PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN PENGE MBANGAN ALAT ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABEL DENGAN DATA AKUISISI
TUGAS AKHIR
Oleh
SANDI SUFIANDI 04 04 22 041 9
TUGAS AKHIR INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA GASAL 2006/2007
i
PERNYAT PERNYATAAN KEASLIAN KEASLI AN TUGAS TU GAS AKHIR Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan judul :
PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABLE DENGAN DATA AKUISISI
yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada program studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari Tugas Akhir yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Indonesia maupun di Perguruan Tinggi atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.
Depok, 29 Desember 2006
Sandi Sufiandi, A.Md. NPM 04 04 22 041 9
ii
PERNYAT PERNYATAAN KEASLIAN KEASLI AN TUGAS TU GAS AKHIR Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan judul :
PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABLE DENGAN DATA AKUISISI
yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada program studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari Tugas Akhir yang sudah dipublikasikan dan atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Indonesia maupun di Perguruan Tinggi atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.
Depok, 29 Desember 2006
Sandi Sufiandi, A.Md. NPM 04 04 22 041 9
ii
PENGESAHAN Tugas Akhir dengan judul :
PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABLE DENGAN DATA AKUISISI
dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Tugas Akhir ini telah diujikan pada sidang ujian Tugas Akhir pada tanggal 29 Desember 2006 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai Tugas Akhir pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Depok, 12 Januari 2007 Dosen Pembimbing,
Prof. Dr. Ir. Tresna P. Soemardi, SE, MSi NIP. 131 475 423
Ir. Wahyu Nirbito, MSME NIP. 131 472 308
iii
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada : •
Allah S.W.T. dan Nabi Muhammad S.A.W.
•
Prof. Dr. Ir. Tresna P. Soemardi, SE, Msi dan Ir. Wahyu Nirbito, MSME selaku dosen pembimbing yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberi pengarahan, diskusi dan bimbingan serta persetujuan sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai dengan baik.
•
Ibunda Rd. Hj. Nelly Anita K.
•
Ayahanda H. Dede Suparman
•
Ir. Loekman Kartanagara (Alm.) dan H. A.Muayyad Abdul Muchsin (Alm.) yang mengajari saya akan kerja keras dan kesederhanaan hidup.
•
Mahasiswa Ekstensi Mesin Angkatan 2004 dan Alumni Politeknik Manufaktur Bandung atas diskusi dan bantuan teknis.
•
Dan pihak-pihak yang tidak dapat saya sebutkan disini.
iv
Sandi Sufiandi Dosen Pembimbing NPM 04 04 22 041 9 I. Prof. Dr. Ir. Tresna P. Soemardi, Soemardi, SE, MSi Departemen Teknik Mesin II. Ir. Wahyu Nirbito, MSME PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABLE DENGAN DATA AKUISISI ABSTRAK Pemahaman akan sifat material dalam dalam proses perancangan dan fabrikasi sangat penting sehingga untuk itu diperlukan perancangan dan penelitian dan pengembangan alat bantu agar proses belajar mahasiswa S1 Teknik Mesin dalam mata kuliah Material Teknik dapat lebih baik. Proses belajar akan lebih kuat menanamkan pengertian dan pemahaman dengan melakukan pengamatan langsung sifat mekanik bahan dengan menggunakan alat uji tarik portabel yang dilengkapi dengan data akuisisi sebagai salah satu pelengkap peraga demostrasi uji tarik untuk sebuah spesimen material pada mata kuliah material teknik Kata Kunci : Alat Uji Tarik, Data Akuisisi
v
Sandi Sufiandi Counsellor NPM 04 04 22 041 9 I. Prof. Dr. Ir. Tresna P. Soemardi, SE, MSi Mechanical Engineering Department II. Ir. Wahyu Nirbito, MSME DESIGN AND DEVELOPMENT OF PORTABLE TENSILE STRESS TEST BED WITH DATA ACQUISITION ABSTRACT Understanding of material properties in mechanical design and manufacturing are very important, therefore, design research and development of learning tool to fullfil learning process objective of Student at Mechanical Engineering in Engineering Material subject become better. Learning process will be better by implementing understanding and know-how by doing direct observation of mechanical material properties through portable tensile strength test bed with data acquisition as a tool for demonstrate tensile strength of a test piece in engineering material subject. Keyword : Tensile Strength Test, Data Acquisition
vi
DAFTAR ISI PERANCANGAN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TARIK / TEKAN PORTABEL DENGAN DATA AKUISISI .............................................................. i PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR...................................................... ii PENGESAHAN ...................................................................................................... iii UCAPAN TERIMA KASIH................................................................................... iv ABSTRAK ................................................................................................................v ABSTRACT............................................................................................................ vi DAFTAR ISI.......................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. ix DAFTAR TABEL.....................................................................................................x DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................... xi DAFTAR SINGKATAN ....................................................................................... xii DAFTAR SIMBOL............................................................................................... xiii BAB I PENDAHULUAN .........................................................................................1 1.1
