## PENGEMBANGAN MECHANIC CUTTING DENGAN TIGA DERAJAT KEBEBASAN BERBASIS BALLSCREW

## Suroso, Aryanda Lukmana, Nugroho Tri Sanyoto
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Email : surosohadi09@gmail.com

## ABSTRAK
T elah dilakukan pengembangan mecahnic Cutting dengan tiga derajat kebebasan berbasis ballscrew yang bertujuan dapat melakukan pemotongan material lembaran atau plat untuk skala laboratorium. Mechanic cutting ini dirancang menggunakan ballscrew dan linear guideway dan motor stepper, untuk melakukan gerak axis horisontal X dan Y serta gerak axis vertikal Z. Perhitungan dilakukan terhadap pemilihan komponen mechanic cutting agar mampu melakukan gerak untuk 3 derajat kebebasan. Hasil dari disain didapat diameter ballscrew ½ inch, torsi  sebesar 4, 87mm , hasil pengu - jian mekanik untuk sumbu X sejauh 300 mm dengan kecepatan geser 5 mm/s ,sumbuY sejauh 200 mm dengan kecepatan geser 5 mm/s, serta pada sumbu Z sejauh 75 mm dengan kecepatan geser 12,5 mm/s dan galat gerakan sebesar 0,14%.
Kata Kunci: mechanic cutting, tiga derajat kebebasan ,ballscre.

## PENDAHULUAN
Setiap mesin dirancang dan dibuat untuk mem- berikan  fungsi  yang  dapat  meringankan  manusia, termasuk untuk pekerjaan yang rutin dan berulang. Untuk pekerjaan pengolahan dan pemotongan ma- terial lembaran atau plat yang berulang dan men- gurangi kesalahan, dibutuhkan alat potong mekanis yang bersifat otomatis.
Saat ini di pasaran banyak tersedia bermacam- macam alat potong mekanis yang sudah otomasi, termasuk diantaranya yang berbasis Computer Nu- merically Controlled (CNC) (Sudarno, 2016). Per- angkat mesin CNC memerlukan biaya yang tinggi dan volume unit pengendali yang besar, sehingga
masih sedikit perusahaan yang mempunyai kebera- nian dalam mempelopori investasi dalam teknologi ini. Beberapa mesin potong yang sudah ada, seperti laser  cutting,  juga  belum  bisa  melakukan  proses pemotongan  untuk  material  tertentu  karena  cara pemotongan maupun sifat material yang akan di- potong tidak sesuai dengan sifat laser.
Demi  mengatasi  masalah  ini,  dilakukanlah penelitian  mengenai  rancang  bangun  mechanic cutting menggunakan ballscrew dengan tiga derajat kebebasan yang memanfaatkan prinsip kerja motor stepper dan sistem mekanik berupa ballscrew dan linear guideway. Para penggiat mesin dapat mem - buat sistem mekanik cutting sendiri menggunakan
bahan-bahan yang mudah diperoleh di pasaran.
Pemilihan sistem gerak mekanik dengan meng- gunakan  ballscrew  bertujuan  untuk  mendapatkan konversi gerak rotasi dari motor penggerak menjadi gerakan linear dengan sedikit gesekan antara nuts atau bantalan bola. Dengan sistem gerak mekanik ballscrew  akan  kecil  kemungkinan  terjadi  selip antara bantalan bola dengan ulir, sehingga mampu menahan kapasitas beban yang berat dengan umur yang panjang, mempermudah perawatan, keawetan sparepart, serta kebutuhan oli pelumas yang sedikit (Hiwin, 2014).
Rancang bangun sistem mekanik cutting berba- sis  ballscrew  ini  bertujuan  untuk  percobaan  khu - susnya  untuk  pemotongan  material  lembaran/plat di laboratorium.

