarnya gaya dorong silinder dapat dihitung dengan rumus : Sedangkan besarnya gaya tarik silinder dapat dihitung dengan rumus :
Dimana : F = gaya tolak efektif (kgf) P = tekanan kerja (kgf/mm2 atau bar) D = diameter piston (cm) d = diameter batang piston (cm) gaya gesek (diambil 0,5-0,7) Banyaknya pemakaian udara permenit Sedangkan perbandingan kompresinya dapat diketahui dari rumus dibawah ini Dimana : n = jumlah langkah permenit h = panjang langkah (cm)
SOLENIOD Soleniod merupakan akuator elektrik yang banyak digunakan untuk mengatur buka tutup dari valve pengontrol arah pada pneumatik. Cara kerja solenoid dengan membuat daerah magnetik, yang dihasilkan dengan mengalirkan arus listrik pada koil sehingga inti solenoid akan tertarik. Apabila arus pada koil dihilangkan inti solenoid akan kembali pada posisi semula karena adanya pegas yang menariknya.
Metodologi Percobaan
Diagram alir
analisa
Metodologi perencanaan bertujuan untuk memberikan gambaran umum proses menganalisa yang dilakukan, dimana terbagi dalam beberapa bagian langkah – langkah perencanaan yang dilakukan adalah sebagai berikut: |
| | | | | |
Studi literatur yang meliputi konsep dasar kontrol PLC, konsep dasar kontrol Mesin Hot Press, karakter Mesin Hot press. Tahap pengumpulan data. Desain spesifikasi sistem kontrol. Desain Mesin Hot press. Perencanaan cara kerja mesin hot press topi tiruan dengan PLC. Analisa desain dan sistem konrol mesin hot press topi tiruan dengan PLC. Merancang Mesin Hot Press dengan basis PLC.
Tugas akhir ini merupakan studi perencanaan mesin hot press berbasis PLC dimana mesin hot press yang umumnya digunakan sebagai alat untuk mengepress bahan kain jenis tertentu dan bisa juga digunakan untuk mengepress benda – benda yang lain. Penggunaan PLC pada perencanaan ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh waktu terhadap hambatan yang terjadi sampai mendapatkan temperatur yang diukur.
1. 2.
Pada pembuatan rancangan mesin Hot press berbasis PLC dengan sistem pneumatic mengguankan 4 (empat) tahap: Tahap pengumpulan data Tahap Perancangan Mesin Hot Press Topi Tiruan
Tahap pengumpulan data
Tahap Perancangan Mesin Hot Press Topi Tiruan
TAHAP PENGUMPULAN DATA Pada tahap pengumpulan data diperlukan data – data seperti berikut : | Spesifikasi produk topi tiruan import. | Studi literature tentang bahan topi tiruan. | Studi literature proses hot press.
TAHAP PERANCANGAN MESIN HOT PRESS TOPI TIRUAN Rancangan mesin hot press berguna untuk mendapatkan gambaran awal yang dapat digunakan dalam merangkai sistem kontrol mesin hot press berbasis PLC. Dalam tahap ini akan dijelaskan tentang langkah – langkah kerja mesin hot press dan digambarkan diagram alir urutan proses kerja mesin hot press berbasis PLC. Berikut adalah cara kerja atau langkah – langkah proses kerja dari mesin hot press: Proses kerja dari mesin hot press
Pressure Regulator Silinder Pneumatik
Saklar On/off
Lampu On/Off
Timer
Saklar Temperatur Kontrol
Temperatur Kontrol Lampu Temperatur Kontrol
Saklar Otomatis
Limit Switch
Timer Otomatis
Unit Kontrol
Mesin Hotpress Tombol Aktuator
Kompressor
MANUAL
OTOMATIS
|
Menyalakan computer untuk setting PLC serta meng-upload program kerja ke dalam PLC.
|
Setelah melalui setting di PLC, computer dapat di matikan.