LATAR BELAKANG ............................................................................ 2
1.2
PERMASALAHAN................................................................................ 2
1.3
PEMBATASAN MASALAH................................................................. 2
1.4
TUJUAN PENULISAN / PENELITIAN................................................ 2
1.5
METODOLOGI PENULISAN / PENELITIAN .................................... 3
1.6
SISTEMATIKA PENULISAN / PENELITIAN .................................... 3
BAB II DASAR TEORI ...........................................................................................4 2.1
PENGUJIAN KEKUATAN TARIK BAHAN ....................................... 4
2.1.1
Bagian Mekanikal Alat Uji Tarik......................................................5
2.1.2
Elemen Mesin yang Digunakan ........................................................7
2.1.2.1
Ulir dan Mur Transportir............................................................. 7
2.1.2.2
Bantalan Aksial ........................................................................... 7
2.1.2.3
Tiang ........................................................................................... 7
2.1.2.4
Baut Hexagonal........................................................................... 7
vii
2.1.3
Spesifikasi Bahan yang Digunakan...................................................7
2.1.3.1
Timah .......................................................................................... 7
2.1.3.2
Baja (St 37-2) .............................................................................. 8
2.1.4 2.2
Standard Spesimen ............................................................................8
SENSOR & KOMUNIKASI DATA ...................................................... 8
2.2.1
Load Cells .........................................................................................9
2.2.1.1
Spesifikasi Load Cell .................................................................. 9
2.2.2
Mouse, Dial Gauge / Jangka Sorong sebagai Displacement Scale.11
2.2.3
Communication Port .......................................................................12
2.2.4
Akuisisi Data...................................................................................14
BAB III PERANCANGAN, PENGEMBANGAN & FABRIKASI ......................16 3.1
PERANCANGAN ELEMEN MESIN ALAT UJI TARIK .................. 16
3.1.1
Perhitungan Kekuatan Bahan..........................................................16
3.1.1.1
Data Kekuatan Bahan Timah [Bargel, 1978][2] ....................... 16
3.1.1.2
Data Kekuatan Bahan Aluminium [Matek, 1987][1]................ 16
3.1.1.3
Tegangan Ijin Bahan ................................................................. 17
3.1.1.4
Momen Torsi yang terjadi pada Spindel ................................... 17
3.1.1.5
Momen Inersia Polar ................................................................. 17
3.1.1.6
Tegangan Puntir yang terjadi terhadap Tegangan Ijin .............. 18
3.1.1.7
Tegangan Tekan (Tarik) yang terjadi........................................ 18
3.1.1.8
Tegangan Gabungan yang terjadi pada Spindel........................ 18
3.1.1.9
Tingkat Kelendutan akibat Beban Tekuk.................................. 18
3.1.1.10
Tegangan Tekuk dengan λ < 105 untuk St 37-2 (Tetmajer). 19
3.1.1.11
Tingkat keamanan menerima keseluruhan beban ................. 19
3.1.1.12
Ukuran Mur........................................................................... 19
3.1.1.13
Ukuran ulir pengikat yang digunakan................................... 19
3.2
Fabrikasi Elemen-Elemen Mesin & Perakitan Alat .............................. 19
3.3
Pengembangan alat................................................................................ 20
BAB IV PENGUJIAN ............................................................................................21 BAB V KESIMPULAN..........................................................................................27 DAFTAR ACUAN .................................................................................................28 LAMPIRAN...........................................................................................................29
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar II.1 Bagian – bagian dari alat uji tarik....................................................... 5 Gambar II.2 Skema load cell................................................................................... 9 Gambar II.3 6 pin mini-DIN male PS/2 connector at the mouse cable ............... 11 Gambar 2.4 Socket pada Data Akuisisi ( 9 Pin Female D Sub )........................... 12 Gambar II.5 Socket pada Load Cell pada 9 Pin Male D Sub................................ 13 Gambar II.6 Socket 9 Pin Male D Sub yang dikoneksikan dengan Mouse PS/2. 14 Gambar 2.7 Data Akusisi Biopac MP35 ............................................................... 15 Gambar 2.8 Tampilan aplikasi data akusisi Biopac MP35 ................................... 15 Gambar 3.1 Pengembangan akhir alat .................................................................. 20 Gambar 4.1 Spesimen uji aluminium diameter 4 mm........................................... 21 Gambar IV.2 Pencekaman bahan uji..................................................................... 21 Gambar 4.3 Grafik Tegangan Output.................................................................... 22 Gambar 4.4 Tegangan Tarik vs Elongasi.............................................................. 22 Gambar 4.5 Gambar Perpatahan ........................................................................... 23 Gambar IV.6 Pencekaman kawat tembaga menggunakan chuck bor .................. 23 Gambar 4.7 Data grafis spesimen 1 ...................................................................... 24 Gambar 4.8 Data grafis spesimen 2 ...................................................................... 24 Gambar 4.9 Pencekaman kawat timah menggunakan chuck bor......................... 25 Gambar IV.10 Data grafis spesimen 3 .................................................................. 25 Gambar 4.11 Data grafis spesimen 4 .................................................................... 26 Gambar 4.12 Data grafis spesimen 5 .................................................................... 26
