1. Pendahuluan Mechatronics adalah kata baru yang lahir di Jepang pada awal tahun 1970an yang merupakan gabungan antara 2 kata yaitu mechanics dan electronics. Sekarang kita sering melihat di sekeliling kita barang-barang mekatronik seperti robot, mesin bubut NC, kamera dijital, printer dan lain sebagainya. Persamaan dari barang-barang mekatronik ini adalah bahwa objek yang dikendalikan adalah gerakan mesin. Jika dibandingkan dengan gerakan mesin konvensional maka gerakan mesin tersebut lebih bersifat fleksibel dan lebih memiliki kecerdasan. Hal ini dimungkinkan karena memanfaatkan kemajuan iptek micro-electronics. Yang berarti, dengan bantuan micro-electronics mesin dapat bergerak dengan lebih cerdas. Jika seseorang memberikan sebuah perintah, lalu semua dapat dipasrahkan ke mesin yang dapat bergerak secara otomatis. Ini sangat membantu menciptakan mesin atau alat yang praktis dan mudah digunakan. Sehingga sumber daya pada manusia seperti waktu dan otak dapat dipakai untuk pekerjaan yang lain untuk lebih menciptakan nilai tambah. Pada awalnya iptek mekatronik diarahkan pada 3 target yaitu: penghematan energi (energi saving), pengecilan dimensi dan peringanan berat, dan peningkatan kehandalahan (reliability). Sekarang, setelah 30 tahun lebih berlalu dari kelahirannya, perlu dirumuskan kembali arah iptek mekatronik sesuai dengan perkembangan jaman. Dan khususnya untuk Indonesia sebagai negara yang masih berkembang dengan segudang permasalahannya, rasanya arah iptek mekatronik perlu ditentukan agar dapat membantu memecahkan masalah-masalah yang ada dengan tetap memperhatikan lingkungan regional dan global.

2. Definisi Mekatronik adalah teknologi atau rekayasa yang menggabungkan teknologi tentang mesin, elektronika, dan informatika untuk merancang, memproduksi, mengoperasikan dan memelihara sistem untuk mencapai tujuan yang diamanatkan. Seperti dikitahui dari definisi, mekatronika adalah gabungan disiplin iptek teknik mesin, teknik elektro, teknik informatika, dan teknik kendali. Pada awalnya, secara khusus tidak ada disiplin iptek mekatronika. Untuk menggabungkan beberapa disiplin iptek tersebut, mekatronika memerlukan teori kendali dan teori sistem.

Secara sempit pengertian mekatronika mengarah pada teknologi kendali numerik yaitu teknologi mengendalikan mekanisme menggunakan aktuator untuk mencapai tujuan tertentu dengan memonitor informasi kondisi gerak mesin menggunakan

sensor, dan memasukkan informasi tersebut ke dalam mikro-prosesor. Ini menyumbangkan kemajuan yang spektakuler jika dibandingkan dengan kontrol otomatis menggunakan instrumen analog, karena dapat merubah skenario kontrol secara fleksibel dan dapat memiliki fungsi pengambilan keputusan tingkat tinggi. Contoh klasik barang mekatronik adalah lengan robot dan mesin bubut kontrol numerik. Barang-barang ini dapat melakukan pekerjaan-pekerjaan yang berbedabeda dengan cara merubah program mereka sesuai kondisi yang diminta, karena telah ditambahkan kemampuan kendali aktif yang canggih terhadap mekanisme yang telah ada.