## TEORI
Ballscrew
Ballscrew  disebut  juga  dengan  ball  bearing screw (Gambar 1), yang terdiri atas spindle screw dan  nut.  Ballscrew  adalah  sistem  gerak  mekanik yang mengubah gerak rotasi menjadi gerak linear dengan sedikit gesekan. Terdiri dari spindle screw dan  mur  yang  terintegrasi  dengan  bola  bantalan dan mekanisme pengembalian bola bantalan beru- pa return tubes atau return cap, ballscrew menjadi sistem  penggerak  yang  paling  umum  digunakan dalam  aktuator  permesinan.  Ketika  mendapat  be-
ban transmisi, beban seperti diteruskan ke bantalan bola, beban dipindah dari sekrup ke bola, dari bola ke mur, dan dari mur ke perangkat didorong atau dipindah, sehingga bola bergulir antara poros sek- rup dan mur untuk mencapai efisiensi yang tinggi. Hal  ini  hanya  memerlukan  sepertiga  daya  torsi dibanding sekrup biasa, dan menjadikan ballscrew tidak hanya mampu mengubah gerak rotasi ke ger- ak lurus, tetapi juga mengubah gerak lurus ke gerak rotasi., dengan kestabilan tinggi, reversibility dan efisiensi tinggi jika dibandingkan dengan sekerup biasa.(Hiwin,2014).
Perhitungan untuk mendapatkan ukuran diam- eter ulir pada ballscrew (L.Mott,2004) agar mampu mengangkat beban tabung sinar X maka perlu di- lakukan perhitungan dengan menggunakan persa- maan (1):
dengan:
At  :  Luas  bidang  tegangan  tarik  poros ballscrew (cm 2 )
At  :  Luas  bidang  tegangan  geser  poros ballscrew (cm 2 )
F : Beban (kg)
σd : Tegangan Tarik (kg/cm 2 )
Kt : Nilai disain awal
Nilai  disain  awal  untuk  dari  diameter  ball
screw  ditemukan  dari  luas  bidang  At  dan  As.
Beban  F  maksimum  yang  disarankan  dapat  di- hitung  dari  persamaan  (3)  (Sularso,  1997)  :
dengan F1 adalah bidang dukung ulir sekrup, se- dangkan Nt  adalah tekanan bidang yang diperbole- hkan antara poros (diameter ballscrew) dan tabung ulir (nut).
Apabila  tinggi  nut  diumpamakan  dengan  H  dan S  adalah  jarak  puncak  ulir,  maka  tabung  ulir/nut ballscrew  mempunyai  H/S  jalan  sekrup.  Luas  bi - dang jadi kita dapat dengan persamaan (4)(Khurmi,
2005)]:
Dengan:
P       :  Beban (kg) H :  Tinggi tabung (mm) d :  Diameter luar ulir (mm) S :  Jarak puncak ulir (mm)
dk :  Diameter tengah teras poros ulir (mm)
Nt : Tekanan bidang yang diperbolehkan an-

