MEKATRONIKA

Pengenalan Mekatronika

POKOK BAHASAN:

1.   Pendahuluan

2.   Pengertian Mekatronika

3.   Aplikasi-Aplikasi Mekatronika

TUJUAN BELAJAR:

Setelah mempelajari materi dalam bab ini, mahasiswa diharapkan mampu:  Memahami  tentang  Mekatronika  dan  dapat  menjelaskan  contoh- contoh aplikasi yang termasuk mekatronika

1.1.  Pendahuluan

Mekatronika  adalah  kata baru  yang  lahir  di  Jepang  pada awal  tahun

1970an yang merupakan gabungan antara 2 kata yaitu mechanics dan electroinics. Sekarang ini   sering terlihat barang barang mekatronik seperti robot, mesin bubut NC, kamera digital, printer dan lain sebagainya. Persamaan dari barang-barang mekatronik ini adalah 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. Artinya dengan bantuan micro-electronics mesin dapat bergerak dengan lebih cerdas. Jika seseorang memberikan sebuah perintah, lalu semua dapat dipasrahkan ke mesih yang dapat bererak secara otomatis. Ini santat membantu menciptakan  mesiha  tau  alat  yang  praktis  dan  mudah  digunakan.  Sehigga

                                                 

sumber daya manusia seperti waktu dan otak dapat dipakai untuk pekerjaan yang lain, sehingga daapt menciptakan nilai tambah.

Pada awalnya mekatronik diarahkan pada 3 target yaitu: penghematan energi (energi saving), pengecilan dimensi dan peringanan berat dan peningkatan kehandalan (reliability). Sekarang, setelah 30 tahun lebih berlalu dari kelahirannya, perlu dirumuskan kembali arah mekatronik sesuai dengan perkembangan jaman. Dan khususnya untuk Indonesia sebagai negara yang masih berkembang dengan segudang permasalahnnya, rasanya arah mekatronik perlu ditentukan agar dapat membantu memecahkan masalah-masalah yang ada dengan tetap memperhatikan lingkungan regional dan global.

1.2     Pengertian Mekatronika

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   diketahui   dari   definisi   mekatronika   adalah gabungan disiplin teknik mesin, teknik elektro, teknik informatika, dan teknik kendali. Pada awalnya, secara khusus tidak ada disiplin 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  mencapi  tujuan  tertentu  dengan  memonitor  informasi  kondisi  gerak mesin  menggunakan  sensor,  dan  memaukan  informasi  tersebut  ke  dalam mikro-prosesor. Ini menumbangkan 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 berbeda-beda dengan cara merubah program mereka sesuai kondisi yang diminta, karena telah ditambahkan kemampuan kendali aktif yang canggih terhadap mekanisme yang telah ada. Beberapa manfaat penerapan mekatronik adalah sebagai berikut:

1. Meningkatakan fleksibiltas

Manfaat terbesar yang dapat diperoleh dari penerapan mekatronik adalah

meningkatkan  fleksibilitas  mesin  dengan  menambahkan  fungsi-fungsi  baru yang mayoritas merupakan kontribusi mikro-prosessor. Sebagai contoh, lengan robot industri dapat melakukan bebagai jenis pekerjaan dengan merubah program peranti lunak di mikro-processornya seperti halnya lengan manusia. Ini  yuang  menjadi  faktor  utama  dimungkinkannya  proses  produksi  produk yang beraneka ragam tipenya dengan jumlah yang sedikit-sedikit.

2. Meningkatakan 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 timbulanya 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 mesin sebagai pengendali gerak, tingkat presisi dan kecepatan telah mencapai garis saturasi yang sulit untuk diangkat lagi. Dengan menerapkan kendali digital dan teknologi elektronika maka tingkat presisi 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 rigditas mesin yang menghalangi kecepatan lebih tinggi karena munculnya getaran. Hal ini melahirkan tatangan baru yaitu menciptakan sistem mesin yang memiliki rigiditas lebih tinggi.

Struktur mekatronika dapat dipilah menjadi 2 buah dunia yaitu dunia mekanika dan dunia elektronika. Di dunia mekanika terdapat mekansime mesin sebagai  objek  yang  dikendalikan.  Di  dunia  elektronika  terdapat  beberapa elemen mekatronika yaitu : sensor, kontroler, rangkaian pengerak aktuator dan sumber energi.

