RANCANG BANGUN MODEL EXCAVATOR DENGAN SISTEM PNEUMATIK
DESIGN OF MODEL EXCAVATOR WITH PNEUMATIC SYSTEM Irdam1 , Rafiuddin Syam2, Abdul Hay Muchsin2 1 Jurusan Mesin Akademi Teknik Soroako 2 Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin
Alamat Korespondensi: Irdam Jurusan Mesin Akademi Teknik Soroako HP. 0811 429 322 Email :
[email protected]
Abstrak Excavator adalah alat berat yang terdiri dari boom, arm serta bucket dan digerakkan oleh tenaga hidrolis yang dimotori dengan mesin diesel dan berada di atas roda rantai. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membuat model excavator dengan sistem pneumatik, membuat formulasi kinematika dan menguji model excavator dengan sistem pneumatik.Tahapan perancangan dan pembuatan model excavator dimulai dengan perencanaan yang meliputi pemilihan bahan, aktuator, menentukan dimensi, cara kerja, mekanisme, metode pengontrolan, membuat gambar kerja dan gambar rancangan dalam dua dimensi dan tiga dimensi. Kemudian tahap pembuatan meliputi pembuatan mekanik, elektronik dan pembuatan program pada microcontroller. Membuat formulasi kinematika lengan-lengan model excavator dengan sistem pneumatik berdasarkan perhitungan manipulator dengan empat derajat kebebasan dan membuat analisis kinematika pada mobile robot. Pengujian dilakukan pada lengan-lengan model excavator dengan sistem pneumatik meliputi gaya yang terjadi pada silinder pneumatik, gaya angkat dan tekan pada bucket, kemampuan mengeruk material di lapangan dan untuk mobile robot dilakukan pengujian error tracking lintasan. Dari proses perancangan dan pembuatan diperoleh dimensi utama untuk mobile robot yaitu jarak sumbu roda 167 mm, lebar track 188 mm, diameter roda 64 mm. Jarak kerja (Working range) boom 307 mm, arm 105 mm, bucket 98 mm, total 500 mm. Berat total 3560 gram. Dari kinematika lengan diperoleh posisi x, y dan z pada end effector xT =0.335m, yT =0.193m dan zT =0.310m. Kecepatan mobile robot diperoleh , , . Percepatan mobile robot diperoleh , , Gaya dorong aktual silinder pneumatik pada tekanan 100 PSI yaitu Fmaju = 3020 gr, Fmundur = 2150 gr. Gaya angkat dan tekan aktual bucket Fangkat = 570 gr, Ftekan = 1060 gr. Berat rata-rata mengeruk material tanah 192.5 gr. Error tracking lintasan untuk mobile robot adalah lintasan 1 navigasi otomatis etotal = 10.968 mm, manual etotal = 12.905 mm, lintasan 2 navigasi otomatis etotal = 13.900 mm, manual etotal = 11.522 mm. Kata Kunci: Pneumatik, excavator, silinder pneumatik, tekanan, gaya
Abstract Excavators are heavy equipment consisting of a boom, arm and bucket and driven by hydraulic power-driven by a diesel engine and is above the chain wheel. This research aims to design and manufacture a model excavator with a pneumatic system, formulate kinematics and test the model excavator with a pneumatic system. Stages of the design and manufacture of excavators models starting with the planning involved in the selection of materials, actuators, determine the dimensions, mode of action, mechanism, control method, create working drawings and design drawings in two dimensions and three dimensions. Later levels include the make of mechanical, electronics and making program in the microcontroller. Formulate the kinematics model of the arm excavator with a pneumatic system based on the calculation of the