3. Latar Belakang Lahirnya Mekatronik Latar belakang lahirnya mekatronik dapat ditinjau dari dua sudut pandang, yaitu: sudut pandang sumber daya atau bibit dan sudut pandang kebutuhan atau permintaan. Dari sudut pandang bibit sedikitnya ada 3 buah bibit yang mendorong lahirnya mekatronik yaitu: (1) lahirnya device 4 bit pada tahun 1971 yang berkembang dengan pesat menjadi mikro-prosesor yang memiliki kemampuan yang semakin tinggi dan harga yang semakin rendah, (2) lahirnya motor listrik ukuran kecil yang memiliki torsi besar yang menggunakan permanen magnet rear-earth yang merupakan hasil sampingan program litbang luar angkasa NASA, dan (3) hasil-hasil teori kendali dijital. Dari sudut pandang kebutuhan sedikitnya ada 2 buah tarikan kebutuhan yaitu: (1) pada awal lahirnya mekatronik terdapat tarikan kebutuhan dari konsumen terhadap adanya sistem produksi yang mampu menjawab kebutuhan dengan tipe yang beraneka ragam dalam jumlah yang sedikit-sedikit, dan (2) tarikan kebutuhan akan barang-barang atau alat-alat pemroses informasi yang memiliki kecepatan tinggi dengan dimensi kecil untuk menjawab berkembangan masyarakat informasi yaitu masyarakat dimana peranan informasi menjadi semakin penting.

4. Manfaat Mekatronik Beberapa manfaat penerapan mekatronik adalah sebagai berikut:

1. Meningkatkan fleksibilitas. Manfaat terbesar yang dapat diperoleh dari penerapan mekatronik adalah meningkatkan fleksibilitas mesin dengan

menambahkan fungsifungsi baru yang mayoritas merupakan kontribusi mikroprosesor. Sebagai contoh, lengan robot industri dapat melakukan berbagai jenis pekerjaan dengan merubah program peranti lunak di mikro-prosesornya seperti

halnya lengan manusia. Ini yang menjadi faktor utama dimungkinkannya proses produksi produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit.

2. Meningkatkan kehandalan. Pada mesin-mesin konvensional (manual) muncul berbagai masalah yang diakibatkan oleh berbagai jenis gesekan pada mekanisme yang digunakan seperti: keusangan, masalah sentuhan, getaran dan kebisingan. Pada penggunaan mesin-mesin tersebut diperlukan sarana dan operator yang jumlahnya banyak untuk mencegah timbulnya masalah-masalah tersebut. Dengan menerapkan switch semikonduktor misalnya, maka masalah-masalah akibat sentuhan tersebut dapat diminimalkan sehingga meningkatkan kehandalan. Selain itu, dengan menggunakan komponen-komponen elektronika untuk mengendalikan gerakan, maka komponenkomponen mesin pengendali gerak bisa dikurangi sehingga meningkatkan kehandalan.

3. Meningkatkan presisi dan kecepatan. Pada mesin-mesin konvensional (manual) yang sebagian besar menggunakan komponen-komponen mesin sebagai pengendali gerak, tingkat presisi dan kecepatan telah mencapai garis saturasi yang sulit untuk diangkat lagi. Dengan menerapkan kendali dijital dan teknologi elektronika, maka tingkat persisi mesin dan kecepatan gerak mesin dapat diangkat lebih tinggi lagi sampai batas tertentu. Batas ini misalnya adalah rigiditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena munculnya getaran. Hal ini melahirkan tantangan baru yaitu menciptakan sistem mesin yang memiliki rigiditas lebih tinggi.

5. Struktur dan Elemen Mekatronik

Gambar Mekatronik

Struktur mekatronik dapat diekspresikan seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar. Struktur Mekatronik.

Struktur mekatronik dapat dipilah menjadi 2 buah dunia yaitu dunia mekanika dan dunia elektronika, yang pada gambar ini dipisahkan oleh sebuah garis batas yang

terputus-putus. Di dunia mekanika terdapat mekanisme mesin sebagai objek yang dikendalikan. Di dunia elektronika terdapat beberapa elemen mekatronika yaitu: sensor, kontroler, rangkaian penggerak, aktuator dan sumber energi. Panah blok ke arah kanan menunjukkan fungsi pengendalian sedangkan panah blok ke arah kiri menunjukkan fungsi monitoring. Tanda panah tipis menunjukkan alur informasi dan tanda panah tebal menunjukkan alur energi.

