TI3105 Otomasi Sistem Produksi

TI3105 Otomasi Sistem Produksi

Dasar-dasar Numerical Control

Laboratorium Sistem Produksi Prodi. Teknik Industri @2013

Hasil Pembelajaran 

Umum 



Mahasiwa mampu untuk memahami cara pengendalian mesin NC, prinsip mesin NC, dasar perhitungan sudut, pemposisian serta pergerakan pada mesin NC.

Khusus 

Memahami dasar-dasar pengendalian mesin NC dan prinsip pergerakan mesin NC

2

1

3

4

2

5

Perkembangan mesin Numerical Control (NC) 





 





Era 1960-an mulai dipelajari oleh U.S. Airforce untuk merancang komponen pesawat terbang. Kemampuan ini dapat menghemat biaya untuk pemesinan presisi berbentuk contour. Pada 1947, Parson mengemukakan ide pembuatan kurva data 3axis secara otomatis dan menggunakan data untuk mengkontrol mesin. Parson menggunakan punched card untuk mengontrol posisi mesin. Pada 1949, Parson dan U.S. Airforce menciptakan prototipe programmable milling machine. Pada 1952, awal mulanya ditampilkan mesin milling NC “three-axis Cincinnati Hydrotel”. Dewasa ini, pasaran mesin NC di Amerika masih di dominasi oleh mesin buatan Jepang.

6

3

Prinsip mesin NC 







NC adalah pengontrolan mesin perkakas menggunakan pita berlobang (punched tape) atau program. NC dikembangkan oleh Electronic Industries Association (EIA) sebagai suatu sistem yang aktivitasnya dikontrol oleh data numerik yang diisikan pada beberapa titik. Sistem harus secara otomatis diterjemahkan pada pengendalian mesin dan sekurang-kurangnya dengan porsi data tertentu. Suatu part program merupakan sekumpulan data numerik yang diperlukan untuk menghasilkan suatu komponen.

7

Sistem mesin NC 

Sistem mesin perkakas NC terdiri dari  



Machine control unit (MCU) Mesin Perkakas

MCU terdiri dari 



Data processing unit (DPU), yang memproses pembacaan coded data dari tape atau media lain dan meneruskan informasi (arah gerakan, feed, dan kontrol fungsi tambahan) setiap axis ke CLU. Control-loops unit (CLU), mengoperasikan mekanisme gerakan mesin, menerima isyarat feed back tentang posisi aktual dan kecepatan gerak setiap axis dan menginformasikan kapan operasi pemesinan selesai dikerjakan.

MCU

Mesin Perkakas

DPU CLU

8

4

DPU dan CLU 

Data processing unit (DPU), terdiri dari   



Perangkat data-input seperti paper tape reader, magnetic reader, RS-232-C port dan lainnya Data reading circuits dan parity-checking logic. Decoding circuits untuk pembahagian data bagi pengontrolan axis.

Control-loops unit (CLU), terdiri dari     

Suatu fungsi interpolator untuk memerintahkan perintah machinemotion antara data titik-titik bagi gerakan tool. Perangkat position-control-loops untuk semua gerakan axis (setiap axis mempunyai control-loops terpisah). Velocity-control loops, memerlukan kontrol feed. Deceleration dan backslash takeup circuits Kontrol untuk fungsi tambahan (coolant on/off, perubahan rodagigi dan spindle on/off) 9

Kode NC 









NC Program

Kontrol gerakan mesin perkakas NC diperoleh secara lengkap dengan terjemahan kode NC ke perintah mesin Kode NC dikelompokkan: Perintah untuk pengontrolan komponen mesin secara individu seperti kontrol mesin on/off, pemilihan kecepatan spindle, tukar tool, kontrol coolant on/off Perintah pengontrolan gerakan relatif benda kerja dan tool (informasi axis dan perpindahan jarak pada setiap waktu).

Semua diterjemahkan ke machinecontrol melalui sistem electromechanical control.

