1

BAB II

DASAR TEORI

Retrofit mesin CNC diperlukan banyak penelitian dan analisa tentang bagian-

bagian dari keseluruhan mesin. Maka dari itu, diperlukan beberapa materi yang

mendukung penelitian dan analisa yang akan lakukan.

2.1 Rumus Perhitungan Power Mesin dan Power Motor

Penentuan motor yang digunakan untuk sebuah mesin terutama mesin CNC,

diperlukan perhitungan-perhitungan mengenai daya mesin sebelum memilih motor.

Adapun perhitungan yang harus dilakukan untuk menentukan besarnya power

mesin dan power motor yang dijadikan refrensi dalam pemilihan motor untuk

perbaikan mesin CNC. Berikut pembahasan tentang rumus perhitungannya.

2.1.1 Rumus Perhitungan Daya Pada Umumnya

Perhitungan dari nilai Daya (P) nilainya sebanding dengan nilai Usaha (W)

dan berbanding terbalik dengan nilai Waktu (t). Dari pengertian tersebut dapat

dituliskan rumus:

� = �� ..........(1)

Dengan:

P = Daya (watt)

W = Usaha (J)

t = Waktu (s)

Sedangkan perhitungan dari nilai Usaha (W) nilainya sebanding dengan nilai

Gaya (F) dan berbanding terbalik dengan nilai dari Jarak yang ditempuh (s). Dari

pengertian tersebut dapat dituliskan rumus:

� = � × � ..........(2)

Dengan :

W = Usaha (J)

F = Gaya (N)

s = Jarak (m)

Dari persamaan (1)dan persamaan (2) maka dapat ditemukan persamaan baru:

2

� = � ..........(3)

Sedangkan persamaan kecepatan, nilai Kecepatan (v) sebanding dengan nilai

Jarak (s) dan berbanding terbalik dengan nilai Waktu (t). Dari persamaan tersebut

dapat dituliskan rumus:

� = � ..........(4)

Dari persamaan (3) dan persamaan (4) maka dapat ditemukan persamaan

baru:

� = � × �..........(5)

2.1.2 Perhitungan Power Motor Stepper pada Mesin Milling

P �� = ��� × � × ℎ���� × ��1.1 × �

η × 6120

Dengan:

Pmot = Power motor

Zie = Jumlah gigi yang memotong pad benda kerja pada waktu yang

sama.

b = Tinggi cutter yang bersinggungan dengan benda kerja (mm)

hm1-z = tebal chip rata-rata terhadap jenis dari material

Ks.1.1 = specific cuttuingforce, tergantung dari jenis material

berdasarkan pada lampiran

v = kecepatan potong (m/min)

η = efisiensi mesin (%), besar efisiensi yang sering dipakai η = 0,7 (70%)

Perhitungan jumlah Zie :

��� = �× !"#°

, dalam jumlah

Dengan :

z = jumlah gigi pada cutter (jumlah)

φs = besarnya sudut dari cutter bersentuhan/bersinggungan dengan

benda kerja (°)

3

Perhitungan besarnya b :

� = $%&'( , dalam mm

Dengan :

a = kedalaman pemakanan/depth of cut (mm)

K = bersarnya sudut potong pada cutter (°)

Besarnya sudut potong biasanyan 60°, 75°, 90°, sehingga :

Sin 60° = 0,866

Sin 75° = 0,97

Sin 90° = 1

Perhitungan besarnya hm :

ℎ� = ��),"°

× �� × sin. × /0’ , dalam mm

Dengan :

1 rad = 57,3°

hm = tebal chip rata-rata (mm)

sz = Besarnya feeding setiap giginya (mm)

Perhitungan besarnya sz :

�� = �×1, dalam mm

Dengan:

s = feeding (mm/min)

z = jumlah gigi cutter

n = putaran cutter (rpm)

e = lebar benda kerja (mm)

Ds = diameter cutter (mm)

1-z = specific cutting exponent, tergantung dari specific force (ks1.1)

berdasarkan tabel 5 pada lampiran

Catatan :

Besarnya hm1-z bisa didapat dari perhitungan atau pada lampiran.