manipulator with four degrees of freedom and make the mobile robot kinematics analysis. Tests were conducted at arms excavator models with pneumatic system includes force that occur in pneumatic cylinders, force lift and press of bucket, the ability of dredge material in the field and for the mobile robot trajectory tracking error testing. From the design and manufacture obtained the main dimensions for the mobile robot of wheelbase is 167 mm, track width 188 mm, Wheel diameter 64 mm. Working range of boom 307 mm, arm 105 mm, bucket 98 mm, total 500 mm. The total weight of 3560 grams. Arm kinematics obtained from the position x, y and z on the end effector xT =0.335m, yT =0.193m and zT =0.310m. Mobile robot velocity obtained , , . Acceleration of mobile robots is obtained , , . The actual driving force of pneumatic cylinders at a pressure of 100 PSI is Fforward = 3020 grams, Freverse = 2150 grams. Actual force lift and press of bucket Flift = 570 grams, Fpress = 1060 grams. The average weight of dredge soil material that is 192.5 grams. Error tracking trajectory for a mobile robot for automatic navigation of path 1 is etotal = 10.968 mm, for manual is etotal = 12.905 mm, automatic navigation of path 2 is etotal = 13.900 mm, for manual is etotal = 11.522 mm. Keywords: Pneumatic, excavators, pneumatic cylinders, pressure, force
PENDAHULUAN Excavator (ekskavator) adalah alat berat yang terdiri dari lengan (arm), boom (bahu) serta bucket (alat keruk) dan digerakkan oleh tenaga hidrolis yang dimotori dengan mesin diesel dan berada di atas roda rantai (trackshoe) seperti terlihat pada (gambar 1). Excavator merupakan alat berat paling serbaguna karena bisa menangani berbagai macam pekerjaan alat berat lain. Sesuai dengan namanya (excavation), alat berat ini memiliki fungsi utama untuk pekerjaan penggalian. Namun tidak terbatas itu saja, excavator juga bisa melakukan pekerjaan kontruksi seperti membuat kemiringan (sloping), memuat dumptruck (loading), pemecah batu (breaker), dan sebagainya (Lidiawati, 2013). Dalam penerapannya, sistem pneumatik banyak digunakan sebagai sistem automasi. Mesin-mesin yang berada di perusahaan terutama dalam proses industri dan produksi sekarang ini banyak memanfaatkan pesawat-pesawat pneumatik, seperti mesin-mesin pres, rem, buka tutup pintu, dan pelubangan. Pneumatik mulai digunakan untuk pengendalian maupun penggerakan mesin-mesin dan alat-alat produksi. Saat ini dalam penggunaannya pneumatik banyak dikombinasikan dengan sistem elektrik. Rangkaian elektrik berupa saklar, solenoid, dan limit switch digunakan sebagai penyusun sistem kendali katup. Untuk aplikasi yang cukup rumit digunakan PLC (Programmable Logic Controller) yaitu kontroler yang dapat diprogram (Yudoyono, 2007). Kemajuan teknologi dewasa ini membuat indusri-industri modern berupaya untuk meningkatkan kualitas, kuantitas dan efektivitas produk-produk yang mereka hasilkan. Oleh karena itu industri-industri modern tersebut memerlukan pengotomatisasian secara kontinyu dan sistem yang banyak digunakan pada saat sekarang ini adalah pneumatik. Hal ini dikarenakan pneumatik mempunyai beberapa keuntungan yang tidak dipunyai oleh sistem lain. Dalam perkembangannya sistem pneumatik digabungkan dengan sistem elektrik untuk mempermudah
pengoperasian
yang
disebut
Sistem
Elektropneumatik.