ix
DAFTAR TABEL Tabel II.1 Tabel Kekuatan Bahan St 37-2............................................................... 8 Tabel 2.2 Koneksi pin-out mouse PS/2................................................................. 11 Tabel II.3 Pin-Outs Kanal Masukan Data Akuisisi............................................... 12 Tabel 2.4 Pin-Out Load Cell ................................................................................. 13 Tabel II.5 Pin-Out Mouse PS/2 pada Socket 9 Pin Male D Sub........................... 14
x
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1
A Low Cost Retrofit System for Digital Closed Loop Mechanical Testing of Materials..…………………………………………….29
Lampiran 2
Gambar Teknik Alat Peraga Uji Tarik...........................................37
xi
DAFTAR SINGKATAN NA
Not Available – Tidak dipakai
FS
Full Scale – Beban Penuh
ID
Internal Device
2
IC
Inter Integrated Circuit
SCL
Serial Clock
SDA
Serial Data
xii
DAFTAR SIMBOL Simbol
Keterangan
Dimensi 2
R m
Kekuatan tarik hingga batas plastis
N/mm (MPa)
R e
Kekuatan tarik hingga batas elastis
N/mm (MPa)
R p0,2
Kekuatan tarik hingga mulur 0,2%
N/mm (MPa)
σtarik
Tegangan Tarik
N/mm (MPa)
σtekan
Tegangan Tekan
N/mm (MPa)
σtekuk
Tegangan Tekuk
N/mm2 (MPa)
τgeser
Tegangan Geser
N/mm2 (MPa)
τ puntir
Tegangan Puntir
N/mm (MPa)
v
Faktor keamanan
N/mm (MPa)
d2
Diameter tengah ulir
mm
d3
Diameter luar ulir
mm
A3
Luas penampang terluar ulir
mm
F
Gaya
N (Newton)
lk
Panjang batang ekuivalen
mm
E
Modulus elastisitas
N/mm2 (MPa)
ϕ
Sudut ulir
°
ρG
Sudut gesekan ulir
°
W p
Momen Inersia Polar
mm
T
Torsi
N mm
λ
Tingkat kelendutan
P
Pitch ulir
mm
l1
Panjang Mur
mm
H1
Tinggi Ulir
mm
2 2 2 2
2 2
xiii
2
3
BAB I PENDAHULUAN Rancangan dan penelitian ini dilatar belakangi oleh upaya pengembangan proses belajar mahasiswa S1 Teknik Mesin dalam mata kuliah Material Teknik. Proses belajar akan lebih kuat menanamkan pengertian dan pemahaman dengan melakukan pengamatan langsung sifat mekanik bahan dengan menggunakan alat uji tarik portabel yang dilengkapi dengan data akuisisi sebagai salah satu pelengkap peraga demostrasi uji tarik untuk sebuah spesimen material pada mata kuliah material teknik Kehadiran alat ini melengkapi beberapa peraga alat uji material yang bersifat keteknikan lainnya seperti: peraga uji puntir, uji geser, dll. Diharapkan dengan adanya peraga alat uji ini mahasiswa dapat lebih memahami bagaimana fenomena sifat material berperan dan dalam membuat desain sebuah produk. Dalam hal ini mahasiswa dirangsang agar berfikir analitis sehingga mampu membuat kesimpulan berdasarkan kondisi pengujian yang dilakukan, seperti bagaimana korelasi antara kekuatan tarik dan berat jenis material, apa yang dimaksud dengan kekuatan tarik, apa yang dimaksud dengan elongasi dan lainlain. Hadirnya alat ini adalah bukan sebagai pengganti alat uji tarik sesungguhnya, karena mahasiswa tetap diwajibkan untuk mengikuti serangkaian praktikum ilmu material yang pelaksanaannya bekerja sama dengan Departemen Metalurgi. Diharapkan pada praktikum sesungguhnya, mahasiswa dapat mengerti dengan baik kenapa dan apa yang harus dilakukan. Pada alat ini sebuah spesimen uji tarik dummy yang terbuat dari timah solder atau bahan lainnya, ditarik dengan mekanisme tarik memanfaatkan putaran ulir pada poros tengah pemegang spesimen tersebut. Pada saat proses penarikan spesimen, alat tersebut dikoneksi dengan sebuah load cell dan sebuah displacement scale sederhana yang mendeteksi dan menunjukan beban tarik serta pergeseran yang terjadi pada spesimen. Pada saat proses penarikan berlangsung setiap fenomena keteknikan yang terjadi dapat
1
segera dijelaskan ataupun didiskusikan dengan mahasiswa sampai spesimen tersebut mengalami perpatahan. Dalam setiap diskusi mahasiswa juga dipancing ide, pendapat dan responnya berkaitan dengan fenomena yang terjadi, baik ketika memasuki area elastis maupun area plastis. Spesimen yang menggunakan timah solder padat dapat kembali digunakan setelah patah karena sebuah cetakan spesimen juga disiapkan untuk memudahkan spesimen dilelehkan (titik leleh timah solder padat tidak tinggi) dan dicetak kembali. 1.1
LATAR BELAKANG
Untuk memenuhi kebutuhan diatas maka diperlukan sebuah alat peraga di ruangan kelas atau laboratorium, yaitu sebuah alat uji tarik ringan dan sederhana. Dengan alat peraga kelas berupa alat uji ini mahasiswa diharapkan dapat memahami bagaimana fenomena sifat-sifat material berperan dan bekerja dalam membuat desain sebuah produk. Dalam hal ini mahasiswa dipancing agar berfikir analitis sehingga mampu menganalisa parameter-parameter dalam desain, seperti bagaimana koralasi antara kekuatan tarik dan berat jenis material, apa yang dimaksud dengan gaya geser, elongasi dan fenomena-fenomena lainnya 1.2
PERMASALAHAN
Diharapkan dapat diperoleh desain dan fabrikasi alat uji tarik yang layak serta dapat membantu praktikan menganalisa proses uji yang terjadi. 1.3
PEMBATASAN MASALAH
Masalah-masalah yang akan dikaji adalah proses uji tarik yang terjadi, perancangan elemen-mesin yang digunakan, sensor-sensor yang digunakan beserta peralatan data akuisisi, dan pengujian alat. Perancangan alat dan pembuatan spesimen dari timah serta displacement scale tidak dibahas dalam Tugas Akhir ini. 1.4
TUJUAN PENULISAN / PENELITIAN
Penulisan dimaksudkan untuk menjelaskan desain sistem mekanikal, sistem elektronik, dan perangkat lunak yang digunakan dalam perancangan dan pembuatan alat uji.