2.1.3 Perhitungan Daya Motor Sumbu

Percepatan maksimum dihitung dengan rumus:

2$ = 3456�5

4

Dimana:

aa = percepatan maksimum

Vmax = kecepatan maksimum dan

ta = waktu percepatan

Perlambatan maksimum dihitung dengan rumus :

27 = 89$:;7

Dimana:

ad = perlambatan maksimum

td = waktu perlambatan

Perhitungan inersia beban sebagai konversi gerak poros motor dilakukan

dengan cara melakukan perhitungan inersia beban. Selain itu inersia maksimum

ballscrew juga ditambahkan yang dapat diperoleh dari katalog ballscrew yang

digunakan. Untuk menghitung besar inersia Jw beban digunakan rumus :

<= = >? �2@AB× 10�" + <D

<D = >DEB

8 × 10�" Dimana:

Jw = inersia kerja

M = massa meja ditambah dengan massa benda kerja

P = jarak bagi poros ballscrew yang digunakan

Jb = inersia dari poros ballscrew

MB = massa ballscrew

D = diameter poros

Perhitungan torsi beban dilakukan dengan menambahkan faktor gesek yang

terjadi. Dalam hal ini, koefisien gesek dimasukkan dalam perhitungan. Untuk

perhitungan torsi beban dengan faktor gesek digunakan rumus :

5

G= = H>I JBK 10�!

Dimana:

Tw = torsi beban

g = percepatan gravitasi bumi

Perhitungan kecepatan putar untuk menghitung besar kecepatan putar optimal

dari motor stepper yang akan dipilih. Berdasarkan katalog diperoleh bahwa pada

motor stepper disediakan kecepatan putaran dengan rentang 2000–3000 rpm.

Untuk perhitungan kecepatan putar digunakan rumus :

L = 608�M

Dimana:

N = kecepatan putar

V = kecepatan maksimum

P = jarak bagi

G = posisi ketepatan gerak motor stepper

Langkah selanjutnya adalah menetapkan pilihan sementara ukuran motor

stepper yang akan digunakan sesuai dengan hasil perhitungan yang telah dilakukan.

Setelah pilihan ditetapkan, dilakukan pemeriksaan terhadap motor stepper yang

dipilih. Ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu inersia motor stepper yang

dipilih harus lebih dari 1 30O inersia beban. Untuk syarat pertama digunakan rumus:

0,3 J Jw ≥ M...(7)

Dan torsi rata-rata motor stepper yang dipilih harus lebih dari 80 persen torsi

beban aplikasi nilai konversi poros motor. Untuk syarat kedua digunakan rumus:

M W 0,8 T >T (8)

Perhitungan pemeriksaan meliputi inersia beban lebih kecil dari inersia rotor

motor, torsi efektif lebih kecil dari torsi rata-rata motor stepper dan laju putaran

yang diperlukan lebih kecil dari laju putaran rata-rata motor stepper. Untuk

memperoleh besar torsi efektif maka harus dilakukan perhitungan torsi percepatan

6

maupun perlambatan. Waktu percepatan dapat direncanakan sama dengan waktu

perlambatan.

Dengan demikian torsi aplikasi dapat dihitung dengan rumus :

G$ = 2@L60;$ ?<P +<=Q A

Dimana:

Ta = torsi percepatan atau perlambatan

N = putaran rata-rata motor hasil perhitungan

Jm = momen inersia motor stepper yang dipilihberdasarkan katalog

Jw = momen inersia beban

Torsi efektif rata-rata (TRMS) merupakan torsi efektif motor stepper. Torsi

ini merupakan perhitungan dari torsi pada kondisi dipercepat, konstan dan

diperlambat. Untuk kondisi dipercepat dinyatakan sebagai torsi kondisi dipercepat

(T1) :

T1 = Ta + TW

kemudian torsi kondisi konstan (T2) :

T2 = TW

dan torsi kondisi diperlambat (T3) :

T3 = Ta – TW

2.2 Breakout board

Dalam setiap mesin CNC biasanya dipakai rangkaian Breakout board untuk

menghubungkan dan mengkomunikasikan antara komputer personal dan mesin

CNC sendiri. Rangkain Breakout board ini pada dasarnya memiliki 2 fungsi umum,

yaitu:

a. Menerjemahkan sinyal yang digunakan untuk menjalankan sebuah mesin CNC

(dari komputer personal ke mesin CNC) dan sinyal yang berasal dari umpan balik

motor (dari mesin CNC ke personal komputer).

