SISTEM KOORDINAT CNC LATHE

TUJUAN PEMBELAJARAN

BAHAN AJAR

A. PENGENALAN SUMBU X, Z

Sistem koordinat pada mesin CNC bubut menganut Aturan Tangan Kanan (Right-Hand Rule) adalah metode visual yang digunakan untuk menentukan arah sumbu koordinat X, Z (dan Y jika 3-axis) dalam sistem kartesius.

1. Pengenalan Sumbu X

Sumbu X adalah salah satu sumbu fundamental dalam sistem koordinat Kartesius.

a. Arah dan Representasi:

Dalam sistem koordinat 2D (dua dimensi), sumbu X umumnya direpresentasikan sebagai garis horizontal. Arah positifnya biasanya ke kanan, dan arah negatifnya ke kiri.
Dalam sistem koordinat 3D (tiga dimensi), sumbu X juga merupakan salah satu dari tiga sumbu ortogonal (tegak lurus satu sama lain). Arahnya bisa bervariasi tergantung pada konvensi (misalnya, tangan kanan atau tangan kiri), tetapi seringkali digambarkan memanjang ke depan atau ke samping.

b. Peran:

Posisi Horizontal: Sumbu X digunakan untuk menentukan posisi horizontal suatu titik atau objek. Nilai koordinat X suatu titik menunjukkan seberapa jauh titik tersebut berada dari titik asal (0,0) sepanjang sumbu horizontal.
Variabel Independen: Dalam banyak grafik fungsi, sumbu X sering digunakan untuk mewakili variabel independen (input), seperti waktu, jarak, atau jumlah.

c. Contoh Penggunaan:

Dalam grafik fungsi $y = f (x)$ , sumbu X adalah tempat nilai $x$ (input) diplot.
Dalam peta, sumbu X bisa mewakili koordinat Timur-Barat.
Dalam game komputer, sumbu X mengontrol gerakan kiri-kanan karakter.

2. Pengenalan Sumbu Z

Sumbu Z adalah sumbu yang diperkenalkan ketika kita beralih dari sistem koordinat 2D ke 3D.

a. Arah dan Representasi:

Sumbu Z menambahkan dimensi kedalaman atau ketinggian ke sistem koordinat.
Dalam sistem koordinat 3D, sumbu Z umumnya digambarkan tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh sumbu X dan Y.
Arah positif sumbu Z bisa ke atas (untuk ketinggian), ke luar dari layar, atau ke dalam layar, tergantung pada konvensi sistem koordinat yang digunakan (misalnya, sistem tangan kanan atau tangan kiri).

b. Peran:

Kedalaman/Ketinggian: Sumbu Z digunakan untuk menentukan kedalaman, ketinggian, atau ketinggian suatu titik atau objek dalam ruang 3D. Nilai koordinat Z menunjukkan seberapa jauh titik tersebut berada dari bidang XY (bidang yang dibentuk oleh sumbu X dan Y).
Perkembangan dari 2D ke 3D: Pengenalan sumbu Z memungkinkan kita untuk menggambarkan dan memanipulasi objek dalam ruang tiga dimensi, menambahkan realisme dan kompleksitas pada representasi.

c. Contoh Penggunaan:

Dalam pemodelan 3D (CAD, animasi), sumbu Z sering digunakan untuk mewakili ketinggian atau kedalaman objek.
Dalam grafik komputer, sumbu Z digunakan untuk menentukan posisi objek relatif terhadap kamera dan kedalaman rendering.
Dalam robotika, sumbu Z bisa mewakili gerakan naik-turun lengan robot.

3. Hubungan Antara Sumbu X dan Z

Dalam sistem koordinat Kartesius 3D:

Ortogonalitas: Sumbu X, Y, dan Z saling tegak lurus (ortogonal) satu sama lain pada titik asal (0,0,0). Ini berarti setiap sumbu independen dari sumbu lainnya.
Membentuk Ruang: Ketiga sumbu ini bersama-sama membentuk kerangka referensi untuk mendefinisikan posisi setiap titik dalam ruang tiga dimensi. Setiap titik dalam ruang 3D dapat diwakili oleh tiga koordinat: $(x, y, z)$ .

B. TITIK KOORDINAT

Dalam dunia permesinan CNC Lathe (bubut CNC), pemahaman tentang titik-titik koordinat sangat krusial untuk memastikan presisi, keamanan, dan efisiensi. Ada tiga jenis titik nol (zero points) utama yang perlu dipahami: Machine Zero, Work Zero, dan Program Zero.