2
1.5
METODOLOGI PENULISAN / PENELITIAN
Metodologi
yang
digunakan
adalah
proses
perancangan
yang
menggunakan metode ilmiah untuk memperoleh desain dan alat yang layak dan optimal. 1.6
SISTEMATIKA PENULISAN / PENELITIAN
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika sebagai berikut. Bab 1 membahas tentang pendahuluan yang melatarbelakangi proses pembuatan alat uji ini, Bab 2 membahas tentang dasar teori yang terlibat didalam proses perancangan dan pembuatan alat uji, seperti elemen mesin, sensor, dan peralatan - peralatan yang digunakan. Bab 3 membahas tentang perancangan, pengembangan dan fabrikasi dari alat uji. Bab 4 membahas tentang pengujian alat. Bab 5 menjelaskan tentang kesimpulan yang dapat diambil.
3
BAB II DASAR TEORI 2.1
PENGUJIAN KEKUATAN TARIK BAHAN
Pengujian kekuatan bahan yang dilakukan merupakan perbandingan antara gaya yang diperlukan untuk menarik spesimen uji dengan pergerakan atau pertambahan panjang yang terjadi dari spesimen uji (elongasi). Sensor yang digunakan adalah sensor gaya sehingga tegangan diperoleh dari luas penampang spesimen uji.
4
2.1.1
Bagian Mekanikal Alat Uji Tarik
21
12
11 13
10
6
7 (8, 9)
5
3 2
4
1 Gambar II.1 Bagian – bagian dari alat uji tarik
Keterangan 1. Pelat Bawah 2. Pencekam Bawah (Chuck) 3. Pencekam Atas (Chuck) 4. Pelat A (Penyangga Chuck Atas) 5. Pelat B (Penyangga Load Cell Bawah) 6. Pelat C (Penyangga Load Cell Atas) 7. Pelat D (Rumah Bantalan) 8. Pelat Penekan Bantalan
5
9. Bantalan Aksial 10. Ulir Transportir 11. Mur Transportir 12. Pelat Atas 13. Tiang Penyangga 14. Baut Pengunci Tiang 15. Baut Pengunci Chuck 16. Baut Pencekam Pelat A dan B 17. Baut Pencekam Load Cell 18. Baut Pencekam Mur Transportir 19. Guide Way
20. Baut Pencekam Penutup Belakang 21. Pemutar Ulir Transportir 22. Baut Pencekan Ulir Transportir 23. Pasak Secara Umum bagian-bagian alat uji tarik terdiri dari : 1. Pelat Penyangga 2. Pencekam 3. Pelat Penekan 4. Ulir dan Mur Transportir 5. Tiang Penyangga 6. Baut Pengunci / Pencekam. 7. Penutup Balakang 8. Pemutar dan Pasak
6
2.1.2
Elemen Mesin yang Digunakan
2.1.2.1 Ulir dan Mur Transportir
Ulir pemindah daya / ulir transportir, juga sering disebut aktuator linear atau ulir translasi, digunakan untuk mengubah gerak putar yang dihasilkan oleh mur atau baut menjadi gerakan linear yang relatif lambat dan searah dengan sumbu ulir. Kegunaan dari ulir transportir adalah untuk memperoleh manfaat mekanis yang besar dalam mengangkat beban seperti ulir pada dongkrak, atau untuk menghasilkan gaya yang besar, seperti pada mesin press atau mesin penguji kekuatan tarik, dan klem C. Kegunaan yang lain misalnya micrometer atau ulir pembawa pada mesin perkakas untuk memperoleh ukuran yang presisi dari pergerakan aksial. 2.1.2.2 Bantalan Aksial
Bantalan aksial digunakan untuk menopang dan menerima beban aksial yang terjadi ketika proses penarikan terjadi. 2.1.2.3 Tiang
Tiang digunakan untuk menjaga dan menopang konstruksi alat uji tarik. 2.1.2.4 Baut Hexagonal
Digunakan sebagai pengikat dan penopang bagian-bagian dari alat uji tarik. Baut yang digunakan adalah kelas 8.8. 2.1.3
Spesifikasi Bahan yang Digunakan
2.1.3.1 Timah
Spesifikasi timah - Properti fisik dan mekanik dari timah [Bargel, 1978][1] 3
Berat Jenis
: 7,3 g/cm
Titik Leleh
: 232 °C
Modulus Elastisitas
: 42400 N/mm
Koefisien Ekspansi
: 27x10 /K
Konduktifitas Listrik
: 8,8 m/(Ωmm )
2
-6
2
7
2.1.3.2 Baja
(St 37-2)
Bahan yang digunakan pada alat uji ini adalah baja karbon St37-32 Tabel II.1 Tabel Kekuatan Bahan St 37-2
St 37-2
≤16
>16 ... ≤ 40 >40 ... ≤100
R m
340
340
340
R e, R p0,2 235
225
205
σtarik ijin
156,667 150
136,667
σtekan ijin
156,667 150
136,667
τgeser ijin
125,333 120
109,333
τ puntir ijin
101,833 97.5
88,833
Sumber : [Matek, 1987][2] Faktor keamanan yang digunakan adalah v = 1,5. Satuan yang digunakan dalam N/mm2 (MPa). σijin (τijin ) St 37-2 diperoleh dari : σ ijin (τ ijin ) =
R p0,2 v
................................................................................................. (2.1)
σtekan ijin ≈ σtarik ijin................................................................................................. (2.2) τgeser ijin ≈ 0,8 σtarik ijin ............................................................................................ (2.3) τ puntir ijin ≈ 0,65 σtarik ijin ......................................................................................... (2.4) 2.1.4
Standard Spesimen
Spesimen yang akan digunakan adalah sebuah silinder dengan diameter 4 mm dan panjang 68 mm dengan bahan timah atau bahan lainnya. Walaupun kapasitas alat uji tarik memiliki kemampuan yang lebih untuk menarik material sampai dengan bahan aluminium dengan diameter yang sa ma. 2.2
SENSOR & KOMUNIKASI DATA
Sensor yang digunakan pada alat uji tarik ini menggunakan load cell untuk mengukur gaya tarik yang terjadi dan direncanakan
displacement scale
menggunakan komponen sensor cahaya pada mouse yang dikonversikan menjadi pengukuran panjang pergerakan linear berdasarkan pulsa-pulsa yang dihasilkan dari mouse dari putaran ulir penggerak, atau dengan menggunakan jangka sorong atau dial gauge.
