Rekayasa Copper/Pemotong Laser CO2 Berbasis Komputer

The chopper of CO₂ laser is important for the research of CO₂ laser effect. Most of chopper instruments are generally imported from foreign country, so that it is rather difficult to find spare part and maintenance. This research has been purposed to find a new alternative of laser Chopper based on computer. Method of laser Chopper based on close and open of the disc gap that installed on the centre of motor, so that the laser light can be chopped along with motor running. Running motor control with variable voltage has many advantages such as high efficiency and linear velocity. Computer controls running motor, it purpose to find high performance and easy to make research. The laser chopper performance has a high accuracy. For the 6-disc gap, minimum limit is 10 Hz and the 30-disc gap maximum limit is 3455 Hz. Disc gap and motor speed effect the maximum and minimum limit of laser Chopper. Because of the 8 bit on DAC, the error tolerance is 1/2 LSB. For the maximum limit 3455 Hz, error tolerance is + 7 Hz.

KEYWORDS : chopper, disc gap,  motor control, computer.

1. Pendahuluan

        Pemotongan Sinar Laser CO₂ secara periodik untuk keperluan penelitian sangat diperlukan terutama penelitian efek sinar laser pada beberapa bahan uji. Penelitian laser CO₂ pada beberapa bahan uji yang berupa benda padat, cair maupun gas dimaksudkan untuk memperoleh interaksi dari keduanya sehingga didapatkan isyarat sinyal keluaran. Isyarat tersebut berisi informasi karakteristik materi dari bahan uji berupa kekerasan, konsentrasi, kepadatan  dan sebagainya. Sinyal cacat (background) dari sumber cahaya selain laser CO₂ akan
mempengaruhi hasil analisis dari materi bahan uji. Oleh karena itu diperlukan identifikasi sinar laser dengan sistem Chopper dengan menggunakan detektor. Isyarat sinyal keluaran yang dihasilkan adalah murni dari interaksi laser dengan materi uji tanpa dipengaruhi oleh cahaya  lain [1]

Sistem pemotongan periodik yang dipakai bervariasi mulai dari frekuensi rendah sampai frekuensi tinggi. Hal tersebut untuk mengetahui pengaruh dari bahan yang di uji terhadap perubahan sinar laser. Penelitian tersebut dipakai untuk pengembangan aplikasi teknologi sinar laser terutama laser CO₂. Pada keperluan penelitian diperlukan hasil yang mempunyai ketelitian yang tinggi. Oleh karena itu diperlukan sarana pembantu guna mempermudah proses penelitian secara keseluruan. Pemakaian komputer dalam sistem pemotongan selain untuk mempertinggi unjuk kerja sistem juga sebagai alat bantu mempermudah penelitian.

2. Dasar Teori

Sistem pemotongan cahaya secara periodik untuk sinar laser CO₂  dilaksanakan dengan melewatkan sinar laser dalam sebuah piringan bercelah yang berputar. Piringan bercelah tersebut diletakkan pada poros motor DC. Pengaturan kecepatan putar piringan bercelah dilaksanakan dengan mengatur kecepatan putar motor DC. Pengaturan kecepatan putar motor DC dilaksanakan dengan mengatur tegangan jepit (tegangan masuk) motor. Proses pengaturan tegangan jepit motor dilaksanakan dengan dua cara, yang pertama dengan sistem memutar potensiometer variabel pada rangkaian pengaturan tegangan, yang kedua dengan pengendalian melalui komputer dengan menggunakan perantara DAC (Digital to Analog Converter). [2]

Perancangan piringan bercelah dilaksanakan dengan mengaitkan kecepatan putar motor DC. Rumusan yang di gunakan untuk penghitungan jumlah cacahan cahaya dapat diperlihatkan dengan gambar 1. Frekuensi potongan cahaya dihitung berdasarkan potongan cahaya setiap detiknya sehingga  untuk kecepatan motor dalam satuan rpm (putaran per menit) maka untuk mendapatkan putaran motor dalam satu detik di bagi dengan 60 dan dikalikan dengan jumlah celah pada piringan tersebut. [3]

Gambar 1. Sistem pemotongan cahaya dengan piringan bercelah

Berdasarkan perancangan sistem pemotongan cahaya dengan piringan bercelah yang berputar tersebut maka perubahan pada jumlah potongan cahaya dipengaruhi oleh putaran motor dan jumlah celah pada piringan.

