KONTROL NUMERIK

DASAR-DASAR TEKNOLOGI NC

• Kontrol numerik (numerical control, NC) adalah suatubentuk otomasi terprogram dimana gerakan mekanik

suatu perkakas mesin atau peralatan yang lain

dikendalikan oleh suatu program yang terdiri dari data

alpanumerik dalam bentuk kode.

• Data alpanumerik dinyatakan sebagai posisi relatif

antara kepalakerja (workhead) dan bendakerja (work-part), juga instruksi lain yang dibutuhkan untuk meng-operasikan mesin.

• Kepalakerja adalah perkakas potong atau peralatan

pemrosesan yang lain, dan bendakerja adalah obyek

yang sedang diproses.

• Bila pekerjaan telah selesai, program instruksi dapat

dirubah untuk memproses pekerjaan yang baru.

• Kemampuan untuk merubah program membuat NC

sesuai dengan produksi rendah dan medium.

Katagori Aplikasi NC

Aplikasi NC dapat dibagi dalam dua katagori : (1)

aplikasi perkakas pemesinan dan (2) perkakas non-

pemesinan.

• Aplikasi perkakas pemesinan yaitu aplikasi dalam

proses penggurdian, pemfraisan, pembubutan, dan

pekerjaan logam yang lain.

• Aplikasi perkakas non-pemesinan yaitu aplikasi

dalam proses perakitan, penggambaran (drafting),

dan inspeksi.

Pengoperasian NC pada dasarnya adalah pengendalian

pergerakan kepalakerja realatif terhadap bendakerja.

Komponen Dasar Sistem NCSistem NC terdiri dari tiga komponen dasar : (1) program instruksi,

(2) unit kendali mesin (machine control unit, MCU), dan (3)

peralatan pemrosesan (processing equipment).

ProgramMachine

control unit

Processing

equipment

• Program instruksi; Dalam aplikasi perkakas pemesinan,

fungsi utama program instruksi adalah untuk memposisikan

perkakas potong (cutting tool) relatif terhadap posisi

bendakerja. Instruksi tambahan pada umumnya meliputi :

kecepatan spindel, laju hantaran, pemilihan perkakas

potong, dan fungsi-fungsi yang lain. Program instruksi dalam

bentuk kode dapat disimpan dalam pita berlubang (sekarang

sudah jarang dipakai), pita magnetik, disket, dan program

part dari komputer.

• Unit kendali mesin (MCU); Dalam teknologi NC modern, MCU

terdiri dari mikrokomputer dan piranti keras kendali yang

dapat menyimpan program instruksi dan melaksanakannya

dengan mengkonversikan setiap perintah ke dalam aktivitas

mekanik peralatan pemrosesan. Karena MCU adalah kom-

puter, maka digunakan istilah computer numerical control

(CNC) untuk membedakan jenis NC ini dengan NC yang biasa

(NC yang menggunakan penyimpanan data program instruksi

dalam pita berlubang).

• Peralatan pemrosesan; Dalam komponen ini dilaksanakan

tahapan perubahan bentuk awal bendakerja ke bentuk yang

diinginkan. Operasi ini diarahkan oleh MCU sesuai dengan

instruksi yang ada dalam program part. Dalam aplikasi

perkakas pemesinanan, peralatan pemrosesan terdiri dari

mejakerja, spindel, motor, dan pengendali untuk menjalan-

kannya.

Sistem Koordinat NCUntuk memprogram peralatan pemrosesan NC, sistem sumbu

standar harus ditentukan untuk memposisikan kepalakerja relatif

terhadap bendakerja. Terdapat dua sistem sumbu yang digunakan

dalam NC, yaitu : (1) untuk bendakerja datar dan prismatik, (2)

untuk bendakerja rotasional. Keduanya menggunakan sistem

koordinat Cartesian.

Workpart

Worktable

+x-x

-z

+z

+y

-y

+b+c

+a

+x-x

+z

-zWorkpart

(1) (2)

• Sistem sumbu untuk bendakerja datar dan prismatik, terdiri

dari tiga sumbu linear (x, y, z), ditambah tiga sumbu

rotasional (a, b, c).