## tara batang ulir dan tabung
Linear Guideway
Linear  Guideway  adalah  salah  satu  mekanisme yang memudahkan untuk gerakan linear, ditunjuk- kan pada Gambar1. Linear guideway memanfaat - kan  rolling  elements  seperti  bola-bola  yang  kecil agar  koefisien  gesek  semakin  kecil.  Dengan  me -
manfaatkan sirkulasi ulang rolling element antara rail  dan  block,  linear  guideway  dapat  mencapai gerakan lurus yang presisi jika dibandingkan den- gan  slide  yang  tradisional  (Hiwin,  2014).  Linear guideway atau disebut juga motorized Linear Stage banyak dipergunakan pada rancang bangun untuk CNC,  penggerak  untuk  gerak-gerak  presisi  yaitu untuk gerakan spindle memotong bahan.
Gambar 1. Ballscrew dan Linear Guideway Pemilihan motor dan perhitungan torsi motor.
Untuk  pemilihan  motor  yang  berfungsi  sebagai penggerak  untuk  menaikkan  dan  menurunkan gerak pemotongan dipilih motor stepper (Hartono, 2014). Torsi yang digunakan untuk menggerakkan beban  memutar  roda  gigi    dapat  dihitung  dengan persamaan 5. Apabila tan λ = p/πDp  dari lead an - gle L = 1/n (n = jumlah thread per inch) (L.Mott, 2004), maka Torsi:
dengan Tu : torsi untuk gerak naik (lb.in) F : beban spindle (lb) Dp : diameter jarak bagi minimum (inchi) f : koefisiean gesekan 0,15
Sedangkan Torsi untuk turun dapat dihitung den- gan rumus persamaan (6) yaitu:
dengan :
Td : torsi untuk gerka turun (lb.in) F  :  beban spindle (lb)
Dp: diameter jarak bagi minimum (inchi) F   : koefisiean gesekan 0,15
Perhitungan rangka mekanik cutting Perhitungan pada rangka mekanik penumpu untuk spindle  gerak  naik-turun  (axis  Z)  yaitu,  tegangan yang  bekerja  pada  body  penumpu  spindle  dapat berupa  kombinasi  tegangan,  bengkok  dan  geser juga tegangan yang lain.
Rangka  mekanik dapat ditentukan dengan mem- perhitungkan beban dari spindle. Bahan menggu- nakan AISI 1040 Steel Bar. denganYield Strength Sy = 42000 Psi (L. Mott, 2004):
Adapun untuk menghitung dimensi rangka:
σ = M / S σ = σd  = Sy / N dengan : S  : Section modulus  = t.h2/6 h  : 3 t
N : disain factor

## Arduino Uno
Arduino Uno adalah board berbasis mikrokontroler
pada ATmega328. Board ini memiliki 14 pin digital masukan / keluaran (dimana 6 pin dapat digunakan sebagai  keluaran  PWM),  6  masukan  analog,  16 MHz osilator kristal, koneksi USB, dan  tombol re- set. Pin-pin ini berisi semua yang diperlukan untuk mendukung  mikrokontroler,  hanya  terhubung  ke komputer dengan kabel USB atau sumber tegangan bisa didapat dari adaptor AC-DC atau baterai untuk menggunakannya.

## Driver Motor Stepper TB6560
Merupakan  driver  motor  stepper    sebagai  pener- jemah untuk pengoperasian motor stepper  dengan mudah  .  Perangkat  dirancang  untuk  mengopera- sikan  motor  stepper    bipolar  dengan  langkah  full , half , eight (1/8) dan sixteenth (1/16) depending mode.
Modul ini sangat mudah digunakan, tidak memer- lukan instruksi karena semua pengaturan telah ter- cetak  di  papan  modul  dan  dirancang  agar  mudah melepas panas. Tegangan masukan sebesar 10-35 Volt  DC  dan  dapat  menggerakkan  motor  stepper sampai dengan 3 Amper.

## METODE PENELITIAN
Metode Diagram alir mencerminkan lang- kah-langkah yang dilakukan dalam pengembangan pengembangan sistem mekanik cutting dari disain awal,  penentuan komponen komponen yang harus
ada, material dari masing-masing komponen, dan ketersediaan.