Elemen-elemen mekatronika dapat dijejalaskan sebagai berikut:

Mekanisme mesin. Ini adalah objek kendali yang bisa berupa lengan robor, mekanisme penggerak otomotif, generator pembangkit listrik dan lain sebagainya.  Sensor.  Ini  adalah  elemen  yang  bertugas  memonitor  keadaan objek yang dikendali. Sensor ini dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi memproses sinyal listrik menjadi sinyal yang mengandung informasi yang bisa dimanfaatkan.

Kontroler. Ini adalah elemen yang mengambil keputusan apakah keadaan ojek kendali telah sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan, dan kemudian memproses infromasi untuk menetapkan nilai komando guna merefisi keadaan objek kendali.

Rangkaian. 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 konroler juga menerima catu daya berenergi tinggi.

Aktutor. Ini adalah elemen yang berfungsi mengkonversi energi dari energi listrik ke energi mekanik. Bentuk konkrit aktuator ini misalnya:motor listrik, tabung hidrolik, tabung penematik. Dan lain sebagainya.

Sumber energi. Ini adalah elemen yang mencatu energi listrik ke semua element  yang membutuhkannnya.  Salah  satu  bentuk  konkrit  sumber energi adalah  batere  untuk  sistem  berpindah  tempat,  atau  adaptor  AC-DC  untuk sistem yang stasionari(tetap di tempat).

Struktur mekatronik yang digambarkan disini dari segi teori kendali disebut sistem umpan balik (closed loop). Sistem umpan balik ini meyerupai makhluk hidup, dimana dalam melakukan kegiatan selalu merevisi tindakannya berdasarkan informasi umpan balik yang dikirim oleh indar ke otak. Dengan demikian mekatronik adalah merealisasikan sistem mekanik yang mampu melakukan pekerjaan seperti halnya seorang manusi yang memiliki kondisi yang sempurna.

Batas formal antara berbagai disiplin ilmu rekayasa (enggineering) saati ini semakin kabaru seiring dengan perkembangan teknologi IC (Integrated Circuit  =  rangkaian  elektronika  terpadu)  dan  komputer.  Hal  ini  terutama terlihat jelas pada bidang mekanik dan elektronik yaitu semakin banyak produk yang merupakan integrasi dari kedua bidang tersebut, sehingga berkembang suatu bidang yang disebut mekatronika, yang merupakan perluasan cakupan dari bidang elektromekanik.

Beberapa definisi dari yang diambil dari berbagai sumber diantaranya: “Integration   of   micropocessor   control   system,   electrical   systems   and mechanical  system” (Bolton,  Mechtronics).  The synergistic combination  fo precision mechanical engineering, electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing processes”(Journal of Mechatornics). “The synergistic use of precision engineering, control and procesess (ME Magazine). “The interdisciplinary field of engineering dealing with the design of products whose function relies on the synergistic integration of mechanical and electronic components coordinated by a control architecture. “(A Iciatore, D.G. and Histand, M.B.)

Dari berbagai pengertian diatas maka dicoba disusun pengertian dari mekatronika yaitu integrasi dari sistem mekanik dan elektronik yang dikendalikan dengan komputer dan dimanfaatkan pada produk maupun proses produksi. Saat ini mekatronika sudah dianggap sebagai bidang tersendiri, meskipun tidak terlepas hubungannya dengan bidang lainnya.

1.3     Aplikasi Aplikasi Mekatronika

Saat  ini  pengendalian  sistem  mekanik  hampir  seluruhnya  dilakukan

menggunakan sistem kendali elektronik dan sebagian besar diantaranya menggunakan komputer. Contohnya adalah mesin mobil. Dahulu sistem pembakaran   yang  terjadi   pada  silinder  dikendalikan   sepenuhnya  secara mekanis. Banyak bahan bakar dan udara diataur langsung dari pedal lewat perantraaan kabel dengan perbandingan yang telah dissetel sebelumnya. Katup terbuka dan tertutup diatur secara mekanik menggunkana camshaft tergantung posisi piston.

Saat ini banyak sekali sensor yang terlibat pada sistem pembakaran mobil yaitu di antaranya sensor kecepatan dan posisi poros engkol, sensor temperatur udara dan bahan bakar, dan sensor pada pedal gas. Semua informasi dari sensor tersebut diolah oleh sistem pengendali berupa komputer yang disebut Engine Control Unit untuk digunakan mengatur waktu dan besarnya bukaan katup serta perbandingan bahan bakar-udara yang dapat disesuaikan dengan kondisi mesin ataupun pengendara.

Pada mobil juga terdapat berbagai sistem lain yang saat ini menerapkan sistem mekatronika, yaitu sistem transmisi automatis, sistem suspensi aktif,

sistem anti-lock braking system(ABS), sistem pengkondisi udar, serta display kecepatan, putraran mesin dan level bahan bakar.

