PENGUKURAN SINYAL GETARAN PADA MESIN BUBUT GALLIC 16N DENGAN MENGGUNAKAN MULTYCHANNEL SPECTRUM ANALYZER

PENGUKURAN SINYAL GETARAN PADA MESIN BUBUT GALLIC 16N DENGAN MENGGUNAKAN MULTYCHANNEL SPECTRUM ANALYZER Hendra (1) (1)

Staf Pengajar Universitas Bengkulu ABSTRACT

Design of machine tools is the high stiffness. Stiffness of machine tools is the static and dynamic. Static of stiffness relevance is the deflection and dynamic of stiffness is the dynamic characteristic of machine tools example natural frequency and mode shape. Measurement of dynamic of characteristic can be used MSA (multi channel of spectrum analyzer). MSA can be known to dynamic characteristic. Result the research as natural frequency machine tools and mode shape. Keywords: Machine Tool, Natural frekuensi, FRF, MSA 1. PENDAHULUAN Mesin perkakas dirancang dengan menggunakan konsep high speed dan high power. Konsep ini menuntut rancangan mesin perkakas harus memiliki kekakuan yang tinggi. Kekakuan tinggi ini digunakan untuk meredam getaran yang muncul pada waktu pengoperasian mesin perkakas. Kekakuan tinggi biasanya diikuti dengan volume rancangan mesin perkakas yang besar. Hal ini sangat merugikan karena volume rancangan yang besar membutuhkan jumlah material yang besar juga. Untuk itu dirancang sistem kekakuan mesin perkakas yang lebih kaku dengan menggunakan ribbing. Sehingga getaran mesin perkakas dapat diredam oleh mesin perkakas yang memiliki kekakuan tinggi tapi volumenya tidak besar. Efek getaran yang muncul pada mesin perkakas sangat besar pengaruhnya. Itu dapat dilihat pada produk yang dihasilkan, umur pahat dan umur mesin perkakas yang digunakan. Getaran yang tinggi akan mengakibatkan kualitas benda kerja menjadi kurang bagus, umur pahat menjadi rendah dan mesin tidak tahan lama. Untuk mengetahui level getaran pada mesin perkakas dilakukan pengujian dengan menggunakan mesin perkakasnya yaitu mesin bubut. Pengujian dilakukan dengan menggunakan mesin bubut Gallic 16N dan penganalisis sinyal getaran (MSA/Multichannel Spectrum Analyzer). MSA dapat menganalisis sinyal getaran mesin perkakas seperti frekuensi pribadi, bentuk modus getar dan redaman mesin perkakas. Penelitian ini dilakukan untuk melihat pengaruh level getaran pada mesin perkakas. Besarnya getaran yang terjadi diukur dengan menggunakan perangkat penganalisis sinyal getaran yaitu MSA (Multichannel Spectrum Analyzer). Dari MSA diperoleh karakteristik dinamik mesin perkakas seperti

frekuensi pribadi, modus getar dan redaman mesin perkakas. Dengan mengetahui frekuensi pribadi, modus getar dan redaman dapat dirancang kekakuan mesin perkakas yang mampu menahan pengaruh getaran akibat gaya pemotongan besar. Mesin perkakas dirancang dengan memperhatikan aspek kekakuan statik dan dinamik. Misalnya ditinjau dari aspek kekakuan dinamik yaitu deformasi relatif antara pahat dengan benda kerja dan getaran pada proses pemotongan. Masalah dinamik pada mesin perkakas berkaitan dengan getaran yang timbul karena adanya gaya eksitasi (getaran paksa), gaya eksitasi sesaat (getaran bebas) dan getaran karena adanya getaran eksitasi diri. Getaran mesin perkakas berpengaruh terhadap mesin perkakas, kondisi pemotongan, getaran benda kerja dan umur pahat. Pengaruh getaran pada kondisi pemotongan dapat dilihat dari perubahan geram yang mana akibat perubahan gaya pemotongan juga menghasilkan perubahan geram. 2.

TINJAUAN PUSTAKA

Getaran Mesin Perkakas Getaran ditandai oleh perubahan secara periodik dari suatu besaran. Getaran merupakan suatu fungsi periodik yang dinyatakan sebagai :

X t   X t  T 

(1)

dimana: t = waktu (s) T = perioda getaran (s) Frekuensi merupakan kebalikan dari perioda yaitu jumlah getaran per satuan waktu (Hz)[1]. Dalam prakteknya terdapat dua jenis getaran yaitu getaran bebas dan getaran paksa. Getaran bebas terjadi jika tidak ada gaya luar yang bekerja selama sistem tersebut bergetar dan getaran paksa terjadi jika ada

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 3, No 2, Desember 2006

gaya luar yang bekerja selama sistem tersebut bergetar. Dalam proses pemotongan terdapat suatu getaran yaitu getaran eksitasi diri dimana getaran ini terjadi jika energi yang mengeksitasi berasal dari proses pemotongan itu sendiri. Getaran eksitasi diri dalam proses pemotongan tergantung diantaranya pada faktor kondisi pemotongan dan kekakuan sistem pemotongan.