Keuntungan
penggunaan komponen elektrik sebagai kontrol dari sistem pneumatik adalah sinyal elektrik dapat ditransmisikan melalui kabel secara mudah dan cepat dengan jarak yang jauh. Sedangkan untuk sinyal mekanik atau sinyal transmisi pneumatik lebih rumit (Yulianto dkk., 2012). Kehandalan sistem pneumatik sudah tidak bisa diragukan lagi, kelebihannya adalah tidak mengotori lingkungan sekitar yang mengakibatkan licin dan sebagainya. Selain itu sistem ini tidak mahal, perawatan dan perbaikannya tidak sulit jika dibandingkan dengan sistem hidrolik dan motor listrik. Penggunaan udara yang dimampatkan dalam sistim pneumatik memiliki beberapa keuntungan antara lain ketersediaan yang tak terbatas, mudah
disalurkan, fleksibilitas temperatur, aman, bersih, pemindahan daya dan kecepatan sangat mudah diatur, dapat disimpan dan mudah dimanfaatkan (Nurmanto, 2011). Pada penelitian ini konfigurasi model excavator dengan sistem pneumatik dibuat berdasarkan robot artikulasi/konfigurasi sendi lengan dengan empat derajat kebebasan. Robot ini terdiri dari tiga lengan yang dihubungkan dengan dua Revolute Joint. Elbow Joint menghubungkan Force Arm dengan Upper Arm. Shoulder Joint menghubungkan Upper Arm dengan Base. Konfigurasi ini yang paling populer untuk melaksanakan fungsi layaknya pekerja pabrik seperti mengangkat barang, mengelas, memasang komponen mur dan baut, dan sebagainya. Struktur lengan-sendi cocok digunakan untuk menjangkau daerah kerja yang sempit dengan sudut jangkauan yang beragam (Nabil, 2012). Model excavator dengan sistem pneumatik menggunakan kontrol loop terbuka atau umpan maju (feedforward control) dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol yang outputnya tidak diperhitungkan ulang oleh kontroller. Keadaan apakah robot telah benar-benar mencapai target seperti yang dikehendaki sesuai referensi, adalah tidak mempengaruhi kerja kontroller (Syam, 2012). Persamaan Kinematika yang digunakan untuk mengetahui posisi setiap sendi ketika model excavator melakukan gerakan adalah metoda Denenvit-Hartenberg yang dikenal dengan DH Parameter (Craig, 2006). Gaya gesek pada silinder pneumatik ditentukan oleh pelumasan, tekanan balik, bentuk dari seal dan sebagainya. Gaya torak efektif sangat berarti dalam perencanaan silinder. Dalam perhitungan gaya torak efektif, hambatan gesek harus diperhitungkan (Yanda, 2014). Analisa gaya angkat pada silinder pengangkat telah dibuat pada excavator 320 (Zuchry, (2011) menggunakan tiga jenis boom dengan berbagai posisi diperoleh gaya berat maksimum yang terjadi adalah pada jenis Reach boom dengan jenis stick R1.9C dengan Fr = 35154,56 kg, untuk jenis Mass boom dengan jenis stick M 2.4 C dengan Fr = 34195,83 kg dan jenis VA boom dengan jenis stick M1.9 C dengan Fr = 36698,00 kg. Simulasi sistem pergerakan model excavator dengan sistem pneumatik dibuat dengan fuzzy logic control (Widagda, 2012), dimana pergerakan dari lengan model excavator diperoleh dari kombinasi gerakan dari tiga silinder pneumatik untuk menghasilkan posisi dari bucket. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membuat model excavator dengan sistem pneumatik serta membuat formulasi kinematika model excavator dengan sistem pneumatik kemudian melakukan pengujian pada sistem mobile dan lengan model excavator.
BAHAN DAN METODE Lokasi dan Tempat Penelitian Perancangan dan penelitian ini akan dilaksanakan di Workshop Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Desain model excavator dengan sistem pneumatik Seperti terlihat pada (gambar 2) terlihat gambar model excavator yang akan dibuat. Dari keseluruhan gambar terdapat beberapa komponen yang diperoleh dengan membeli yaitu bagian roda, roda gigi, motor DC dan silinder pneumatik. Komponen yang lain dibuat dari material pelat aluminium tebal 3,2 mm dan tebal 1,6 mm dengan dimensi disesuaikan dengan komponen-komponen yang dibeli. Secara garis besar, tahapan pembuatan model excavator pneumatik dapat dilihat pada (gambar 3) yang meliputi perencanaan, pembuatan serta uji coba. Pada tahap perencanaan beberapa hal yang perlu diperhatikan