i
Sistem Spindle Utama Mesin CNC
dengan PC Base Mach 3
Oleh:
Rudi Kristianto
NIM: 612012805
Tugas Akhir
Untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Ijasah Sarjana Teknik Elektro
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA
ii
Sistem Spindle Utama Mesin CNC
dengan PC Base Mach 3
Oleh:
Rudi Kristianto
NIM: 612012805
Skripsiini telah diterima dan disahkan Sebagai salah satu persyaratan guna mencapai
SARJANA TEKNIK ELEKTRO dalam
Program Studi Teknik Elektro
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA
SALATIGA
Disahkan Oleh:
Pembimbing I Pembimbing II
Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng Tanggal : ……….
iii
INTISARI
iv
ABSTRACT
Aciera F5 is a CNC milling machine, this machine suffered damage on the control and actuator systems. The actuator system’s damages include axis actuator and spindle systems. The mechanical parts on this machine still qualified to be used, so this machine has high possibility to be repaired. Control system that is used to repair this machine is a personal computer-based control system using Mach3 software. This personal computer-based control system is easily found in the market with reasonable price. The advantage using Mach3 software is it can convert picture with specific format to be G-code command. Communication from computer to actuator drivers is using parallel port and breakout board as a safety circuit. The replaced actuator system includes spindle motor, inverter, axis actuators, and axis actuator drivers. The spindle motor is using induction motor that have lower motor rotation and motor power than the previous motor. Stepper motors are used to replace the DC servo motor as the axis actuators in order to make it more easily synchronized with Mach3 software. Mach3 software transmits command signals which are then transferred into the breakout board to be processed to be input signals for inverter and actuator drivers to .control the
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat dan bimbingan-Nya sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan dari Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Program Studi Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana.
Semua usaha yang lakukan tentu tidak akan berarti tanpa bantuan, dorongan, serta bimbingan dari berbagai pihak. dalam kesempatan ini ingin mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak dan Ibu yang telah memberikan dukungan moril dan motivasi serta kasih saying kepada kami .
2. Anak dan Istri tercinta yang telah memberikan dorongan serta motivasi tanpa henti kepada kami .
3. Bapak Dr. Iwan Setiawan, M.T, selaku Dekan Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana yang telah memberikan kesempatan kepada untuk menyelesaikan skripsi.
4. Bapak Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng., selaku pembimbing I yang telah bersedia memberikan pengarahan dan bimbingan selama melaksanakan tugas akhir.
5. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M. T. selaku pembimbing II yang telah bersedia memberikan pengarahan dan bimbingan selama melaksanakan tugas akhir.
6. Romo T. Agus Sriyono SJ, M.A, M.Hum. yang telah memberikan bantuan berupa dana selama belajar di Universitas Kristen Satya Wacana
7. Bapak Y.V. Yudha Samodra HM, ST.,M.Eng. yang telah memberikan kesempatan kepada untuk belajar di Universitas Kristen Satya Wacana
vi
Banyak pihak yang mungkin tidak disebutkan disini karena keterbatasan ruang, untuk itu mohon maaf sebesar-besarnya.
Akhir kata, menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dalam skripsi ini, oleh sebab itu kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan. Semoga an skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Salatiga, 22 September 2015
vii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... I
LEMBAR PENGESAHAN ... II
INTISARI ... III
ABSTRACT ... IV
KATA PENGANTAR ... V
DAFTAR ISI ... VII
DAFTAR GAMBAR ... IX
DAFTAR TABEL ... XI
BAB I ... 1
PENDAHULUAN ... 1
LATAR BELAKANG ... 1
1.1 RUMUSAN MASALAH ... 4
1.2 BATASAN MASALAH ... 4
1.3 TUJUAN ... 7
1.4 METODE PENGERJAAN ... 7 BAB II ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
DASAR TEORI ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
2.1 RUMUS PERHITUNGAN POWER MESIN DAN POWER MOTOR ... ERROR!
BOOKMARK NOT DEFINED.