1. Machine Zero (Titik Nol Mesin/Home Position)

a. Definisi:

Machine Zero adalah titik referensi mutlak yang ditetapkan oleh pabrikan mesin CNC. Titik ini merupakan posisi "rumah" atau "awal" bagi setiap sumbu (X dan Z pada lathe). Posisi ini tetap dan tidak dapat diubah oleh operator.

b. Lokasi pada CNC Lathe:

Sumbu X: Biasanya terletak pada diameter terbesar yang dapat dijangkau oleh pahat, atau di luar area kerja yang aman (misalnya, paling jauh dari centerline spindle).
Sumbu Z: Umumnya terletak pada posisi paling jauh dari chuck (penjepit benda kerja), biasanya di ujung travel sumbu Z, tempat tool turret berada saat tidak memotong.
Fungsi dan Pentingnya:

Referensi Absolut: Ini adalah titik acuan absolut untuk semua pergerakan mesin. Semua posisi pahat dan benda kerja diukur relatif terhadap Machine Zero dalam sistem koordinat mesin.
Inisialisasi Mesin: Setiap kali mesin dinyalakan atau setelah terjadi "e-stop" (emergency stop), mesin harus melakukan proses "zero return" atau "homing" untuk kembali ke Machine Zero. Ini untuk memastikan kontrol mengetahui posisi pahat yang sebenarnya.
Keamanan: Memberikan posisi aman bagi pahat dan turret agar tidak bertabrakan dengan benda kerja atau komponen mesin lainnya saat tidak dalam operasi pemotongan.
Kalibrasi: Digunakan sebagai dasar untuk mengkalibrasi dan mengatur offset alat (tool offsets) dan offset benda kerja (work offsets).

Sumber Gambar ChatGPT dari: cimco.com

2. Work Zero (Titik Nol Benda Kerja/Part Zero)

a. Definisi:

Work Zero adalah titik referensi yang ditetapkan oleh operator pada benda kerja (workpiece) yang akan diproses. Ini adalah titik dari mana semua dimensi dalam program G-code akan dihitung.

b. Lokasi pada CNC Lathe:

Sumbu X: Selalu terletak pada centerline (pusat) spindle (diameter $X 0$ ). Ini karena semua operasi bubut dilakukan mengelilingi pusat benda kerja.
Sumbu Z: Umumnya terletak pada permukaan ujung benda kerja (part face) yang akan diproses. Bisa di depan (posisi paling kanan benda kerja yang menghadap pahat) atau di belakang (posisi paling kiri dari benda kerja, dekat chuck), tergantung pada desain part dan preferensi operator/programmer. Paling umum adalah di ujung kanan benda kerja.

c. Fungsi dan Pentingnya:

Fleksibilitas Pemrograman: Memungkinkan programmer untuk membuat G-code berdasarkan dimensi benda kerja itu sendiri, bukan dimensi mesin. Ini membuat program lebih portabel (dapat digunakan di mesin yang berbeda dengan penyesuaian minimal) dan mudah dibaca.
Pengaturan Mudah: Operator dapat dengan mudah mengatur Work Zero dengan "menyentuh" pahat ke permukaan referensi pada benda kerja dan kemudian "menolkan" (zeroing) koordinat pada kontrol mesin.
Kompensasi Offset: Perbedaan antara Machine Zero dan Work Zero disimpan dalam memori kontrol sebagai "work offset" atau "zero offset" (misalnya, menggunakan G54, G55, dst.). Ini memberitahu mesin di mana benda kerja diletakkan relatif terhadap Machine Zero.

3. Program Zero (Titik Nol Program)

a. Definisi:

Program Zero adalah titik referensi yang ditentukan oleh programmer dalam program G-code. Ini adalah

(X 0, Z 0)

yang tertulis dalam program.

b. Lokasi pada CNC Lathe:

Dalam kebanyakan kasus, Program Zero IDENTIK dengan Work Zero. Programmer merancang G-code-nya dengan asumsi titik $(X 0, Z 0)$ berada di lokasi yang sama dengan Work Zero yang akan ditetapkan operator di mesin.
Misalnya, jika programmer memutuskan bahwa Program Zero Z akan berada di ujung kanan benda kerja dan X di centerline, maka operator akan mengatur Work Zero di lokasi yang sama.

c. Fungsi dan Pentingnya:

Konsistensi Desain-Manufaktur: Memastikan bahwa desain benda kerja (dari CAD/CAM) diterjemahkan dengan benar ke dalam gerakan pahat di mesin.
Dasar Pemrograman: Semua koordinat (misalnya, G01 X20.0 Z-15.0) dalam program G-code dihitung relatif terhadap Program Zero.