dan ditentukan dalam perencanaan model excavator dengan sistem pneumatik yaitu dimensi (panjang, lebar dan tinggi). Struktur material apakah dari alumunium, besi, kayu, plastik, dan sebagainya. Cara kerja, berisi komponen-komponen model excavator dengan sistem pneumatik dan fungsi dari komponen-komponen itu, misalnya arm (lengan), boom (bahu) serta bucket (alat keruk). Mekanisme, bagaimana sistem mekanik agar model excavator pneumatik dapat bekerja. Metode pengontrolan, yaitu bagaimana model excavator pneumatik dapat dikontrol dan digerakkan, sistem kontrol yang digunakan. Pembuatan model excavator pneumatik Dalam tahap ini pekerjaan yang harus dilakukan yaitu pembuatan mekanik, elektronik, program. Pada pembuatan sistem mekanik setelah gambaran garis besar bentuk model excavator pneumatik dirancang, maka komponen-komponen dari model excavator pneumatik dapat mulai dibuat. Model excavator dengan sistem pneumatik terbuat dari pelat aluminium, penyambungan rangka satu sama lain dengan baut dan mur. Pada pembuatan sistem elektronik berdasarkan desain dan cara kerja model excavator dengan pneumatik, maka pembuatan maupun pembelian komponen-komponen elektronik mulai dilakukan. Pembuatan sistem elektronik disesuaikan dengan desain yang telah dibuat mulai dari pembelian microcontroller, komponen elektronik dan pembuatan driver motor. Perakitan dilakukan setelah pembuatan mekanik dan elektronik selesai maka selanjutnya perakitan dimulai dari perakitan komponen mekanik, elektronik dan peralatan pneumatik. Setelah semua terpasang pada tempatnya lalu dilakukan perakitan rangkaian mekanik, elektronik dan pneumatik. Selanjutnya pembuatan program berdasarkan mekanisme dari seluruh gerakan Model
excavator dengan sistem pneumatik yang diinginkan, mulai dari gerakan mobile sampai gerakan lengan-lengan. Uji coba Setelah semua tahap perencanaan dan pembuatan selesai maka tahap selanjutnya yaitu uji coba untuk mengevaluasi apakah model excavator dengan sistem pneumatik dapat bekerja sesuai yang diinginkan, baik dari sisi mekanik dan elektriknya. Bahan dan Alat Peralatan yang digunakan dalam proses pembuatan dan pengujian model excavator dengan sistem pneumatik yaitu Battery charger, Cutter, Gergaji tangan, Jangka sorong, Kikir, Kunci L, Kunci pas ring, Mata bor, Mesin bor tangan, Multi, meter, Obeng, Palu, Ragum, Rol meter, Solder listrik, Tap, Tang kombinasi, Timbangan gantung digital. Peralatan tersebut digunakan untuk membantu dalam proses pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik misalnya pada proses pengukuran, pemotongan bahan, membuat lubang, membuat ulir, melipat pelat, pemasangan komponen-komponen elektronik serta perakitan. Bahan-bahan dipakai pada pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik yaitu Pelat aluminium, Arduino mega, Baut mur, Flow meter, Gear motor, On off switch, Pressure regulator, Rechargeable battery, Reservoir, Roda gigi, Rover 5, Silinder pneumatik aksi ganda, Katub, T fitting, Timah solder, Tubing, Papan PCB, IC L298N, Kabel jumper, Resistor, Led, Dioda, Thermal Compound, Limit switch, Kapasitor, Sensor line tracking. Bahan-bahan tersebut digunakan untuk membantu dalam proses pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik misalnya pada proses pembuatan lengan-lengan, braket silinder pneumatik, dudukan bergerak, dudukan tetap, proses solder pada pembuatan driver motor untuk mobile dan swing. Prosedur Penelitian Prosedur dalam penelitian ini dimulai dengan studi literatur yaitu mencari dan mengumpulkan referensi serta dasar teori yang diambil dari berbagai buku penunjang untuk mendukung dalam perancangan dan pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik. Kegiatan yang dilakukan pada tahap ini adalah menggambar desain mekanis komponenkomponen model excavator dengan sistem pneumatik dalam gambar dua dimensi dan tiga dimensi. Menyiapkan peralatan dan bahan yang akan digunakan dalam pelaksanaan rancang bangun. Menghitung persamaan kinematika dalam proses pergerakan model excavator dengan sistem pneumatik. Melakukan simulasi dan pengujian.
