PERANCANGAN PERANGKAT GERAK OTOMATIS DUA DERAJAT KEBEBASAN TELESKOP BAMBERG OBSERVATORIUM BOSSCHA LEMBANG BANDUNG
TUGAS SARJANA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh
Riri Prastity 13103145
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Tugas Sarjana Judul Program Studi
Perancangan Perangkat Gerak Otomatis Dua Derajat Kebebasan Teleskop Refractor Bamberg di Observatorium Bosscha Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung
Riri Prastity 13103145
Abstrak
Teleskop refractor Bamberg merupakan salah satu teleskop dengan dua derajat kebebasan yang dimiliki oleh Observatorium Bosscha ITB. Teleskop ini mempunyai jarak titik fokus 7 m dan menggunakan sistem mekanik murni sebagai penggerak. Teleskop ini memerlukan waktu set-up yang relatif lama dalam penggunaannya untuk memperoleh posisi yang diinginkan dalam koordinat ekuatorial. Untuk itu diperlukan penggerak otomatis yang dapat mempersingkat waktu set-up sekaligus mempermudah kontrol posisi secara otomatis. Pada tugas sarjana ini dilakukan perancangan perangkat gerak otomatis teleskop dengan dua derajat kebebasan, yaitu kebutuhan gerak dalam arah deklinasi dan sudut jam. Berdasarkan prinsip kinematika, dilakukan perhitungan gaya-gaya statik yang terjadi pada dua rancangan perangkat gerak. Dari perolehan gaya maksimum, dipilih rancangan yang paling sesuai dengan kondisi pembebanan. Kemudian dipilih komponen perangkat gerak, dengan mengacu pada katalog yang berisi spesifikasi DC servomotor dan leadscrew. Dalam gerak arah deklinasi pada rentang 25˚ - 120˚, didapatkan hasil perhitungan dari analisa statik kebutuhan torsi yaitu 1, 23 Nm. DC servomotor yang sesuai dengan kebutuhan torsi yaitu produk yaskawa SGMAH-08A. Besarnya beban yang mampu ditahan oleh SGMAH-08A ini yaitu 2,39 Nm. Kebutuhan torsi pada gerak dalam arah sudut jam torsi yang dibutuhkan yaitu 1,81 Nm. Untuk itu dipilih aktuator yang sama dengan aktuator yang digunakan dalam arah deklinasi.Alternatif perangkat gerak arah deklinasi yang ditawarkan yaitu perangkat gerak antena parabola TD GEOTRACK 18. Perangkat ini mampu menggerakkan beban sampai 120 kgf, sehingga dapat memenuhi kondisi operasi teleskop. Rancangan perangkat gerak otomatis memenuhi kriteria gerak sistem teleskop. Keseluruhan hasil rancangan dapat mengatasi beban yang terjadi selama kondisi operasi sehingga layak diaplikasikan.
Final Project Title Major
Design of Automated Driving Apparatus Two Degree of Freedom Bamberg Refractor Telescope in Bosscha Observatory Mechanical Engineering Faculty of Mechanical and Aeronautical Engineering Bandung Institute of Technology
Riri Prastity 13103145
Abstract
Bamberg refractor telescope is one of two degree of freedom telescopes owned by Bosscha Observatory-ITB. This 7 m focal length telescope are using pure mechanical system to drive its position. In order to achieve a certain position in equatorial coordinate system, Bamberg telescope consumes relatively long time in set-up. For a daily use, this time consuming activities could become a problem. For this problem, design of automated driving apparatus is a need. By applying automated driving apparatus, set-up time will be shorten and telescope control will be more practical. In this final project, design of automated driving apparatus include driving telescope in two degree of freedom. Based on kinematics principle, static force of driving apparatus calculated. From the calculated maximum static force, the most effective construction of two designs is selected. Then, the suitable component for driving apparatus is selected. Selection of driving apparatus’ component, DC servomotor and leadscrew, referred to manufacturer catalog. In telescope workspace’s range declination direction is 25˚ - 120˚, torque needed by the telescope system from static force calculation is 1.23 Nm. A suitable actuator with this condition is a product of yaskawa DC servomotor, SGMAH-08A. This actuator can handle torque up to 2.39 Nm. Torque needed in hour angle direction is 1.81 Nm. To fulfill this torque, a same suitable actuator is selected, yaskawa DC servomotor SGMAH-08A. Alternative component choice for automated driving apparatus is satellite antenna driver, one of the suitable choice is TD GEOTRACK 18. This apparatus is capable to drive load up to 120 kgf, which is suitable for telescope operational condition. The conclusion is automated driving apparatus design fulfill the movement criteria. Furthermore, design result is applicable in Bamberg telescope system.