7

b. Melindungi motherboard personal komputer, bilamana ada motor atau komponen

lain dari pengendali mesin CNC yang rusak maka itu dapat menghindarkan

terbakarnya motherboard personal komputer.

Gambar 2.1 Breakout Board Aciera F5

2.3 Motor Induksi 3 Fasa

Motor induksi 3 fasa merupakan suatu alat listrik yang mengubah energi

listrik menjadi energi gerak dengan memanfaatkan medan listrik untuk

pergerakannya dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Motor

induksi ini mempunyai konstruksi yang sederhana, kokoh, harganya relatif murah,

serta perawatannya yang mudah. Efisiensi relatif tinggi saat keadaan normal,

karena tidak ada sikat sehingga kerugian akibaat gesekan kecil.

8

Gambar 2.2 Motor Induksi

Salah satu kelemahannya yaitu tidak bisa mempertahankan kecepatan secara

konstan saat terjadi perubahan beban, itu dikarenakan beberapa parameter yang

tidak linear. Untuk mendapatkan kecepatan konstan dan kinerja sistem yang lebih

baik jika terjadi perubahan beban, maka dibutuhkan suatu pengontrol motor.

Pengontrol motor inilah yang disebut dengan inverter.

2.4 Inverter

Dalam dunia elektronik ada 2 macam pengertian untuk kata “inverting”.

Pertama adalah alat pengendali motor dangan menggunakan frekuensi. Ada 2

macam pengendalian motor menggunakan frekuensi, yaitu VSD (Variable Speed

Drive) dan VFD (Variable Frequency Drive). Kedua adalah alat untuk mengubah

arus searah menjadi arus bolak-balik.

9

Gambar 2.3 Inverter Toshiba

Inverter adalah rangkaian kontrol untuk mengatur kecepatan motor AC

dimana frekuensi yang diubah sebanding dengan putaran motor AC yang

dihasillkan. Dalam Skripsiini inverter yang digunakan adalah inverter dengan merk

Toshiba dengan tipe VF-S15. Pemilihan spesifikasi inverter berdasarkan besarnya

daya motor induksi yang dibutuhkan.

2.5 Software Mach3

Mach3 adalah peranti lunak berbayar untuk CNC (Computerized

Numerical Control) berbasis personal komputer keluaran dari Artsoft. Mach3

dapat mentransformasi gambar-gambar menjadi G-Code yang kemudian digunakan

sebagai pengendali mesin. Untuk dapat mengoperasikan Mach3 pada komputer

personal diperlukan beberapa spesifikasi minimum yaitu sistem operasinya

Windows dengan 32-bit, prosesor 1GHz, layar dengan resolusi 1024 x 768 dan

minimal 512 MB RAM.

10

Gambar 2.4 Tampilan Mach3

Berikut ini adalah fitur-fitur dan aplikasi dari software Mach3 :

a. Mengkonversikan PC standar ke fitur lengkapnya, dapat mencapai pengendali

dengan 6 sumbu.

b. Menyediakan pengiriman langsung berupa data DXF, BMP, JPG, dan HPGL

melalui LazyCam.

c. Penampilan Visual G-Code.

d. Menghasilkan keluaran berupa G-Code melalui LazyCam maupun Wizards.

e. Pengendali kecepatan spindel.

f. Pengendali relay-relay.

g. Pembangkit detak manual.

h. Menampilkan video display dari mesin.

2.5.1 G-Code

G-Code adalah bahasa pemrograman yang dipakai pada software Mach3 . G-

Code biasa digunakan pada mesin CNC untuk mengendalikan motor sumbu.

Berikut contoh pembacaan G-Code.

11

Gambar 2.5 Cara Pembacaan G-Code

12

Berikut tabel penjelasan G-Code :

G code Keterangan

G0 Rapid Traverse

G1 Line ar interpolation in Slow Feed Motion

G2 Circular Interpolation Clockwise

G3 Circular Interpolation Counter-clockwise

G4 Dwell

G9 In-Position Programming (Deceleration)

G10 Polar Coordinates for Rapid traverse

G11 Polar Coordinates for Line ar Interpolation

G12 Polar Coordinates for Clockwise Circular Interpolation

G13 Polar Coordinates for Counter-clockwise Circular

Interpolation

G17 XY-Plane

G18 ZX-Plane

G19 YZ-Plane

G20 Inch input

G21 Metric input

G22 Invocate Subprogram

13

G23 Repeated Program Part (Routine)

