Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-Code dengan Masukan Data 3 Dimensi Benda

Transkripsi

1 Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, Vol.2, No.1, April 2014, Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-Code dengan Masukan Data 3 Dimensi Benda Retno Tri Wahyuni 1, Yulian Zetta Maulana 2 1 Teknik Elektronika, Politeknik Caltex Riau Jl. Umban Sari No.1 Rumbai retnotri@pcr.ac.id, zetta@pcr.ac.id Abstrak Perangkat lunak pembangun G-code dibangun dengan tujuan untuk menterjemahkan informasi 3 dimensi benda yang diperoleh dari hasil rekonstruksi 3 dimensi. Data 3 dimensi benda tersebut selanjutnya di filter dan diubah menjadi koordinat kerja mesin Computer Numerical Controller (CNC). Data koordinat kerja mesin CNC tersebut selanjutnya menjadi dasar dalam penentuan G-code. Mode gerak yang digunakan dalam perangkat lunak ini masih terbatas untuk mode gerak interpolasi linier yaitu mode gerak lurus ke arah sumbu x maupun sumbu y. Sedangkan mode gerak melingkar maupun diagonal tidak termasuk dalam algoritma pemrograman. Pengembangan lebih lanjut terhadap perangkat lunak ini dapat dimanfaatkan untuk membuat tiruan benda dengan bentuk kontur yang bervariasi menggunakan bantuan mesin CNC, misalnya bentuk ukiran dan membuat replika benda bersejarah. Evaluasi terhadap perangkat lunak dilakukan dengan metode template matching yaitu membandingkan dimensi hasil simulasi terhadap benda asal. Pengujian dilakukan menggunakan 3 buah benda uji dan menghasilkan kesalahan rata-rata sebesar 7.69% untuk ukuran panjang dan 10.69% untuk ukuran lebar serta 15.3% untuk ukuran kedalaman. Kata Kunci : Sensor 3 Dimensi, G-code, CNC Milling Abstract The G code builder software is created to translate the 3 dimension information at a certain object from 3 dimension reconstruction. Then, the 3D data is filtered and changed into a computer numerical control coordinate. Based on the data coordinate that we get from CNC, we can construct the G code. In this software, the motion mode that is used in this software is limited to linear interpolation motion mode, which is a linear motion to x or y coordinate. Rotation and diagonal motion mode is not included in this algorithm. This software could be expanded and then is used by CNC to created many other objects that has different shape and contour, for example carved objects or ancient relics. This software is evaluated by using template matching mode in which we compare the simulation result dimension to actual dimension. The testing, that is conducted by using 3 sample objects, has an error average 7.69% for the length, 10.69% for the width and 15.3% for the depth. Keywords: 3D Sensor, G-code, CNC Milling 1 Pendahuluan Sensor 3 dimensi (Kinect TM ) merupakan perangkat keras yang terdiri dari kamera kedalaman, infra red laser (IR laser), kamera RGB dan beberapa perangkat seperti array microphones dan accelerometer untuk mengatur pergerakan motor. Depth camera bekerja sama dengan IR laser untuk mengukur kedalaman suatu titik pada suatu objek. Dengan mengetahui posisi koordinat x dan y pada image plane serta ditambahkan dengan informasi kedalaman akan menghasilkan informasi koordinat proyeksi dalam 3 dimensi. Transformasi semua titik pada image plane menghasilkan himpunan titik yang disebut point clouds [1]. Pada makalah ini point clouds akan menjadi masukan bagi perangkat lunak pembangun G-code. Pada penelitain sebelumnya yang berjudul Aplikasi Rekonstruksi 3D pada proses Pemahatan Menggunakan