Elemen-elemen mekatronik pada gambar ini dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Mekanisme mesin. Ini adalah objek kendali yang bisa berupa lengan robot, mekanisme penggerak otomotif, generator pembangkit listrik dan lain sebagainya. 2. Sensor. Ini adalah elemen yang bertugas memonitor keadaan objek yang dikendali. Sensor ini dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi sinyal yang berfungsi memproses sinyal listrik menjadi sinyal yang mengandung informasi yang bisa dimanfaatkan. 3. Kontroler. Ini adalah elemen yang mengambil keputusan apakah keadaan objek kendali telah sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan, dan kemudian memproses informasi untuk menetapkan nilai komando guna merefisi keadaan objek kendali. 4. Rangkaian penggerak. Ini adalah elemen yang berfungsi menerima sinyal komando dari kontroler dan mengkonversinya menjadi energi yang mampu menggerakkan aktuator untuk melaksanakan komando dari kontroler. Elemen ini selain menerima informasi dari kontroler juga menerima catu daya berenergi tinggi. 5. Aktuator. Ini adalah elemen yang berfungsi mengkonversi energi dari energi listrik ke energi mekanik. Bentuk konkrit aktuator ini misalnya: motor listrik, tabung hidrolik, tabung pnematik, dan lain sebagainya. 6. Sumber energi. Ini adalah elemen yang mencatu energi listrik ke semua elemen yang membutuhkannya. Salah satu bentuk konkrit sumber energi adalah batere untuk sistem yang berpindah tempat, atau adaptor AC-DC untuk sistem yang stasionari (tetap di tempat).

Struktur mekatronik yang digambarkan di sini dari segi teori kendali disebut sistem umpan balik (closed loop). Sistem umpan balik ini menyerupai makhluk hidup yang dalam melakukan kegiatan selalu merevisi tindakannya berdasarkan informasi umpan balik yang dikirim oleh indra ke otak. Analogi sistem mekatronik dan manusia sebagai contoh makluk hidup ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Kiranya dapat diterima secara alami bahwa arah inovasi iptek mekatronik adalah merealisasikan sistem mekanik yang mampu melakukan pekerjaan seperti halnya seorang manusia yang memiliki kondisi yang sempurna.

Gambar. Analogi Mekatronik Dan Manusia

6. Contoh Barang Mekatronik

Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah contoh barang mekatronik yaitu sebuah mobil robot berlengan (mobile robot equipped with articulator). Konstruksi mekanikanya berupa lengan robot yang dipasang di sebuah mobil robot. Konstruksi mekanika ini ibarat fisik manusia yang mati yang tidak dapat melakukan kegiatan. Konstruksi ini akan hidup dan dapat melakukan kegiatan fisik jika kepadanya ditambahkan roh. Konstruksi mekanik dengan roh yang hidup inilah yang menjadi sebuah sistem mekatronika yang mampu berfungsi setelah ditambahkan kepadanya sebuah unit kontrol elektronika (electronic control unit / ECU) yang nampak di sebelah kanan. Unit kontrol elektronika inilah yang merupakan realisasi dari teknik elektronika, teknik informatika dan teknik kontrol. Di sebelah kiri nampak sebuah perangkat telekomunikasi yang bisa ditambahkan ke sistem mekatronik sehingga sistem ini dapat dikendalikan dari jarak jauh secara nir kabel. Contoh mobil robot berlengan ini dapat dilihat di pusat penelitian TELIMEK LIPI di Dago-Bandung. [Link internet informasi lebih detil].

Gambar. Mobil Robot Berlengan.

Mekatronika adalah hubungan integrasi yang sinergis antara rekayasa mekanik, teknik elektronika, teknik komputer, teknik informatika, system kontrol yang cerdas untuk suatu perancangan proses atau produk.

Gambar 2.1 : Rekayasa Mekatronika

Sistem mekatronika

Sistem mekatronika adalah sistem yang mengatur, mengendalikan, memproses suatu proses jalannya mekatronika.