Dalam aplikasi perkakas mesin, pada umumnya sumbu x dany digunakan untuk menggerakkan dan memposisikan meja-kerja dimana bendakerja ditempatkan, dan sumbu z diguna-kan untuk mengendalikan pemrosesan vertikal perkakaspotong. Skema pemposisian seperti ini digunakan misalnyapada proses penggurdian dan pelubangan (punching) lemba-ran logam. Sumbu rotasional a, b, dan c berturut-turut adalahposisi melingkari sumbu x, y, dan z. Untuk membedakanrotasi positif dengan rotasi negatif, digunakan hukum tangankanan, yaitu ibu jari menunjuk ke arah sumbu linear positif(+x, +y, dan +z), dan lengkungan jari tangan yang lain menun-jukkan arah rotasi positif. Sumbu rotasi dapat digunakanuntuk salah satu atau kedua-duanya dari operasi berikut ini :(1) mengorientasikan bendakerja untuk pemesinan per-mukaan yang berbeda, (2) mengorientasikan perkakas ataukepalakerja pada suatu sudut relatif terhadap bendakerja.Pada umumnya perkakas mesin dengan sumbu rotasi memi-liki empat atau lima sumbu, yaitu tiga sumbu linear dan satuatau dua sumbu rotasi.

• Sistem sumbu untuk bendakerja rotasional; Sistem iniberhubungan dengan bubut dan pusat pembubutan NC.Dalam hal ini sumbu y tidak digunakan. Jalan perkakaspotong relatif terhadap bendakerja ditentukan dalam bidangx-z, dimana sumbu x adalah lokasi radial perkakas, dansumbu z paralel terhadap sumbu rotasi bendakerja.

Nol tetap versus nol ambang

Yang dimaksud dengan titik nol (zero point) adalah titik asal yang

merupakan titik pusat sistem koordinat. Seorang programer harus

menentukan posisi perkakas relatif terhadap titik asal sistem

koordinat tersebut. Mesin NC mempunyai dua metode untuk

menspesifikasikan titik nol, yaitu : (1) nol tetap (fixed zero), dan

(2) nol ambang (floating zero).

• Nol tetap; Dalam hal ini titik asal selalu terletak pada posisi

sama terhadap mejakerja, biasanya ditempatkan pada sudut

kiri depan mejakerja dan semua lokasi perkakas ditentukan

oleh koordinat positif x dan y.

• Nol ambang; Dalam hal ini titik asal dapat ditentukan oleh

operator berdasarkan program part yang dikehendaki.

Misalnya bila bentuk bendakerja simetris, maka sebaiknya

titik nol diletakkan pada pusat simetri, sehingga posisi

perkakas dapat ditentukan oleh koordinat positif atau

negatif x dan y.

Sistem Kontrol GerakanBeberapa proses NC dilakukan pada lokasi diskrit bendakerja

(mis. penggurdian dan pengelasan titik), dan yang lain dilakukan

selama kepalakerja bergerak (mis. pembubutan dan pengelasan

kontinu), sehingga sistem kontrol gerakan untuk NC (dan robot)

dapat dibagi dalam dua jenis gerakan : (1) jalan titik ke titik (point

to point path) dan (2) jalan kontinu (continuous path).

• Sistem jalan titik ke titik, juga disebut sistem pemposisian,

dilakukan dengan menggerakkan mejakerja ke suatu lokasi

terprogram tanpa memperhatikan jalan yang ditempuh untuk

mencapai lokasi tersebut.

(1)

+Tool

starting

point

Tool path

Workpart

y

x

(2)

y

x+

Tool

starting

point

Tool path

Workpart

Tool profile

Bila pergerakan telah selesai, kemudian pemrosesan dilaku-kan oleh kepalakerja pada lokasi tersebut, seperti padaproses penggurdian dan pelubangan (punching).

• Sistem jalan kontinu; Pada umumnya mengacu pada sistemyang mempunyai kemampuan untuk mengendalikan pergera-kan secara serentak dan kontinu pada dua atau lebih sumbu-sumbu koordinat. Dalam hal ini, perkakas melakukan prosespemotongan sementara mejakerja bergerak mengikuti jalangaris lurus, melingkar, atau jalan kurvilinear yang lain,sehingga dapat dihasilkan permukaan datar, melingkar,kurve dua dimensi, atau kontour tiga dimensi pada benda-kerja. Berdasarkan sistem pergerakan di atas, kontrol jalankontinu dapat dibagi atas : (a) NC potong-lurus (straight-cutNC) dan (b) NC pengkontouran (contouring NC).

Model kontrol seperti ini banyak dibutuhkan dalam operasipemfraisan dan pembubutan.