Selain kendaraaan bermotor, mekatronika juga diterapkan pada berbagai hal antra lain :

a.   Perancancang sensor/transduser

b.   Peralatan  rumah  tangga  dan  perkantoran  :mesin  cuci,  mesin  isap debut, timbangan digital, micarowave, remote control, pembuat kopi, sistem HVAC, kamera, mesin foto kopi dan masih banyak lagi

c.   Berbagai peranti pada komputer : mouse, printer. Disk drive, CD ROM drive, keyboard.

d.   Dunia penerbangan  :  pengendalian  pesawat  tebang secara Fly By

Wire(FBW)

e.   Peralatan medis dan laboratorium

f.   Bidang Industri : monitoring dan kendali berbagai peralatan industri g.   Bidang robotika

Komponen utama pada suatu sistem mekatronika adalah sensor, aktuator, dan kontroler. Sensor digunakan untuk mendeteksi variabel pada sistem. Aktuator befungsi untuk memberikan aksi pada sistem yang dikendalikan.

1.4.     Aspek Pengendalian Elektrik

Sistem Kendali mempunyai tiga unsur yaitu input, proses dan output.

Input

Proses

Output

Gambar 1.1. Unsur-unsur sistem kendali

Input pada umumnya berupa sinyal dari sebuth transduser, yaitu alat yang dapat merubah besaran fisik menjadi besaran listrik, misalnya tombol tekan, saklar batas, termostat, dan lain-lain. Transduser memberikan informasi mengenai besaran yang diukur, kemudian infomrasi ini diproses oleh bagian proses. Bagian proses dapat beruapa  rangkaian  kendali  yang menggunakan

peralatan yang dirangkai secara listrik, atau  juga berupa suatu sistem kendali yang dapat diprogram mislanya sistem berbasis mikroprosesor, mikrokontroler atau PLC.

Pemrosesan informasi(sinyal input) menghasilkan sinyal Output yang selanjutnya digunakan untuk mengaktifkan aktuator (peralatan Output) yang dapat berupa motor listrik, kontaktor, katup selenoid, lampu dan sebagainya. Dengan peralatan output, besar listrik diubah kembali menjadi besar fisik.

Sistem  Kendali  dibedakan  menjadi  dua,  yaitu  sistem  kendali  loop terbukan dan sistem kendali loop tertutup.

1.4.1    Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem kendali loop terbuka adalah proses pengendali dimana variabel

Input mempengaruhi output yang dihasilkan. Gambar 2 menunjukkan diagram blok sistem kendali loop terbuka.

Gangguan

Setting

Peralatan

Kendali

Sistem yang dikendalikan

Output

Gambar 1.2. sistem kendali loop Terbuka

Dari gambar 3 diatas, dapat dipahami bahwa tidak ada informasi yang diberikan oleh peralatan output kepada bagian proses sehingga tidak diketahui apakah hasil output sesuai dengan yang dikehendaki.

1.4.2    Sistem Kendali Loop Tertutup

Sistem Kendali loop tertutup adalah suatu proses pengendalian di mana

variabel  yang  dikendalikan  (output)  disensor  secara  kontinyu,  kemduian dibandingkan dengan besaran acuan.

Variabel yang dikendalikan dapat berupa hasil pengukuran temperatur, kelembaban, posisi mekanik, kecepatan putaran, dan sebagainya. Hasil pengukuran  tersebut  diumpan-balikkan  ke  pembanding  (komparator)  yang dapat   berupa   peralatan   mekanik,   listrik,   elektronik   atau   peneumatik. Pemanding  membandingkan  sinyal  sensor  yang  berasal  dari  variabel  yang

dikendalikan dengan besaran acuan, dan hasilnya beruapa sinyal kesalahan. Selanjutnya, sinyal kesalahan diumpankan kepada peralatan kendali dan diproses untuk memperbaiki kesalahan sehingga menghasilkan output sesuai dengan yang dikehendaki. Dengan kata lain, kesalahan sama dengan nol.

Setting

Error

Peralatan

Gangguan

Sistem yang dikendalikan

(Proses)

Output

Senso

Umpan Balik

Gambar 1.3. sistem kendali loop Tertutup

1.5.     Peran Teknologi Digital dalam Pengendalian

Perkembangan Teknologi rangkaian terintegrasi khususnya sistem mikroprosesor memberikan kontribusi yang signifikan terhadap bidang kendali digital Teknologi mikroprosesor telah banyak diterapkan untuk pengendalian berbagai  peralatan  baik  industri  hingga  rumah  tangga.  Kehadiran mikrokontroler menjadi penerapan pengendali digital relatif mudah diterapkan pada berbagai aplikasi yang portabel.