|
Menghidupkan saklar listrik mesin ke kondisi ON sehingga lampu warna hijau akan menyala yang terletak di kotak kontrol.
|
Melakukan pengaturan di temperature controller.
|
Menghidupkan saklar heater di kondisi ON sehingga heater akan memanaskan cetakan sampai temperatur mencapai set point.
|
Menekan kontak untuk menjalankan silinder pneumatic sehingga otomatis PLC berjalan dan menggerakkan silinder pneumatic untuk memberikan tekanan pada cetakan terus secara berulang – ulang yang ditunjukkan oleh indikator lampu berwarna merah.
|
Pada saat silinder pneumatic turun akan mengaktifkan timer yang ada di PLC sehingga akan menghitung waktu penahanan sesuai dengan set point, setelah waktu penahanan selesai maka silinder pneumatic naik yang akan mengaktifkan timer untuk waktu menunggu sebelum proses berikutnya.
|
Proses ini akan terus berlangsung jika tetap menekan kontak untuk menjalankan silinder pneumatic, jika proses sudah selesai maka tahap berikutnya mematikan heater dan mematikan timer yang selanjutnya mematikan saklar listrik yang semua panel tersebut terletak di kotak kontrol.
DIAGRAM ALIR ANALISA KONTRUKSI DAN KONTROL PADA MESIN HOT PRESS
analisa
ANALISA KONSTRUKSI DAN SISTEM KONTROL MESIN HOT PRESS Pada tahap – tahap ini dilakukan analisa pada desain mesin hot press dan cara kerja mesin hot press Analisa Konstruksi Mesin Hot Press Analisa Sistem Kontrol Mesin Hot Press
ANALISA KONSTRUKSI MESIN HOT PRESS
1.
2.
Pada tahap berikut ini dilakukan pemilihan material untuk membuat rangka mesin hot press. Dalam menganalisa desain di gunakan bantuan software ANSYS 11 yang dimana proses pengoperasiannya di bagi menjadi dua tahap yaitu : Membuat model 3 dimensi untuk tiap komponen – komponennya Merakit komponen menjadi satu dari pembuatan Part Design
ANALISA SISTEM KONTROL MESIN HOT PRESS Sistem kontrol yang berada di mesin hot press, yang hanya meliputi analisa terhadap kestabilan sistem kontrol. menggunakan bantuan MATLAB. Dengan software MATLAB dapat membantu menganalisa sistem kontrol dengan memberikan batasan – batasan yang diperlukan
Perencanaan dan Analisa
PERENCANAAN KONSTRUKSI MESIN HOT PRESS BERBASIS PLC Bahan baku yang dipakai dalam mesin ini berupa kain polyster. Spesifikasi bahan yang dipakai mempunyai melting temperature sebesar 158–163 0C. Untuk membentuk profil topi tiruan diperlukan beberapa perlakuan yaitu: | Pemberian panas pada topi tiruan | Pemberian tekanan pada topi tiruan
>
Pemberian Panas dan Tekanan Pada Topi Tiruan Pemberian panas ini dimaksudkan agar profil yang akan dibentuk tidak akan kembali setelah proses hot press selesai dilakukan. Agar seluruh produk mendapatkan panas yang sama maka pada saat melakukan proses hot press dilakukan penahanan pada cetakan selama beberapa saat dengan meting temperatur sekitar 158 – 163 0C. Pemberian tekanan dimaksudkan agar kain yang di press dapat melakukan pemberian panas yang tidak boleh melebihi dari batas temperatur untuk bahan polyester.