2.2 BREAKOUT BOARD ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
2.3 MOTOR INDUKSI 3FASA ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. 2.4 INVERTER ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
2.5 SOFTWARE MACH3 ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
2.6 KOMPONEN ARUS KUAT ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
viii
2.8 POWER SUPPLY UNIT ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
BAB III ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
PERANCANGAN SISTEM... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
3.1 SISTEM SECARA KESELURUHAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
3.2 SISTEM HARDWARE ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
3.3 SISTEM SOFTWARE MACH3 ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. BAB IV ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
PENGUJIAN DAN ANALISIS ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4.1 PENGUJIAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. 4.1 ANALISA ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
BAB V ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
PENUTUP ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1 KENDALA DAN PENYELESAIAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2 KEMUNGKINAN PENGEMBANGAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. 5.3 KESIMPULAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. 5.4 KEUNGGULAN DAN KELEMAHAN ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED.
DAFTAR PUSTAKA ... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
ix
GAMBAR 2.11 FUSE DILENGKAPI DENGAN HOLDER FUSE ... 30
GAMBAR 2.12 POWER SUPPLY 24V ... 31
GAMBAR 2.13 FLOW CHART SISTEM MESIN ACIERA F5 ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. GAMBAR 3.1 MOTOR INDUKSI 3 FASA ... 34
GAMBAR 3.2 INVERTER VF-S15–4037PL-W ... 35
GAMBAR 3.3 RANGKAIAN OPTOCOUPLER UNTUK INVERTER ... 36
GAMBAR 3.4 BREAKOUT BOARD ... 38
GAMBAR 3.5 TAMPILAN INTERFACE MACH3 ... 39
GAMBAR 3.6 FILE INSTALLER MACH3 ... 39
GAMBAR 3.7 TAMPILAN AWAL INSTALLER MACH3 ... 40
GAMBAR 3.8 LICENCE AGREEMENT ... 40
GAMBAR 3.9 LETAK FOLDER PENYIMPANAN HASIL INSTALASI ... 41
GAMBAR 3.10 FITUR-FITUR MACH3 YANG DIINSTAL ... 41
GAMBAR 3.1PROFIL MACH3 YANG DAPAT DIPILIH ... 42
GAMBAR 3.11 TAMPILAN KONFIRMASI INSTALASI MACH3 ... 42
GAMBAR 3.12 INSTALASI DRIVER PARALLEL PORT ... 43
x
GAMBAR 3.14 LOAD SCREEN MACH3 ... 44
GAMBAR 3.15 FILE SCREEN THEME ... 44
GAMBAR 3.16 BUKA FILE SCREEN ... 45
GAMBAR 3.17 HASIL DARI LOAD SCREEN ... 45
GAMBAR 3.18 KONFIGURASI PORTS DAN PINS ... 46
GAMBAR 3.19 TAB KONFIGURASI MOTOR OUTPUT ... 47
GAMBAR 3.20 KONFIGURASI STEP DAN PIN MOTOR OUTPUT ... 47
GAMBAR 3.21 KONFIGURASI INPUT SIGNALS ... 47
GAMBAR 3.22 KONFIGURASI SPINDEL SETUP ... 48
GAMBAR 3.23 SETTING RASIO PULLEY... 48
GAMBAR 3.24 KONFIRMASI PERUBAHAN SETTING ... 49
GAMBAR 4.1 PERINTAH SPINDLE SEARAH ATAU BERLAWANAN ARAH JARUM JAM ... 51
GAMBAR 4.2 STRUKTUR PROGRAM ... 51
xi
DAFTAR TABEL
TABEL 1.1 KEADAAN MESIN YANG DIPERBAIKI ... 6
TABEL 1.2SPESIFIKASI KOMPUTER ... 7
TABEL 2.1PENJELASAN G-CODE ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. TABEL 3.1SPESIFIKASI INVERTER VF-S15–4037PL-W ... ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED. TABEL 3.2PARAMETER SETTING INVERTER ... 37
TABEL 4.1KONFIGURASI PIN PARALLEL PORT YANG DIGUNAKAN ... 52
TABEL 4.2HASIL PENGUJIAN OUTPUT TEGANGAN PARALLEL PORT ... 53
TABEL 4.3HASIL PENGUJIAN OUTPUT FREKUENSI UNTUK MOTOR SPINDEL ... 53
TABEL 4.4HASIL PENGUJIAN KECEPATAN PUTAR MOTOR INDUKSI DAN PUTARAN HORISONTAL SPINDEL YANG DIDAPAT ... 55
TABEL 4.5HASIL PENGUJIAN KECEPATAN PUTAR MOTOR INDUKSI DAN PUTARAN VERTICAL SPINDEL YANG DIDAPAT ... 55
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Saat ini kebutuhan akan tenaga ahli dalam hal pengoperasian, perawatan dan perbaikan serta retrofiting terutama mesin CNC masih belum banyak terpenuhi, sedangkan di Indonesia, kebutuhan akan tenaga ahli dalam hal tersebut semakin meningkat tiap tahunnya. Hal ini menuntut lembaga pendidikan untuk menghasilkan lulusan-lulusan baru dengan kualitas dan kuantitas yang dapat memenuhi permintaan industri. Seiring dengan peningkatan tersebut, dibutuhkan pula penambahan kuantitas mesin untuk sarana pendidikan.