2 76 Retno Tri Wahyuni, Yulian Zetta Maulana CNC [1] telah dibahas sistem secara umum dan hasil aplikasi pada mesin CNC. Pada makalah ini, pembahasan lebih menekankan pada algoritma perangkat lunak pembangun G-code. Perangkat lunak pembangun G-code dibangun dengan tujuan untuk menterjemahkan informasi 3 dimensi benda yang diperoleh dari hasil rekonstruksi 3 dimensi. Data 3 dimensi benda tersebut selanjutnya di filter dan diubah menjadi koordinat kerja mesin CNC. Data koordinat kerja mesin CNC tersebut selanjutnya menjadi dasar dalam penentuan G-code. Mode gerak yang digunakan dalam perangkat lunak ini masih terbatas untuk mode gerak interpolasi linier yaitu mode gerak lurus ke arah sumbu x maupun sumbu y. Sedangkan mode gerak melingkar maupun diagonal tidak termasuk dalam algoritma pemrograman. Pengembangan lebih lanjut terhadap perangkat lunak ini dapat dimanfaatkan untuk membuat tiruan benda dengan bentuk kontur yang bervariasi menggunakan bantuan mesin CNC, misalnya bentuk ukiran dan membuat replika benda bersejarah. 2 Metode Penelitian Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa perangkat lunak pembangun G-code mendapat data masukan 3 dimensi benda (point clouds). Data point clouds (vertex) dirubah dalam satuan millimeter (mm) dan dalam bentuk bilangan integer. Data point clouds diubah menjadi koordinat mesin dengan melalui tahapan berupa: pengurutan data point clouds, pengisian vertex pada ruang kosong, filtering, dan penentuan koordinat kerja mesin dalam koordinat kartesian 3 dimensi. Gambar 1 menunjukkan diagram alir proses penentuan koordinat kerja mesin CNC. Berikut ini merupakan penjelasan dari proses yang terjadi pada diaram alir. i. Proses Pengurutan Data Point Clouds dan Proses Merubah Menjadi Matrik 2 Dimensi Pada proses pengurutan data, vertex diurutkan dari nilai terkecil sampai terbesar dengan berdasarkan nilai x. Vertex yang telah diurutkan berdasarkan nilai x, dikelompokkan untuk nilai x yang sama. Dalam kelompok nilai x yang sama tersebut, vertex kembali diurutkan berdasarkan nilai y. Nilai point clouds yang telah diurutkan, diambil nilainya setiap 1 mm dan dirubah menjadi matrik 2 dimensi (matrik(i,j)). Nilai i mewakili nilai x dan nilai j mewakili nilai y. Nilai minimal x dan y dikonversi menjadi nilai 0 pada i dan j, sedangkan nilai dari matrik(i,j) adalah nilai z. Sehingga data point clouds benda sekarang telah tersaji dalam matrik 2 dimensi seperti terlihat pada Gambar 2. Matrik ini menyerupai matrik sebuah gambar 2 dimensi, bedanya pada matrik 2 dimensi nilai matrik merupakan nilai pixel sedangkan matrik hasil rekonstruksi ini merepresentasikan ukuran sebenarnya sebuah benda 3 dimensi. Gambar 3 menyatakan diagram alir proses pengurutan data point clouds sampai dinyatakan dalam matrik 2 dimensi.

3 Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-code dengan 77 Gambar 1 Diagram Alir Penentuan Koordinat Mesin CNC dari Data 3 Dimensi

4 78 Retno Tri Wahyuni, Yulian Zetta Maulana Z 1,0. Z l,p. Z 2,0 Z 1,0 Z 0,0 Z 0,1 Z 0,2. Z 0,p Gambar 2 Representasi Informasi 3D permukaan Benda Berkontur dalam Bentuk Matrik 2 Dimensi Start Point clouds Benda Pengurutan data berdasar sumbu x Pengurutan data berdasar sumbu y untuk kelompok data x yang sama Konversi menjadi matrik 2 dimensi Matrik 2 dimensi Stop Gambar 3 Diagram Alir Representasi Data Point clouds Kedalam Matrik 2 dimensi

