osp08 dasar dasar numerical control

1

Departemen Teknik Industri FTI-ITB

TI-3222: Otomasi Sistem Produksi

Dasar-dasar Numerical Control

LaboratoriumLaboratorium SistemSistem ProduksiProduksiwww.lspitb.orgwww.lspitb.org

©©20042004

TI-3222: Otomasi Sistem Produksi - 8 2


Hasil Pembelajaran• Umum

Mahasiwa mampu untuk memahami cara pengendalianmesin NC, prinsip mesin NC, dasar perhitungan sudut, pemposisian serta pergerakan pada mesin NC.

• KhususMemahami dasar-dasar pengendalian mesin NC danprinsip pergerakan mesin NC

2



Perkembangan mesin Numerical Control (NC)

• Era 1960-an mulai dipelajari oleh U.S. Airforce untukmerancang komponen pesawat terbang.

• Kemampuan ini dapat menghemat biaya untuk pemesinanpresisi berbentuk contour.

• Pada 1947, Parson mengemukakan ide pembuatan kurvadata 3-axis secara otomatis dan menggunakan data untukmengkontrol mesin.

• Parson menggunakan punched card untuk mengontrolposisi mesin.

• Pada 1949, Parson dan U.S. Airforce menciptakanprototipe programmable milling machine.

• Pada 1952, awal mulanya ditampilkan mesin milling NC “three-axis Cincinnati Hydrotel”.

• Dewasa ini, pasaran mesin NC di Amerika masih didominasi oleh mesin buatan Jepang.



Prinsip mesin NC

• NC adalah pengontrolan mesin perkakasmenggunakan pita berlobang (punched tape) atau program.

• NC dikembangkan oleh Electronic Industries Association (EIA) sebagai suatu sistem yang aktivitasnya dikontrol oleh data numerik yang diisikan pada beberapa titik.

• Sistem harus secara otomatis diterjemahkanpada pengendalian mesin dan sekurang-kurangnya dengan porsi data tertentu.

• Suatu part program merupakan sekumpulan data numerik yang diperlukan untuk menghasilkansuatu komponen.

3



Sistem mesin NC

• Sistem mesin perkakas NC terdiridari

Machine control unit (MCU)Mesin Perkakas

• MCU terdiri dariData processing unit (DPU), yang memproses pembacaan coded data dari tape atau media lain dan meneruskan informasi (arahgerakan, feed, dan kontrol fungsitambahan) setiap axis ke CLU. Control-loops unit (CLU), mengoperasikan mekanismegerakan mesin, menerima isyaratfeed back tentang posisi aktualdan kecepatan gerak setiap axis dan menginformasikan kapanoperasi pemesinan selesaidikerjakan.

MCU

DPU CLU

MesinPerkakas



DPU dan CLU

• Data processing unit (DPU), terdiri dariPerangkat data-input seperti paper tape reader, magnetic reader, RS-232-C port dan lainnyaData reading circuits dan parity-checking logic.Decoding circuits untuk pembahagian data bagipengontrolan axis.

• Control-loops unit (CLU), terdiri dariSuatu fungsi interpolator untuk memerintahkan perintahmachine-motion antara data titik-titik bagi gerakan tool.Perangkat position-control-loops untuk semua gerakanaxis (setiap axis mempunyai control-loops terpisah).Velocity-control loops, memerlukan kontrol feed.Deceleration dan backslash takeup circuitsKontrol untuk fungsi tambahan (coolant on/off, perubahan roda-gigi dan spindle on/off)

4



Kode NC

• Kontrol gerakan mesinperkakas NC diperoleh secaralengkap dengan terjemahankode NC ke perintah mesin

• Kode NC dikelompokkan:Perintah untuk pengontrolankomponen mesin secaraindividu seperti kontrol mesinon/off, pemilihan kecepatanspindle, tukar tool, kontrolcoolant on/offPerintah pengontrolan gerakanrelatif benda kerja dan tool (informasi axis dan perpindahanjarak pada setiap waktu).

• Semua diterjemahkan kemachine-control melalui sistemelectro-mechanical control.