Pengadaan sarana dan prasarana untuk memenuhi kebutuhan praktek maupun kebutuhan produksi tentu membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Oleh sebab itu, banyak pelaku usaha maupun lembaga pendidikan yang memilih untuk mencari alternatif lain untuk memenuhi kebutuhan mesin produksinya. Salah satu alternatif yang banyak diminati adalah me-retrofit mesin CNC yang memiliki kontrol yang rusak atau tidak dapat berfungsi mengganti dengan sistem kontrol yang lebih baru dan menghidupkan mesin tersebut supaya dapat dipergunakan kembali.
Studi kasus yang dilaksanakan di Politeknik ATMI Surakarta menunjukan bahwa biaya yang diperlukan untuk perbaikan mesin lama, tidak mencapai seperempat biaya yang dibutuhkan untuk mengadakan sebuah mesin baru. Politeknik ATMI surakarta memiliki mesin CNC yang rusak secara sistem dan elektronik , tetapi dalam sistem mekaniknya masih bagus. Dalam hal ini kami akan melakukan retrofiting mesin Aciera F5 CNC 3000 untuk bagian main spindle serta mengganti controller dengan control baru yang berbasis PC dengan menggunakan
software Mach3. Biaya yang dikeluarkan tidak begitu banyak jika dibandingkan
dengan membeli mesin baru, dengan cara mengganti motor untuk main spindle dan
2 Gambar 1.1 Mesin F5 , Aciera
Salah satu rancangan main spindle yang akan dilakukan adalah mengganti motor yang lama dengan motor type yang baru dengan motor induksi 3 phase serta dengan pengendali putaran menggunakan fungsi inverter. Controller juga akan kita ganti dengan controller berbasis PC menggunakan software Mach3, hal ini disebabkan biaya dari controller tersebut murah dengan kapasitas serta kemampuan yang tidak kalah dengan controller mesin industri pada umumnya, Mesin Milling
CNC merupakan suatu mesin yang dimana fungsi utamanya meliputi main spindle
serta axis atau penggerak lainnya , serta yang tidak kalah utama yaitu system
3 Gambar 1.2 bagian main spindle
Mesin CNC Politeknik ATMI Surakarta yang mengalami kerusakan secara sistem dan elektronika , tetapi secara fungsi mekanik masih bagus. Baik secara pengoperasian, perawatan dan perbaikan mesin CNC belum banyak dilakukan. Khususnya di politeknik ATMI surakarta. Kondisi tersebut menuntut lembaga pendidikan untuk menghasilkan lulusan baru dengan kualitas dan kuantitas yang dapat memenuhi permintaan industri. Sehingga lembaga pendidikan perlu untuk menambahkan kuantitas mesin CNC untuk sarana belajar mengajar seiring dengan peningkatan tersebut.