HEATER Untuk menghasilkan panas maka dibutuhkan heater. Heater dipasang dibagian bawah masing – masing cetakan sehingga panas dapat diterima oleh produk dari bagian atas dan bawah cetakan. Pada perancangan ini heater yang dipakai mempunyai daya sebesar 350 watt, dengan daya tersebut diharapkan dapat memanaskan cetakan dengan cepat sehingga diharapkan akan menghasilkan produk dengan kualitas yang baik. Konduktivitas panas aluminium (k) 200 W/m.k
>
Untuk mendapatkan temperatur pada bahan aluminium: 350 W = - 200 W/m.C x 0,010608 m (T2 – T1) / 0,004 m (T2 – T1) = - 0,659 0C T2 = T1 – 0,659 0C Untuk mendapatkan temperatur pada material kuningan: 350 W = - 129 W/m.C x 0,007222 m (T3 – T2) / 0,021 m (T3 – T2) = - 7,889 0C T3 = T1 – 7,889 0C Dengan rumus yang sama didapatkan temperatur pada cetakan atas di bahan kuningan sebesar T3 = T1 – 7,889 dan temperatur pada cetakan atas dengan bahan aluminium sebesar T2 = T1 – 0,659. Hal ini disebabkan karena ada panas yang terbuang ke lingkungan.
SILINDER PNEUMATIK Untuk memberikan penekanan maka dibutuhkan silinder pneumatik yang dapat bergerak naik turun untuk memberikan tekanan pada produk sehingga profil topi tiruan dapat berbentuk.
>
PEMILIHAN SILINDER DIDASARI ATAS PERTIMBANGAN Beban yang digerakkan relatif ringan sehingga tidak dibutuhkan perangkat yang dapat mengangkat beban berat seperti pneumatik hidrolik. | Jika terjadi kebocoran fluida kerja silinder pneumatik tidak membuat lingkungan menjadi kotor karena fluida kerjanya berupa udara, sedangka silinder hidrolik akan menyebabkan kotor di lingkungan karena kerja silinder berupa fluida cair (olie). |
KOMPONEN SILINDER PNEUMATIK YANG AKAN DIPASANG ANTARA LAIN : Filter udara | Katup kontrol tekanan | Pelumas udara | Kontrol katup pengarah | Katup pengontrol aliran |
SYARAT – SYARAT YANG DIBUTUHKAN DALAM MENENTUKAN BESARNYA SILINDER PNEUMATIC: Beban tarik minimal (F2) : 4 kg ~ 39,2 N | Tekanan operasi minimal : 2 kgf/cm2 ~ 200 Kpa ~ 2 bar | Panjang langkah (h) : 12 cm | Jumlah langkah permenit : 5 langkah | Koefisien gesek (μ) : 0,5 (Buku petunjuk teknik Tenaga Fluida Pneumatik, The Hydro Pneumatic Technical Centre) |
>
• •
F2
D
F1
P
P D
P
F2
P
F1
Dengan menggunakan rumus dari bab 2 untuk tabung pneumatic maka dapat mencari: 4 = 0,785 x (D2 – d2) x 2 x 0,5 D2 – d2 = 5,1 cm Dari perhitungan dengan batas minimum maka silinder pneumatic yang digunakan adalah Dsilinder = 2,5cm dan dpiston = 1,2cm tetapi jika menggunakan Dsilinder = 2,5cm maka tekanan operasi 2 bar tidak akan bisa mengangkat beban seberat 4 Kg. maka sebaiknya menggunakan Dsilinder = 3,2cm dan dpiston = 1,2cm yang telah ditentukan dari pasaran untuk jenis pneumatic-nya. Berikut perhitungan jika menggunakan Dsilinder = 3,2 cm. F1 = 0,785 x 3,22 x 2 x 0,5 F1 = 8 kg