Hingga akhir tahun 1970, sistem otomasi mesin dikendalikan oleh rali elektromagnet.   Dengan   semakin   meningkatnya   perkembangan   teknologi, tugas-tugas pengendalian dibuat dalam bentuk pengendalian terprogram yang

dapat dilakukan antara lain menggunakan PLC(Programmable Logic Controller).  Dengan  PLC,  sinyal  dari  berbagai  peralatan  luar  diinterfis sehingga fleksibel dalam mewujudkan sistem kendali. Disamping itu, kemampuannya dalam komunikasi jaringan memungkinkan penerapan  yang luas dalam berbagai operasi pengendalian sistem.

Dalam  sistem  otomasi,  PLC  merupakan  ‘Jantung’  ssitem  kendali. Dengan program yang disimpan dalam memori PLC, dalam ekskusinya, PLC dapat memonitor keadaan sistem melalui sinyal dari peralatan input, kemudian didasarkan atas logika program menentukan rangkaian untuk pengendalian peralatan output luar.

PLC dapat digunakan untuk mengendalikan tugas tugas sederhana yang berulang-ulang, atau di-interkoneksi dengan yang lain menggunakan komputer melalui sejenis jaringan komunikasi untuk mengintegrasikan pengendalian proses yang kompleks.

Cara Kerja sistem  kendali  PLC  dapat  dipahami  dengan  diagram  blik seperti ditunjukan pada Gambar 1.4.

PERA LATA I CPU O U N N T IN P P PUT U T MEMORI U T

DAYA                 PENUNJANG

PERA LATA N OUT

PUT

Gambar 1.4. Diagram Blok PLC

1.6.     Aspek Mekanika

Otomotif adalah ilmu yang mempelajari tentang alat-alat transportasi darat yang menggunakan mesin, terutama mobil dan sepeda motor. Otomotif mulai berkembang sebagai cabang ilmu seiring dengan diciptakannya mesin

mobil.  Dalam  perkembangannya,  mobil  menjadi  alat  transportasi  kompleks yang terdiri dari ribuan komponen yang tergolong dalam puluhan sistem dan subsistem.

Pompa bahan bakar adalah komponen penting dalam sebuah mobil atau mesin kombusi dalam lainnya. Bahan bakar harus dipompa dari tangki bensin ke mesin dan diantar dalam tekanan rendah ke karburator atau dalam tekanan tinggi ke sistem injeksi bahan bakar. Beberapa mesin injeksi bahan bakar memilki 2 macam pompa untuk tujuan ini: satu pompa tekanan rendah/volume besar di tangki dan satu tekanan tinggi/volume rendah di atau dekat mesin.

Suspensi adalah kumpulan komponen tertentu yang berfungsi meredam kejuatan, getaran yang terjadi pada kendaraan akibat permukaan jalan yang tidak  rata  yang  dapat  mengingkatkan  kenyamanan  berkendara  dan pengendalian kendaraan. Ada dua jenis utama suspensi yaitu sistem suspensi dependen dan sistem suspensi independen.

Peredam kejut, shock absorber, shock breaker, atau damper adalah sebuah alat  mekanik  yang didesain  utuk  meredam  hentakan  yang disebabkan  oleh energi kenetik. Peredam kejut adalah bagian penting dalam suspensi kendaraan bermotor, roda pendaratan pesawat terbang, dan mendukung banyak mesin industri. Peredam kejut berurukuran besar juga digunakan dalam arsitek dan teknik sipil untuk mengurangi kelemahan struktur akibat gempa bumi dan resonansi.

Dalam kendaraan, alat ini berfungsi untuk mengurangi efek dari kasarnya permukaan jalan. Tanpa peredam kejut, kendaraan dapat terlempar, seperti energi yang disimpan dalam per/pegas, kemudian dilepaskan pada kendaraan, barangkali melebihi gerakan suspensi. Kontrol gerakan berlebih pada suspensi tanpa peredam kejut diredam secara paksa oleh per yang kaku, yang dapat menyebabkan ketidaknyamanan dalam berkendara. Peredam kejut diperkenankan menggunakan per yang lembut yang mengontrol gerakan suspensi  dalam  merespon  gundukan  atau  lubang.  Dan  juga,  berhubungan dengan pelambatan efek fisik dalam ban itu sendiri, mengurangi grakan naik turun per. Karena ban tidak selembut per, untuk meredam hendakan ban mungkin dibutuhkan shock yang kaku yang lebih ideal untuk kendaraan.