Pengadaan sarana dan prasarana untuk memenuhi kebutuhan praktek maupun kebutuhan produksi membutuhkan biaya cukup besar. Oleh sebab itu, politeknikATMI surakarta memilih untuk mencari alternatif lain untuk memenuhi kebutuhan mesin cnc milling sebagai sarana proses pembelajaran mahasiswa. Salah satu alternatif yang banyak diminati adalah memperbaiki mesin dengan sistem mekanik yang masih bagus tetapi sistem yang lama dan rusak diganti dengan teknologi yang lebih baru serta memadai.
4 Mesin CNC Aciera F5 merupakan mesin milling CNC yang mengalami kerusakan pada sistem kendali dan sistem penggeraknya. Sistem kendali sebelumnya menggunakan Siemens Sinumerik FMNC NCU570.2. Sistem penggerak yang meliputi motor servo DC dan motor spindel mengalami kerusakan sehingga mesin tidak dapat digunakan untuk pembelajaran.
Bagian mekanik unit mesin Aciera F5 tersebut masih memenuhi syarat untuk digunakan karena konstruksi mesin masih bagus walau usia mesin sudah tua. Berdasarkan alasan ini, mesin CNC Aciera F5 tersebut sangat memungkinkan untuk dilakukan tindakan perbaikan.
1.2 Rumusan Masalah
Berikut rumusan-rumusan masalah yang ada :
1.2.1 Kurangnya kuantitas mesin CNC untuk mendukung pertumbuhan tenaga-tenaga ahli dalam hal pengoperasian, perawatan dan perbaikan mesin CNC
1.2.2 Pengadaan mesin CNC baru lebih mahal daripada memperbaiki mesin CNC yang rusak
1.3 Batasan Masalah
Dalam proses pembuatan skripsi ini diperlukan adanya batasan-batasan masalah, supaya konsep yang diberikan sesuai dengan kebutuhan dan tetap fokus dalam satu permasalahan. Berikut batasan-batasan yang berikan :
1.3.1 Pembahasan hanya menjelaskan mengenai bagian spindle utama pada mesin aciera F5
1.3.2 Mengganti bagian dudukan mekanik pada motor spindlenya
1.3.3 Pengendali mesin milling CNC yang dipakai berupa pengendali berbasis komputer personal dengan software Mach3.
1.3.4 Pergerakan yang dapat dilakukan oleh mesin dengan pengendali pada spindle utama diganti dengan motor induksi 3 phase serta inverter sebagai variable speed
5 1.3.5 Keadaan mesin yang akan diperbaiki yaitu :
6 Daya motor 3 Watt
Hidrolik Maagtec
hnic
Tekanan 80 bar
Motor
induksi 3 fasa
Tegangan
input 380V
Putaran motor maksimum
2800 rpm Cos φ motor 0,77 Arus
nominal motor
0,73A
7 1.3.6 Mesin milling CNC yang diperbaiki untuk spindle horizontal 2000rpm dan pada
spinlde vertical 1500rpm
1.3.7 Komunikasi dari komputer ke mesin menggunakan USB. 1.3.8 Spesifikasi komputer yang digunakan :
Operating System Windows XP 32bit
CPU 1 GHz
Memori 512 MB
VGA 32MB RAM
Tabel 1.2 Spesifikasi Komputer
1.4 Tujuan
Tujuan dalam pembuatan Skripsiini adalah:
1.4.1 Rebuilding / retrofit mesin lama dengan pengendali baru berbasis komputer personal untuk menghemat biaya dibanding dengan pembelian mesin CNC baru. 1.4.2 Menambah jumlah mesin CNC yang bisa digunakan mahasiswa untuk praktek atau
produksi.
1.4.3 Menambah pengalaman dalam hal perbaikan mesin CNC.
1.5 Metode Pengerjaan
Pada bab ini akan dijelaskan beberapa metode dalam pengerjaan skripsidengan judul “Sistem Spindle Utama Mesin CNC dengan PC Base Mach 3”. Berikut adalah metode yang gunakan untuk menyelesaikan tugas akhir.
1.5.1 Perencanaan Kerja
Dalam metode perencanaan kerja ini terdapat beberapa tahapan yang dilaksanakan sebagai berikut.