NC Program

Execution system

Interpolator & servo control mechanism

Control logic

Linear motion

Translator

Relay

Selenoid

Power



Komponen utama mesin NC

MagneticsControlCabinet

Head

Table

BedHydraulic reservoir

Motor

conduit

Feedback“package”

conduit

Numerical Control System

Or“Director”

Hydraulicmotor Hydraulic

valve

Hydraulicpipe

Machine Tool

conduit

leadscrew

5



Klasifikasi NC

• Motion controlPoint to point (PTP)Continuous (contouring) path

• Control loopsOpen loopClosed loop

• Power drivesHydraulic ElectricPneumatic

• Positioning systemsIncremental positioningAbsolute positioning



Motion control (point to point - PTP)• Motion control PTP adalah

pergeseran meja mesin atauspindle ke posisi tertentu danpemesinan akan dimulai padaposisi tersebut.

• Pada kasus drill, perlu dibuatkanlintasan pahat yang tidakmengenai benda kerja.

• Setiap titik pada lintasan tersebutmerupakan awal sebelummelakukan drilling (lihat gambarPTP motion control).

• Beberapa kemungkinan lintasantool untuk bergerak dari titik P ketitik Q (lihat gambar possible paths between two location)

PTP motion control

Possible paths between two location in a PTP NC system

6



Motion control (continuous path)

• Pada continuous path, kontrol mesinmenggerakan dua axis atau lebih secara simultan.

• Pengontrolan gerakan tool bergantung pada lintasandan bukan terfokus padatujuan (titik) akhir.

• Pemotongan :Tool akan menyentuhbenda kerjaPemotongan dan tool path berpedomankan padabentuk yang akan dibuat

Continuous-path control



Motion control (continuous path – linear interpolation)

• Pemotongan slot dilakukan dari arah kirike kanan dengan sudut 30o,

• Spindle atau meja bergerak sejauh4.330in kearah kanan, dan keatassebesar 2.500in. Gerakan diagonal dilakukan sejauh 5.000in.

• Pada pemotongan ini memerlukan duamotor penggerak bergerak secarasimultan dengan dua kecepatan yang berbeda.

• Sistem contouring control ini lebihmahal dibandingkan dengan peralatanPTP.

• Pengontrolan laju lintasan adalahproposional dengan jarak perpindahan(∆x dan ∆y) yang disebut dengan linear interpolation.

• Vf adalah kecepatan gerakan, Vx dan Vy

adalah kecepatan arah x dan y. fy V

yxyV

22 ∆+∆

∆=

fx Vyx

xV22 ∆+∆

∆=

7



Interpolasi sirkular• NC selalu mencapai akurasi

geometri bentuk komplek yang lebih baik dan harga sedikitlebih mahal dibandingkankonvensional

• Interpolasi selalu menjadi time-consuming jika dihitung secaramanual.

• Interpolasi sirkular selaludikelompokkan pada

Inner toleranceOuter toleranceTotal tolerance

• Besar tolerance selaludibandingkan antara kurvadengan garis aktual.

Inner tolerance (ti)

Outer tolerance (to)

Total tolerance (tt)



Perhitungan sudut (θ )

• Inner tolerance

• Outer tolerance

• Total tolerance

RtRmaka

RtR ii −

=−

= −1cos2:;2

cos θθ

0

1

0

cos2:;2

costR

RmakatR

R+

=+

= −θθ

t

t

t

t

tRtRmaka

tRtR

+−

=+−

= −1cos2:;2

cos θθ

2θti

R

(a) Inner-tolerance specification

(c) Total tolerance specification

2θtt

R

tt

(b) Outer-tolerance specification

2θto

R

8



Perhitungan sudut

• Cara mendapatkan jumlahchord pada lingkaran ataukurva

Dengan titik pusat a,b danradius R, maka

Nilai integer dari jumlahchord

Perhitungan sudut adalah

(d) Convention for numbering chord

θ

o360NCHORD =

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

θ

o* 360intNCHORD

*

o*

NCHORD360

=θ

P1

P2

P3

PNCHORD

PNCHORD-1

(a,b)



Controh perhitungan sudut

• Untuk mencari koordinat padalingkaran adalah sebagaiberikut:

x1 = a + Ry1 = b

x2 = a + R cos θ*y2 = b + R sin θ*

x3 = a + R cos 2θ*y3 = b + R sin 2θ*

Secara umum untuk titik Pi adalahxi = a + R cos (i - 1) θ*yi = b + R sin (i - 1)θ*

P1

P2

P3

PNCHORD

PNCHORD-1

(a,b)

9



Interpolasi lain

• Teknik mengukur interpolasiChords : digunakan untuk variasi geometris (tidak tepatuntuk perhitungan tolerance)nBLUs : berpedoman pada ukuran langkah atau step-size (pengukuran lebih mendekati ukuran sebenar)

• Teknik pengukuran interpolasi dengan nBLUsStraight-line interpolationCircular interpolation

• Pengukuran ini menggunakan segmen garis lurus dalammelakukan perpindahan dari satu tempat ke tempat lain secara inkremen, f (x,y,z).