Straight-cut NC, bila jalan kontinu yang digunakan untukmenggerakkan perkakas sejajar dengan salah satu sumbuutama mejakerja perkakas mesin.

Contouring NC, bila jalan kontinu digunakan untukkeontrol secara serentak dua atau lebih sumbu dalamoperasi pemesinan.

(a)

(b)

Metode InterpolasiSalah satu aspek penting dalam sistem kontrol numerik jalankontinu (pengkontouran) adalah interpolasi. Beberapa pembentu-kan dapat ditentukan secara matematik dengan rumus geometriyang relatif sederhana (mis. persamaan lingkaran : x2 + y2 = R2),tetapi beberapa bentuk yang lain tidak dapat ditentukan secaramatematik, jadi harus ditentukan dengan pendekatan.

Pendekatan jalan suatu kurvedengan menggunakan rangkaiansegmen garis lurus dalam sistemNC disebut interpolasi. Akurasipendekatan dikendalikan dengandeviasi maksimum (disebut tole-ransi) antara kurve nominal(kurve yang diinginkan) danrangkaian segmen garis lurusyang akan dimesin dengan sistemNC. Tole-ransi dapat ditentukandengan tiga cara : (a) toleransihanya diluar kurve nominal, (b)toleransi hanya di dalam kurvenominal, dan (c) toleransi di luardan di dalam kurve nominal.

Actual curve

Actual curve

Actual curve

Straight line segment

approximation

Straight line segment

approximation

Straight line segment

approximation

Inside tolerance

Inside

tolerance

limit

Outside

tolerance

limit

Outside

tolerance

Tolerance

band

(a)

(b)

(c)

Jenis metode interpolasiBeberapa jenis metode interpolasi yang sering digunakan dalam

pembentukan jalan kontinu yang halus adalah : (1) interpolasi

linear, (2) interpolasi sirkular, (3) interpolasi helikal, (4) interpolasi

parabolik, dan (5) interpolasi kubik.

• Interpolasi linear; Interpolasi linear merupakan interpolasi

paling dasar dan banyak digunakan bila harus dibuat jalan

garis lurus dalam NC jalan kontinu. Dalam praktik interpolasi

garis lurus dibagi dua yaitu interpolasi dua sumbu dan inter-

polasi tiga sumbu, tetapi sesungguhnya kedua interpolasi ini

memiliki konsep yang sama. Programer menspesifikasikan

titik awal dan titik akhir garis lurus dan laju hantaran yang

akan digunakan sepanjang garis lurus tersebut. Interpolator

menghitung laju hantaran setiap dua sumbu (atau tiga

sumbu) untuk mencapai laju hantaran yang dispesifikasikan.

• Interpolasi sirkuler; Pemrograman busur sirkuler dapat dila-

kukan dengan menspesifikasikan parameter berikut : (a)

koordinat titik awal, (b) koordinat titik akhir, (c) pusat atau

jari-jari busur, (d) arah pemotong sepanjang busur tersebut.

Interpolasi sirkuler pada suatu bidang datar dibatasi untuk

dua sumbu yaitu sumbu x-y, sumbu x-z, atau sumbu y-z.

• Interpolasi helikal; Jenis interpolasi ini merupakan

kombinasi antara skema interpolasi sirkuler untuk dua

sumbu dengan pergerakan linear pada sumbu ke tiga. Jadi

jalan helikal ini merupakan ruang tiga dimensi. Interpolasi

helikal diaplikasi-kan pada proses pemesinan ulir dalam yang

besar, baik lurus maupun tirus (runcing).

• Interpolasi parabolik dan (5) interpolasi kubik; Kedua jenis

interpolasi ini merupakan kurve bentuk bebas, menggunakan

persamaan order persamaan yang lebih tinggi. Pada

umumnya membutuhkan daya yang amat komputasional dan

tidak seumum interpolasi linear dan sirkular. Aplikasi

terbanyak adalah dalam industri ruang angkasa dan otomotif

untuk desain bentuk bebas yang tidak dapat secara akurat

dan memuaskan bila didekati dengan interpolasi linear dan

sirkuler.

Pemposisian absolut versus pemposisian

inkrementalPemposisian dapat dinyatakan dengan dua cara, yaitu : (1)

pemposisian absolut (absolut positioning), dan (2) pemposisian

inkremental (incremental positioning).y

x50403020100

10

20

30

40

50

20

30

(20, 20)

(40, 50)

+

+

Current

tool position

Next tool position

• Pemposisian absolut, dinyatakan de-

ngan posisi relatif terhadap titik asal

sistem koordinat.