1.5.1.1 Tahap Pencarian Data
8 Mesin Aciera F5 yang menjadi obyek penelitian dalam skripsiini sudah pernah mengalami perbaikan. Mesin tersebut diperbaiki karena adanya kerusakan pada sistem kendali dan tidak berfungsinya encoder yang digunakan sebagai
feedback untuk mengetahui kerja dari motor sumbu dan spindel.
PT CNC Indonesia telah melakukan perbaikan yang pertama dengan mengganti pengendali utamanya menjadi CNC Control Type LNC controller yang dilaksanakan pada tahun 2007. Perusahaan tersebut melakukan commissioning dan PT CNC Indonesia tidak berhasil dalam retrofit tersebut.
Dalam skripsiyang berjudul “Sistem Spindle Utama Mesin CNC dengan PC
Base Mach 3” ini, perbaikan mesin akan dilakukan dengan mengganti motor
spindel, dan sistem kendali mesin dengan berbasis komputer personal.
1.5.1.2 Penelitian dan Pemilihan Komponen
Dalam pemilihan komponen untuk penggerak sumbu, memilih menggunakan motor induksi 3 phase sebagai penggeraknya. Motor induksi 3 phase dipilih karena cocok dengan software Mach3 sebagai kendali berbasis komputer personal. Disamping itu, harga motor induksi 3 phase juga lebih murah dibandingkan dengan motor servo spindle.
9
1.5.1.3 Perancangan Rangkaian Arus Kuat
Membuat rangkaian arus kuat yang digunakan untuk mengendalikan aktuator beserta pengaman untuk rangkaian aktuator. Pemilihan komponen berdasarkan pada perhitungan komponen arus kuat. Perhitungan komponen arus kuat ditentukan melalui spesifikasi aktuator yang sudah ditentukan dari awal.
1.5.1.4 Perancangan Panel Box
Membuat rancangan panel box yang digunakan untuk tempat peletakan rangkaian pengendali arus kuat dan arus lemah. Terdapat rangkaian breakout
board, wiring mesin dan rangkaian pengaman. Perancangan layout letak komponen
juga diperlukan agar semua komponen yang digunakan untuk rangkaian kendali dapat semua masuk ke dalam panel box dengan susunan yang rapi.
1.5.1.5 Perancangan Dudukan Motor
Membuat rancangan dudukan motor sebagai tempat diletakkannya motor atau aktuator sesuai dengan ukuran motor dan tempat yang tersedia pada mesin. Untuk dudukan motor, sudah tersedia dari kerangka dudukan motor yang terdahulu, dan perlu sedikit modifikasi untuk dapat digunakan.
1.5.1.6 Mencoba Komunikasi Antara Sistem Pengendali dengan Motor Tanpa Beban
Sistem kendali berupa komputer personal yang akan digunakan untuk mengendalikan aktuator yang berada di mesin. Sebelum menuju ke mesin, sinyal pengendali melewati breakout board yang berfungsi sebagai pengaman. Bila terjadi sesuatu yang salah pada mesin/aktuator tidak akan merusak sistem kendalinya.
10
1.5.1.7 Pemasangan Motor Spindel
Pemasangan motor dapat dilakukan setelah dudukan motor selesai dibuat, tentu saja dengan memperhitungkan penyesuaian-penyesuaian yang ada seperti transmisi yang digunakan.
1.5.1.8 Penggabungan Total
Penggabungan total dilakukan dengan menghubungkan antara komputer pengendali, aktuator pada mesin, rangkaian pengendali serta rangkaian pengaman yang sudah ada pada panel box sedemikian rupa sehingga dapat berfungsi sebagaimana mestinya.
1.5.1.9 Trial dan Cek Ulang
Memastikan mesin berjalan dengan lancar dan melakukan cek ulang apakah bagian aktuator sudah berjalan seperti apa yang diperintahkan oleh sistem pengendali. Pengujian diawali dengan mencoba mengkomunikasikan antara perintah dari komputer ke mesin. Bagian pertama yaitu mencoba memutar motor induksi, mengukur kecepatan putar motor induksi dan membandingkannya dengan kecepatan putar spindel mesin. Jika terjadi selisih putaran yang besar antara motor induksi dengan spindel mesin, maka dilakukan parameterisasi kembali sampai putaran mendekati sama.
