BAB III PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN

(1)

22

BAB III

PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN

3. 1 Diagram Alir Proses Perancangan Konstruksi

Pada perancangan suatu produk hendaknya mempunyai suatu konsep perencanaan, agar produk dapat terorganisir dengan baik. Berikut adalah diagram perencanaan tugas akhir ini, seperti dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Perencanaan

Studi Literatur

Penentuan Parameter

- Bahan benda kerja ialah styrofoam dan tanah liat - Dimensi ~,150,100 (x,y,z) dalam cm

Perancangan Desain

Sesuai Parameter?

Pembelian Bahan Dan Pembuatan Komponen Mekananik

DED (Detail Engineering Drawing)

1 2

Ya Tidak

Mulai

commit to user commit to user

(2)

Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Perencanaan (lanjutan)

3. 2 Prinsip Kerja Alat

Mesin Computer Numerical Control (CNC) adalah mesin perkakas otomatis yang dapat diprogram secara numerik melalui komputer yang kemudian disimpan pada media penyimpanan. Mesin CNC terdiri dari beberapa sumbu gerak dimana setiap sumbu tersebut digerakkan oleh motor. Alat kerja dari mesin CNC dapat berupa bor, pemotong, atau pemahat. Mesin CNC biasanya digunakan di industri manufaktur yang menghasilkan produk dengan tingkat ketelitian yang tinggi. Oleh karena itu, dibutuhkan keakuratan dan kestabilan posisi alat kerja mesin CNC saat pembentukan kontur. Sesuai dengan bahasan yang diambil, berikut adalah drawing mesin PC Based CNC Milling yang sudah ada dan sketsa desain mesin PC Based

Assembly 1

Uji Produk

Evaluasi:

- Eror Max 5%

2 Ya

Laporan dan Produk

Finish

(3)

CNC Milling Portabel. Grand design rancangan atau inovasi yang akan dilakukan dapat dilihat Gambar 3.2 berikut.

Gambar 3.2 Konsep Mesin PC Based CNC

Berdasarkan dimensi kerja yang dimiliki, mesin ini memiliki spesifikasi kerja seperti:

Dimensions (L x W x H) : 150 x 80 x 144 cm Dimensi Benda Kerja (X, Y, Z) : ∞ x 150 x 100 cm

3. 3 Komponen Mesin PC Based CNC Milling

Grand Desain Mesin PC Based CNC Milling berikut juga komponen komponen secara garis besarnya adalah sebagai berikut:

(4)

Gambar 3.3 Grand desain mesin PC based CNC milling

Gambar 3.3 merupakan gambar desain mesinnya saja, sedang komponen terpisah Mesin PC Based CNC lain diuraikan sebagai berikut:

1. PC Based CNC yang Terintegrasi Software Artsoft Mach3

PC Based CNC adalah mesin perkakas dengan sistem pemrograman CNC (Computer Numerical Control), yang menggunakan software yang ter-install pada PC (Personal Computer) sebagai kontrolernya.

Spesifikasi PC bisa dilihat pada Gambar 3.4 berikut.

Panel

Box Komponen

Sumbu Z

Komponen Sumbu Y Motor

Stepper

Komponen Sumbu X Lampu

Indikator

(5)

Gambar 3.4 PC Based CNC

Spesifikasi PC daripada mesin ini adalah:

Operating System : Windows 7 Ultimate System Manufacture : HP

Processor : Intel (R) Pentium (R) CPU G400 @ 3.30 Hz Memory : 4096 MB RAM

Artsoft Mach3

Mach3 adalah software yang bisa mengubah komputer dekstop menjadi sebuah piranti kontroller mesin CNC. Mach3 sangat kaya fitur dan memberikan nilai yang besar bagi dunia Industri yang membutuhkan membutuhkan paket kontrol CNC. Mach3 bekerja pada PC Windows untuk mengendalikan gerakan motor (stepper & servo) dengan mengolah G-Code. Mach3 dapat mentransformasi gambar-gambar menjadi G-Code yang kemudian digunakan sebagai pengendali mesin. Bukan hanya milling dan bubut, Mach3 juga bisa dikembangkan untuk beberapa mesin CNC yang lainnya, seperti : Plasma cutting CNC, EDM Wire Cut, Water Jet, dan Laser. Mach3 memiliki fitur penambah program (VBscript) yang memungkinkan untuk menambahkan kefungsian khusus seperti : ATC (Automatic Tool Changer). Halaman muka aplikasi Artsoft Mach3 dapat dilihat pada Gambar 3.5 berikut.

