pdf (297K) - Batan

Vol.12 No. 4 November 2008
PEMILIHAN MOTOR SERVO PADA PROSES RETROFIT MESIN FRAIS
Oleh
Abdul Hafid
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN
Sigma Epsilon ISSN 0853-9103
ABSTRAK
PEMILIHAN MOTOR SERVO PADA PROSES RETROFIT MESIN. Perhitungan untuk
menentukan pilihan tentang ukuran motor servo dilakukan agar taksiran tidak terlalu rendah. Perhitungan dapat
dilakukan sebelum dan setelah menetapkan pilihan ukuran dan model motor servo yang digunakan untuk proses
retrofit mesin frais. Penentuan jenis mesin frais diperlukan untuk memperoleh data-data awal perhitungan. Pola
operasi ditentukan berdasarkan prinsip kerja mesin yang diprediksikan sesuai dengan arah gerak yang
diharapkan. Pada makalah ini ditentukan pola operasi motor servo bentuk trapesium. Tiga hasil utama yang
harus diperoleh dalam perhitungan sebelum membuat pilihan sementara motor servo, yaitu momen inersia
sistem, torsi yang diperlukan dan kecepatan putaran. Pilihan sementara diperoleh berdasarkan katalog motor
servo. Perhitungan pemeriksaan dilakukan untuk membuat pilihan tetap motor servo. Berdasarkan hasil
perhitungan untuk kecepatan putaran 1800 rpm, momen inersia 6,57 x 10 -4 kg-m 2 dan torsi 0,1561 kg-m maka
motor servo yang sesuai adalah motor servo AC model APM – SE16D. Berdasarkan katalog, motor servo
model APM – SE16D memiliki kecepatan putaran 2000 rpm, momen inersia rata-rata 17,339 kg-m 2 dan torsi
rata - rata 0,779 kg-m. Dari hasil perhitungan, diperoleh bahwa motor servo APM – SE16D dapat digunakan
untuk menggerakkan mesin frais arah horizontal (sumbu-x).
Kata kunci: pemilihan, motor servo
ABSTRACT
SELECTION OF SERVO MOTOR IN MILLING MACHINE RETROFIT PROCESS. Calculation to
assist selection servo motor size is carried out to avoid underestimation. Calculation can be done before and
after choosing the size and model of servo motor for milling machine retrofit process. Choosing the milling
machine type is necessary to obtain initial data for calculation. Operational pattern is determined based on the
machine’s work principle predicted in the movement direction of interest. A trapezoidal servo motor
operational pattern is chosen for this paper. Before making the preliminary choice of servo motor, three main
results need to be calculated: the system’s momentum of inertia, the required torque and rotational speed.
Preliminary choice is made based on servo motor catalog. Calculation is then done to make the final choice of
servo motor. Based on the calculation results for rotational speed of 1800 rpm, momentum of inertia of 6.57 x
10 -4 kg-m 2 and torque 0.1561 kg-m, then the suitable servo motor is APM-SE16D model AC servo motor. Based
on the catalog, the APM-SE16D model AC servo motor has the rotational speed of 2000 rpm, average
momentum of inertia of 17.339 kg-m 2 and average torque of 0.779 kg-m. The calculation result shows that APM-
SE16D servo motor can be used to move the milling machine in a horizontal direction (x-axis).
Keywords: selection, servo motor
PENDAHULUAN
Pada sistem manufaktur otomasi secara
umum melibatkan perkakas yang melakukan gerak
yang kompleks dan canggih. Untuk melayani
perkakas tersebut digunakan beragam komponen
seperti komponen mekanik, elektrik, sistem kontrol
dan lain sebagainya. Bahkan seringkali dilakukan
penggabungan antar komponen pada suatu sistem
yang digunakan, misalnya motor servo. Motor
servo merupakan komponen sistem yang
didalamnya terdapat gabungan komponen mekanik,
elektrik dan kontroler.
Untuk meningkatkan kemampuan kerja
mesin frais di bengkel PTRKN maka dilakukan
inovasi. Mesin frais tersebut merupakan mesin frais
konvensional yang universal, terpasang sejak 1988.
Dalam usianya yang cukup tua, mesin frais dengan
kapasitas potong hingga 1500 x 600 mm masih
sangat terawat dan memenuhi syarat untuk
diretrofit. Rencana inovasi dititik beratkan pada
perubahan penggerak dari manual menjadi kontrol
numerik. Hasil inovasi dengan retrofit diharapkan
dapat membuat proses kerja lebih cepat dengan
hasil yang lebih akurat dan presisi serta memiliki
faktor keselamatan kerja yang tinggi.