## Gambar 2. Diagram alir pengembangan sistem mekanik

## cutting
Dalam disain juga diperhitungkan atau disesuaikan dengan  aspek  kemudahan  pembuatan.  Berdasar- kan  perhitungan  dan  rumus-rumus  diatas  dengan metode  seperti  ditunjukkan  pada  diagram  Gam- bar.2,  maka  didapatkan  hasil  perhitungan  berupa dimensi dari ballscrew, linear guideway, motor, dan rangka dari sistem pengembangan mechanical cut- ting yang kemudian dilanjutkan dengan pembuatan /machining.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Perhitungan motor penggerak
Kecepatan gerak linear naik dan turun yang dibu- tuhkan  direncanakan  5  cm/detik.  Untuk  men-
gangkat  gerak  naik  dan  turun(spindle  Z),  motor penggerak  sekurang-kurangnya  harus  memenuhi besaran  torsi  sesuai  dengan  perhitungan. Apabila diketahui beban spindle ditentukan 80 kg At dan As dari tabel diameter ballscrew ¼ inch dibulatkan ½ inch   bahwa p = 0,125 maka sudut kisarnya yaitu λ = tan-1 p/πDp = tan-1 0,125/(3.14 × 0,5) = 11,983º. Dengan  menggunakan  persamaan  (6)  maka  torsi yang dibutuhkan untuk mengangkat beban dihitung sebagai berikut:
Dengan cosØ = cos 14,5º = 0,986, tanλ = tan 11,98º = 0,212º, berat 80 kg = 176 lb, maka:
Dengan cara yang sama, menggunakan persamaan (5)  dan  (6)  dapat  dihitung  kebutuhan  torsi  un- tuk menurunkan beban, didapat  Td = 12,20 lb.in. Dengan torsi untuk menaikan beban yang dibutuh- kan  sebesar  22,551  lb.in  dan  torsi  un tuk  menu- runkan beban sebesar 12,20 lb.in maka perlu dipilih  mot or  steper  dengan  torsi  yang  mampu mengangkat  25  lb.in  (dibulatkan),  yaitu  digu- nakan  untuk  menaikan  atau  menurunkan  beban. Dapat  juga  dihitung  dengan  perhitungan  Fa  = frictional  resistance  =  µ  x  beban  x  grafitasi, dengan  µ  adalah  rolling  frictional  coefficient =  0,003  ),  beban  40  kg  dengan  angka  keaman- an  =  2  sehingga  beban  dianggap  80  kg,  akh- irnya Fa = 0,003 x 80 kg x 9,8 =  2,94 Newton.

## Perhitungan rangka tabung sinar X
Ukuran  tinggi  penumpu  atau  rangka  untuk gerak naik-turun ditentukan secara umum spindle bergerak mempunyai tinggi 30 cm sehingga tinggi frame body untuk menggerakkan beban tabung di- pilih dari besi / steel bar memiliki panjang mnimal 40 cm dan ukuran luas penampang h dan t.
Jika  bahan  dipilih AISI  1040  Steel  Bar,  maka Yield Strenght Sy = 42000 psi, design factor (N) = 2, design stress σd = 42000/2 = 21000 psi. akhirnya didapat ukuran material rectangular bar 6 x 4 x ¼ .

## Desain Sistem Mekanik
Desain  awal  sistem  mekanik  terdapat  pada
Gambar 1. Dalam perancangan terdapat komponen- komponen penyusun alat berupa kerangka utama, 3 set ballscrew dan linear guideway masing-masing pada sumbu x, y, dan z, motor stepper 3 buah, bor
DC dan meja kerja.
Gambar 3. Disain awal sistem mekanik cutting
Keterangan:
1. Motor Stepper Z 2. Motor Stepper Y 3. Motor stepper X 4. Ballscrew

## 5. Linear Guideway
6. Bor DC 7. Meja kerja
8. Kerangka
Parameter Beban dan Daya antara yang Dibu- tuhkan dan yang Digunakan
Dari hasil perhitung diketahui bahwa semua pa - rameter  yang  hendak  digunakan  harus  memenuhi syarat maksimum beban yang diijinkan dan mini- mum daya yang dibutuhkan.
Desain Dudukan Sumbu Z
Gambar 4. Desain dudukan sumbu z.

## Desain Kerangka Utama
Desain kerangka utama berfungsi sebagai dudu- kan ballscrew dan tempat rangkaian elektronika.
Bahan yang digunakan untuk membuat kerang- ka utama adalah besi tuang dengan ketebalan 8mm.