Interpolasi straight-line dengan nBLUsProsedur

• Buat persamaan lintasan darititik awal (X0,Y0) dan titik akhir(X1,Y1).

• Cari arah perpindahan

Jika X1-X0>0, bergerak kearah X positip

Jika X1-X0<0, bergerak kearah X negatip

Jika X1-X0=0, tidak bergerakpada arah X

Untuk arah Y dapat dilakukandengan cara yang sama

• Dapatkan error (Ex, Ey)

• Evaluasi gerakan

• Update X0 dan Y0 menjadi titikacuan yang baru

nBLU<X>

nBLU

<Y>

Ex

Ey

(X0, Y0)

(X1, Y1)

Kandidat titikstep pertama

Kandidat titikstep kedua

Bila step-size kecil (nBLUs 0)Bila step-size meningkat, pola peningkatan“stair-case” akan mudah terlihat

Y

X

10



Interpolasi circular dengan nBLUs

Prosedur

1. Pada awal titik, coba dapatkan garistangent

2. Cari error (Ex, Ey) dari titik nBLU kegaris tangent

Jika Ex < Ey, maka teruskan ke arah X dan update titik yang ada.

Jika Ex > Ey, maka teruskan ke arah Y dan update titik yang ada.

Jika Ex = Ey, maka teruskan ke salahsatu arah dan update titik yang ada.

3. Evaluasi gerak dan jangan melebihititik akhir lingkaran dan berhenti. Kalau tidak lanjutkan step 4.

4. Gambar garis antara titik pusat dantitik selanjutnya dari axis yang dipilih.

5. Dapatkan garis tangent pada titikdimana lingkaran dan garis dan step 4. Kemudian kembali ke step 2.

Lingkaranyang ada

Garis tangent pada (X1,Y1)

Garis tangent pada (X0,Y0)

nBLU<X>

nBLU

<Y>

Ex

Ey

Titik mula(X0, Y0)

nBLU<X>

nBLU

<Y>

(X1, Y1) = (X0+nBLU, Y0)

Ey



n Chord method (circular interpolation)

t = 0.05 (in) t = 0.01 (in)

t = 0.05 (in) t = 0.01 (in) t = 0.005 (in)

n = 100BLU = 0.05 (in) n = 10BLU = 0.005 (in)

(1) Inner tolerance

(2) Outer tolerance

(3) nBLU Method

n Chord Method (major circle Diameter 1 inch)

11



Interpolator timing

• Ada dua cara untukmendapatkan pulsadalam interpolator

Menggunakan software dan hardware untukmembangkitkan sinyalpulsaMenggunakan timer

• Pulsa diagram dihasilkan oleh pulsadivider.

• Jika menggunakantimer, nilai register jugaakan digunakan untukmembagi clock frekuensinya.

P register

Accumulator

f f r

Timer (p)f f rclock output

N-bit wide

CNC

Updowncounter

Motorcontrol Motor

f r

feedback

x - axis

result

y: fr

Base interupt clockx: fr

Y

X

A Pulse divider

A Pulse diagram

Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsa



Interpolator timing

• Jika menggunakan timer, nilairegister juga akan digunakanuntuk membagi clock frekuensinya.

• Frekuensi output dan register value dapat diperoleh dengan

dimana:f = frekuensi input clock, Hzfr = frekuensi outputN = panjang kalimat (word

length), bitsP = register value

NrfPf

2*

=Timer (p)f f r

clock output

N-bit wide

Penggunaan timer untuk menghasilkan pulsaffP

Nr 2*

=

12



Perhitungan jumlah pulsa

Data : BLU = 0.001in.

f = 1 x 103Hz∆x = 2in.∆y = 3in.Vf = 6in./minN = 10

Solusi:

= 55.5BLU/s

= 83.3BLU/s

frx = 55.5fry = 83.3

60*001.01

3226

22 +

×=xV

60*001.01

3236

22 +

×=yV

57101

25.553

10

=××

=xP

85101

23.833

10

=××

=yP



Transduser• Position transducer

Digunakan pada sistemclosed-loop untuk feedback positionContoh di mesin NC adalahencoder, resolver, inductosyns. Semua informasi dikirimdalam sinyal elektrik

• EncoderSelalu digunakan untukmengukur perpindahansecara angular.Ada dua jenis encoder (inkremen & absolut)Output encoder absolutberupa kode biner yang menunjukkan posisi angular poros.