Minimal 2 bar untuk mengangkat beban seberat 4 kg. Jika tekanan maksimal yang diberikan pada silinder pneumatic sebesar 10 bar maka F1 = 40 kg atau 394 N dan F2 = 34,5 kg atau 338,5 N. Q=
Q = {(12. 3,14/4. 3,22) + 12. 3,14/4. (3,22 – 1,22)}.5. 2,97 Q = 2,6 liter/menit
PERENCANAAN DESAIN MESIN HOT PRESS Guna memenuhi kebutuhan sesuai dengan cara kerja mesin Hot Press yang telah direncanakan, maka dibuat desain rangka mesin hot press yang dapat mendukung cara kerja mesin tersebut, dengan cara: | Pemilihan Material | Faktor Keamanan | Pemodelan Rangka Mesin Hot Press
Kriteria pemilihan material untuk rangka sebagai berikut: tersediannya bahan material di pasaran. | Material yang dipilih harus kuat untuk menahan beban pada pengoperasiannya. | Material harus mudah dimachining. | Material juga bukan penghantar panas yang baik dikarenakan dalam konstruksi terdapat sebuah heater yang bisa membuat seluruh konstruksi menjadi panas. |
TABLE PERBANDINGAN MATERIAL No
Material
Massa
Tensile
Konduktivitas
jenis
strength
panas
(kg/m3)
(N/mm2)
(W/m0C)
1
Mild steel
7850
420 – 510
55
2
Plat
2600
70 - 140
200
aluminium (Tabel lampiran dari CWCT cladding forum, www.cwct.co.uk)
FAKTOR KEAMANAN Penentuan besar keamanan disesuaikan dari beberapa pertimbangan antara lain material, proses pembuatan, tipe pembebanan, kondisi kerja dan bentuk komponen. factor – factor yang dipertimbangkan dalam penentuan factor keamanan, yaitu : | Ketahanan sifat material selama proses pembebanan. | Kehandalan pada saat menerima pembebanan. | Tingkat pembebanan. | Tingkat kurangnya umur komponen pada saat terjadi kegagalan. | Kerugian material pada saat terjadi kegagalan.
PEMODELAN RANGKA MESIN HOT PRESS Untuk membantu membuat model – model rangka dibutuhkan bantuan software Catia V5R18. Setiap komponen dirancang permodelannya kemudian bisa dirakit menjadi satu. Tahap membuat rangka dibagi menjadi dua yaitu : | Membuat model rangka dalam 3 dimensi. | Merakit semua model dalam satu komponen.
>
TAHAP MEMBUAT MODEL 3 DIMENSI Urutan – urutan dalam pembuatan model 3 dimensi untuk tiap – tiap model rangka mesin hot press yaitu: | Membuat sketsa gambar dalam bentuk 2 dimensi bisa dikerjakan manual ataupun dalam bentuk Autocad2008 | Membuat model gambar 3 dimensi dari sketsa gambar 2 dimensi.
TAHAP MERAKIT MODEL MENJADI SUATU KOMPONEN UTUH Berikut ini adalah langkah – langkah merakit semua model menjadi satu komponen: | Memasukkan model – model yang akan dirakit dan jumlah model minimum 2 unit untuk dapat proses perakitan komponen. | Memberikan kondisi batas pada model – model yang akan siap dirakit.
CONTOH PERHITUNGAN KEAMANAN Perhitungan Keamanan Material Terhadap Beban Yang Terjadi Dibagian Top Pneumatic Holder