8
2.2.1 Load Cells Load Cell adalah sebuah alat yang menghasilkan sinyal keluaran proporsional
terhadap beban atau gaya yang diterima. Berikut ini skema dari load cell.
Gambar II.2 Skema load cell
2.2.1.1 Spesifikasi Load Cell
General Data Model
: H3F-C3-500kg-4T
Serial Number
: 04720892
Material
: Alloy Steel
Capacity
: 500 kg
Exitation
: 10 VDC (NOM) 15 VDC (MAX)
Insulation Resistance
: >5000MΩ (50VDC)
Calibration Data Full Scale Output
: 3,0 ± 0,003 (2,998mV)
Non-Repeatability
: ± 0,01 % of F S
Input Resistence
: 350 ± 3 Ω
Temperature Sens Zero
: < 0,02 % F S
Temperature Sens. Output
: < 0,018 % F S
Non Linearity
: 0,02 % F S/10°C
Cable Length
:6m
Safe Overload (120%)
: 600 kg
Ultimate Overload (150%)
: 750 kg
Combined Error
: 0,02 % of F S
9
Zero Balance
: < 1,0 % of F S
Output Resistance
: 350 ± 3.5 Ω
Comp. Temp Range
: -10°C – 40°C
Operating Temp
: -35°C – 65°C
Hysteresis
: 0,02 % of F S
Class
: C3
10
2.2.2 Mouse, Dial Gauge / Jangka Sorong sebagai Displacement Scale
Sebuah Mouse PS/2 memiliki pin sebagai berikut
Gambar II.3 6 pin mini-DIN male PS/2 connector at the mouse cable
Tabel 2.2 Koneksi pin-out mouse PS/2
Pin Nama Arah
Penjelasan
1
DATA
Key Data
2
NA
3
GND
Gnd
4
VCC
Power , +5 VDC
5
CLK
Clock
6
NA
-
-
Tidak digunakan
Tidak digunakan
Sumber : [pinout.ru, 2006][5] Catatan : Arah adalah komputer relatif terhadap mouse. Penjelasan •
Data : Paket data hasil pemindaian dari mouse yang dikirim ke komputer melalui satu kabel ini secara serial.
•
Clock : Sinyal ini dikirim dari mouse untuk mensinkronsisasikan sinyal
data. •
+5 Vdc : Adalah sebuah tegangan 5 volt untuk memberikan catu daya kepada mouse.
•
Ground : Ini adalah sebuah pembumian ( ground ) yang digunakan sebagai jalur kembali dari data dan merupakan referensi data logika 0.
Selain menggunakan mouse dapat juga digunakan dial gauge untuk pergerakan yang sedikit atau menggunakan jangka sorong untuk pergerakan yang cukup besar.
11
2.2.3
Communication Port Port Input pada unit data akuisisi MP35 disebut dengan kanal ( channel)
adalah sebuah konektor 9 pin dengan data analog yang terletak di sebelah depan dari data akuisisi. Berikut ini pengalokasian pin pada data akuisisi.
Gambar 2.4 Socket pada Data Akuisisi ( 9 Pin Female D Sub )
Tabel II.3 Pin-Outs Kanal Masukan Data Akuisisi
Pin
Fungsinya
1
Shield Drive
2
Vin +
3
GND
4
Vin –
5
Shield Drive
6
+5V (100 mA max aggregate)
7
ID resistor lead 1; I C SCL
8
ID resistor lead 2; I C SDA
9
- 5V (100 mA max aggregate)
2
2
Sumber [Biopac, 2007][3] Keterangan : •
Shield Drive adalah jalur yang memberikan lindungan terhadap koneksi
port dari sinyal-sinyal yang menyebabkan gangguan elektro magnetik dari luar kabel. •
Vin + adalah jalur masukan data analog berupa tegangan dengan polaritas positif
•
GND adalah ground atau pembumian yang berupa referensi dari tegangan dan logika data 0
•
Vin – adalah jalur masukan data analog berupa tegangan dengan polaritas negatif
12
•
+5V adalah catu daya yang disediakan oleh saluran untuk memberikan tegangan atau daya bagi perangkat input
•
I2C SCL adalah saluran clock yang diberikan oleh data akuisisi terhadap input atau sebaliknya untuk mensinkronisasikan data serial yang terjadi
•
I2C SDA adalah saluran data serial antara input dengan data akuisisi dalam bentuk sinyal digital. I2C adalah standar industri dari koneksi serial yang digunakan oleh data
akuisisi untuk menghubungkan input-input yang akan masuk dan diolah kemudian. Port yang menghubungkan load cell dengan data akuisisi pin-outnya tertera seperti pada tabel berikut
Gambar II.5 Socket pada Load Cell pada 9 Pin Male D Sub
Tabel 2.4 Pin-Out Load Cell
Pin
Fungsinya
1
Shield Drive
2
Green Signal Out +
3
NA
4
White Signal Out –
5
NA
6
Red Load Cell Excitation +5V (100 mA max aggregate)
7
NA
8
NA
9
Black Load Cell Excitation - 5V (100 mA max aggregate)
Load cell excitation adalah besarnya tegangan yang diberikan pada load cell agar load cell dapat aktif dan memberikan output yang sesuai dan
proporsional.