Encoder inkremen

Dimana: frekuensi pulsa output, pulse/s (f) dan kecepatan input angular, rpm (ω)

• ResolverSama dengan generator AC, berfungsi sebagai perangkat analog

Dimana: voltase AC ouput (v) dankonstanta revolver (Ke)

• InductosynsSelalu digunakan pada transduserlinear dan juga dapat digunakanpada pengukuran rotasi.

ω Ke f

ω Ke v

( ) ( )( )[ ]00sin φ++= twtwVtv

13



Transduser

• Speed transducerYang biasa digunakanadalah tachometer

dimana:v = voltase output, voltsω = kecepatan angular

poros, rad/sKt = konstanta tachometer,

volts/rad

ω Kt v

Tachometer

Encoder



Control loops

Open-loops control mechanism

Pada skema disamping, controller digunakan sebagaion-line processor dariprogram dan data agar dapatmelaksanakan perintahspesifik untuk manipulasimesin dan proses aktuator.

Prinsip open-loops jugaberupaya menggunakankomputer sebagai manipulasielektrik atau motor stepper elektrohidrolik untukpengontrolan mesin perkakas

Steppingmotor

NC Control Logic

Electric Pulse

∆ X

Table

Lead screw

Workpiece

Tool

14



Control loops

Closed-loops control mechanismMekanisme untuk melakukan tindakan koreksi yang membandingkan hasil data aktual dengan hasil data yang diharapkan.Pada sistem dibawah, menggambarkan sistem pengontrolandimana pengontrol ditempatkan pada control-loop denganmengumpulkan data dari sensor proses, menerima status referensi yang diharapkan (set point) dari operator, dan control loop diakhiri dengan perintah manipulasi yang menyebabkanperubahan spesifik dalam output proses.

EncoderGearbox

TachometerAmp DC

MotorDAC

com

para

tor

Up-

dow

nco

unte

r

Reference(desired position)

Lead screw



Power drivesPenggerak tenaga:

Tenaga hidrolikTenaga elektrik

• Tenaga hidrolikTerdiri dari motor hidrolik, penggerak mula, pompahidrolik (suplai tenagahidrolik ke motor), motor elektrik (menggerakkanpompa), katup servo (mengontrol aliran fluidahidrolik). Biaya tinggi, bising, mudahterjadi kebocoran.

• Tenaga elektrikMotor stepperMotor DC

High precisionLead screw

Tape and tape reader

Cutter

Electronic Control

unit

Work tableStepping

motor

Spindle

Workpiece Motion ofthe table

Operator control

Pulses from Electronic Control unit

Ball bearing

nut

• Motor stepperMerupakan aktuatorelektromekanikal yang menterjemahkan sinyal elektrik kesistem mekanikal yang baku.Pada gambar dibawahdiilustrasikan cara kerja motor stepper untuk menggerakan kerjamekanik

15



Positioning SystemsGerakan posisi seperti tergambar

• Leadscrew (ACME screw thread) sebesar 20turns/in. • Sistem penggerak dengan gain (g) encoder sebesar

500pulsa/rev.• BLU dapat dihitung

Pitch = P = 1/20thread/in. = 0.05threads/inBLU = P/g = (0.05in./rev)/ (500pulses/rev) = 0.0001in./pulse

• Bila kemampuan motor berputar sebesar 1300rpm, makakecepatan gerak meja mesin (single-axis) dapat dihitung

(rpm)max = 1300rev/min

Vmax = P*(rpm)max = (0.05in./rev) (1300rev./min) = 65in./min

• Lama pergerakan sejauh 2.5inchi pada kelajuan 6in./min adalahV = s/tT = s/V = (2.5in.)/(6in./min) = 0.4167min=25s

• Jumlah sinyal encoder yang seharusnya kembali adalahp = s/BLU = (2.5in.)/(0.0001in./pulse) = 25,000pulses

• Kelajuan pulsa adalah

rp = p/t = 25,000pulses/25s = 1000pulses/s

75

45

25

2035

45

X

Y

A (20,25)

B (35,45)

C (45,75)

osp08 dasar dasar numerical control

Documents