         Penghitungan frekuensi potongan cahaya dihitung berdasarkan persamaan (1).

dimana :

         C : frekwensi potongan cahaya

               per detik (Hz)

          n : putaran  motor  ( rpm)

  J  : jumlah celah pada piringan

Batasan maksimum dari jumlah potongan cahaya dibatasi oleh kemampuan kecepatan putar motor yang di desain pabrik dan desain celah piringan. Dipilihnya pemakaian motor DC pada penelitian ini karena motor DC mempunyai keunggulan pada kemudahan pengaturan kecepatan putarnya, harganya murah dan mudah didapat.

Motor listrik arus searah adalah suatu mesin  listrik yang berfungsi merubah tenaga listrik arus searah menjadi tenaga  mekanik. Perubahan tenaga listrik  menjadi  tenaga  mekanik  berdasar pada suatu kaidah yang menerangkan  bila suatu  penghantar  yang membawa arus listrik  berada  pada  sebuah   medan  magnet maka  penghantar   tersebut   akan mengalami suatu gaya. Gaya tersebut menimbulkan torsi yang  akan menghasilkan  gerak  pada  motor,  gerak  tersebut dirubah menjadi suatu gerak putaran [4].  Konstruksi dari motor  DC  seri adalah kumparan rotor tersambung seri dengan  kumparan penguat  (stator),  jadi  dengan bertambahnya  kopel  (arus)  akan  menyebabkan bertambahnya harga fluks magnet  karena motor DC merupakan fungsi dari arus jangkar,  jika harga arus jangkar sama dengan nol, harga fluks  juga nol. Pada motor  DC  berlaku  persamaan  kecepatan   putaran  seperti  motor  DC seri  seperti  terlihat  dalam   persamaan (2) : [5]

dengan :

        n    : putaran

        U   : tegangan jepit motor

        f_o   : fluks magnet

        I_a   : arus jangkar

        R_a  : hambatan jangkar

        Berdasarkan persamaan (2) didapatkan bahwa kecepatan putar motor DC dapat dikendalikan dengan mengatur tegangan jepit motor, arus jangkar motor dan fluks magnet. Pengaturan kecepatan putar motor dengan pengaturan tegangan jepit menghasilkan  daerah   pengaturan  kecepatan yang luas dan  linear,  disamping itu efisiensinya tinggi karena tidak ada tahanan asut.  

3. Perancangan Chopper Berbasis

    Komputer

         Perancangan chopper laser  berbasis komputer diawali dengan mengumpulkan data sistem pemotongan cahaya untuk laser.  Hasil pengumpulan data tersebut dipakai untuk merancang sistem perangkat keras (hardware) maupun perangkat lunak (software) dari alat chopper. 

                 

3.1. Perangkat Keras

     Perangkat keras chopper laser berbasis komputer diwujudkan dalam gambar 3. Pada prinsipnya  chopper laser didasarkan pada pengaturan kecepatan putar motor DC. Piringan bercelah yang digunakan untuk proses pemotongan cahaya ditempatkan pada poros motor, sehingga dengan mengatur putaran motor akan didapatkan pula pengaturan potongan cahaya. Perangkat keras Chopper laser CO₂ berbasis komputer terdiri komputer, interface (antarmuka), DAC, penguat (Amplifier), Motor DC dan piringan bercelah, pencacah frekuensi dan penampil frekuensi digital. Pengaturan kecepatan putar motor DC pada prinsipnya dilakukan secara analog yaitu dengan melakukan pengaturan tegangan jepit motor. Pada sistem chopper laser berbasis komputer, pengaturan tegangan jepit dilakukan dengan mempergunakan alat bantu komputer.

      

Gambar 2. Diagram Block sistem pemotongan laser CO₂ berbasis komputer

 Oleh karena komputer bekerja secara digital maka pada pengendalian  kecepatan motor DC tersebut digunakan DAC yang selanjutnya dikuatkan untuk dapat menjalankan motor. Sebagai parameter umpan balik digunakan sensor penggandeng optik (opto coupler), keluaran penggandeng optik sudah berupa pulsa-pulsa digital dan kemudian dimasukkan kedalam pencacah digital untuk selanjutnya diteruskan ke komputer.[6-7]

          Hasil cacahan potongan juga ditampilkan dalam penampil 7 segment dengan 4 digit. Pemakaian komputer sebagai alat bantu digunakan untuk mempermudah sistem kerja secara keseluruhan. Metode Penelitian dari sistem perancangan perangkat keras dimulai dengan membuat alat pemotong secara manual, setelah didapat hasil yang maksimal kemudian dikembangkan menggunakan komputer.