Data bahan rangka Bahan = Plat mild steel Kekuatan luluh (Syp) = 36ksi ~ 252 N/mm2 ~ 25,7 kgf/mm2 Modulus elastisitas (E) = 207 KN/mm2 ~ 2,07.104 kgf/mm2 | Data baut Kekuatan luluh = 210 MPa ~ 21 kgf/mm2 = 210 N/mm2 Modulus elastisitas = 2,08.105 N/mm2 ~ 2,08.104 kgf/mm2 Diameter baut = 0,25 inci = 6,35 mm Kekuatan tarik = 120000 psi = 827,37 MPa = 827,37 N/mm2 Kekuatan lelah = 73,77 MPa = 73,77 N/mm2 | Bentuk dan dimensi rancangan mesin hot press ada pada lampiran | Asumsi gaya yang terjadi Gaya yang bekerja gaya dinamis Gaya luar yang terjadi = 9,9 kgf Gaya pengencangan awal = 2 kgf |
CONTOH ANALISA PERHITUNGAN TERJADINYA TEGANGAN Fpneumatik AR
I
III
II
MR X1 X2
X3 Wbalok WPneumatik
>
Diketahui: Wbalok = 0,29 Kg = 2,9 N Wpneumatik = 1,33 Kg = 13,3 N Fpneumatik = A . 9,9Kgf/cm2 = A . 97,02 N/cm2 = πr2 . 97,2 N/cm2 = 3,14 . (0,155 cm)2 . 97,02 N/cm2 = 731,9 N AR max= Fpneumatik - Wbalok - Wpneumatik = 731,9 N – 2,9 N – 13,3 N = 715,7 N |
∑M dititik A = 0 MR + (Wpneumatik – Fpneumatik) . AC + (Wbalok . AB) = 0 MR = (-Wpneumatik + Fpneumatik) . AC - (Wbalok . AB) MR = (- 13,3 N + 731,9 N). 43 mm - (2,9 N . 37,5 mm) MR = 30791,05 N.mm
POTONGAN I AR MR
ΣM di titik potong = 0 (cw + ) -Mx1 + MR - AR . X1 = 0 X1 = 0 Mx1 = MR - AR . X1 = 30791,05 N.mm - 715,7 N . 0 = 30791,05 N.mm X1 = 37,5 mm Mx1 = MR - AR . X1 = 30791,05 N.mm - 715,7 N . 37,5mm = 3952,3 N.mm
MX1
POTONGAN II:
AR MR A
B X1
ΣM di titik potong = 0 (cw +) -Mx2 + MR – AR . X2 – (Wbalok). (AC – AB) = 0 Wbalok Mx2 = MR - AR . X2 - (Wbalok) . (AC – AB) X2 = 37,5 mm Mx2 = MR - AR . X2 - (Wbalok) . (AC - AB) = 30791,05 N.mm - 715,7 N . 37,5 mm - (2,9 N). (43 mm – 37,5mm) = 3936,35 N.mm X2 = 43mm Mx2 = MR - AR . X2 - (Wbalok) . (AC - AB) = 30791,05 N.mm - 715,7 N . 43 mm - (2,9 N). (43 mm – 37,5mm) = 0 N.mm |
MX2
POTONGAN III
Mx3
∑M di titik potong = 0 (cw +) Mx2 = 0 N.mm
DIAGRAM MOMEN BIDANG TOP PNEUMATIK HOLDER
30791,05
3968,25 A
B
C
D
CONTOH PERHITUNGAN KEAMANAN PADA BAUT DI SAMBUNGAN TOP PNEUMATIK HOLDER Fpneumatik
AR
X3
X1 Wbalok
X2 Wpneumatik >
Gaya maksimum yang bekerja pada baut: ΣFv = 0 ( ↑ + ) Fpneumatik – ARmax – Wbalok – Wpneumatik = 0 731,9 N - ARmax - 2,9 N - 13,3 N = 0 ARmax = 731,9 N - 2,9 N - 13,3 N = 715,7 N |
Gaya minimum yang bekerja pada baut: ΣFv = 0 ( ↑ + ) -ARmin – Wbalok – Wpneumatik = 0 -ARmin - 2,9 N - 13,3 N = 0 ARmin = 2,9 N + 13,3 N = - 16,2 N |
Mencari gaya eksternal rata-rata: Arave =
Armax + Armin 715,7 N + (−16,2 N ) = = 349,75 N 2 2
Arr =
Armax − Armin 715,7 N − (−16,2 N ) = = 365,95 N 2 2
Daerah yang terkena tegangan tarik : 0,0318 in2 =20,516 mm2(table 16-1). 349,75 N N σ ave = = 17,048 2 20,516mm mm 2 Faktor konsentrasi tegangan: 3,8 x365,95 N N kσ r = = 67,78 2 20,516mm mm 2
HASIL GRAFIK SODENBERG Se
73,77 67,78
17,048
210
Syp
Dari hasil yang didapatkan, baut dengan ukuran Dbaut = 0,25 inchi sangat aman terhadap tegangan yang terjadi dikarenakan hasil perhitungan dan nilai koordinat perhitungan analisa fatique baut terletak didalam batas keamanan di garis arsiran