ISSN 1829-8958

persamaan gerak differensial linier orde dua dengan koefisien yang konstan. Kurva simpangan getaran terhadap waktu dari sistem getaran tak teredam dapat dilihat pada “Gambar (2)”. A x

t

Suatu sistem getaran bebas cenderung bergetar pada frekuensi pribadinya. Frekuensi pribadi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan getaran bebas yaitu :

mx  kx  0

T Gambar 2 Respon sistem getaran tak teredam [1]

(2)

Setiap sistem selalu memiliki redaman. Jika persamaan x  A  e j t , x   A  e jt dan x   2 A  e jt dimasukkan ke “Persamaan (7) akan diperoleh persamaan karakteristik berikut:

dimana:

x  A  e j t x   A  e jt



dengan memasukkan ke dalam “Persamaan (2)” diperoleh:



 





m   2 A  e jt  c  A  e jt k A  e jt  0

x   2 A  e j t

 



m   2 A  e j t  k A  e j t  0

persamaan ini akan memiliki dua akar riil negatif (akar kompleks) tergantung pada besarnya harga c relatif terhadap nilai kritisnya yaitu:

c c  2 km

 m 2  k  0

k m

 

(3)

Jumlah frekuensi pribadi suatu sistem tergantung pada derajat kebebasan sistem tersebut. Sistem getaran 1 derajat kebebasan (SDOF) memiliki 1 frekuensi pribadi dan sistem getaran banyak derajat kebebasan (MDOF) memiliki banyak frekuensi pribadi. Sistem Getaran 1 Derajat Kebebasan (SDOF) Sistem getaran 1 derajat kebebasan (SDOF) dapat dilihat pada “Gambar (1)”.

Gambar 1 Model sistem getaran satu derajat kebebasan[1]

Persamaan kesetimbangan gayanya adalah:

mx  cx  kx  0

(6)

Rasio redamannya adalah:

Besar frekuensi pribadi adalah: 

(5)

(4)

dimana mx adalah gaya inersia, cx (gaya redaman) dan kx (gaya pegas). “Persamaan (7) merupakan

c c  cc 2 km

(7)

sehingga besarnya frekuensi pribadi teredam adalah:

d  n 1 2

(8)

Fungsi Respon Frekuensi Fungsi respon frekuensi merupakan perbandingan antara sinyal keluaran dengan sinyal masukan dari suatu sistem dalam domain frekuensi. Sinyal masukannya berupa sinyal sinus. Ada tiga jenis fungsi respon frekuensi yaitu: 

Receptance, responnya berupa perpindahan. x H    F



Mobility, responnya berupa kecepatan. x Y     j    H   F



Inertance, responnya berupa percepatan. x A     2  H   . F

Fungsi respon frekuensi dapat diturunkan dari persamaan:



 



m   2 Xe jt  c jXe jt  kXe jt  Fe jt

k  m   jc X  F 2

100

Pengukuran Sinyal Getaran pada Mesin Bubut Gallic 16N dengan Menggunakan Multychannel Spectrum Analyzer (Hendra)

X 1   2 F k  m  j c    k 1      n





Gyx(f) = spektrum daya silang dari sinyal masukan dan keluaran

(9)

1 2

    j 2   n

  

G xx  f   X  f   X *  f 

G yy  f   Y  f   Y *  f  G yx  f   Y  f   X *  f 

dimana besar magnitude dan sudut fasa dari “Persamaan (9)” adalah:

H   

1

(10)

k  m   jc 2

1   k 1      n 

2

n (t)

2

(11)

Respon Getaran Mesin Bubut[1][2] Sinyal hasil pengukuran getaran pada mesin bubut merupakan respon dari sinyal yang berasal baik dari mesin bubut maupun luar mesin bubut. Untuk mengetahui bentuk sinyal dari suatu sumber getar biasanya dilakukan pengukuran dalam domain waktu, karena menggambarkan wujud asli dari sinyal getaran yang diukur. Sinyal dalam domain waktu pada sistem yang sederhana mudah dianalisis. Sinyal akan menjadi rumit dan sulit dianalisis apabila sinyal tersebut berasal dari suatu sistem yang kompleks. Domain frekuensi didapat dari teori Fourier yang menyatakan bahwa pada dasarnya setiap sinyal periodik merupakan hasil penjumlahan dari sinyalsinyal sinus atau kosinus yang memiliki frekuensi berbeda-beda. Koherensi didefinisikan sebagai normalisasi fungsi korelasi silang dalam domain frekuensi yang mempunyai ciri tidak berdimensi dan berharga antara 0 dan 1, juga menunjukkan hubungan antara masukan dan keluaran yang merupakan fraksi dari spektrum daya. Apabila koherensi berada antara 0 dan satu berarti ada sinyal gangguan dari luar (noise) yang ikut terukur.