G24 Unconditional Jump Instruction

G25 Move to the Reference Point

G26 Move to the Tool Change Position

G40 Cancel Cutter Radius Compensation

G41 Cutter Radius Compensation to the Left of the Contour

G42 Cutter Radius Compensation to the Right of the Contour

G43 Calling a tool

G44 Contour-parallel Approach / Retreat

G45 Semi-circular Approach / Retreat

G46 Approach / Retreat in a Quadrant

G47 Cancel scalling and mirror

G50 Scalling up or down and mirror image

G51 Local coordinate sistem

G52 Cancel Incremental Zero Shift

G53 Set Absolute Zero

14

G54-

G57

Incremental Zero Shift

G59 Starting hole coordinate

G68 Cancel rotation

G69 Activate Absolute Dimensioning

G90 Activate Incremental Dimensioning

G91 Feedrate (mm / min)

G95 Feedrate (mm / rev)

G96 Constant cutting speed (m / min)

Tabel 2.1 Penjelasan G-Code

2.6 Komponen Arus Kuat

Pada pembuatan skripsiini diperlukan beberapa komponen arus kuat yang

berfungsi untuk mengatur dan mendistribusikan arus listrik agar sampai ke

aktuator. Berikut beberapa komponen yang gunakan.

2.6.1 ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker)

ELCB adalah sebuah alat pemutus ketika terjadi kontak antara arus positif,

arus negatif dan grounding pada instalasi listrik. ELCB bisa memutuskan arus

listrik ketika terjadi kontak antara listrik dan tubuh manusia.

15

Gambar 2.6 ELCB 25A

Cara kerja ELCB ketika terjadi kontak antara listrik dan tubuh manusia,maka

arus akan mengalir melalui tubuh manusia ke grounding atau bumi maka akan

terjadi perbedaan total arus yang melewati ELCB sehingga akan memicu alat

tersebut memutuskan arus listrik seketika.

2.6.2 MCB

MCB (Magnetic Circuit Breaker) memiliki fungsi sebagai alat pengaman

arus lebih. MCB ini memproteksi arus lebih yang disebabkan terjadinya beban

lebih dan arus lebih karena adanya hubungan pendek. Prinsip kerjanya yaitu untuk

pemutusan hubungan yang disebabkan beban lebih dengan relay arus berlebih

seketika digunakan elektromagnet. Bila bahan bimetal ataupun elektromagnet

bekerja, maka akan memutus hubungan kontak yang terletak pada pemadam busur

dan membuka saklar.

16

Gambar 2.7 MCB

2.6.3 Kontaktor

Kontaktor adalah saklar yang digerakkan dengan gaya elektromagnet. Pada

kontaktor ini ada yang disebut koil yang berisi lilitan tembaga sebagai penghasil

medan magnet.

Gambar 2.8 S-N11 Kontaktor

Cara kerja kontaktor ini adalah apabila koil tersebut dihubungkan dengan

sumber tegangan maka akan terjadilah induksi magnet yang akan menarik setiap

kontak yang terdapat pada kontaktor itu sendiri baik itu NO (Normaliy Open)

maupun NC (Normaly Closed). Artinya kontak NO yang pada posisi koil tidak

diberi tegangan tidak terhubung / tertutup akan tertarik menjadi terhubung.Begitu

pula kontak NC adalah kebalikannya, kontak menjadi terbuka / terputus. Pada

umumnya kontak NO dan Kontak NC itu diberi simbol dengan angka-angka dan

posisi angka-angka tersebut standar internasional.

17

2.6.4 Thermal Overload Relay

Gambar 2.9 Thermal Overload Relay

Thermal overload relay adalah peralatan switching yang peka terhadap suhu

dan akan membuka atau menutup kontaktor pada saat suhu yang terjadi melebihi

batas yang ditentukan. Selain itu peralatan kontrol listrik ini juga berfungsi untuk

memutuskan jaringan listrik jika terjadi beban berlebih dengan tujuan untuk

melindungi motor listrik dari kerusakan yang fatal akibat gangguan beban berlebih

tersebut.