• Pemposisian inkremental, dinyatakan

dengan posisi relatif terhadap lokasi

perkakas sebelumnya.

Contoh gambar di atas, kepalakerja sebelumnya berada pada titik

(20,20) dan kemudian dipindahkan ke titik (40, 50). Dalam pempo-

sisian absolut, pergerakan tersebut dispesifikasikan dengan x=40,

dan y=50; sedangkan dalam pemposisian inkremental pergerakan

tersebut dispesifikasikan dengan x=20, dan y=30.

KONTROL NUMERIK KOMPUTER

(COMPUTER NUMERICAL CONTROL, CNC)

CNC adalah sistem NC dimana MCU yang digunakan

berbasis pada mikrokomputer.

Fitur (features) CNCFitur yang standar dari sistem CNC adalah pada MCU–nya, sedang

yang lainnya adalah opsional, yaitu meliputi :

• Menyimpan lebih dari satu program part; Kontroler CNC

dapat menyimpan berbagai program dengan kapasitas yang

cukup memadai.

• Berbagai bentuk program input; Kontroler CNC dapat

membaca berbagai macam bentuk program input, seperti

program pita berlubang, pita magnetik, disket flopi, komuni-

kasi RS-232 dengan komputer eksternal, dan data input

manual.

• Pengeditan program pada perkakas mesin; CNC dapat

mengedit program part yang ada dalam memori komputer

MCU.

• Siklus tetap dan subrutin pemrograman; Dengan bertam-

bahnya kapasitas memori dan kemampuan untuk pengendali-

annya, maka komputer memiliki kesempatan untuk menyim-

pan data/program yang sering digunakan dalam siklus peme-

sinan, sebagai makros yang dapat dipanggil oleh program

part.

• Interpolasi; Interpolasi linear dan sirkuler dapat dilakukan

dengan mesin NC biasa, sedang untuk sistem interpolasi

helikal, parabolik, dan kubik biasanya dilakukan dalam mesin

yang memiliki program algoritme (komputerisasi); jadi tidak

bisa dengan NC biasa, harus dilakukan dengan CNC.

• Fitur-fitur pemposisian untuk setup; Pensetupan perkakas

mesin untuk suatu bendakerja harus dilakukan sedemikian-

rupa sehingga sumbu-sumbu mesin sesuai dengan posisi

bendakerja yang diinginkan.

• Kalkulasi percepatan dan perlambatan; Fitur ini dibutuhkan

bila pemotong bergerak dengan laju hantaran (feed rate)

yang tinggi. Hal ini didesain untuk menghindarkan terjadinya

cacat pada permukaan bendakerja.

• Dan lain-lain.

MCU untuk CNCMCU terdiri dari komponen dan subsistem berikut ini : (1) pusatunit pemrosesan (central processing unit, CPU), (2) memori, (3)antarmuka I/O (I/O interface), (4) kontrol untuk sumbu perkakasmesin dan kecepatan spindel, dan (5) kontrol urutan untuk fungsiperkakas mesin yang lain.

Central processing unit

(CPU)

System bus

MemoryROM - Operating systemRAM - Part programs

Input/output interface

Operator panel Tape reader

Squence controls Coolant Fixture clamping Tool changer

Machine tool controls Position control Spindle speed control

• Central processing unit (CPU); CPU merupakan otak MCU,

yang berfungsi untuk mengatur komponen lain dalam MCU

berdasarkan piranti lunak (software) yang ada dalam memori

utama.

• Memory; Seperti dengan sistem komputer yang lain, memori

CNC juga dibagi dalam dua katagori, yaitu : (a) memori

utama, dan (b) memori sekunder. Memori utama juga disebut

penyimpan primer (primary storage) terdiri dari peralatan

ROM (read only memory) dan RAM (random access memory).

Piranti lunak sistem pengoperasian dan program antarmuka

mesin disimpan dalam ROM (dilakukan oleh manufaktur

MCU), sedangkan program part disimpan dalam peralatan

RAM dimana program tersebut dapat dirubah setiap saat.

Memori sekunder memiliki kapasitas yang besar digunakan

untuk menyimpan program yang besar dan arsip data, dan

ditransfer ke memori utama sesuai dengan kebutuhan.

Memori sekunder dapat berupa disket flopi atau hard disk.