f 

Keluaran spektrum Y pada sistem linear tersebut terdiri atas komponen masukan, keluaran dan komponen sinyal gangguan. Sehingga dapat ditulis:

Y HX N

(13)

dimana :H = fungsi transfer dari sistem linear N = sinyal gangguan (noise) Spektrum daya diri dari sinyal masukan (Gyy) dapat ditulis sebagai:

G yy  Y  Y *  HX  N HX  N 

*

2

(14)

 H  G xx  Gnn  H  G xn  H  G xn *

sedangkan spektrum daya silangnya adalah:

G yy  Y  X *  HX  N 

*

 H  G xx  G xn

(15)

dengan anggapan sinyal masukan tidak berkorelasi dengan sinyal gangguan, maka pengukuran dilakukan berkali-kali. Dengan demikian spektrum korelasi Gxn menjadi sangat kecil (mendekati nol) sehingga persamaan fungsi koherensi menjadi:



2

f 



H  G xx

2

G xx H  G xx  G nn 2



2



H  G xx

(16)

H  G xx  G nn 2

“Persamaan (19)” memberi informasi bahwa: Koherensi 

Koherensi dapat dinyatakan dengan rumus: G yx  f 

N (f)

Gambar 3 Hubungan sinyal masukan keluaran pada sistem linear dengan sinyal pengganggu

Fungsi respon frekuensi dapat diperoleh dengan mengukur spektrum frekuensi dari sinyal masukan dan sinyal keluaran.

2

h (t) H (f)

H (f)

              2        n        2    n   c    tan 1   tan 1   2  2  k  m        1       n   2

y (t) h (t)

daya masukan yang berasal dari keluaran daya keluaran total

2

G xx  f   G yy  f 

(12)

dimana: Gxx(f) = spektrum daya diri dari sinyal masukan x (t) Gyy(f) = spektrum daya diri sinyal keluaran y (t)

Fungsi respon frekuensi dapat menunjukkan besarnya amplitudo getaran dan frekuensi pribadi. Arah modus getar dapat diketahui pada bagian imaginer kurva FRF seperti “Gambar (4)” berikut:

101

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 3, No 2, Desember 2006

ISSN 1829-8958

3. Pengukuran dilakukan dalam kondisi mesin perkakas tidak berfungsi atau diam. Set up peralatan pengujian dapat dilihat pada ”Gambar (5)”. Peralatan yang digunakan: 1. Multichannel spectrum analyzer berfungsi sebagai sumber sinyal eksitasi, penganalisis spectrum dan data akuisisi. 2. Loadcell berfungsi mengukur gaya eksitasi getaran. Spesifikasinya yaitu sensitifitas ref. 50 Hz, 230C:3.93 pC/N 3. Accelerometer berfungsi mengukur respon percepatan getaran. 4. Conditioning amplifier berfungsi untuk mengkondisikan dan memperkuat sinyal dari Loadcell.

Gambar 4 Cara menentukan modus getar

3.

METODE PENELITIAN

Pengujian dilakukan dengan satu tahap. Disini dilakukan pengujian parameter dinamik. Pengujian ini merupakan pengukuran FRF (fungsi respon frekuensi) yang mana bertujuan untuk memperoleh frekuensi pribadi, modus getar dan redaman. Pengujian tahap kedua yaitu pengujian pemotongan dilakukan untuk melihat hubungan kondisi pemotongan dengan level getaran.

5. Charge amplifier berfungsi untuk memperkuat sinyal dari accelerometer. Spesifikasinya yaitu sensitivitas tranducer 0,1-10,99 pC/ms2, sensitivitas amplifier 0,0110 V/pC dan rentang frekuensi ukur 0,3-10 KHz. 6. Power amplifier berfungsi untuk memperkuat sinyal eksitasi dari MSA. Spesifikasinya adalah kapasitas output 180 VA, kapasitas tegangan output 12 V RMS, kapasitas arus output 7,5 A RMS untuk range dibawah 5 Hz, 15 A RMS untuk range 40 Hz - 10 KHz dan 12 A RMS untuk 15 KHz. Jangkauan frekuensi penuh 40 Hz – 10 KHz, kapasitas reduksi DC-100 KHz dan temperatur operasi 50C-400.