HASIL ANALISA MENURUT SOFTWARE ANSYS
Dengan diketahuinya tegangan dan bahan maka dapat diketahui aman tidaknya suatu material yang ditentukan dari keadaan maksimal dengan keadaan material sampai getas sehingga nilai safety factor-nya adalah 6, maka hasil perrbandingan kemanan yang terjadi adalah:
Sy σ e maksimum ≤ N 2,0479
N ≤ 2 mm
252.10 6
N mm 2
N
N 252.10 2 N mm 2,0479 ≤ 2 6 mm 6
N N 6 2,0479 ≤ 42.10 2 mm mm 2
ANALISA KONTROL PADA MESIN HOT PRESS BERBASIS PLC DENGAN SIMULINK MATLAB Pada mesin hot press pengontrolan temperatur disimulasikan dengan software Matlab7, dalam simulasi ini diasumsikan panas berpindah di satu arah dan sekitar cetakan yang diisolasi dan mengabaikan distrubance yang terjadi, sistem kontrol merupakan sistem linier.
Hasil simulasi adalah berupa grafik response dan kestabilan sistemnya
Grafik hasil simulasi yang didapat diatas mengalami osilasi (underdamp), tetapi setelah beberapa saat kemudian sistem akan stabil setelah set point tercapai. >
Tp atau peak time Peak time adalah waktu yang diperlukan untuk mencapai peak pertama dari overshoot.
Persen Overshoot (%OS) Persen overshoot adalah nilai puncak (peak) maksimum dari kurva respon yang diukur dari satu atau pengertian lainnya
Settling time atau Ts Settling time adalah waktu yang diperlukan untuk mencapai dan tetap di dalam sebuah range nilai akhir yang ditetapkan oleh persentase absolut dari nilai akhir (biasanya 5% atau 2%).
Rise time adalah waktu yang diperlukan untuk naik dari 10 – 90%, 5 – 55%, atau 0 – 100% dari nilai akhirnya. Untuk sistem underdamped : 0 – 100% Untuk sistem overdamped : 10 – 90%
Perlu diketahui bahwa rise time, settling time, dan peak time memberikan informasi mengenai kecepatan dan “kualitas" respon transien. Besaran – besaran ini dapat membantu perancang untuk mencapai kecepatan yang diinginkan tanpa osilasi atau overshoot yang berlebihan.
Analisa kestabilan dengan nyquist Diagram nyquist adalah diagram polar yang menyatakan kestabilan system dengan batasan tidak boleh mencakup nilai -1 dan sistem control tersebut bisa dinyatakan dalam kondisi yang stabil atau aman digunakan sistemnya.
sistem control yang terletak di mesin hot press ini dikatakan stabil bahwa diagram nyquist-nya tidak mencakup nilai -1.
>
Analisa kestabilan dengan metode routh hurwitch Kriteria kestabilan Routh–hurwitz merupakan kriteria kestabilan yang menyatakan kestabilan absolut suatu sistem kontrol. Dengan hasil transfer function sistem sebagai berikut:
Analisa kestabilan dengan metode routh hurwitch Vo ( s ) = Vi ( s )
39,2 0.00004 s 2 + 0.9320 s + 0,24131
Dapat juga dilihat dari akar-akar karakteristiknya yang didapatkan dengan bantuan software MATLAB.