Berikut beberapa penyebab beban berlebih:

1. Terlalu besarnya beban mekanik dari motor listrik

2. Arus starting motor yang terlalu besar atau motor listrik berhenti secara mendadak

3. Terjadinya hubung singkat

Thermal overload relay (TOR) mempunyai tingkat proteksi yang lebih efektif

dan ekonomis, yaitu:

a. Pelindung beban lebih / Overload

b. Melindungi dari ketidakseimbangan phasa / Phase failure imbalance

c. Melindungi dari kerugian / kehilangan tegangan phasa / Phase Loss.

Prinsip kerjanya yaitu berdasarkan temperatur yang ditimbulkan oleh arus

yang mengalir melalui elemen pemanas bimetal. Apabila elemen bimetal terkena

arus tinggi, maka akan memuai sehingga melengkung akibat panas yang

ditimbulkan sehingga bimetal akan menggerakkan kontak mekanis pemutus

rangkaian listrik.

18

2.6.5 Relay

Gambar 2.10 Relay 24V

Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan

oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat

pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas

akan tertarik karena adanya gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga

kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang,

tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay yang

paling sederhana ialah relay elektromekanis yang memberikan pergerakan mekanis

saat mendapatkan energi listrik.

Secara sederhana relay elektromekanis ini didefinisikan sebagai berikut :

a. Alat yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk menutup (atau membuka)

kontak saklar.

b. Saklar yang digerakkan (secara mekanis) oleh daya/energi listrik.

Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC

dilengkapi dengan sebuah dioda yang diparalel dengan lilitannya dan dipasang

terbaik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan

untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi

dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya.

Konfigurasi dari kontak-kontak relay ada tiga jenis, yaitu:

19

a. Normally Open (NO), apabila kontak-kontak tertutup saat relay dicatu.

b. Normally Closed (NC), apabila kontak-kontak terbuka saat relay dicatu.

c. Change Over (CO), relay mempunyai kontak tengah yang normal tertutup, tetapi

ketika relay dicatu kontak tengah tersebut akan membuat hubungan dengan kontak-

kontak yang lain.

Koil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang kontak adalah

sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dikoil.

Prinsip kerja dari relay : ketika koil mendapat energi listrik, akan timbul gaya

elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan kontak akan

menutup.

Dalam penggunannya pada mesin–mesin maupun perangkat elektronik, relay

dianggap sangat efisien dan ekonomis karena mempunyai beberapa nilai tambah.

Keuntungan dari penggunaan relay antara lain:

a. Dapat mengendalikan arus serta tegangan listrik yang diinginkan.

b. Dengan memaksimalkan besarnya tegangan listrik hingga mencapai batas

maksimalnya.

c. Dapat menggunakan baik saklar maupun koil lebih dari satu, disesuaikan dengan

kebutuhan.

20

2.7 Fuse

Fuse merupakan suatu komponen yang berfungsi sebagai pengaman saat

terjadi arus berlebih. Cara kerjanya yaitu jika dalam sebuah rangkaian elektronika

terjadi arus lebih, maka fuse akan putus sehingga arus listrik tidak lagi mengalir

dalam rangkaian tersebut untuk mengamankan komponen elektronika lainnya.

Kelebihan arus tersebut sering kali terjadi diakibatkan karena terjadi hubung

singkat ataupun karena kelebihan beban output .

Sebagai contoh, fuse dengan nilai limit 500mA akan putus ketika dialiri arus

lebih dari 500mA, begitu juga dengan fuse 10A akan putus saat dialiri arus lebih

dari 10A. Jika sebuah fuse tidak putus saat teraliri arus lebih dari nilai yang

tercantum (I output > I fuse limit), kemungkinan fuse tersebut rusak dan perlu untuk

diganti.

Gambar 2.11 Fuse

21

2.8 Power Supply Unit

Power supply Unit adalah sebuah alat atau sistem yang menyuplai tenaga

listrik atau tipe lain dari energi pada suatu keluaran beban atau kumpulan beban.

Istilah power supply unit mencakup pengubahan bentuk dari tenaga listrik ke

bentuk dan tegangan yang lain. Umumnya ini melibatkan pengubahan tegangan

dari 120VAC atau 240VAC dari PLN menjadi tegangan DC yang lebih rendah.

Pengaturan yang dilakukan oleh suatu power supply pada umumnya menjaga agar

tegangan dan arus tetap sesuai nilai spesifikasinya walaupun beban keluaran dan

tegangan masukan berubah-ubah.

Gambar 2.12 Power supply 24V