Execution system

Interpolator & servo control mechanism

Control logic

Linear motion

Translator

Power

Relay

Selenoid

10

5

Komponen utama mesin NC

conduit Feedback “package”

Hydraulic motor

Head

conduit

Hydraulic valve

Hydraulic pipe

leadscrew

Magnetics Control Cabinet

Table conduit

Numerical Control System Or “Director”

Bed

Hydraulic reservoir

Motor

Machine Tool

11

Klasifikasi NC 

Motion control  



Control loops  



Open loop Closed loop

Power drives   



Point to point (PTP) Continuous (contouring) path

Hydraulic Electric Pneumatic

Positioning systems  

Incremental positioning Absolute positioning 12

6

Motion control (point to point - PTP) 

Motion control PTP adalah pergeseran meja mesin atau spindle ke posisi tertentu dan pemesinan akan dimulai pada posisi tersebut.



Pada kasus drill, perlu dibuatkan lintasan pahat yang tidak mengenai benda kerja.



Setiap titik pada lintasan tersebut merupakan awal sebelum melakukan drilling (lihat gambar PTP motion control).



Beberapa kemungkinan lintasan tool untuk bergerak dari titik P ke titik Q (lihat gambar possible paths between two location)

PTP motion control

Possible paths between two location in a PTP NC system 13

Motion control (continuous path) 





Pada continuous path, kontrol mesin menggerakan dua axis atau lebih secara simultan. Pengontrolan gerakan tool bergantung pada lintasan dan bukan terfokus pada tujuan (titik) akhir. Pemotongan :  

Tool akan menyentuh benda kerja Pemotongan dan tool path berpedomankan pada bentuk yang akan dibuat

Continuous-path control

14

7

Motion control (continuous path – linear interpolation)  



 



Pemotongan slot dilakukan dari arah kiri ke kanan dengan sudut 30o, Spindle atau meja bergerak sejauh 4.330in kearah kanan, dan keatas sebesar 2.500in. Gerakan diagonal dilakukan sejauh 5.000in. Pada pemotongan ini memerlukan dua motor penggerak bergerak secara simultan dengan dua kecepatan yang berbeda. Sistem contouring control ini lebih mahal dibandingkan dengan peralatan PTP. Pengontrolan laju lintasan adalah proposional dengan jarak perpindahan (x dan y) yang disebut dengan linear interpolation. Vf adalah kecepatan gerakan, Vx dan Vy

Vx 

Vy 

x x  y 2 2

Vf

y x  y 2 2

Vf

adalah kecepatan arah x dan y. 15

Interpolasi sirkular 

NC selalu mencapai akurasi geometri bentuk komplek yang lebih baik dan harga sedikit lebih mahal dibandingkan konvensional



Interpolasi selalu menjadi timeconsuming jika dihitung secara manual.



Outer tolerance (to)

Interpolasi sirkular selalu dikelompokkan pada   



Inner tolerance (ti)

Inner tolerance Outer tolerance Total tolerance

Total tolerance (tt)

Besar tolerance selalu dibandingkan antara kurva dengan garis aktual.

16

8

Perhitungan sudut ( ) 

Inner tolerance R  ti R  ti cos  ; maka :   2 cos 1 2 R R



ti

 2



R (a) Inner-tolerance specification

Outer tolerance to

 2

cos



 2



R R ; maka :   2 cos 1 R  t0 R  t0

R (b) Outer-tolerance specification

Total tolerance cos

 2



tt

 2

R  tt R  tt ; maka :   2 cos 1 R  tt R  tt

R tt (c) Total tolerance specification

17

Perhitungan sudut 

Cara mendapatkan jumlah chord pada lingkaran atau kurva 

Dengan titik pusat a,b dan radius R, maka

P3 P2

NCHORD 

360o



(a,b)

P1 PNCHORD



Nilai integer dari jumlah chord



 360o   NCHORD*  int   adalah  Perhitungan sudut

PNCHORD-1



* 

(d) Convention for numbering chord

360o NCHORD* 18

9

Controh perhitungan sudut 

Untuk mencari koordinat pada lingkaran adalah sebagai berikut: x1 = a + R y1 = b P3

x2 = a + R cos * y2 = b + R sin * x3 = a + R cos 2* y3 = b + R sin 2*

P2

(a,b)

P1 PNCHORD PNCHORD-1

Secara umum untuk titik Pi adalah xi = a + R cos (i - 1) * yi = b + R sin (i - 1)* 19

Interpolasi lain 

Teknik mengukur interpolasi  



Teknik pengukuran interpolasi dengan nBLUs  



Chords : digunakan untuk variasi geometris (tidak tepat untuk perhitungan tolerance) nBLUs : berpedoman pada ukuran langkah atau step-size (pengukuran lebih mendekati ukuran sebenar)

Straight-line interpolation Circular interpolation

Pengukuran ini menggunakan segmen garis lurus dalam melakukan perpindahan dari satu tempat ke tempat lain secara inkremen, f (x,y,z).