(6)

Gambar 3.5 Tampilan Software Mach3 2. Power Panel

Power panel adalah panel listrik utama yang ada dalam mesin, atau merupakan salah satu perangkat yang berfungsi membagi, menyalurkan dan mendistribusikan tenaga listrik dari sumber/pusat listrik ke pemakai/tujuan yang utama, seperti yang tertera pada Gambar 3.6 berikut.

Gambar 3.6Power Panel 3. Panel Box

Panel Box merupakan sebuah box yang di dalamnya terdapat panel panel listrik. Bentuk panel box pada mesin PC Based CNC Milling dapat dilihat pada Gambar 3.7. commit to user commit to user

(7)

Gambar 3.7 Panel Box 4. Lampu Indikator

Lampu indikator merupakan komponen mesin yang di dalamnya terdapat komponen-komponen lampu dengan variasi warna, yang digunakan sebagai tanda sebuah proses. Lampu indikator mesin PC Based CNC Milling dapat dilihat pada Gambar 3.8 berikut.

Gambar 3.8 Indikator lamp 5. Komponen Penggerak dan Motor Stepper

Komponen penggerak adalah salah satu komponen sistem pemindah tenaga. Bentuk atau penampang komponen ini dapat dilihat pada Gambar 3.9 dan Gambar 3.10.

(8)

Gambar 3.9 Komponen penggerak mesin

Gambar 3.10 Motor stepper

Mesin PC Based CNC Milling ini menggunakan 2 jenis Motor Stepper sebagai penggerak pada ketiga sumbunya. Pada sumbu X dan Z menggunakan Motor Stepper jenis 34HS, sedang untuk sumbu Y menggunakan Motor Stepper jenis 23HS.

Spesifikasi Motor Stepper model 34HS adalah sebagai berikut:

Step Accuracy---±5%

Temperature Rise---80℃ Max.

Ambient Temperature Range--- -20℃~+50℃

Insulation Resistance---100MΩ Min.50V DC Dielectric Strength---500V AC 1minute Holding Torque ---13Nm

Spesifikasi Motor Stepper model 23HS adalah sebagai berikut:

Step Accuracy---±5% commit to user commit to user

(9)

Temperature Rise---80℃ Max.

Ambient Temperature Range--- -20℃~+50℃

Insulation Resistance---100MΩ Min.50V DC Dielectric Strength---500V AC 1minute Holding Torque ---1,9Nm

6. Spindel dan Pahat

Spindle adalah alat pemegang cutting tool untuk melakukan proses. Spindle dapat di putar sesuai dengan yang di inginkan, namun kecepatan putarnya maksimal sesuai dengan spesifikasi dari motor spindle yang digunakan. Spindel yang digunakan dalam mesin PC Based CNC Milling ini dapat dilihat pada Gambar 3.11 berikut.

Gambar 3.11 Spindle Spesifikasi Spindel:

Model Name : Modern M-2700 Voltage : 220V

Frequency : 50-60 Hz Power : 440 W Spindle Speed : 30000 rpm Current : 2.1 A

(10)

Pahat merupakan bagian dari cutting tool yang digunakan untuk membentuk proses machining. Pahat yang digunakan pada PC Based CNC dalah pahat end mill dengan spesifikasi Model: 103-053 (straight bits two flutes) Size: ¼ x 12 mm, dapat dilihat pada Gambar 3.12 berikut.

Gambar 3.12 Pahat PC Based CNC 7. Komponen kelistrikan

Komponen kelistrikan lain yang digunakan dalam mesin, dapat dilihat pada Gambar 3.13 berikut.

Gambar 3.13 Komponen kelistrikan commit to user

commit to user

(11)

8. Rangka

Merupakan komponen yang digunakan sebagai penopang utama, supaya mesin dapat bergerak dengan baik. Berikut adalah sketsa ranga mesn PC Based CNC Millling Portabel. Rangka mesin dapat dilihat pada Gambar 3.14 berikut.

Gambar 3.14 Desain 2D rangka Mesin PC Based CNC Milling

3. 4 Perancangan Produk

Persyaratan dalam perancangan sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan antara lain:

1. Hemat ruang.

2. Dimensi kerja tidak berkurang terlalu banyak.

3. Konstruksi kuat dan stabil, fokus pada desain poros sumbu X 4. Mudah perawatannya.

5. Maksimal error 5%

3. 5 Desain Produk

Berikut adalah hasil desain daripada produk, sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan dengan tahapan perancanaan, seperti dapat dilihat pada Gambar 3.15.