Kata Pengantar Segala puji atas ke-Maha Besar-an Allah SWT, karena sesungguhnya seluruh ilmu yang ada di alam semesta hanya milik-Nya, dan kita manusia hanya mengetahui sangat sedikit dari setetes ilmu dari samudera ilmu-Nya. Sekaligus juga penulis mengucapkan syukur yang tak terhingga, karena dengan kehendakNya penelitian tugas akhir ini dapat diselesaikan. Penelitian tugas sarjana ini merupakan manifestasi dari rasa ingin tahu penulis tentang teknologi kontrol dan otomasi. Mudah-mudahan hasil rancangan ini dapat diaplikasikan dan memberi manfaat bagi penelitian astronomi di Observatorium Bosscha. Seperti halnya penelitian lainnya, maka penelitian ini pun tidak luput dari ketidaksempurnaan. Oleh karena itu, penulis mohon maaf sebesar-besarnya apabila kesalahan itu tidak berkenan. Sekaligus juga penulis berharap adanya masukan yang sifatnya positif dan membangun bagi penelitian ini pada akhirnya. Terakhir, penulis tidak ingin berpanjang kata lagi, hanya mengucapkan selamat membaca, semoga pembaca sekalian dapat mengambil pelajaran di dalamnya.
Bandung, Februari 2008
Penulis
iii
Ucapan Terima Kasih
Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh. Puji syukur ke hadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini sebagai syarat kelulusan dari pendidikan sarjana Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung. Sekaligus pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberi dukungan baik moral maupun material dalam menyelesaikan penelitian tugas sarjana ini. Ucapan terima kasih tersebut penulis ucapkan kepada: 1. Syamsul Bakhri, SH dan Tuti Khairani, orangtua yang memberi kasih sayang dan kepercayaan yang tidak terbatas. 2. Bapak Ir Indrawanto, Ph.D, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingannya dan kesempatannya kepada penulis. 3. Bapak Kemas Rifian, selaku dosen wali yang telah memberikan bimbingan selama penulis menjalankan pendidikan sarjana. 4. Dosen-dosen program studi yang telah memberikan ilmu dan menjadi inspirasi bagi penulis. 5. Staff dan teknisi Observatorium Bosscha, Bu Elyani, Pak Asep, Pak Budi, dan yang lainnya yang telah memberi bantuan selama pengambilan data teleskop Bamberg. 6. Staff dan teknisi Teknik Mesin, Pak Suryana, Mbak Listi, Pak Edi, Pak Eko, Kang Asep, dan yang lainnya yang telah memberi bantuan dalam keseharian penulis. 7. Tresnaningsih, Faiza, dan Astrid, yang telah menjadi teman sejati yang akan ada kapanpun dibutuhkan. 8. Rekan Laboratorium Teknik Produksi, Arif, Djoko, Faqih, Be-el, dan yang lainnya yang telah menjadi teman diskusi dan melepas ketegangan selama proses penulisan tugas sarjana ini.
iv
9. Rekan angkatan 2003, Moncos, Sandy, Putra, Yudi, Taurino, atas bantuan dan persahabatan yang tak dapat ditukar oleh apapun. Penulis hanya berharap ketidakmampuan penulis dalam membalas jasa yang telah diberikan, digantikan balasan yang baik oleh Allah SWT. Akhir kata semoga persaudaraan kita semua dikekalkan, Amin. Wassalamuailakum warahmatullahi wabarakatuh.