• I/O interface; I/O interface berfungsi untuk menyiapkan

komunikasi antara berbagai komponen sistem CNC, sistem

komputer yang lain, dan operator mesin. I/O interface

berfungsi sebagai pengirim dan penerima data dan signal ke

dan dari peralatan eksternal. Seperti tertera dalam gambar,

I.O interface terdiri dari panel operator (mis. perlatan display,

keyboard, dsb.) dan pembaca pita (tape reader).

• Control for Machine Tool Axes and Spindle Speed; Ini

merupakan komponen piranti keras yang mengendalikan

posisi dan kecepatan (feed rate) setiap sumbu mesin, dan

juga kecepatan rotasi spindel perkakas mesin. Signal yang

dihasilkan oleh MCU harus dikoversikan ke daya (listrik)

untuk menjalankan aktuator sistem pengendali posisi.

• Sequence controls for other machine tool functions; Sebagai

kontrol tambahan posisi meja, laju hantaran, dan kecepatan

spindel, beberapa fungsi tambahan dapat dilaksanakan

dibawah kontrol program part, misalnya pengendalian sistem

pendingin, pengendalian penggantian perkakas, pengenda-

lian pengencang penjepit, peringatan emergensi, pengatur

waktu (timer), dan sebagainya.

DNCSebelum CNC ditemukan, DNC merupakan singkatan dari DirectNumerical Control, yaitu sistem pengendalian sejumlah perkakasmesin NC dengan komputer tunggal (mainframe) melalui hubunganlangsung.

MCU MCUMCU

Central

computer

Bulk memory

NC programs

MCU

Telecommunication lines

Machine tool

BTR BTR

Tape

reader

Sebagai pengganti pembaca pita berlubang (punched tape reader)untuk memasukkan program part ke MCU, program ditransmisikanlangsung dari komputer, setiap saat satu blok instruksi. Modeloperasi seperti ini disebut behind the tape reader (BTR).

Setelah CNC ditemukan, pengertian DNC menjadi berubah. DNCsekarang merupakan singkatan dari Distributed NumericalControl. Konfigurasi DNC baru hampir sama dengan DNCsebelumnya, kecuali komputer pusat (central computer) dihubung-kan dengan MCU yang juga merupakan komputer. Dalam DNC baruprogram part tidak lagi dikirimkan ke MCU berupa satu blokinstruksi setiap saat, tetapi dikirimkan berupa program part yangmenyeluruh.

Pengertian DNC yang baru

Beberapa keuntungan NC bila digunakan

dalam jumlah produksi kecil

• Mengurangi waktu nonproduksi; Penggunaan NC dapatmemperpendek waktu set-up, waktu penanganan benda-kerja, pada beberapa mesin penggantian perkakas dapatdilakukan secara otomatis, dan sebagainya.

• Mengurangi pekerjaan pengencangan (fixturing); NC membu-tuhkan pekerjaan pengencangan yang lebih sederhana diban-dingkan dengan menggunakan alat bantu, karena pemposisi-an part dilakukan dengan program NC.

• Mengurangi waktu pengerjaan (reduce lead time); Pekerjaandapat diset-up lebih cepat dengan NC.

• Fleksibilitas manufaktur lebih besar; NC dapat menyesuaikanlebih baik terhadap perubahan pekerjaan, skedul produksi,dan sebagainya.

• Penyesuaian terhadap perubahan desain tektik pada benda-kerja lebih mudah; Perubahan sistem pengencangan yangrumit dapat dilakukan dengan merubah program NC.

• Memperbaiki akurasi dan mengurangi kesalahan manusia; NCsangat sesuai digunakan untuk mengerjakan part yang rumitdimana kemungkinan kesalahan manusia sangat tinggi.

Karakteristik pekerjaan yang sesuai

dikerjakan dengan NC

(1) Part yang dikerjakan sering dan dalam jumlah kecil hingga

medium.

(2) Geometri part rumit.

(3) Part yang dikerjakan memerlukan akurasi yang tinggi.

(4) Banyak operasi yang harus dilakukan pada part dalam

pemrosesannya.

(5) Banyak membutuhkan pelepasan logam (untuk aplikasi

pemesinan).

(6) Dimungkinkan adanya perubahan desain teknik.

(7) Part yang dibuat harganya mahal, sehingga kesalahan dalam

pemrosesannya akan dapat menyebabkan kerugian besar.

(8) Part membutuhkan inspeksi 100%.