## Gambar 4 Disain kerangka utama

## Desain Dudukan Sumbu X

## Bagan 5 Disain dudukan sumbu X

## HASIL PENELITIAN
Hasil  rancang  bangun  pada  penelitian  ini  ter- dapat pada Gambar 6.
Gambar 6. Hasil rancang bangun mechanic cutting

## Uji Kestabilan dan Keakurasian
Pengujian kestabilan dilakukan dengan mengu- kur waktu tempuh alat untuk bergerak pada jarak tertentu. Pengujian keakurasian yaitu dengan mem- berikan input nilai pada alat lalu mengukur jarak nyata yang ditempuh benda. Pengujian dilakukan
dengan  menggunkan  fitur  machine  control  pada universal g-code sender.
Tabel 1 Pengujian Kestabilan sumbu X
Tabel 2. Hasil Uji Galat Gerakan Sumbu X
Tabel 3 Pengujian Kestabilan Sumbu Y
Tabel 4 Hasil Uji Galat Gerak Sumbu Y

## Tabel 6 Hasil Uji Galat Gerak Sumbu Y

## Uji Menggambar
Pengujian  dengan  tes  menggambar  dilakukan sebagai  simulasi  alat  ketika  akan  digunakan  un- tuk  memotong  material.  Caranya  dengan  mema- sang  sebuah  pena  pada  dudukan  aktuator  dengan media  gambar  berupa  kertas.  Gambar  yang  akan dieksekusi  berupa  garis  vertikal,  horizontal  dan diagonal yang berpotongan pada titik tengah serta 4 lingkaran masing-masing dengan diameter 2cm,
4cm, 6cm dan 8cm.

## Uji Memotong Material
Pengujian pemotongan material dilakukan den- gan  menggunakan  bor  dc  dengan  diameter  mata potong  sebesar  2,2  mm  sebagai  pemotong  dan bahan yang akan dipotong berupa sterofoam den-
gan  ketebalan  10  mm.  Bentuk  yang  akan  dibuat berupa lingkaran dengan diameter 40 mm. Kecepa- tan makan diatur sebesar 50 mm/menit. Gambar 7 adalah pola yang akan dibuat dan Gambar 8 adalah hasilnya.
Gambar 7. Pola yang akan dibuat
Gambar 8. Hasil pemotongan sterofoam

## KESIMPULAN
Berdasarkan pengembangan yang telah dilaku- kan  dapat  diambil  beberapa  kesimpulan  sebagai berikut:
1. Alat yang dibuat sesuai perencanaan berupa alat mechanic cutting dengan ukuran diameter me- kanik ballscrew ½ inch  dan torsi motor sebesar
4,87 Nmm mampu digunakan untuk melakukan gerak axis horisontal X dan Y serta gerak axis
vertikal Z  untuk 3 derajat kebebasan.
2. Hasil pengujian mekanik untuk sumbu X sejauh
300 mm dengan kecepatan geser 5 mm/s, sum-
buY sejauh 200 mm dengan kecepatan geser 5 mm/s, serta pada sumbu Z sejauh 75 mm den- gan kecepatan geser 12,5 mm/s
3. Galat gerakan sebesar 0,14 %

## DAFTAR PUSTAKA
HIWIN, HIWIN Ballscrew Technical Information.
Minsk : Belarussia,2014.
Khurmi RS, Gupta JK, A Text Book Of Machine
Design,  Eurasia  Publishing  House  LTD,  New
Delhi, 2005
Puji  Hartono,  Muhammad  Naufal  Fauzi,  “  Pen-
gendalian Otomasi 3 Axis Berbasis PLC Pada
Simulasi Proses Las”, Metal Indonesia Vol. 36
No.1 , 2014
Robert  L.  Mott,  Machine  Elements  in  Mechincal
Design, Prentice Hall, 2004.
Sudarno,  Martono,  Sholeh  Mauludin,  “Rancang
Bangun Mesin CNC Router Berbasis Arduino”,
Politeknosains Vol XV No.2, 2016
Sularso,    Dasar  Perencanaan  dan  Pemilihan  Ele- men Mesin, Pradnya paramita, Jakarta,1997