20

10

Interpolasi straight-line dengan nBLUs Prosedur  Buat persamaan lintasan dari titik awal (X0,Y0) dan titik akhir (X1,Y1). Cari arah perpindahan 

Jika X1-X0>0, bergerak kearah X positip



Jika X1-X0<0, bergerak kearah X negatip



Jika X1-X0=0, tidak bergerak pada arah X



Untuk arah Y dapat dilakukan dengan cara yang sama



Dapatkan error (Ex, Ey)



Evaluasi gerakan



Update X0 dan Y0 menjadi titik acuan yang baru

Y (X1, Y1)

nBLU



Kandidat titik step pertama

Ey Kandidat titik step kedua Ex

(X0, Y0)

nBLU<X>

X Bila step-size kecil (nBLUs  0) Bila step-size meningkat, pola peningkatan “stair-case” akan mudah terlihat

21

Interpolasi circular dengan nBLUs Prosedur

2.

Cari error (Ex, Ey) dari titik nBLU ke garis tangent

3.



Jika Ex < Ey, maka teruskan ke arah X dan update titik yang ada.



Jika Ex > Ey, maka teruskan ke arah Y dan update titik yang ada.



Jika Ex = Ey, maka teruskan ke salah satu arah dan update titik yang ada.

Lingkaran yang ada

Garis tangent pada (X1,Y1)

Garis tangent pada (X0,Y0)

Evaluasi gerak dan jangan melebihi titik akhir lingkaran dan berhenti. Kalau tidak lanjutkan step 4.

4.

Gambar garis antara titik pusat dan titik selanjutnya dari axis yang dipilih.

5.

Dapatkan garis tangent pada titik dimana lingkaran dan garis dan step 4. Kemudian kembali ke step 2.

Titik mula (X0, Y0)

Ey nBLU

Pada awal titik, coba dapatkan garis tangent

nBLU

1.

Ey

nBLU<X>

Ex

nBLU<X>

(X1, Y1) = (X0+nBLU, Y0)

22

11

n Chord method (circular interpolation) n Chord Method (major circle Diameter 1 inch) (1) Inner tolerance

t = 0.05 (in)

t = 0.01 (in)

(2) Outer tolerance

t = 0.05 (in)

t = 0.01 (in)

t = 0.005 (in)

(3) nBLU Method

n = 100BLU = 0.05 (in)

n = 10BLU = 0.005 (in)

23

Interpolator timing 









P register

f

Ada dua cara untuk mendapatkan pulsa dalam interpolator

fr

Accumulator A Pulse divider

Menggunakan software dan hardware untuk membangkitkan sinyal pulsa Menggunakan timer

fr CNC

UpdownMotor Motor countercontrol

x - axis

feedback Base interupt clock x: fr y: fr

Pulsa diagram dihasilkan oleh pulsa divider. Jika menggunakan timer, nilai register juga akan digunakan untuk membagi clock frekuensinya.

Y

X

result A Pulse diagram

f

clock

Timer (p)

output

fr

N-bit wide Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsa

24

12

Interpolator timing 



Jika menggunakan timer, nilai register juga akan digunakan untuk membagi clock frekuensinya. Frekuensi output dan register value dapat diperoleh dengan

fr 

P* f 2N

P

fr * 2N f

f clock

Timer (p)

output

fr

N-bit wide Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsa

dimana: f = frekuensi input clock, Hz fr = frekuensi output N = panjang kalimat (word length), bits P = register value 25

Perhitungan jumlah pulsa Data : BLU f x y Vf N

= 0.001in. = 1 x 103Hz = 2in. = 3in. = 6in./min = 10

Solusi:

Vx 

6 2

1 2  3 0.001* 60 2

2

Vy 

63

1 2  3 0.001* 60 2

2

= 83.3BLU/s frx = 55.5 fry = 83.3

Px 

55.5  210  57 1103

Py 

83.3  210  85 1103

= 55.5BLU/s

26

13

Transduser 



Position transducer   

Digunakan pada sistem closedloop untuk feedback position Contoh di mesin NC adalah encoder, resolver, inductosyns. Semua informasi dikirim dalam sinyal elektrik





 

f

Resolver

Encoder 

Ke

Dimana: frekuensi pulsa output, pulse/s (f) dan kecepatan input angular, rpm ()





Encoder inkremen

Selalu digunakan untuk mengukur perpindahan secara angular. Ada dua jenis encoder (inkremen & absolut) Output encoder absolut berupa kode biner yang menunjukkan posisi angular poros.