4. Hubungan Ketiganya:

Machine Zero: Titik tetap mesin, ditentukan pabrikan. Acuan mutlak bagi mesin.
Work Zero: Titik yang ditetapkan operator pada benda kerja. Ini adalah acuan bagi pahat untuk memulai pemotongan benda kerja.
Program Zero: Titik yang ditentukan programmer dalam G-code. Idealnya, Program Zero ini disamakan dengan Work Zero di mesin.

5. Proses Aliran Kerja Umum:

Machine Homing: Mesin di-homing ke Machine Zero (setelah dinyalakan).
Tool Offsetting: Setiap pahat yang akan digunakan diukur dan offset panjangnya (Z) serta offset diameternya (X) dicatat relatif terhadap titik referensi tertentu (misalnya, hidung pahat master atau gauge block pada spindle).

Sumber Gambar ChatGPT dari: cimco.com

Work Zero Setting: Operator mengatur Work Zero pada benda kerja. Ini dilakukan dengan menyentuh pahat ke permukaan referensi benda kerja (misalnya, ujung muka dan diameter luar) dan kemudian memasukkan nilai offset Work Zero ke dalam kontrol mesin (menggunakan G54, G55, dll.).
Program Execution: Program G-code dijalankan. Mesin akan menggunakan Work Zero (yang merupakan pergeseran dari Machine Zero) dan tool offsets untuk menggerakkan pahat ke posisi yang benar relatif terhadap benda kerja.

C. PEMAHAMAN KUADRAN DALAM SISTEM KOORDINAT BUBUT

Penting banget buat paham kuadran dalam sistem koordinat bubut (CNC Lathe) karena ini berhubungan langsung dengan cara kita memprogram gerakan pahat dan memastikan benda kerja dibentuk sesuai desain. Berbeda dengan sistem koordinat Cartesian umum (misalnya di bidang datar atau grafik) yang punya empat kuadran, pada mesin bubut, fokusnya lebih spesifik pada sumbu X dan Z.

Sumber Gambar ChatGPT dari: cimco.com

1. Sistem Koordinat pada Mesin Bubut

Pada mesin bubut CNC, kita hanya menggunakan dua sumbu utama:

a. Sumbu X: Mengatur diameter benda kerja.

X0 selalu berada di garis tengah (centerline) spindel.
Nilai positif (+X) bergerak menjauh dari centerline (menuju diameter yang lebih besar).
Nilai negatif (-X) bergerak mendekati centerline (menuju diameter yang lebih kecil).

b. Sumbu Z: Mengatur posisi pahat sepanjang benda kerja (panjang atau kedalaman).

Z0 biasanya diatur di ujung muka (face) benda kerja yang akan diproses.
Nilai positif (+Z) bergerak menjauh dari chuck (menuju posisi awal atau ke kanan dari Z0).
Nilai negatif (-Z) bergerak mendekati chuck (ke kiri dari Z0, memotong ke dalam benda kerja).

2. Pemahaman Kuadran pada Mesin Bubut

Karena sumbu X dan Z pada mesin bubut punya peran dan arah yang spesifik, kita bisa membagi area kerja menjadi "kuadran" atau, lebih tepatnya, area operasional berdasarkan kombinasi nilai positif atau negatif dari X dan Z. Meskipun tidak disebut "kuadran" secara formal seperti di matematika murni, konsepnya sangat mirip.

Sumber Gambar: cimco.com

a. Kuadran Positif X, Negatif Z (X+, Z-)

Lokasi: Area ini berada di atas centerline (diameter positif) dan bergerak ke kiri dari Z0 (memotong ke dalam benda kerja).
Penggunaan: Ini adalah area kerja utama untuk sebagian besar operasi pembubutan luar (outer diameter turning). Pahat bergerak dari permukaan awal benda kerja (Z0) ke arah Z negatif untuk mengurangi diameter.
Contoh: Pembubutan lurus, taper, radius pada diameter luar.

b. Kuadran Positif X, Positif Z (X+, Z+)

Lokasi: Area ini berada di atas centerline (diameter positif) dan bergerak ke kanan dari Z0.
Penggunaan: Umumnya digunakan untuk pergerakan pahat ke posisi aman sebelum atau sesudah pemotongan. Ini juga area di mana pahat mungkin bergerak untuk mendekati Z0 dari sisi positif (misalnya, saat proses facing).
Contoh: Pahat bergerak cepat ke posisi aman sebelum memulai pemotongan atau setelah selesai memotong.