13
Port yang menghubungkan mouse dengan data akuisisi pin-outnya tertera
seperti pada tabel dibawah ini
Gambar II.6 Socket 9 Pin Male D Sub yang dikoneksikan dengan Mouse PS/2
Tabel II.5 Pin-Out Mouse PS/2 pada Socket 9 Pin Male D Sub
Pin Fungsinya
2.2.4
1
NA
2
NA
3
GND
4
NA
5
NA
6
VCC
7
CLK
8
DATA
9
NA
Akuisisi Data
Data Akuisisi yang digunakan adalah MP35 Acquisition Unit. MP35 memiliki mikroprosessor internal untuk mengatur data akuisisi dan komunikasi dengan komputer. MP35 mengambil sinyal yang masuk dan mengubahnya menjadi sinyal digital sehingga dapat diproses pada komputer. Tersedia 4 kanal input analog, dan salah satunya salah satunya dapat digunakan sebagai input pemicu (trigger ). Untuk itu kita dapat menghubungkan MP35 ke komputer dan menghubungkan elektrode, transduser dan perangkat I/O ke perangkat MP35. Jenis Perangkat Input Ada 3 jenis perangkat yang dapat dihubungkan dengan MP35/30, yaitu : elektroda, transducer, dan perangkat I/O. •
Elektroda adalah sebuah instrumen yang relatif sederahana cukup didekatkan kepada objek dan mengambil sinyal listrik dari benda tersebut.
14
•
Transduser mengubah sinyal fisik menjadi sinyal li strik yang proporsional.
•
Perangkat Input/Output ( I/O ) adalah perangkat seperti saklar tekan ( push button) dan headphones
Pada Gambar 2.7 ditunjukan koneksi load cell yang dihubungkan dengan data akuisisi pada kanal 1.
Gambar 2.7 Data Akusisi Biopac MP35
Pada Gambar 2.8 menunjukan tampilan aplikasi dari data akuisisi (Biopac Student Lab PRO) pada sistem operasi Microsoft Windows XP.
Gambar 2.8 Tampilan aplikasi data akusisi Biopac MP35
15
BAB III PERANCANGAN, PENGEMBANGAN & FABRIKASI 3.1
PERANCANGAN ELEMEN MESIN ALAT UJI TARIK
•
Spesimen uji tarik dummy yang terbuat dari timah solder
•
Mekanisme tarik memanfaatkan putaran ulir pada poros tengah pemegang spesimen
• 3.1.1
Sensor yang digunakan load scale dan displacement scale Perhitungan Kekuatan Bahan
3.1.1.1 Data Kekuatan Bahan Timah [Bargel, 1978][2] 2
Rentang tegangan tarik
: 30 ... 100 N/mm
Diameter dummy test piece
: 4 mm
Luas penampang
: 12.57 mm
Gaya yang dibutuhkan
: 377,1 ... 1257 N
Nilai yang diambil
: 817,05 N
Kekuatan terhadap beban tarik
: sekitar 15 N/mm2
Panjang elastisitas hingga putus
: hingga 55 %
2
3.1.1.2 Data Kekuatan Bahan Aluminium [Matek, 1987][1]
Rentang tegangan tarik
: 250 ... 510 N/mm
Diameter dummy test piece
: 4 mm
Luas penampang
: 12.57 mm
Gaya yang dibutuhkan
: 3142,5 ... 6477 N
Nilai yang diambil
: 6477 N
16
2
2
3.1.1.3 Tegangan Ijin Bahan
Faktor Keamanan Spesification No.