Sama dengan generator AC, berfungsi sebagai perangkat analog

 

Ke

v

Dimana: voltase AC ouput (v) dan konstanta revolver (Ke)

vt   V sinwt   w0 t  0  

Inductosyns 

Selalu digunakan pada transduser linear dan juga dapat digunakan pada pengukuran rotasi.

27

Transduser Encoder 

Speed transducer 

Yang biasa digunakan adalah tachometer  

Kt

v

dimana: v = voltase output, volts  = kecepatan angular poros, rad/s Kt = konstanta tachometer, volts/rad Tachometer 28

14

Control loops Open-loops control mechanism 



Pada skema disamping, controller digunakan sebagai on-line processor dari program dan data agar dapat melaksanakan perintah spesifik untuk manipulasi mesin dan proses aktuator.

Tool Workpiece

Table

Prinsip open-loops juga berupaya menggunakan komputer sebagai manipulasi elektrik atau motor stepper elektrohidrolik untuk pengontrolan mesin perkakas

Lead screw

NC Control Logic

X

Stepping motor

Electric Pulse

29

Control loops Closed-loops control mechanism

Up-down counter



Mekanisme untuk melakukan tindakan koreksi yang membandingkan hasil data aktual dengan hasil data yang diharapkan. Pada sistem dibawah, menggambarkan sistem pengontrolan dimana pengontrol ditempatkan pada control-loop dengan mengumpulkan data dari sensor proses, menerima status referensi yang diharapkan (set point) dari operator, dan control loop diakhiri dengan perintah manipulasi yang menyebabkan perubahan spesifik dalam output proses.

DAC

comparator



Amp

DC Motor

Tacho meter

Gear box

Lead screw Encoder

Reference (desired position)

30

15

Power drives Penggerak tenaga:  



Motor stepper

Tenaga hidrolik Tenaga elektrik







Tenaga hidrolik 





Terdiri dari motor hidrolik, penggerak mula, pompa hidrolik (suplai tenaga hidrolik ke motor), motor elektrik (menggerakkan pompa), katup servo (mengontrol aliran fluida hidrolik). Biaya tinggi, bising, mudah terjadi kebocoran.

Merupakan aktuator elektromekanikal yang menterjemahkan sinyal elektrik ke sistem mekanikal yang baku. Pada gambar dibawah diilustrasikan cara kerja motor stepper untuk menggerakan kerja mekanik

Spindle Operator control

Tenaga elektrik  

Motor stepper Motor DC

Electr onic Tape andContro tape reader l unit

Cutter Workpiece

Pulses from Electronic Control unit

Motion of the table

Work table Stepping motor Ball bearing nut

High precision Lead screw

• 31

Positioning Systems Gerakan posisi seperti tergambar   



Y

Leadscrew (ACME screw thread) sebesar 20turns/in. Sistem penggerak dengan gain (g) encoder sebesar 500pulsa/rev. BLU dapat dihitung Pitch = P = 1/20thread/in. = 0.05threads/in BLU = P/g = (0.05in./rev)/ (500pulses/rev) = 0.0001in./pulse Bila kemampuan motor berputar sebesar 1300rpm, maka kecepatan gerak meja mesin (single-axis) dapat dihitung

C (45,75)

B (35,45)

75

(rpm)max = 1300rev/min Vmax = P*(rpm)max = (0.05in./rev) (1300rev./min) = 65in./min 

Lama pergerakan sejauh 2.5inchi pada kelajuan 6in./min adalah V = s/t T = s/V = (2.5in.)/(6in./min) = 0.4167min=25s



Jumlah sinyal encoder yang seharusnya kembali adalah p = s/BLU = (2.5in.)/(0.0001in./pulse) = 25,000pulses

A (20,25) 45 25

X

20



35 45

Kelajuan pulsa adalah rp = p/t = 25,000pulses/25s = 1000pulses/s

32

16