Pengujian parameter dinamik dilakukan dengan uji eksitasi langsung menggunakan exciter. Exciter diposisikan agar gaya eksitasinya searah dengan gaya pemotongan (P) dan respon getaran diukur searah gaya eksitasinya. Kondisi yang harus diperhatikan dalam pengujian yaitu: 1. Kondisi titik eksitasi sedekat mungkin dengan kondisi saat uji pemotongan.

7. Permanent magnet vibration exciter berfungsi mengubah sinyal elektrik dari power amplifier menjadi getaran (gaya mekanik).

2. Eksitasi searah dengan respon getaran yang akan diukur (arah vertical dan horizontal). P e n g u k u r a n A r a h H o r iz o n ta l

E x c ite r A la t B a n tu

C hu ck Ch. 3 C h. 3 T a il s to c k

A c c e le r o m e te r

S p in d le

C h. 1 C h. 2 A m p lifie r

A m p lifie r

C o n d tio n in g A m p lif ie r PC

MSA

Gambar 5 Skema Alat Uji FRF

102

Pengukuran Sinyal Getaran pada Mesin Bubut Gallic 16N dengan Menggunakan Multychannel Spectrum Analyzer (Hendra)

4.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian Karakteristik Dinamik Pada ”Gambar (6)” diperlihatkan hasil pengukuran FRF dengan titik eksitasi pada spindel dan pahat arah vertikal dan horizontal. Kurva FRF menunjukkan frekuensi pribadi pada dudukan pahat dan spindel.

Gambar 8 Arah modus getar pada mesin bubut gallic 16N

Dari hasil pengujian Mesin bubut Gallic memiliki frekuensi pribadi pada arah horizontal adalah 23,5 Hz, 43 Hz, 146 Hz, 188 Hz, 213 Hz dan 355 Hz. Pada arah vertikal adalah 180 Hz dan 364 Hz. 5.

KESIMPULAN

Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa: 1. Mesin bubut Gallic memiliki frekuensi pribadi pada arah horizontal adalah 23,5 Hz, 43 Hz, 146 Hz, 188 Hz, 213 Hz dan 355 Hz. Pada arah vertikal adalah 180 Hz dan 364 Hz. (a) Grafik FRF Arah Horizontal Spindel

2. Kegagalan proses pada penggunaan mesin perkakas dapat dihindari dengan mengetahui frekuensi pribadi mesin perkakas, sehingga daerah kerja tidak berada pada daerah frekuensi pribadi mesin perkakas tersebut. PUSTAKA 1. Paryana Puspa Putra,” Pengujian Gerakan Untuk Analisis Kerusakan Elemen Rotasi pada Rumah Transmisi Mesin Bubut Celtic N14 Indonesia”, ITB, Bandung, 1990. 2. Trihono Sewoyo, “ Kaji Teoritik Sistem Getaran Mekanik Redaman Tak Sebanding’, ITB, Bandung, 1990

(b) Grafik FRF Arah Vertikal Spindel Gambar 6 Kurva Karakteristik Dinamik

3. Nunang Hidayat, “Pengkajian Chatter Proses Bubut Muka pada Mesin CNC”, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 1993. 4. Ewin, DJ, “Modal Testing-Theory and Practice”, Bruel&Kjaer, Research Studies Press Ltd, Letchwoot, 1986. 5. Mc. Connel, K.G, “Vibration Testing, Theory and Practice”, by Jhon Willey&Sons, Inc, 1995. 6. Rivalino,” Pengujian FRF”, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2000. 7. Rochim, Taufiq, “ Teori dan Teknologi Proses Pemesinan, Lab. Teknik Produksi dan Metrologi Industri”, Institut Teknologi Bandung.

Gambar 7 Kurva Sinyal Getaran Pada Spindel Mesin Bubut Gallic 16N

8. Koenigsberger, F,J. Tlusty,” Machine Tools Structure”, Vol.1, Pergamon Press Ltd, New York, 1970. 103

Jurnal Teknik Mesin

Vol. 3, No 2, Desember 2006

ISSN 1829-8958

9. Lab. Dinamika Struktur, PAU-IR ITB,” Diktat Kursus Singkat Getaran Pemesinan Tingkat Dasar”, Bandung, 1993. 10. Lab. Dinamika Struktur, PAU-IR ITB,” Diktat Kursus Singkat Getaran Pemesinan Tingkat Lanjut”, Bandung, 1993. Curriculum Vitae: Hendra S.T., M.T., N.I.P: 132 306 384, adalah Staf Pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Bengkulu. Pendidikan Sarjana Teknik Universitas Andalas Padang dan Magister Teknik Mesin Bidang Teknik Produksi Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung

104

Pengukuran Sinyal Getaran pada Mesin Bubut Gallic 16N dengan Menggunakan Multychannel Spectrum Analyzer (Hendra)

105