HASIL Seperti terlihat pada (gambar 4) desain mekanik model excavator dengan sistem pneumatik dalam gambar tiga dimensi. Material yang dipakai dalam pembuatan mekanik sebagian besar dari aluminium. Dengan spesifikasi dimensi utama model excavator dengan sistem pneumatik yaitu untuk mobile robot (Rover 5) jarak sumbu roda 167 mm, lebar track 188 mm, diameter roda 64 mm. Untuk jarak kerja (working range) yaitu boom 307 mm, arm 105 mm, bucket 98 mm, total jarak kerja 500 mm, berat total model excavator 3560 gram. Dari persamaan kinematika lengan model excavator diperoleh posisi x,y dan z pada end effector yaitu xT = 0.335 m, yT = 0.193 m, zT = 0.310 m. Kecepatan mobile robot diperoleh robot diperoleh
,
. Percepatan mobile
, ,
,
.
Dari hasil perhitungan dan pengujian model excavator dengan sistem pneumatik diperoleh gaya dorong silinder pneumatik Fmaju efektif = 3768.3 gram, Fmundur efektif = 3165.384 gram. Gaya angkat dan tekan bucket diperoleh Fangkat = 771.031 gram, Ftekan = 1334.048 gram. Dari hasil pengujian line tracking error pada lintasan 1 dengan navigasi otomatis seperti terlihat pada (gambar 5) diperoleh nilai error terbesar pada jarak 104 cm dari garis start sebesar -42.4 mm dan pada jarak 198 cm dari garis start sebesar 41.85 mm, total error dari perhitungan sebesar etotal = 10.968 mm. Pengukuran gaya dorong silinder pneumatik, gaya angkat dan tekan bucket dengan timbangan gantung diperoleh Fmaju = 3020 gram, Fmundur = 2150 gram, Fangkat = 570 gram, Ftekan = 1060 gram. Rata-rata mengeruk material tanah 192 gram.
PEMBAHASAN Dari pengujian error pada lintasan 1 (navigasi otomatis) terlihat bahwa error terbesar terjadi pada belokan pertama dan kedua. Hal tersebut disebabkan karena pada saat mobile robot berbelok mobile robot melakukan transformasi (perubahan posisi) dari vertical ke horisontal membetuk sudut
yang menyebabkan sensor menjauh dari track lintasan
sehingga mengakibatkan nilai error yang besar. Terlihat pula error untuk lintasan 1, data error diambil pada jarak setiap 1 cm. Error (+) adalah sensor menjauhi lintasan ke arah kanan sedangkan error (-) ke arah kiri dimana error terbesar berada pada belokan pertama pada jarak 104 cm sebesar -42.4 mm. Hasil perhitungan error total sebesar 10.968 mm. Dari hasil pengujian gaya dorong silinder pneumatik pada saat maju berdasarkan pembacaan timbangan adalah 3020 gram, lebih kecil 19.857% dari hasil perhitungan, hal ini disebabkan adanya kerugian mekanik pada saat pengukuran. Gaya dorong silinder pneumatik
pada saat mundur berdasarkan pembacaan timbangan adalah 2150 gram, lebih kecil 32.077% dari hasil perhitungan, hal ini disebabkan luas penampang torak pada saat mundur lebih kecil dari pada maju dan adanya kerugian mekanik pada saat pengukuran. Gaya angkat pada bucket berdasarkan pembacaan timbangan adalah 570 gram, lebih kecil 26.073% dari hasil perhitungan, hal ini disebabkan adanya beban tambahan dari boom, arm, bucket dan kerugian mekanik pada saat pengukuran. Gaya tekan bucket berdasarkan pembacaan timbangan adalah 1060 gram, lebih kecil 20.542% dari hasil perhitungan, hal ini disebabkan adanya kerugian mekanik pada saat pengukuran.
KESIMPULAN DAN SARAN Proses perancangan dan pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik telah selesai dilakukan. Material yang dipakai dalam pembuatan mekanik sebagian besar dari aluminium. Dimensi utama model excavator dengan sistem pneumatik yaitu untuk mobile robot (Rover 5) jarak sumbu roda 167 mm, lebar track 188 mm, diameter roda 64 mm. Untuk jarak kerja (working range) yaitu boom 307 mm, arm 105 mm, bucket 98 mm, total jarak kerja 500 mm, berat total model excavator 3560 gram. Dari persamaan kinematika lengan model excavator diperoleh posisi x,y dan z pada end effector yaitu xT = 0.335 m, yT = 0.193 m,
zT
=
0.310
m. ,
Kecepatan
mobile .