Analisa kestabilan sistem dengan metode root locus Kriteria kestabilan menurut root locus adalah merupakan metode untuk menganalisis kestabilan suatu sistem terkendali. Jika sistem yang terjadi didalam mesin hot press ini termasuk sistem yang dikatakan sangat stabil dikarenakan kutub – kutubnya berada tepat didalam sumbu – sumbunya, berikut hasil dari analisa root locus:
>
Dapat juga dilihat dari akar – akar karakteristiknya yang didapatkan dengan bantuan software MATLAB. S1 = - 2,315486 S2 = - 0,000014 Dari kondisi akar – akar yang dihasilkan paling terkecil nilainya maka dapat disimpulkan bahwa akar – akar sistem berada pada sumbu – sumbu plane (ditunjukkan oleh besaran yang nilai terkecilnya negatif dari akar-akar tersebut) yang berarti semua sistem kontrol yang ada didalam kondisi sistem mesin hot press termasuk stabil absolut.
KESIMPULAN 1. Tabel Perbandingan material
No
1
2
Material
Mild steel Plat almunium
Massa
Machining
Tensile
Jenis
ability
strength
( kg/m3 )
Score 1 - 10
( N/mm2 )
7850
5
420 - 510
3
2600
3
70 - 140
7
Biaya / harga Score 1 – 10
2.Dengan beban maksimal sebesar 9,9kgf/cm2 yang dibebankan pada bagian top holder silinder pneumatik dan bagian bawah pneumatic holder didapatkan tegangan maksimum sebesar 2,0479 N/m2 yang terletak pada bagian bawah dari pneumatic holder, sedangkan tegangan minimum yang bekerja pada rangka yaitu 1,705.10-8 N/m2 terletak pada bagian standing support. Tegangan yang terjadi tersebut masih dibawah tegangan ijin material konstruksi mesin hot press. 3.Sistem kontrol pada mesin hot press mempunyai transfer funtion
Vo ( s ) Vi ( s )
=
39,2 0.00004s 2 + 0.09320s + 0,24131
Transfer function diatas dihasilkan dengan asumsi semua disturbance yang ada diabaikan.
4.Sistem kontrol dalam keadaan stabil absolut setelah dianalisa dengan kestabilan ROUTH HURWITZ ditunjukkan dengan akar – akar sistem berada pada sisi kiri S-plane (ditunjukkan oleh besaran yang nilainya negatif dari akar-akar tersebut) yang berarti sistem dalam kondisi stabil absolut. Akar-akar karakteristik dari tranfer function adalah - 2,3300 & 0,0000. 5.PLC yang digunakan dengan proses digital menghasilkan respon yang sangat baik sehingga untuk mencapai kestabilannya lebih cepat jika dibandingkan dengan control relay.
DAFTAR PUSTAKA ¾ Deutchman, Aaron D, Machine Design: Theory And Practice, Macmillan Publishing Co Inc., New York, 1975. ¾ Chao-Heng Chien, Hui-Min Yu, Fabrication Of Switches On Polymer-Based By Hot Embossing, Mechanical Engineering Department, Tatung University, Taipei, Taiwan, 2006. ¾ J. Zhao, P. Glendenning, G. Chen, Y. K. Juay and M. S. Yong, Development of Polymer Hot Embossing Process for Moulded Interconnect Devices, 2002. ¾ Widya Septiawan, Budi. Perancangan dan Analisa Mesin Emboss Kain Untuk Daun Tiruan Dengan Sistem Pneumatik, 2004. ¾ Hanif, ahmad. Penerapan PLC Sebagai Sistem Kendali Pada Mesin Konveyor. Universitas Negeri Semarang, Teknik Mesin. 2006. ¾ Wayan Berata, Diktat Elemen Mesin, Jurusan Teknik Mesin, FTI-ITS, Surabaya, 2002. ¾ Curtis Johnson, ”Process Control Instrumentation Technology”, 4th Edition, Prentice Hall International Inc, New Jersey, 1993. ¾ The Hydro-Pneumatic Technical Centre,”Buku Petunjuk Teknik Tenaga Fluida Pneumatik”, Jepang. ¾ Ogata, Katsuhiko,”Teknik Kontrol Automatik”, Edisi Kedua, Erlangga, Jakarta. ¾ www.cwck..co.uk ¾ www.fibersource.com/f-tutor/polyester.html
1
2
3
4
5
Terima Kasih