Retrofit mesin frais dikenal sebagai suatu
pemikiran evolusioner dalam bidang permesinan.
Dalam sejarahnya, otomatisasi dimulai sejak
tahun1980 dengan menjadikan mesin frais dapat
bergerak secara otomatis untuk 3 sumbu gerak
hingga 1984 mulai dikenal adanya mesin frais
berbasis PC dengan sistem CAM (Computer Aided
99

Machine) [1] . Perkembangan dalam bidang
komputerisasi pada mesin perkakas terus berlanjut
hingga tahun 1988 mulai diperkenalkan
penggunaan mesin CNC (Computerized Numerical
Control). Perkembangan paling frontal terjadi pada
tahun 2005 dengan adanya suatu metoda untuk
meningkatkan kemampuan kerja mesin frais
konvensional menjadi mesin frais kontrol numerik
dengan cara retrofit, yaitu dengan mengganti lead
screw dengan ball screw dan penambahan sistem
servo.
Pada mesin frais konvensional yang
universal ada tiga gerakkan utama yang dapat
diinovasi ke dalam bentuk kontrol numerik, yaitu
gerak meja kerja arah ke samping kanan dan kiri,
arah maju dan mundur, kemudian gerak spindel ke
atas dan ke bawah. Proses inovasi tersebut dapat
dilakukan dengan menggunakan motor servo
sebagai penggerak sistem yang canggih. Pada
makalah ini perlu dilakukan perhitungan-
perhitungan guna memperoleh detail torsi yang
diperlukan untuk mengoperasikan motor servo.
Selain itu dengan melakukan perhitungan untuk
memperoleh nilai pendekatan yang pasti tentang
ukuran aplikasi motor servo secara mekanik
seberapa besar kecepatan dan percepatan yang
minimal dan maksimal. Penetapan pilihan motor
servo yang sesuai hasil perhitungan akan
menghasilkan pilihan yang tepat dan hemat.
TEORI
Motor servo, amplifier dan kontroler adalah
komponen yang banyak dipakai secara luas dalam
rancang bangun otomasi [2] . Komponen-komponen
tersebut dapat menggerakkan mesin perkakas
otomatis dengan gerakan yang komplek dan
canggih. Sebagai komponen yang berperan
menggerakkan maka kemampuan motor servo perlu
direncanakan dan diperhitungkan dengan seksama
sedemikian rupa sehingga diperoleh sistem
penggerak yang tepat.
Pada retrofit mesin frais, motor servo
digunakan untuk menggantikan kerja tangan pada
handle mesin konvensional sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 1a dan Gambar 1b.
Untuk memilih ukuran motor servo, mulamula
ditentukan pola operasi yang akan digunakan.
Ada beberapa jenis pola operasi motor servo yang
dapat dipilih, seperti pola segi tiga, pola trapesium,
atau pola lainnya. Dalam makalah ini, perhitungan
yang digunakan adalah dengan pola trapesium.
Dengan mengambil notasi V sebagai kecepatan,
Vmax sebagai kecepatan maksimum dan t sebagai
waktu kemudian, ta waktu percepatan, td waktu
perlambatan, tc waktu konstan dan t0 waktu dwell
100
Sigma Epsilon ISSN 0853-9103
maka bentuk pola gerak digambarkan sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1. Perubahan dari mesin frais konvensional
menjadi mesin frais kontrol numerik
Gambar 2. Pola operasi trapesium
Kecepatan maksimum tercapai sepanjang
jarak X0 dalam kurun waktu ta atau atau (X0/ta).
Selanjutnya, pada waktu tc motor akan bergerak
konstan hingga jarak yang ditentukan kemudian
mengalami perlambatan yang sangat cepat dalam
Vol.12 No. 4 November 2008

waktu td dan berhenti atau diam selama waktu t0 [3] .