3.2. Perangkat Lunak

         Perangkat lunak dipakai sebagai pendukung perangkat keras sistem pemotongan cahaya sinar laser berbasis komputer. Pada dasarnya alat pemotong sinar laser dapat dioperasikan secara manual atau dengan bantuan komputer. Pengaruh perangkat lunak dalam sistem  pemotongan cahaya  adalah pada proses operasi dengan menggunakan komputer. Perangkat lunak yang dipakai menggunakan bahasa program komputer yaitu BASIC dan PASCAL. Pembahasan prosedur perangkat lunak sistem  pemotongan cahaya  secara keseluruhan meliputi proses pengeluaran data digital, masukan data, dan perbandingan atau koreksi.

        Proses sistem pemotongan cahaya yang dilaksanakan dengan komputer pada dasarnya jumlah cacahan potongan cahaya acuan (set point) dengan hasil pembacaan jumlah cacahan oleh  komputer. Hasil perbandingan akan diproses untuk menentukan proses  selanjutnya.  Diagram alir untuk sistem pemotongan cahaya yang dilaksanakan oleh komputer terlihat dalam gambar 3. Pada bagian awal proses yaitu permintaan nilai cacahan potongan cahaya. Proses pengeluaran data 0, agar kondisi awal pembacaaan cacahannya adalah 0 (nol), karena  motor dalam kondisi berhenti. Variabel N adalah masukan nilai cacahan yang digunakan sebagai nilai acuan untuk perbandingan dengan nilai cacahan dari pembacaan komputer.

Gambar 3. Diagram alir sistem pengendalian potongan cahaya

        Pengisian variabel A = 0 dipakai untuk memberikan harga awal cacahan pembacaan komputer. Hasil pembacaan jumlah cacahan oleh komputer ini akan dilanjutkan pada proses perbandingan dengan nilai cacahan acuannya Proses perbandingan tersebut akan berlangsung terus menerus sehingga dicapai kecepatan motor yang konstan dan stabil sehingga cacahan yang diinginkan dapat tercapai.

4. Hasil Percobaan dan  Pembahasan

          Percobaan dilaksanakan dengan menyambungkan alat chopper ke komputer. Masukan frekuensi cacahan yang diiginkan dilaksanakan dengan memasukkan data melalui keyboard. Jumlah pengukuran cacahan dilihat melalui tampilan pada layar komputer maupun pada alat chopper. Hasil perbandingan percobaan terlihat pada tabel 2 dan gambar grafik 5.

       Dari hasil percobaan terlihat bahwa terdapat beberapa perbedaan hasil pengukuran oleh komputer maupun chopper dengan setting-nya. Hal tersebut karena dipengaruhi oleh perangkat keras dari chopper terutama pada pemakaian DAC. Alat chopper yang telah dibuat menggunakan DAC dengan 8 bit digital sehingga pada pemakaiannya mempunyai tingkat kesalahan yang diijikan sebesar + 1/2  LSB. 1 LSB mengandung arti adalah perubahan nilai digital terkecil  yang akan menyebabkan perubahan keluarannya.

        Dalam hal ini adalah perubahan nilai digital keluaran dari komputer yang akan menyebabkan perubahan keluaran berupa cacahan potongan cahaya. Oleh karena pemakaian DAC pada Chopper menggunakan 8 bit dan kecepatan maksimum yang dihasilkan untuk nilai bit tertinggi bernilai 255 adalah 3455 cacahan per detik maka nilai 1  LSB  adalah:

Sehingga kesalahan yang masih diijinkan  pada pemakaian 8 bit digital dan pada kecepatan maksimum 3455  adalah + 7 cacahan per detik.

             

5. Kesimpulan

         Dari hasil perancangan dan percobaan chopper laser, didapat beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Alat pemotong cahaya yang dirancang telah bekerja sesuai dengan yang diharapkan. Keunggulan dari alat pemotong cahaya tersebut dapat diperasikan secara manual maupun dengan komputer.
2. Batasan maksimum pemotong cahaya  yang dilaksanakan adalah  3455 potongan dalam tiap detiknya, dan batas minimum sampai pada kondisi stabil adalah 10 potongan tiap detik, batasan tersebut  dikarenakan oleh kecepatan maksimum motor DC dan jumlah celah pada piringan.
3. Tingkat ketelitian pemotongan cahaya pada frekuensi tinggi sangat besar dibandingkan dengan pemotongan cahaya pada frekuensi rendah. Salah satu faktor perbedaan tingkat ketelitian tersebut disebabkan karena faktor kestabilan motor  yang berputar pada kecepatan rendah lebih kecil.
4. Perbandingan Pengukuran jumlah cacahan potongan cahaya yang dilaksanakan dengan komputer menunjukkan perbedaan dengan setting-nya, hal tersebut dikarenakan oleh pemakaian tingkat digital pada DAC adalah 8 bit. Sehingga kesalahan yang masih diijinkan sebesar + 7 cacahan per detik oleh pemakaian DAC tersebut masih terpenuhi.