Peredam kejut pneumatik dan hidraulik umumnya mengambil bentuk sebuah silinder dengan piston yang bergerak didalamnya. Silinder harus diisi dengan cairan kentalm,   seperti minyak hidraulik atau udara. Cairan ini diisikan ke dalam dashpot. Peredam kejut berbasi per umumnya menggunakan per keong atau per daun Per ideal itu sendiri, bukanlah peredam kejut seperti per yang hanya menyimpan dan tidak menghilangkan atau menyerap energi. Kendaraan biasanya menggunakan dua per atau pelang torsi yang berfungsi sebagaimana peredam kejut hidraulik. Dalam kombinasi ini, peredam kejut secara khusus menyediakan psiton hidroaulik yang menyerap dan menghilangkan getaran. Per tidak dianggap sebagai peredam kejut.

Peredam kejut harus menyerap atau menghilangkan energi. Desaiinya harus dipertimbangkan, oleh karena itu harus dibuat ketika mendesain atau memilih sebuath peredam kejut adalah ke mana energi akan pergi. Umumnya, dalam kebanyakan dashpot, energi diubah ke dalam panas di dalam cairan kental. Dalam silinder hidraulik, minyak hidraulik akan memanas. Dalam silinder udara, udara panas selalu dilepaskan ke atmosfer. Dalam tipe dashpot yang lain, seperti elektromagnetik, energi yang hilang dapat disimpan dan bisa digunakan kemudian jika diperlukan.

Sistem transmisi dalam otomotif, adalah sistem yang menjadi penghantar energi  dari  mesin  ke  diferensial  dan  as.  Dengan  memutar  as,  roda  dapat berputar dan menggerakan mobil.

Transmisi diperlukan karena mesih pembakaran yang umumnya digunakan dalam  mobil  merupakan  mesin  pembakaran  internal  yang  menghasilkan putaran (rotasi) antara 600 sampai 6000 rmp. Sedangkan, roda berputar pada kecapatan rotasi 0 sampai 2500 rmp.

Sekarang ini, terdapat dua sistem transmisi yang umum, yaitu transmisi manual dan transmisi otomatis. Terdapat juga sistem-sistem transmisi yang merupakan gabungan antara kedua sistem tersebut, namun ini merupakan perkembangan terakhir yang baru dapat ditemukan pada mobil-mobil berteknologi tinggi.

Transmisi manual merupakan salah satu jenis transmisi yang banyak dipergunakan dengan alasan perawatan yang lebih mudah. Biasanya pada transmisi manual terdiri dari 3 sampai dengan 7 speed.

Transmisi semi otomatis adalah transmisi yang dapat membuat kita dapat merasakan sistem transmisi manual atau otomatis, bila kita sedang menggunakan  sistem  transmisi  manual  kita  tidak  perlu  menginjak  pedal kopling karena pada sistem ini pedal kopling sudah teratur secara otomatis.

Transmisi otomatis terdiri dari 3 bagian utama yaitu : Torque converter, planetrai gerar unit,  dan Hydraulic control unit. Trorque converter berfungsi sebgai kopling otomatis dan dapat memperbesar momen mesin. Sedangkan Torque conventer terdiri dari Pump impeller, Turbine runner, dan Stator. Stator terletak diantar impeller dan turbine. Torque converter diisi dengan ATF (Automatic Transmition Fluid). Momen mesin dipindahkan dengan adanya aliran fluida.

Begitu banyaknya penggunaan sistem mekantronika dalam kehidupan kita memperkuat salah satu sifatnya yang multiguna(aplikatif). Sebagai contoh sistem mekatronik pada kendaraan bermotor adalah sistem rem ABS (Anti- block Breaking system) atau sistem pengeraman yang menghindari terkuncinya roda sehingga mobil tetap dapat dikendalikan dalam pengereman mendadak, ESP(Elektronik Stability Programm), ABC(Active Body Control) dan Motor- System. Contoh pada Teknologi Penerbangan. Dalan teknologi penerbangan moderen  digunakan  Comfort-In-Turbulence  System  sehinga  dapat menginkatkan kenyamanan penumpang walau ketika terjadi turbelensi. Gust Load Alleviation serta banyak contoh lainnya. Pada Teknik Produksi :Contoh dalam teknik produksi adalah penggunaan sensor pada robot. Sistem kendali umpan balik pada eletromoto berkecapatan rotasi tinggi dengan ‘pemegang as. tenaga magnet.

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