Percepatan maksimum dihitung dengan rumus :
V
max
a = (1)
a
ta
dimana
aa = percepatan maksimum
Vmax = kecepatan maksimum dan
= waktu percepatan
ta
perlambatan maksimum dihitung dengan rumus:
V
max
a = (2)
d
td
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:
dan
P
2π
2 −6
J = M(
) x10
+
w
J
M
Vol.12 No. 4 November 2008
J
B
kg.
m
2
(3)
2
= B
B
−6
x 10
2
kg.
m (4)
8
D
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:
T
w
=
dimana
P
2π
−3
μ M g 10
(5)
Tw = torsi beban
g = percepatan gravitasi bumi
Sigma Epsilon ISSN 0853-9103
Perhitungan kecepatan putar untuk menghitung
besar kecepatan putar optimal dari motor servo
yang akan dipilih. Berdasarkan katalog diperoleh
bahwa pada motor servo disediakan kecepatan
putaran dengan rentang 2000 – 3000 rpm [3] . Untuk
perhitungan kecepatan putar digunakan rumus :
60V
N = (6)
PG
dimana
N = kecepatan putar
V = kecepatan maksimum
P = jarak bagi
G = posisi ketepatan gerak motor servo
Langkah selanjutnya adalah menetapkan pilihan
sementara ukuran motor servo yang akan
digunakan sesuai dengan hasil perhitungan yang
telah dilakukan. Setelah pilihan ditetapkan,
dilakukan pemeriksaan terhadap motor servo yang
dipilih. Ada dua syarat yang harus dipenuhi, yaitu
inersia motor servo yang dipilih harus lebih dari
sepertigapuluh inersia beban [4] . Untuk syarat
pertama digunakan rumus:
0, 3 J M ≥ Jw
(7)
Dan torsi rata-rata motor servo yang dipilih harus
lebih dari 80 persen torsi beban aplikasi nilai
konversi poros motor [4] . Untuk syarat kedua
digunakan rumus:
0 , 8 T > T
(8)
M
W
Perhitungan pemeriksaan meliputi inersia beban
lebih kecil dari inersia rotor motor, torsi efektif
lebih kecil dari torsi rata-rata motor servo dan laju
putaran yang diperlukan lebih kecil dari laju
putaran rata-rata motor servo. Untuk memperoleh
besar torsi efektif maka harus dilakukan
perhitungan torsi percepatan maupun perlambatan.
Berdasarkan Gambar 2, waktu percepatan dapat
direncanakan sama dengan waktu perlambatan.
Dengan demikian torsi aplikasi dapat dihitung
dengan rumus:
2π
N JW
T = ( J + )
(9)
a
M
60t
η
a
dimana
Ta = torsi percepatan atau perlambatan
101

N = putaran rata-rata motor hasil perhitungan
Jm = momen inersia motor servo yang dipilih
berdasarkan katalog
Jw = momen inersia beban
Torsi efektif rata-rata (TRMS) merupakan torsi
efektif motor servo. Torsi ini merupakan
perhitungan dari torsi pada kondisi dipercepat,
konstan dan diperlambat. Untuk kondisi dipercepat
dinyatakan sebagai torsi kondisi dipercepat (T1) :
102
T1 = Ta + TW (10)
kemudian torsi kondisi konstan (T2) :
T2 = TW (11)
dan torsi kondisi diperlambat (T3) :
T3 = Ta – TW (12)
Sehingga besar torsi efektif atau torsi rata-rata
dapat dihitung dengan rumus 13 dan digambarkan
sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.
T
T t
+ T t + T
2 2 2
= RMS
1 a 2 c 3
t + t + t + t
a c d 0
(13)
Gambar 3. Torsi pada motor servo
DATA
Panjang meja frais = 1500 mm
Lebar meja frais = 650 mm
Tebal meja frais = 100 mm
Torsi manual terukur = 6,5 Nm
Kecepatan maksimum =300 mm/det
Berat benda kerja maksimum direncanakan = 42 kg
Berat meja kerja mesin frais = 8 kg
Diameter poros ballscrew = 20 mm
Jarak bagi (pitch) ballscrew = 20 mm
Koefisien gesek ballscrew = 0,2
Sigma Epsilon ISSN 0853-9103
Susunan koneksitas dan rencana mekanik motor
servo dan mesin frais sebagaimana ditunjukkan
pada Gambar 4.
Gambar 4. Susunan koneksitas motor servo dan
mesin frais
HASIL DAN DISKUSI
Perhitungan untuk menentukan motor servo
pada retrofit mesin frais dimulai dari penentuan
data-data yang diperlukan. Data-data tersebut
diperoleh dari spesifikasi mesin frais dan hasil
pengukuran. Direncanakan motor servo akan
ditempatkan pada bagian handle manual untuk arah
horizontal dan pada bagian spindel untuk arah
vertikal. Pada makalah ini akan diperhitungkan
kebutuhan motor servo untuk arah horizontal
(sumbu-x).