: DIN 17100
Designation Grade
: St 37, St 44, St 52
Title
: Steel for general Structure St 37-2
≤16
Rm
340
340
340
Re, Rp0,2
235
225
205
σtarik ijin
156,667
150
136,667
σtekan ijin
156,667
150
136,667
τgeser ijin
125,333
120
109,333
τ puntir ijin
101,833
97.5
88,833
>16 ... ≤ 40 >40 ... ≤ 100
Sumber : [Matek, 1987][1] Untuk alat uji yang menggunakan spesimen aluminium luas area dari poros adalah sebagai berikut : A3 ≥
6477 [N] 150 [N/mm 2 ] .......................................................................................... (3.2)
A 3 ≥ 43,18 mm 2 Dari tabel diperoleh diameter ulir spindel ≥ 12 mm dan diameter ulir yang dipakai adalah 22 mm. 3.1.1.4 Momen Torsi yang terjadi pada Spindel
T = F ⋅ d 2 /2 ⋅ tan(ϕ ± ρ G ) T = 6477 ⋅ (19,5/2 ) ⋅ tan(3 ± 10)
.................................................................(3.4)
T = -7753,937 ... 14579,499 (Nmm) Momen torsi yang terjadi adalah = 14579,499 Nmm 3.1.1.5 Momen Inersia Polar
W p =
π ⋅ d3
16
3
=
3.141 ⋅ 18.5 3 16
= 1266,325 mm 3 .................................................(3.5)
17
3.1.1.6 Tegangan Puntir yang terjadi terhadap Tegangan Ijin τ puntir = τ puntir = τ puntir =
T Wp
≤ τ puntir ijin
14579,499 0.2 ⋅ d
3 3
14579,499 0.2 ⋅ 7.5
3
≤ 97,5 N/mm 2
..................................................................(3.6)
≤ 97,5 N/mm 2
τ puntir = 11,520 ≤ 97,5 N/mm 2 3.1.1.7 Tegangan Tekan (Tarik) yang terjadi
σ tarik (tekan ) = σ tarik (tekan ) =
F
A3
≤ σ tarik (tekan) ijin
6477 269
≤ 150 N/mm 2 .....................................................................(3.7)
σ tarik (tekan ) = 24,078 ≤ 150 N/mm 2 3.1.1.8 Tegangan Gabungan yang terjadi pada Spindel σ gabungan = σ 2tarik(tekan) + 3 ⋅ (α 0 ⋅ τ t ) ≤ σ tarik (tekan) ijin 2
σ gabungan =
24,0782 + 3 ⋅ (1⋅11,520 ) ≤ σ tarik (tekan) ijin
σ gabungan =
24,078 + 3 ⋅ (1⋅11,520 ) ≤ 156.667 N/mm
2
2
2
................................(3.8) 2
σ gabungan = 31,271 ≤ 156.667 N/mm 2 3.1.1.9 Tingkat Kelendutan akibat Beban Tekuk
λ = λ =
4 ⋅ l k d 3
4 ⋅ 0,7 ⋅ 500 18,5
................................................................................................. (3.9)
λ = 75,675 lk adalah panjang ekivalen untuk poros dengan sambungan ujung yang satu di pena dan ujung yang lain tetap ( lk=0,7 l )
18
Tegangan Tekuk dengan λ < 105 untuk St 37-2 (Tetmajer)
3.1.1.10
σ tekuk = 310 − 1,14 ⋅ λ σ tekuk = 310 − 1,14 ⋅ 75,675 ............................................................................... (3.10) σ tekuk = 223,730 N/mm 2 3.1.1.11
Tingkat keamanan menerima keseluruhan beban (Beban Tekuk dan
Beban Gabungan) v= v= v=
σ tekuk σ gabungan σ tekuk σ gabungan
≥ vdibutuhkan ≥ vdibutuhkan
223,730 N/mm 2 31,271 N/mm 2
......................................................................(3.11)
≥ vdibutuhkan
v = 7,154 ≥ 4 3.1.1.12
p = p = p =
Ukuran Mur
F⋅P l1 ⋅ d 2 ⋅ π ⋅ H 1
≤ p ijin
6477 ⋅ 5 l1 ⋅ 19.5 ⋅ π ⋅ 2,25 32385 l1 ⋅ 137,837.
234,950 l1
≤ p ijin
≤ p ijin
............................................................................(3.12)
≤ 10 ... 15 N/mm 2
294.527
(10 ...15 N/mm ) 2
≤ l1
l1 ≥ 15,663 ... 29,452 mm Maka panjang mur yang dibutuhkan adalah 30 mm 3.1.1.13
Ukuran ulir pengikat yang digunakan
Ulir Standar Ulir yang digunakan adalah baut kelas 8.8 3.2
Fabrikasi Elemen-Elemen Mesin & Perakitan Alat
Elemen – elemen mesin diproses fabrikasi dengan menggunakan proses permesinan bubut, milling / frais dan bor. Untuk bagian-bagian yang bersesuaian
19
diproses secara bersama-sama sama ketika membornya agar basis dari lubang berada pada posisi yang sama. Ketika proses perakitan alat harus diperhatikan urutan pemasangan dan pengencangan agar posisi yang berpasangan dapat tepat terpasang pada tempatnya dan bidang kontak antar permukaan bagian yang dirakit dapat menyentuh dengan rata. Selain itu harus diperhatikan pengencangan baut-baut agar tidak melebihi yang diijinkan sehingga tidak terjadi kerusakan pada ulir baut atau ulir pada pelat. 3.3
Pengembangan alat
Pengembangan alat yang dilakukan adalah untuk memindahkan pergerakan tangan pada saat memutar handle dari posisi horisontal ke posisi vertikal sehingga lebih mudah dalam pengoperasian, selain itu dilakukan pemasangan guide ways agar posisi pengujian terjaga kelurusannya.
Gambar 3.1 Pengembangan akhir alat
20
BAB IV PENGUJIAN Proses pengujian dilakukan dengan menguji menggunakan aluminium seperti pada Gambar 4.1 dengan diameter pengujian sebesar 4 mm
Gambar 4.1 Spesimen uji aluminium diameter 4 mm
Bahan uji dicekam seperti pada gambar 4.2 dan dilakukan proses penarikan setelah mengaktifkan proses pengambilan data oleh data akuisisi pada komputer sehingga menghasilkan grafik seperti pada gambar 4.3.
Gambar IV.2 Pencekaman bahan uji
21
Segment 1, 5:53:30 AM
18.89
12.59
t u p n I 1 H C
V m
6.30
0.00
0.00
2.82
5.64 seconds
8.46
Gambar 4.3 Grafik Tegangan Output
Dengan pergeseran yang terjadi sebesar 4.35 mm (diperoleh dari pengukuran menggunakan jangka sorong) dengan waktu proses penarikan 11,28 detik. Melalui perhitungan spreadsheet diperoleh grafik seperti pada gambar 4.3 Nilai maksimum (Rm) sekitar 435 MPa dan dengan perpatahan seperti pada Gambar 4.4. Tegangan Tarik VS Elongasi Tegangan Tarik VS Elongasi
500
400
300 ) a P M ( k i r a T n a g n a g e T
200
100
0 0 5 9 4 9 3 8 3 7 2 7 1 6 1 5 2 4 9 4 8 3 8 2 7 2 6 1 6 1 5 . . 1 2 4 5 7 8 0 1 3 4 6 7 9 0 3 4 6 7 9 0 2 3 5 6 8 9 2 . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . 4 . 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4
-100
-200 Elongasi (mm)
Gambar 4.4 Tegangan Tarik vs Elongasi
22
Gambar 4.5 Gambar Perpatahan
Proses pencekaman sebelumnya menggunakan chuck bor seperti pada gambar 4.6, tetapi karena terjadinya pergeseran / slip pada bahan uji maka mekanisme pencekaman diganti seperti pada gambar 4.2.