5 Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-code dengan 79 ii. Proses Pengisian Vertex pada Ruang Kosong Vertex dalam point clouds hasil rekonstruksi 3D tidak selalu ada per 1 mm sehingga terdapat ruang kosong, hal ini disebabkan karena pancaran titik proyeksi dari proyektor dan infra red laser pada sensor tidak merata dan bersifat acak. Untuk mengisi kekosongan ruang tersebut, maka ruang tersebut diisi dengan nilai z dari vertex tetangganya. iii. Proses Filtering Dalam proses filtering ini dilakukan menggunakan filter Gaussian kernel 5x5 seperti telah dibahas pada penelitian sebelumnya[2]. Kernel filter tersebut dikonvolusikan dengan matrik(j,i). Kernel filter yang digunakan sebagai berikut: H Gambar Kernel Filter Gaussian iv. Penentuan Koordinat Kerja Mesin CNC Koordinat kerja mesin CNC mengikuti sistem koordinat kartesian 3D menggunakan aturan tangan kanan. Sedangkan sistem koordinat dari point clouds adalah sistem koordinat kamera left hand, sehingga perlu dilakukan konversi. Untuk merubah menjadi koordinat kerja mesin, nilai z yang merupakan jarak vertex terhadap kamera, dirubah menjadi nilai kedalaman permukaan. Konversi nilai z menjadi nilai kedalaman benda adalah dengan mengambil satu titik referensi pengukuran, yang kemudian menjadi nilai pengurang nilai z dari semua vertex. Sedangkan untuk nilai x dan y disesuaikan dengan menjadikan titik terkiri sebagai koordinat (0,0,z) yang merupakan koordinat kerja awal mesin CNC. Koordinat kerja mesin CNC selanjutnya akan dirubah menjadi G-code. G-code merupakan bahasa pemrograman untuk CNC dimana masing-masing CNC memiliki aturan penulisan yang berbeda, namun secara garis besar sama. Terdapat dua mode pengoperasian CNC yaitu dengan mode absolute (dengan kode G90) dan incremental (dengan kode G91). Dalam proses generate G-code ini mode pengoperasian yang digunakan merupakan mode pengoperasian absolute artinya titik referensi tetap selama mesin dioperasikan[3]. Tabel 1 menunjukkan beberapa kode yang digunakan. Sedangkan flowchart yang menunjukkan prosedur pembuatan G-code secara otomatis dapat dilihat pada Gambar 5. G90 G54 G00 Kode Tabel 1 Kode yang digunakan dalam Proses Pembuatan G-code [1] Fungsi Kode untuk mode absolute Kode untuk offset titik kerja mesin Kode untuk menjalankan pisau pahat dengan gerak cepat tanpa melakukan pemahatan. G01 Kode untuk menjalankan pisau pahat dengan interpolasi linier dan melakukan pemahatan. X0, Y0 Z0 Kode untuk inisialisasi titik kerja awal mesin X Y Z Kode untuk pergerakan arah X, Y dan Z F Kode untuk Feed rate atau kecepatan gerak mesin M02 Kode untuk menyatakan proses berakhir