c. Kudran Negatif X, Negatif Z (X-, Z-)

Lokasi: Area ini berada di bawah centerline (diameter negatif) dan bergerak ke kiri dari Z0.
Penggunaan: Area ini adalah area kerja utama untuk pembubutan dalam (boring) atau reaming. Jika Anda menggunakan pahat bor atau pahat ulir internal, pahat akan bergerak melintasi centerline (ke X negatif) untuk memotong bagian dalam lubang, lalu bergerak ke Z negatif untuk memperpanjang lubang.

d. Kuadran Negatif X, Positif Z (X-, Z+)

Lokasi: Area ini berada di bawah centerline (diameter negatif) dan bergerak ke kanan dari Z0.
Penggunaan: Mirip dengan X+, Z+, area ini umumnya untuk pergerakan pahat ke posisi aman atau posisi awal sebelum melakukan operasi internal (boring). Pahat bergerak menjauh dari lubang ke arah positif Z.
Contoh: Pahat bor yang bergerak ke posisi aman setelah selesai mengebor lubang.

Penting:

Perlu diingat bahwa pada mesin bubut standar, sumbu X selalu diasumsikan sebagai diameter. Jadi, saat kita memprogram X negatif, sebenarnya kita memerintahkan pahat untuk bergerak ke sisi "bawah" benda kerja (melalui centerline) untuk mengerjakan lubang. Kontrol mesin secara otomatis akan menghitung diameter berdasarkan nilai X absolut, terlepas apakah Anda memprogram X positif atau negatif. Namun, dalam praktik pemrograman modern, kebanyakan orang tetap memprogram X dalam diameter positif dan menggunakan pahat yang dirancang untuk membubut ID (inner diameter) atau menggunakan G-code khusus untuk ID.

3. Pentingnya Pemahaman Kuadran

Akurasi Pemrograman: Memastikan bahwa koordinat yang Anda tulis dalam G-code (misalnya G01 X50.0 Z-25.0) akan menghasilkan gerakan pahat yang benar di area yang diinginkan.
Menghindari Tabrakan (Crashes): Paham di mana pahat berada relatif terhadap benda kerja dan chuck sangat penting untuk mencegah tabrakan yang mahal dan berbahaya. Misalnya, Anda tidak ingin pahat mencoba memotong "melalui" chuck!
Efisiensi Jalur Pahat: Dengan memahami kuadran, Anda bisa merencanakan jalur pahat yang paling efisien, meminimalkan gerakan kosong dan waktu siklus.
Desain Tooling: Pengetahuan tentang kuadran juga mempengaruhi pemilihan dan desain pahat. Pahat bubut luar dirancang untuk memotong di kuadran X+Z-, sementara pahat bubut dalam dirancang untuk bekerja di kuadran X-Z- (atau X+Z- untuk ID tergantung cara pandang).
Debugging Program: Ketika ada kesalahan program, pemahaman kuadran akan membantu Anda dengan cepat mengidentifikasi di mana letak logika yang salah.

D. SISTEM PENGUKURAN ABSOLUT DAN INKREMENTAL

Dalam dunia permesinan CNC, pemahaman tentang sistem pengukuran sangat penting untuk akurasi dan kontrol gerakan pahat. Ada dua sistem pengukuran utama yang digunakan: Sistem Pengukuran Absolut dan Sistem Pengukuran Inkremental. Mari kita bahas keduanya.

1. Sistim Pengukuran Absolut

Sistem pengukuran absolut adalah metode di mana setiap posisi atau titik diukur relatif terhadap satu titik nol (titik referensi) yang tetap dan tidak berubah. Bayangkan seperti mengukur jarak dari ujung meja yang sudah ditentukan sebagai titik nol.

a. Prinsip Kerja:

Setiap kali pahat atau sumbu bergerak, posisi barunya selalu dihitung dari titik nol mutlak tersebut.
Mesin "tahu" posisi absolutnya kapan saja, bahkan setelah kehilangan daya (mati listrik) atau dimatikan. Sensor absolut (encoder absolut) dapat langsung membaca posisi tanpa perlu gerakan referensi.

b. Contoh Penerapan:

Dalam pemrograman G-code, perintah G90 digunakan untuk mengaktifkan mode pengukuran absolut.
Jika titik nol benda kerja (Work Zero) adalah X0 Z0, maka perintah G01 X50.0 Z-20.0 berarti pahat bergerak ke posisi X50.0 dan Z-20.0 dari titik X0 Z0 yang ditetapkan, terlepas dari posisi pahat sebelumnya.