Bandung, Februari 2008
Penulis
v
Daftar Isi Halaman Abstrak
i
Kata Pengantar
iii
Ucapan Terima Kasih
iv
Daftar Isi
vi
Bab 1 Pendahuluan
1
1. 1 Latar Belakang
1
1. 2 Tujuan
3
1. 3 Batasan Masalah
3
1. 4 Metodologi Penelitian
4
1. 5 Sistematika Pembahasan
4
Bab 2 Teori Dasar dan Tinjauan Pustaka
6
2. 1 Mesin Presisi
6
2. 2 Perancangan Mesin Presisi
7
2. 3 Komponen Penyusun Perangkat Gerak
8
2. 3. 1 Leadscrew
8
2. 3. 2 Brushless DC Servomotor
13
2. 3. 3 Sensor Posisi
14
2. 3. 3. 1 Enkoder
15
2. 3. 3. 2 Reed Switch
16
2. 3. 4 Metode Mounting Bab 3 Teleskop Bamberg
17 18
3. 1 Teleskop Refraktor
18
3. 2 Koordinat Astronomi
19
3. 2. 1 Sistem Koordinat Ekuatorial
19
3. 3 Konstruksi Teleskop Bamberg
21
3. 4 Perangkat Gerak Teleskop Saar Ini
22
3. 4. 1 Perangkat Gerak Pointing
24
iii
3. 4. 2 Perangkat Gerak Tracking Bab 4 Perancangan Perangkat Gerak Otomatis 4. 1 Perancangan Mekanisme Sistem Penggerak Arah
24 26 26
Deklinasi 4. 1. 1 Desain 1
26
4. 1. 2 Desain 2
27
4. 1. 3 Perbandingan Dimensi Kedua Desain
28
4. 2 Analisa Statik pada Batang Penggerak Arah Deklinasi
29
4. 2. 1 Analisa Statik Desain 1
29
4. 2. 2 Analisa Statik Desain 2
32
4. 2. 3 Perhitungan Gaya Fscrew dan Kebutuhan
32
Torsi 4. 2. 4 Pemilihan Motor Penggerak Arah Deklinasi
34
4. 2. 5 Alternatif Pemilihan Aktuator dan
35
Komponen Penggerak 4. 3 Perancangan Komponen Pendukung
38
4. 4 Perangkat Gerak Arah Sudut Jam
42
4. 5 Kopling
46
Bab 5 Kesalahan Posisi dari Perangkat Gerak
47
5. 1 Kesalahan Posisi
47
5. 2 Backlash
48
5. 2. 1 Backlash pada Perangkat Pointing
48
5. 2. 2 Backlash pada Perangkat Tracking
48
5. 3 Pemasangan Alat Ukur Posisi
49
5. Perangkat Kontrol
51
Bab 6 Kesimpulan dan Saran
52
Daftar Pustaka
53
iv
Daftar Gambar Halaman Gambar 1.1 Bagian eye-piece dari teleskop
2
Gambar 2.1 Kategori ketepatan, keterulangan, dan kecermatan
7
Gambar 2.2 Abbe error
7
Gambar 2.3 Gaya-gaya yang terjadi pada leadscrew saat menaikkan
9
beban dalam 3 dimensi Gambar 2.4 Konstruksi ballscrew
10
Gambar 2.5 Aksesoris pelindung permukaan ballscrew
12
Gambar 2.6 Jenis-jenis servomotor yang tersedia di pasar
12
Gambar 2.7 Skema incremental encoder
14
Gambar 2.8 Optical incremental encoder dan pemasangannya
14
Gambar 2.9 Skema komponen penyusun reed switch
15
Gambar 3.1 Skema susunan teleskop refraktor
18
Gambar 3.2 Bola langit dengan sistem koordinat ekuatorial
19
Gambar 3.3 Konstruksi teleskop
21
Gambar 3.4 Mekanisme transmisi roda gigi gerak tracking
22
Gambar 3.5 Skala petunjuk posisi pointing pada sumbu putar
23
teleskop, posisi istirahat teleskop, kenop pengatur posisi Gambar 3.6 Skala dalam arah gerak sudut jam (gerak tracking)
24
Gambar 3.7 Beban yang mengendalikan perangkat tracking
24
Gambar 3.8 Rangkaian transmisi penggerak tracking
25
Gambar 4.1 Konstruksi desain 1
27
Gambar 4.2 Konstruksi desain 2
28
Gambar 4.3 Diagram benda bebas desain 1
30
Gambar 4.4 Parameter posisi batang penggerak
30
Gambar 4.5 Resultan batang dua gaya titik B
32
Gambar 4.6. Diagram benda bebas desain 2
32
v
Gambar 4.7 Beban screw pada setiap sudut α
33
Gambar 4.8 Karakteristik servomotor
35
Gambar 4.9 Komponen penyusun aktuator dan leadscrew
36
GEOTRACK Gambar 4.10 Pemasangan TD GEOTRACK
37
Gambar 4.11 Perangkat GEOTRACK membatasi panjang langkah
37
yang dibutuhkan Gambar 4.12 Pembebanan yang terjadi pada baut
38
Gambar 4.13 Posisi pemasangan pelat mounting pada konstruksi
39
teleskop Gambar 4.14 Pembebanan pada pelat mounting
40
Gambar 4.15 Pelat mounting pada teleskop
42
Gambar 4.16 Posisi pemasangan servomotor pada perangkat gerak
43
tracking Gambar 4.17 Rangkaian transmisi roda gigi
44
Gambar 4.18 Roda gigi cacing yang langsung terhubung ke gerakan
45
tracking teleskop Gambar 4.19 Spesifikasi dan karakteristik torsi motor yang
45
digunakan
vi