(12)

Gambar 3.15 Desain Produk Jadi Mesin PC Based CNC Milling

3. 6 Desain Poros

Terdapat 3 poros penggerak dalam produk ini. Pada poros sumbu X, menggunakan poros transmisi baja pejal, sedang untuk sumbu Y dan Z menggunakan poros ulir. Pembahasan hanya dilakukan pada poros sumbu X, dikarenakan pada sumbu Y dan Z pembebanan sudah ditopang bearing pada rumah lengan. Maka, kita fokuskan desain poros yang ada di poros sumbu X saja.

Desain Poros Sumbu X (Poros pejal) dapat dilihat pada Gambar 3.16.

Gambar 3.16 Komponen poros Sumbu X Diketahui:

o Pembebanan sumbu X Komponen sumbu X

- Rangka sumbu X = 23 Kg - Panel Box dan lampu indicator = 17 Kg - Motor Stepper sumbu X = 5 Kg - Motor stepper sumbu Y = 3 Kg - Motor stepper sumbu x commit to user commit to user = 5 Kg

(13)

- Komponen sumbu Y = 14 Kg - Komponen Sumbu Z = 10 Kg

- Total = 77 Kg

o Torsi motor = 13 Nm o N max normal = 400 rpm

o V = 10.000mm/min = 0,167 m/s o μ (wood-steel) = 0,6

o r sprocket motor = 17 mm = 0,017 m o r sprocket poros = 17 mm = 0,017 m o D roda poros = 60 mm = 0,060 m o m 1 rantai = 17,82 gram = 0,018 Kg o m total (29) rantai = 516 gram = 0,516 Kg o m rantai (1 m) = 1500 gram = 1,5 Kg o m sprocket = 30,6 gram = 0,030 Kg o Percepatan gravitasi = 9,8 m/s² o Bahan poros adalah baja pejal ST37 = 𝜏 = 148 MPa

= σ = 250 MPa Perhitungan

a. Daya yang dibutuhkan

Perhitungan daya yang dibutuhkan atau daya rencana yang ada adalah seperti tertera pada rumus 2.10 dengan rincian sbagai berikut:

𝑷𝒅 = 𝒇𝒄 × 𝑷 Di mana:

Pd = daya rencana (kW) fc = faktor koreksi P = Ft x V (kW)

dengan P merupakan daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mesin 𝑷 = 𝑭𝒕 × 𝒗

Di mana:

P = daya yang dibutuhkan (kW) Ft = Gaya total (N)

(14)

Berikut adalah diagram analisis gaya dapat dilihat pada Gambar 3.17 berikut.

Gambar 3.17 Analisis gaya Di mana:

W = Berat beban (Newton) Facc = Gaya akselerasi (Newton)

Frs = Gaya reaksi gesekan roda dengan lintasan (Newton) Maka gaya total yang didapatkan adalah sebagai berikut.

𝑭𝒕 = 𝑭𝒂𝒄𝒄 + 𝑭𝒓𝒔 𝑭𝒂𝒄𝒄 = 𝒎𝒂

𝒂 =

^{𝑽𝒕−𝑽𝒐}

𝒕

𝑎 =

^0,167−0

1

=

0,167 m/s² (kecepatan ijin) 𝒎 = 77 𝑘𝑔

𝑭𝒂𝒄𝒄 = 𝒎𝒂 = 𝟕𝟕 𝒌𝒈 × 𝟎, 𝟏𝟔𝟕 𝒎/𝒔^𝟐 𝑭𝒂𝒄𝒄 = 𝟏𝟐, 𝟖𝟓𝟗 𝑵

𝐹𝑟𝑠 = 𝑁 𝜇 𝑁 = 𝑊 𝑁 = 770 𝑁

𝐹𝑟𝑠 = 𝑁 𝜇 = 770 𝑁 × 0,6 = 𝟒𝟔𝟐 𝑵 𝑭𝒕 = 𝑭𝒂𝒄𝒄 + 𝑭𝒓𝒔

= 𝟏𝟐, 𝟖𝟓 + 𝟒𝟔𝟐 = 𝟒𝟕𝟒, 𝟖𝟓 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

Facc W

Frs

(15)