Otomasi produk atau proses

Otomasi adalah aspek mental seperti mengawasi, mengendalikan, aktifitas yang dilakukan oleh sistem. Mekanisasi adalah aspek fisik yang digantikan oleh mesin. Contoh : Mesin bubut adalah mekanisasi dari proses pemesinan, sedangkan mesin bubut CNC ( pengendalian oleh mesin ) adalah otomasi dari proses pemesinan.

Sistem kontrol Memuat data input dan output yang dihasilkan berdasarkan kesesuaian dari data input.

Misalnya motor dipandang sebagai suatu sistem dengan input energi listrik dan output berbentuk gerak rotasi ( energi mekanik ). Sistem control adalah sistem yang menjaga besaran keluaran. Contoh : Temperatur Ketinggian air Putaran

Contoh sistem temperatur tubuh. Pada udara panas tubuh akan mengeluarkan keringat untuk mengontrol suhu tubuh, keluaran keringat agar nilai temperatur tubuh konstan.

Sistem kontrol terbuka Misalnya AC. Pada AC akan disupplai suhu yang tidak tergantung pada kondisi ruangan sehingga suhu konstan

LABORATORIUM MEKATRONIKA

Sistem kontrol tertutup Misalnya pada AC sistem split pengukuran ruangan. Temperatur diset 20o C. Apabila suhu mencapai suhu tersebut maka AC akan mati atau ke mode stand by secara otomatis Input Elemen pembanding Arus Output

Perangkat pengukur yaitu suatu elemen yang berfungsi untuk mengukur nilai keluaran output dan diteruskan ke elemen pembanding. Elemen pembanding yaitu suatu elemen elektronika yang berfungsi

membandingkan nilai output dan input.

Pembahasan sekilas Elemenelemen Mekatronik :

SensorSyarat-syarat sensor Kecermatan adalah nilai terkecil yang mampu dibaca sensor Ketelitian adalah kemampuan sensor membaca nilai besaran dengan nilai yang benar atau mendekati nilai yang sebenarnya Sensivity adalah kemampuan sensor menerima rangsangan dengan cepat dan diterjemahkan nilainya Keterulangan adalah kemampuan sensor memberikan nilai yang sama atau mendekati sama meskipun diukur berulang tanpa adanya pengaruh lingkungan Range adalah batas terendah dan tertinggi yang mampu dibaca oleh sensor Hysteresis error adalah Perbedaan / error dari output yang diukur bila dilakukan pengukuran secara continue atau berkelanjutan dari dua arah yang berbeda.

Gambar Grafik Hysteresis Non linearity error adalah kesalahan yang terjadi karena sensor tidak linier walaupun secara teoritis sensor dinyatakan linier.

Jenis-jenis sensor Sensor mekanik Adalah sensor yang berfungsi mendeteksi perubahan gerak mekanis seperti perpindahan atau pergeseran posisi gerak lurus dan melingkar, tahanan, aliran level, dan lain-lain Proximity -Proximity optic Terdiri dari LED dan detector cahaya Posisi dan kecepatan -Potensiometer -Level Variable Diferential Transrmer ( LVDT ) -Encater -Tachogenerator

Gambar 2.2 : Sensor photoelectric Proximity induktif Menggunakan perubahan fluks magnet untuk mendeteksi keberadaan objek

Gambar 2.3 : Alat Eddy Current Induktif Sensor

Gambar 2.4 : LVDT

Sensor fisika Adalah sensor yang mendeteksi besaran berdasarkan hokum fisika Sensor cahaya Sensor yang merubah besaran cahaya menjadi besaran listrik. Prinsip kerjanya adalah mengubah energi foton menjadi electron. Contoh : Photodioda, Octocouplar, Light Dependent Resistor ( LDR ), photoransistor

Gambar 2.5 : Sensor LDR

Prinsip kerja resistansi LDR akan berubah sesuai perubahan intensitas cahaya yang mengenainya. Dalam gelap resistensi LDR adalah sekitar 10 M dan dalam keadaan terang sekitar 1K. Sensor suara Adalah sensor yang mengubah gelombang sinusioda suara menjadi sinus energy listrik.