Gambar IV.6 Pencekaman kawat tembaga menggunakan chuck bor
23
Dua spesimen berikut diperoleh dari proses penarikan seperti pada gambar 4.6 dengan data grafis spesimen 1 yang berupa kawat tembaga dengan diameter 2,5 mm dapat dilihat pada Gambar 4.7. Segment 1, 6:56:36 AM
15.20
10.13
t u p n I 1 H C
V m
5.07
0.00
0.00
18.70
37.39 seconds
56.09
Gambar 4.7 Data grafis spesimen 1
Data grafis spesimen 2 yang berupa kawat tembaga dengan diameter 2,5 mm dapat dilihat pada Gambar 4.8. Segment 1, 7:04:27 AM
14.95
9.97 t u p n I 1 H C
V m
4.98
0.00
0.00
14.17
28.34 seconds
42.50
Gambar 4.8 Data grafis spesimen 2
24
Gambar 4.9 Pencekaman kawat timah menggunakan chuck bor
Tiga spesimen berikut diperoleh dari proses penarikan seperti pada gambar 4.9 dengan data grafis spesimen 3 yang berupa kawat timah dengan diameter 2,5 mm berjumlah 8 buah dapat dilihat pada Gambar 4.10 Segment 1, 7:13:45 AM
1.40
0.94
t u p n I 1 H C
V m
0.47
0.00
0.00
66.07
132.14 seconds
198.21
Gambar IV.10 Data grafis spesimen 3
Data grafis spesimen 4 yang berupa kawat timah dengan diameter 2,5 mm berjumlah 8 buah dapat dilihat pada Gambar 4.11
25
Segment 1, 7:18:14 AM
1.16
0.77 t u p n I 1 H C
V m
0.39
0.00
0.00
21.67
43.34 seconds
65.01
Gambar 4.11 Data grafis spesimen 4
Data grafis spesimen 5 berupa kawat timah dengan diameter 2,5 mm berjumlah 8 buah dapat dilihat pada Gambar 4.12 Segment 1, 7:19:45 AM
1.07
t u p n I 1 H C
0.71
V m
0.36
0.00 0.00
15.42
30.83 seconds
46.25
Gambar 4.12 Data grafis spesimen 5
Pengolahan data dapat dilakukan langsung pada aplikasi data akusisi juga dapat dilakukan dengan aplikasi pengolah data dengan input masukan tabulasi data. Kemudian dapat dipindahkan ke program spreadsheet sehingga dapat diolah sesuai dengan kebutuhan.
26
BAB V KESIMPULAN Cara kerja dari alat uji tarik adalah dengan cara melakukan proses penarikan spesimen dengan menggunakan ulir penggerak / transportir berupa ulir trapesium dan dikoneksikan dengan load cell untuk mengukur gaya yang terjadi ketika proses penarikan berlangsung dan sensor cahaya dari mouse untuk mengetahui pergerakan yang terjadi ketika proses penarikan Kapasitas uji tarik merupakan kapasitas maksimum dari load cell yaitu 500 kg sedangkan kapasitas perancangan alat uji adalah 6477 N. Spesimen yang dapat digunakan adalah kombinasi bahan dan dimensi yang proses penarikannya tidak melebihi 500 kg. Data Akuisisi yang digunakan adalah Biopac MP35 dengan kanal input analog untuk load cell dan serial (I2C Serial Standard) untuk koneksi optical sensor yang merupakan bagian dari mouse. Kalibrasi yang dilakukan adalah dengan cara memasukan konversi input menjadi output yang mewakilinya, yaitu tegangan menjadi beban, gaya, tegangan dan pulsa digital menjadi pergeseran linear. Juga dengan membandingkan besaran fisik dengan output yang dihasilkan. Spesifikasi : Kapasitas Gaya Penarikan
: 4903,325 N
Sumber Energi
: Engkol yang diputar dengan tangan
Sumber masukan data
: Tegangan analog
27
DAFTAR ACUAN [1] Bargel, Hans-Jürgen, Schulze, Günther, et.al., Werkstoffkunde, (Hannover: Hermann Schroedel, Verlag KG, 1978) [2] Wilhelm Matek, Dieter Muhs, Herbert Wittel, Roloff/Matek Maschinenelemente, (Braunschweig: Frier. Vieweg & Sohn V erlagsgessellschaft mbH, 1987) [3] Biopac Systems, Inc., BSL Hardware Guide for MP 53 and MP 30
[4] Normen Büro des Vereins Schweiz. Maschinenindustrieller, VSM Normen Auszug fur Technische Schulen, (Zürich: VSM-Normenbüro, 1974) [5] pinout.ru team, PC serial port (RS-232 db9) pinout, Diakses 8 Desember 2006 dari pinout.ru http://pinouts.ru/SerialPorts/Serial9_pinout.shtml
28
Lampiran 1
A Low Cost Retrofit System for Digital Closed Loop Mechanical Testing of Materials
29
30
31
32
33
34
35
36