𝑷 = 𝑭𝒕 × 𝒗

= 𝟒𝟕𝟒, 𝟖𝟓 × 𝟎, 𝟏𝟔𝟕 (v dari kecepatan maksimal) = 𝟕𝟗, 𝟑𝟎 watt

𝑷𝒅 = 𝒇𝒄 × 𝑷

= 𝟏, 𝟓 × 𝟕𝟕, 𝟕𝟗 𝒘𝒂𝒕𝒕 (diambil faktor koreksi untuk daya normal) = 𝟏𝟏𝟗, 𝟗𝟓 watt

Jadi, daya minimal yang harus kita pakai adalah sebesar 118,95 watt.

b. Daya motor

Dalam motor stepper tidak ada spesifikasi daya, yang ada hanya Holding Torque atau kekuatan pegangan. Jadi dalam pemilihan motor bisa dikonversikan dari data torsi yang didapatkan. Permisalan ada motor dengan kekuatan holding torque sebesar 13 Nm maka bisa dihitung:

𝑇 = 𝑃. 60 2𝜋. 𝑛

Di mana data yang kita dapatkan:

Holding Torque = 13 Nm

N normal yang dipakai motor stepper = 400 rpm 𝑻 = 𝑷. 𝟔𝟎

𝟐𝝅. 𝒏 𝑷 = 𝑻 𝟐𝝅 𝒏

𝟔𝟎

𝑷 = 𝟏𝟑 × 𝟐 𝝅 × 𝟒𝟎𝟎 𝟔𝟎

𝑷 = 𝟓𝟒𝟓 𝒘𝒂𝒕𝒕

Untuk daya kebutuhan minimal adalah 118,95 watt dan dipakai motor stepper dengan spesifikasi Holding Torque sebesar 13 Nm, maka motor aman, karena spesifikasi motor dengan Holding Torque sebesar 13Nm adalah 545 watt.

Penampang vertical

Berikut adalah penampang vertikal dari poros, seperti terlihat pada Gambar 3.18 di bawah ini.

(16)

Gambar 3.18 Poros sumbu X penampang vertikal

Selanjutnya dianalisis distribusi gaya yang ada, bisa dilihat pada Gambar 3.

19

^berikut.

Gambar 3. 19 Distribusi gaya penampang vertikal c. Perhitungan gaya pada sistem transmisi

• Penampang horizontal 𝐹𝑡 =𝑃

𝑉

𝑃 = Power rata-rata = 545 watt

𝑉 = Velocity =

𝑣 =𝜋 𝐷1 𝑁

60 = 𝜋 × 0,034 × 500

60 =

= 42,74

60 = 0,89 𝑚/𝑠 𝑃

𝑉 = 545 0,89 𝑃

𝑉 = 611 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛

Arah gaya

Rangka

0,350 m 0,477 m

Frad+WRantai+WSprocket Rangka A1

A2

B C1

C2

(17)

• Penampang Vertikal

Sentripetal rantai = 𝑚𝑣²

= 1,5 × 0,89²

= 1,5 × 4,58

= 1,18 Newton Gaya berat rantai dan gaya berat sprocket

Rantai = 0,516 Kg

Wrantai = 𝒇 × 𝒈

= 𝟎, 𝟓𝟏𝟔 × 𝟗, 𝟖

= 5,057 N

Sprocket = 0,03 Kg

Wsprocket = 𝒇 × 𝒈

= 𝟎, 𝟎𝟑𝟎 × 𝟗, 𝟖

= 0,294 N

Total = Fsentripetal+ Frantai + Fsprocket

= 1,18 N + 5,057 N + 0,294 N

= 11,221 N = 6,53 Newton

Pembebanan rangka = Berat total x percepatan gravitasi

= 77 × 9,8

= 754,6 Newton

Pada tiap penumpu = 754,7/2 = 377,3 N

d. Mencari Gaya dan Momen yang bekerja pada penampang vertikal Gaya = FA1 + FB + FC1 = FA2 + FC2

= 377,3 + 6,53 + 377,3 = FA2 + FC2

Momen =

𝛴𝑀𝐴 = 0

𝛴𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 + 𝑀𝐶1 − 𝑀𝐶2 0 = 𝐹𝐵 × 𝑟 + 𝐹𝐶1 × 𝑟 − 𝐹𝐶2 × 𝑟

0 = 6,53 × 0,477 + 377,3 × 0,827 − 𝐹𝐶2 × 0,827 0 = 3,11 + 312,02 − 𝐹𝐶2 × 0,827

315,13 = 𝐹𝐶2 × 0,827 381,05 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 = 𝐹𝐶2

(18)

= 378,9 Newton = FA2

Statika Struktur Titik b

SFD = FA2-FA1

= 378,9 -377,3

= 2,6 Newton BMD = MA2-MA1

= 378,9 x 0,477-377,3 x 0,477

= 180,74 – 179,97 = 0,76 Nm Titik c

SFD = FA2-FA1- FB

= 378,9 -377,3- 6,53

= -4,93 Newton BMD = MA2-MA1-MB

= 378,9 x 0,827 - 377,3 x 0,827 – 6,53x 0,350

= 313,7 – 312,02 – 2,29 = 0 Nm Diagram Hasil

Berikut adalah diagram distribusi gaya, SFD, dan BMD penampang vertikal, seperti pada Gambar 3.20.