c. Kelebihan:

Aman dari kehilangan posisi: Jika listrik padam atau mesin dimatikan, kontrol mesin tidak kehilangan informasi posisi absolut. Saat daya kembali, mesin langsung tahu di mana setiap sumbu berada. Ini mengurangi waktu startup dan risiko tabrakan.
Keamanan yang lebih tinggi: Risiko kesalahan kumulatif (accumulated error) lebih rendah karena setiap titik dihitung dari satu referensi yang sama.
Debugging lebih mudah: Jika ada kesalahan dalam program, melacaknya seringkali lebih mudah karena setiap koordinat mengacu pada titik nol yang sama.

d. Kekurangan:

Instalasi lebih kompleks: Encoder absolut biasanya lebih kompleks dan mahal daripada encoder inkremental.
Ukuran memori lebih besar: Untuk menyimpan informasi posisi absolut, encoder membutuhkan lebih banyak memori.

2. Sistem Pengukuran Inkremental

Sistem pengukuran inkremental adalah metode di mana setiap posisi atau gerakan diukur relatif terhadap posisi terakhir pahat atau sumbu. Bayangkan seperti mengukur setiap langkah Anda dari titik Anda berdiri saat ini.

a. Prinsip Kerja:

Mesin hanya melacak perubahan posisi dari titik sebelumnya. Ia tidak memiliki informasi tentang posisi absolutnya tanpa melakukan kalibrasi awal.
Setelah mesin dinyalakan atau setelah emergency stop, sumbu harus melakukan "homing" (kembali ke Machine Zero) untuk mengatur ulang referensi nolnya. Sensor inkremental (encoder inkremental) hanya memberikan pulsa untuk setiap pergerakan, dan perlu dihitung dari titik awal yang diketahui.

b. Contoh Penerapan:

Dalam pemrograman G-code, perintah G91 digunakan untuk mengaktifkan mode pengukuran inkremental.
Jika pahat berada di X50.0 Z-20.0 dan Anda memberikan perintah G01 X10.0 Z-5.0 dalam mode inkremental, maka pahat akan bergerak sejauh 10 unit di sumbu X (menjadi X60.0) dan 5 unit di sumbu Z negatif (menjadi Z-25.0) dari posisi sebelumnya.

c. Kelebihan:

Sederhana dan ekonomis: Encoder inkremental lebih sederhana dalam konstruksi dan lebih murah.
Cocok untuk pergerakan relatif: Berguna untuk operasi di mana Anda tahu Anda hanya perlu bergerak jarak tertentu dari posisi saat ini, tanpa perlu memikirkan koordinat absolut.
Resolusi tinggi: Seringkali dapat menawarkan resolusi pengukuran yang sangat tinggi.

d. Kekurangan:

Kehilangan posisi saat listrik padam: Jika daya hilang atau mesin mati, kontrol mesin akan kehilangan informasi posisi relatifnya dan memerlukan proses "homing" lagi saat dihidupkan kembali.
Risiko kesalahan kumulatif: Jika ada gangguan pada sinyal atau kehilangan pulsa, kesalahan kecil dapat terakumulasi seiring waktu, meskipun ini jarang terjadi pada mesin modern yang terawat.
Kurang aman: Membutuhkan prosedur homing yang tepat untuk memastikan akurasi dan menghindari tabrakan setelah power cycle.

3. Perbandingan dan Penggunaan dalam Pemrograman CNC

Dalam pemrograman CNC modern, terutama pada mesin bubut, sistem pengukuran absolut (G90) adalah yang paling umum dan direkomendasikan untuk sebagian besar program. Ini karena lebih aman, lebih mudah dibaca, dan meminimalkan risiko kesalahan.

Namun, mode inkremental (G91) masih memiliki tempatnya, terutama untuk:

Sub-rutin atau makro: Di mana Anda ingin mengulang gerakan tertentu tanpa harus menghitung ulang koordinat absolut setiap saat.
Penggeseran posisi alat: Untuk memindahkan alat sejauh jarak tertentu dari posisi saat ini.
Pengukuran cepat: Untuk memindahkan sumbu sejauh jarak kecil yang diketahui secara spesifik.

Kontrol CNC modern biasanya beroperasi dalam mode absolut secara default dan Anda perlu secara eksplisit memanggil G91 jika ingin menggunakan mode inkremental.

PENILAIAN

1. RANAH PENGETAHUAN