Untuk memperoleh hasil yang baik maka
direncanakan kecepatan maksimum direncanakan
300 mm/detik dengan waktu percepatan dan
perlambatan rencana 0,2 detik, waktu bergerak
konstan 1 detik dan waktu dwell 0,4 detik. Maka
gambar profil kecepatan yang direncanakan untuk
satu kali perubahan gerak kecepatan sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 5 menjadi:
Gambar 5. profil rencana kecepatan
Percepatan dan perlambatan gerak dihitung
dengan rumus 1 dan 2 diperoleh 1500 mm/det 2 .
Selanjutnya, dengan memasukkan beban sebagai
jumlah berat meja dan berat benda kerja rencana
dan hasil perhitungan inersia ballscrew
menggunakan rumus 4, maka inersia beban
Vol.12 No. 4 November 2008

konversi gerak poros motor berdasarkan hasil
perhitungan dengan rumus 3 diperoleh 6,57 x 10 -4
kg-m 2 . Dengan menggunakan rumus 5 maka torsi
gesek diperoleh sebesar 0,1561 kg-m dan kecepatan
putaran dihitung dengan rumus 6 diperoleh 1800
rpm. Berdasarkan hasil perhitungan torsi, kecepatan
putaran, dan inersia ditentukan sementara ukuran
motor servo yang digunakan adalah motor servo
AC jenis APM dengan model APM-SE16D dengan
kecepatan putaran rata-rata 2000 rpm dan
maksimum kecepatan putaran adalah 3000 rpm.
Momen inersia motor rata-rata 17,339 x 10 -4 kg m 2 .
Torsi motor rata-rata 7,63 Nm atau sama dengan
0,779 kgm. Untuk memastikan pilihan motor servo
yang digunakan maka dilakukan perhitungan
pemeriksaan. Berdasarkan rumus 7 diperoleh
bahwa momen inersia motor 5,2 x 10 -4 kg m 2 lebih
kecil dari torsi motor servo yang akan dipilih.
Torsi percepatan dihitung dengan rumus 9.
Dari hasil perhitungan diperoleh nilai Ta sebesar
2,25 kgm. Dengan menggunakan torsi percepatan
maka torsi momentary dipercepat (T1) dihitung
dengan rumus 10 dan diperoleh nilai +2,41 kgm,
untuk torsi momentary konstan (T2) dengan rumus
11 diperoleh +0,1561 kgm dan torsi momentary
diperlambat (T3) dengan rumus 12 diperoleh
sebesar -2,41 kgm. Sehingga torsi efektif dapat
dihitung dengan rumus 13 dan diperoleh nilai
sebesar 1,0706 kgm dan digambarkan sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 6.
Vol.12 No. 4 November 2008
Gambar 6. torsi pada pemilihan motor servo
Sigma Epsilon ISSN 0853-9103
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perhitungan dan analisa
diperoleh bahwa untuk dapat menggerakkan handel
mesin frais arah X diperlukan momen inersia motor
servo sebesar 6,57 x 10 -4 kgm 2 dan kecepatan
putaran 1800 rpm dan torsi gesek 0,1561 kgm.
Motor servo yang mendekati sesuai dengan hasil
tersebut adalah APM-SE16D. Berdasarkan hasil
perhitungan pemeriksaan diperoleh momen inersia
motor 5,2 x 10 -4 kgm 2 lebih besar dan torsi motor
servo. Demikian juga dengan kecepatan putaran
serta torsi sesuai dengan syarat yang diizinkan.
DAFTAR PUSTAKA
1. VOSS, W., “A Comprehensible Guide to Servo
Motor Sizing”, USA, 2007.
2. ADDLER, M., “Manufacturing Automation
Protocol (MAP) OSI For Factory
Communication”, Springer Berlin / Heidelberg,
Berlin, Vol. 248, 1987.
3. ANONYMOUS, “Moving Towards Tomorrow
Mecapion-AC Servo System”, Metronix, Vol.
5.1, 2007.
4. http://www.omron-ap.co.th/technical_guide/ser
vo_motor_drive/index.asp, 2 September 2008.
103