Gambar 3.20 Distribusi gaya, SFD, dan BMD penampang vertikal Penampang horizontal

377,3 N

0,350 m 0,477 m

6,53 N 377,3 N

A1

A2

B C1

C2

381,05 N 378,9 N

2,6 N

-4,93 N

0,76 Nm

(19)

Gambar 3.21 Penampang poros pandangan atas

Setelah diketahu gambar penampangnya, dilakukan analisis distribusi gaya.

Berikut adalah diagram distribus gaya penampang horizontal pada Gambar 3.22 berikut.

Gambar 3.22 Diagram distribusi gaya penampang horizontal

ΣFx = 611 𝑁

e. Mencari Gaya dan Momen yang bekerja pada penampang horizontal Gaya = FB = FA + FC

= 611 N = FA+ FC

Momen =

𝛴𝑀𝐴 = 0

𝛴𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 + 𝑀𝐶 0 = 𝐹𝐵 × 𝑟 + 𝐹𝐶 × 𝑟

0 = 611 × 0,477 + 𝐹𝐶 × 0,827 0 = 291,5 − 𝐹𝐶 × 0,827

291,5 = 𝐹𝐶 × 0,827 352,4 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 = 𝐹𝐶

=611 = FA + FC

= 611 = FA + 352,4

= 258,6 = F

0,350 m 0,477 m

ΣFx

A

B

C

Arah gaya

(20)

Statika Struktur Titik b

SFD = FA

= 258,6 Newton BMD = MA

= FA x r

= 258,6 x 0,477

= 123,35 Nm Titik c

SFD = FA- FB

= 258,6– 611

= -352,4 Newton BMD = MA - MB

= FA x r - FB x r

= 258,6 x 0,83– 611 x 0,35

= 214 – 214= 0 Diagram Hasil

Dihasilkan diagram Distribusi gaya, SFD, dan BMD penampang horizontal seperti pada gambar Gambar 3.23 berikut.

0,350 m 0,477 m

611 N

A

B

C

352,4 N 258,6 N

258,6 N

-352,4 N

123,35 Nm

(21)

Gambar 3.23 Distribusi gaya, SFD, dan BMD penampang horizontal Momen Resultan

𝑀𝑟𝑒𝑠 = √𝑀𝑏𝑣²+ 𝑀𝑏ℎ² 𝑀𝑟𝑒𝑠 = √0,76²+ 123,35² 𝑀𝑟𝑒𝑠 = √15215,8001 𝑀𝑟𝑒𝑠 = 123,35 𝑁𝑚

Diagram yang dihasilkan dapat dilihat pada gambar 3.25 berikut.

Gambar 3.24 Diagram momen resultan f. Mencari diameter poros melalui 2 jenis rumus pembebanan

- Torsi Equivalen 𝑇𝑒 = √𝑇²+ 𝑀²

𝑇𝑒 = √13000² + 123350² 𝑇𝑒 = 124003 𝑁𝑚𝑚 - Momen Equivalen

𝑀𝑒 =1

2(𝑀 + √𝑀² + 𝑇²) 𝑀𝑒 =1

2(𝑀 + 𝑇𝑒) 𝑀𝑒 =1

2(123350 + 124003) 𝑀𝑒 = 123691,6 𝑁𝑚𝑚 - Diameter Poros

a. Berdasarkan nilai Te 𝑇𝑒 = 𝜋

16× 𝜏 × 𝑑³ 124003 =3,14

16 × 148 × 𝑑³ 𝑑 = 𝟏𝟔 mm

b. Berdasarkan nilai Me 𝑀𝑒 = 𝜋

32× 𝜎 × 𝑑³

123,35 Nm

(22)

123691,6 =3,14

32 × 257 × 𝑑³ 𝑑 = 𝟏𝟔 mm

(23)

44 commit to user commit to user