Gambar 2.6 : Pick Up alat musik

Prinsip kerjanya berdasarkan besar kecilnya gelombang suara yang ditangkap mengenai membran sensor yang menyebabkan bergeraknya membran sensor yang juga terdapat sebuah kumparan kecil dibalik membrane yang naik turun Sensor suhu Adalah sensor yang mmengubah besaran panas menjadi besaran li istrik yang dapat dianalisis besarnya. Contoh : LM 35

Sensor gaya d dan tekanan Umunya gaya dan tekkanan tidak dapat diukur secara langsung, tettapi dengan cara pemanfaatan deflaksi i, deformasi, tegangan dari permukaan.

Gambar 2.8 : Pneaumatic Pressure Control Seensor

Sensor kimia Sensor yang mendeteksi jumlah suatu zat kimia dengan cara mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik. Sensor pH Sensor O2 Sensor ledakan Sensor gas

Gambar 2.9 : sensor kadar gula dalam darah Controller Adalah suatu komponen listrik yang berfungsi sebagai alat untu mengendalikan, memproses, membuat keputusan dan diteruskan ke actuator dalam system mekatronika.

Microproscessor Microproscessor adalah mesin kecil sebagai pemroses dan pengendali utama proses yang terjadi pada komputer, yang dibuat dalam bentuk chip. Meskipun ukurannya secara fisik tidak terlalu besar, tetapi pemikir utama dari sebuah komputer adalah pada microprocessor ini, dan di sinilah proses utama diolah.

Gambar 2.10 : microprocessor

Microcontroller adalah central processing unit (CPU) yang disertai memori serta sarana input/output yang padukan dalam bentuk single chip.

Gambar microcontroller

Progamabble Logic Control ( PLC ) Didefinisikan sebagasi suatu perangkat elektronik digital dengan memori yang dapat diprogram untuk menyimpan instruksi-instruksi yang menjalankan fungsifungsi spesifik seperti: logika, sekuen, timing, counting, dan aritmatika untuk mengontrol suatu mesin industri atau proses industri sesuai dengan yang diinginkan.

Gambar 2.11 : OMRON PLC

Relay Relay adalah suatu peranti yang menggunakan elektromagnet untuk mengoperasikan seperangkat kontak sakelar. Susunan paling sederhana terdiri dari kumparan kawat penghantar yang dililit pada inti besi. Bila kumparan ini dienergikan, medan magnet yang terbentuk menarik armatur berporos yang digunakan sebagai pengungkit mekanisme sakelar.

Gambar 2.12 : relay Personal Computer ( PC ) Istilah PC mempunyai beberapa arti :

Istilah umum yang merujuk pada komputer yang dapat digunakan dan diperoleh orang dengan mudah. Istilah umum yang merujuk kepada mikrokomputer yang sesuai dengan spesifikasi IBM. Komputer pribadi yang pertama kali dikeluarkan oleh IBM dan secara tidak langsung mencetuskan penggunaan istilah PC (Personal Computer) -lihat PC IBM.

Generasi mikrokomputer yang pertama hanya dijual dalam jumlah kecil kepada orang yang mampu membeli (membuat dan merakit sendiri), dan mengoperasikannya, yaitu: para insinyur dan penggemar bidang elektronika. Mikrokomputer generasi kedua lebih dikenal sebagai komputer rumah (home computer)

Gambar 2.13 : Personal Computer ( PC )

ActuatorAdalah suatu komponen sistem mekatronika yang berfungsi sebagai alat pelaksana atau eksekusi perintah dari controller Actuator elektrik Solenoid Motor stepper Motor DC Brushless DC-motors Motor Induksi Motor Singkron

Actuator elektromechanic

Gambar 2.15 : Actuator electromechanic

Actuator hidraulik Menggunkan motor pompa untuk menghasilkan gaya keluaran. Bekerja dengan meniupkan udara bertekanan pada system katup. Gambar 2.16 : hydraulic actuator