6 80 Retno Tri Wahyuni, Yulian Zetta Maulana

7 Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-code dengan 81 Gambar 5 Flowchart Proses Pembuatan G-code Secara Otomatis Prosedur konversi hasil rekonstruksi 3D menjadi G-code berdasarkan diagram alir pada Gambar 5 adalah sebagai berikut: i. Nyatakan informasi 3D benda kedalam matrik(j,i), j menyatakan baris yang merepresentasikan lebar dan i menyatakan kolom yang merepresentasikan panjang benda. Nilai matrik(j,i) adalah nilai z yang merepresentasikan kedalaman benda. ii. Tentukan kode inisialisasi awal berupa G54 G90 G00 X0. Y0. Z0. iii. Bagi matrik(j,i) menjadi matrik kolom genap dan kolom ganjil. iv. Nilai matrik(j,i) kolom genap merupakan nilai untuk pergerakan pahat dari koordinat y kecil ke besar atau dari nilai baris j kecil ke besar. Nilai matrik(j,i) kolom ganjil sebaliknya. v. Tentukan kode untuk pergerakan arah sumbu X dimulai dari titik 0 dan nilai x selanjutnya tergantung pada ukuran diameter mata pahat. vi. Lakukan pengecekan terhadap nilai matrik(j,i) secara berurutan. Dimulai dengan pengecekan matrik kolom genap, kemudian ganjil, genap, ganjil dan seterusnya. vii. Jika ditemui 2 titik pada 1 matrik kolom memiliki kedalaman yang berbeda maka tentukan kode Y yang menyatakan letak titik tersebut, serta kode Z yang menyatakan nilai kedalaman pada titik tersebut.

8 82 Retno Tri Wahyuni, Yulian Zetta Maulana viii. ix. Jika tidak ditemui 2 titik dalam 1 matrik kolom yang memiliki kedalaman yang berbeda maka tentukan kode Y dari baris terkecil menuju terbesar untuk kolom genap dan sebaliknya untuk kolom ganjil. Sedangkan kode Z diisi dengan nilai kedalaman pada kolom tersebut. Proses tersebut berulang untuk nilai matrik kolom yang lain. 3 Hasil dan Analisa Perangkat lunak pembangun G-code yang dirancang memiliki tampilan interface seperti terlihat pada Gambar 6. Menu X-Y Resolution menyatakan resolusi gerak mata pahat, Feed rate menyatakan kecepatan putar mata pahat, Convert to G-code merupakan perintah untuk merubah data menjadi G-code yang selanjutnya dapat disimpan dengan menekan menu Save G-code, Carving dimension menunjukkan dimensi benda pada proses pemahatan. Gambar 6 Tampilan Interface Perangkat Lunak Pembangun G-code Pengujian perangkat lunak pembangun G-code dilakukan menggunakan 3 buah benda uji dengan bentuk dan ukuran yang diketahui. Ketiga benda uji tersebut berupa segi empat yang di atas permukaannya terdapat huruf P, C dan R. Ukuran segi empat adalah 52x75mm. Ketinggian huruf bagian luar adalah 8mm sedangkan bagian dalam 3mm. Gambar 7 menunjukkan bentuk ketiga benda uji. Gambar 7 Benda Uji Sesuai dengan algoritma yang telah dibahas diatas, point clouds benda uji selanjutnya akan menjadi masukan perangkat lunak pembangun G-code dengan melalui tahap: pengurutan data, pengisian vertex kosong, filtering dan penentuan koordinat kerja mesin CNC. Gambar 8 menunjukkan koordinat mesin CNC untuk ketiga benda uji dalam bentuk contour. Pada Gambar 8 terlihat bahwa contour dari ketiga benda menunjukkan bentuk huruf P, C dan R. Pada gambar tersebut terlihat pada masing-masing gambar masih terdapat noise, hal ini disebabkan karena proses filtering yang kurang maksimal. Pada gambar tersebut, sumbu x