,
robot
Percepatan ,
diperoleh
,
mobile
robot
diperoleh
. Dari hasil perhitungan
gaya pada lengan model excavator diperoleh gaya dorong silinder pneumatik Fmaju
efektif
=
3768.3 gram, Fmundur efektif = 3165.384 gram. Dari perhitungan gaya angkat dan tekan bucket diperoleh Fangkat = 771.031 gram, Ftekan = 1334.048 gram. Dari hasil pengujian dilapangan diperoleh pengujian error pada lintasan 1 otomatis etotal = 10.968 mm, manual etotal = 12.905 mm, lintasan 2 otomatis etotal = 13.900 mm, manual etotal = 11.522 mm. Pengukuran gaya dorong silinder pneumatik, gaya angkat dan tekan bucket dengan timbangan gantung diperoleh Fmaju = 3020 gram, Fmundur = 2150 gram, Fangkat = 570 gram, Ftekan = 1060 gram. Rata-rata mengeruk material tanah 192 gram. Terdapat kekurangan yang penulis temukan dalam perancangan dan pembuatan model excavator ini, maka di sarankan agar penelitian selanjutnya pada sistem pneumatik khususnya katup, sebaiknya menggunakan katup 5/3 center close sehingga positioning setiap silinder pneumatik dapat dilakukan. Reservoir pada sistem pneumatik sebaiknya menggunakan dimensi yang lebih besar untuk menampung udara bertekanan lebih banyak sehingga pengujian dapat dilakukan lebih lama.
DAFTAR PUSTAKA Craig. John J. (2006). Introduction to robotics: mechanics and control/John J. Craig.-3rd ed. USA: Pearson Education International. Lidiawati Indri. (2013). Pusat definisi. diakses 02 November 2013. Available from: http://www.pusat-definisi.com/2012/11/excavator-adalah.html Nabil Muhammad. (2012). Definisi dan jenis-jenis robot. diakses 27 Nopember 2013. Available from: http://muhnabil.wordpress.com/2012/06/28/definisi-robot-dan-jenisjenis-robot/ Nurmanto. (2011). Keuntungan dan kerugian penggunaan pneumatik. diakses 12 Oktober 2013. Available from: http://nurmanto.com/keuntungan-dan-kerugian-penggunaanpneumatik/ Syam Rafiuddin. (2012). Konsep dan cara membuat mobile robot. Makassar: Penerbit Membumi publishing. Widagda Iga. (2012). Fuzzy logic. diakses 06 Mei 2014. Available from: http://igawidagda.files.wordpress.com/2012/02/diktat-fuzzy.pdf Yudoyono Danang. (2007). Rancang bangun alat pembuat cetakan kue dengan perangkat elektro pneumatik (Tugas akhir). Surabaya: ITS Yanda Febi. (2014). Pneumatik. diakses 07 Juli 2014. Available from: http://www.scribd.com/doc/227896743/BAB2-EI2-Pneumatik Yulianto Budi Arief., Eri K. Mohammad. (2012). Rancang bangun HMI untuk modul pneumatik silinder single action (Tugas akhir). Surabaya: ITS Zuchry M. Muhammad. (2011), Analisa gaya angkat dengan variasi sudut elevasi pada silinder pengangkat excavator CAT320, Jurnal SMARTek, Vol. 9 No. 4. Nopember 2011: 300 - 310
Gambar 1 Excavator Komatsu PC200 Unit Standar (Lidiawati, 2013)
Gambar 2 Model excavator dengan sistem pneumatik
Gambar 3 Tahapan pembuatan model excavator dengan sistem pneumatik
Gambar 4 Desain mekanik model excavator dengan sistem pneumatik dalam gambar tiga dimensi
Gambar 5 Error vs jarak pada lintasan 1 (navigasi otomatis)