Actuator pneaumatik Diaphragm actuators Piston actuators

Gambar 2.17 : Actuator pneaumat

Bilangan Bilangan biner Adalah bilangan yang tiap digitnya merupakan bilangan dasar dengan pangkat 2. Bilangannya terdiri dari angka 0 dan 1 Contoh: 101=(1x222 )+(0x221 )+(1x22 0 )=5 Bilangan desimal Adalah bilangan yang tiap digitnya merupakan bilangan dasar dengan pangkat 10. Bilangannya terdiri dari 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Contoh: 102=(1x1022 )+(0x1021 )+(1x102 0 ) Bilangan heksadesimal adalah bilangan yang terdiri dari 10 angka dan 6 huruf. Bilangannya terdiri dari 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Contoh: 172=6 172 =12

SinyalSinyal Analog

Adalah sinyal yang level sinyalnya kecil dan kontinu terhadap waktu. Digunakan dalam ilmu teknik (terutama teknik elektro, teknik informasi, dan teknik kendali), yaitu suatu besaran yang berubah dalam waktu atau dan dalam ruang, dan yang mempunyai semua nilai untuk untuk setiap nilai waktu (dan atau setiap nilai ruang). Digunakan juga istilah Sinyal Kontinyu, untuk menggambarkan bahwa besaran itu mempunyai nilai yang kontinyu (tak terputus). Contoh Sinyal Analog adalah Sinyal Elektrik yang dihasilkan oleh peralatan elektrik non-digital: sinyal suara pada radio konvensional, sinyal gambar (foto) pada kamera konvensional, sinyal video pada televisi konvensional.

Gambar 2.18 Sinyal analog

Sinyal digital Adalah sinyal yang level sinyalnya kecil dan tidak kontinu terhadap waktu. Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkau pengiriman data yang relatif dekat. Biasanya sinyal ini juga dikenal dengan sinyal diskret. Sinyal yang mempunyai dua keadaan ini biasa disebut dengan bit. Bit merupakan istilah khas pada sinyal digital. Sebuah bit dapat berupa nol (0) atau satu (1). Kemungkinan nilai untuk sebuah bit adalah 2 buah (21). Kemungkinan nilai untuk 2 bit adalah sebanyak 4 (22), berupa 00, 01, 10, dan 11. Secara umum, jumlah kemungkinan nilai yang terbentuk oleh kombinasi n bit adalah sebesar 2n buah. System digital merupakan bentuk sampling dari sytem analog. digital pada dasarnya di code-kan dalam bentuk biner (atau Hexa). besarnya nilai suatu system digital dibatasi oleh lebarnya / jumlah bit (bandwidth). jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasi system digital

Gambar 2.19 Sinyal digital

APLIKASI MEKATRONIKA

Penggunaan Begitu banyaknya penggunaan sistem mekatronika dalam kehidupan kita memperkuat salah satu sifatnya yang multiguna (aplikatif) Teknik Otomotif Sebagai contoh sistem mekatronik pada kendaraan bermotor adalah sistem rem ABS ( Anti-lock Breaking system) atau sistem pengereman yang menghindari terkuncinya roda sehingga mobil tetap dapat dikendalikan dalam pengereman mendadak, ESP ( Elektronik Stability Programm), ABC ( Active Body Control) dan Motor-ManagemenSystem.

Teknologi Penerbangan Dalam teknologi penerbangan modern digunakan Comfort-In-Turbulence System sehingga dapat meningkatkan kenyamanan penumpang walau ketika terjadi turbulensi. Gust Load Alleviation serta banyak contoh lainnya. Teknik Produksi Contoh dalam teknik produksi adalah penggunaan sensor pada robot. Sistem kendali umpan balik pada elektromotor berkecepatan rotasi tinggi dengan pemegang as tenaga magnet.

Serta pemutar CD, Harddisk serta mesin pencetak berkecepatan tinggi, atau alatalat elektronika yang biasa kita gunakan sehari-hari aplikasi mekatronika akan sangat sering kita jumpai.

Nama NIM

: Endra Dwi Purnomo : I8110019

Tugas Mata Kuliah Mekatronik

D3 Teknik Mesin Produksi