9 Pengembangan Perangkat Lunak Pembangun G-code dengan 83 dan y menunjukkan ukuran panjang dan lebar sedangkan contour menunjukkan nilai kedalaman mata pahat (arah sumbu z). Tabel 2 menunjukkan hasil perbandingan ukuran panjang (P) dan lebar (L) antara benda asal dengan benda hasil keluaran perangkat lunak. Benda Tabel 2 Benda Uji 1 (Huruf P) Benda Uji 2 (Huruf C) Benda Uji 3 (Huruf R) Benda Asal Perbandingan Ukuran Benda Asal dengan Keluaran Perangkat Lunak P(mm) Keluaran Perangkat Lunak Kesalahan Rata-rata (%) Benda Asal L(mm) Keluaran Perangkat Lunak % Kesalahan Rata-rata (%) 10.69% Dari contour benda terlihat bahwa kedalaman pada bagian tepi huruf adalah 8mm sedangkan bagian dalam huruf adalah 3 mm. Tanda negative (-) menunjukkan arah kedalaman mata pahat. Artinya titik nol kerja mesin tepat menyentuh permukaan benda yang akan dipahat. Dengan menggunakan metode template matching yaitu membandingkan ukuran benda asal dengan koordinat kerja mesin CNC diperoleh kesalahan rata-rata untuk ukuran kedalaman (sumbu z) sebesar 15.3% Gambar 8 Koordinat Kerja Mesin CNC Nilai koordinat x, y dan z tersebut selanjutnya akan menjadi acuan dalam penentuan G- code secara otomatis. Berikut merupakan potongan G-code yang dihasilkan secara otomatis menggunakan perangkat lunak berdasarkan koordinat kerja mesin benda uji berupa huruf P. N1 G54 G90 G00 X0. Y0. Z0. N2 G01 X0. F600 N3 G01 Z-8. F600 N4 G01 Y73. F600 N5 G01 X1. F600 N6 G01 Z-8. F600 N7 G01 Y0. F600 N8 G01 X2. F600 N9 G01 Z-8. F600 N10 G01 Y73. F600 N11 G01 X3. F600 N12 G01 Z-8. F600

10 84 Retno Tri Wahyuni, Yulian Zetta Maulana N menunjukkan kode baris program, G54 merupakan kode pengaturan nilai offset dari titik kerja benda (W), G90 merupakan kode pemrograman absolut, G00 X0 Y0 Z0 merupakan kode untuk menuju ke titik awal dari titik koordinat kerja mesin, G01 X0 menunjukkan bahwa pada koordinat X0 mulai dilakukan proses pemahatan dengan feed rate F sebesar 600, G01 Z-8 artinya mata pahat melakukan proses pemahatan kearah sumbu z dengan kedalaman sebesar 8mm, G01 Y73 artinya setelah melakukan pemahatan kearah sumbu z sedalam 8mm, mata pahat bergerak ke arah sumbu Y menuju koordinat 73mm, dan pergerakan mata pahat akan terus mengikuti urutan koordinat yang terdapat pada program. G-code yang dihasilkan dari perangkat lunak selanjutnya disimulasikan pada simulator CNC dan mengjasilkan hasil pahatan seperti terihat pada Gambar 9. Pada Gambar tersebut terlihat bahwa hasil pahatan mnyerupai koordinat kerja mesin pada Gambar 8. Gambar 9 Hasil Simulasi G-code menggunakan CNC Simulator 4 Kesimpulan Dari data dan analisa diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Perangkat lunak pembangun G-code terdiri dari beberapa tahap yaitu pengurutan data point clouds, pengisian vertex pada ruang kosong, filtering, penentuan koordinat kerja mesin dalam koordinat kartesian 3 dimensi, selanjutnya dikonversi ke G-code. 2. Evaluasi terhadap perangkat lunak dilakukan dengan metode template matching yaitu membandingkan dimensi hasil simulasi terhadap benda asal. Pengujian dilakukan menggunakan 3 buah benda uji dan menghasilkan kesalahan rata-rata sebesar 7.69% untuk ukuran panjang dan 10.69% untuk ukuran lebar serta 15.3% untuk ukuran kedalaman. 5 Daftar Pustaka [1] Wahyuni,R T, Purwanto,D, Sardjono, T.A Aplikasi Rekonstruksi 3 dimensi pada proses pemahatan menggunakan CNC. Jurnal Teknik Elektro dan Komputer 1(1): [2] Wahyuni, R.T. Gaussian Filter untuk Mengurangi Noise Data Pengukuran pada Sensor Kinect. Proceeding Applied Engineering Seminar. Oktober Politeknik Caltex Riau: [3] Wijanarka, sentot Modul Teknik Permesinan Frais CNC, Versi November 2011.