Integrasi Elektronika, Mekanika dan Perangkat Lunak pada CNC Rakitan

Transkripsi

1 Integrasi Elektronika, Mekanika dan Perangkat Lunak pada CNC Rakitan Djoko Untoro Suwarno Program Studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma Kampus III, Jl. Paingan, Maguwoharjo, Sleman 55002, Indonesia Tel fax ABSTRAK Makalah ini membahas tentang integrasi antara bidang elektronika, mekanik dan perangkat lunak pada CNC rakitan. CNC (Computer Numerical Control) merupakan mesin mekanik yang dikendalikan secara elektronik dan perangkat lunak untuk menghasilkan gerakan dan posisi tertentu. CNC rakitan terdiri dari bagian mekanik yang memiliki tiga derajat kebebasan, motor penggerak berupa motor stepper sebanyak 3 buah, rangkaian elektronika untuk penggerak motor stepper mode 2 bit, antarmuka parallel port, serta perangkat lunak untuk mengartikan G-code sebagai bahasa pada mesin CNC. Integrasi antar bidang ilmu membutuhkan pengetahuan yang memadai pada bidangnya dan pengetahuan / kemampuan / kebutuhan dari bidang lain. Proyek CNC rakitan merupakan salah satu contoh yang bagus untuk melakukan integrasi antara elektronika, mekanika dan perangkat lunak. Kata kunci: CNC, motor stepper, integrasi antar bidang I. Pendahuluan Saat ini mulai banyak kebutuhan peralatan yang merupakan integrasi dari berbagai disiplin ilmu, salah satunya adalah mesin gravir yang dikendalikan komputer. Mesin gravir terkendali komputer termasuk dalam CNC (Computer Numerical Control). Peralatan CNC merupakan peralatan mekanik yang dikendalikan dengan komputer. Untuk membangun proyek tersebut diperlukan pengetahuan antar bidang yaitu elektronika, mekanik dan perangkat lunak. Saat ini peneliti masih merasakan bahwa mahasiswa (dan pendidik) kesulitan dalam menggabungkan disiplin ilmu. Kesulitan yang timbul salah satunya kurangnya pengalaman, kerjasama dan pengetahuan yang berhubungan dengan lintas ilmu. Di tingkat yang lebih global mulai dilakukan integrasi antar bidang ilmu membentuk ilmu baru seperti mekatronika. Mekatronika merupakan sinergi dari bidang ilmu elektronika, mekanik, kontrol dan pemrograman [1]. Pada makalah ini, peneliti mencoba menjabarkan integrasi bidang elektronika, mekanik dan perangkat lunak dalam merancang peralatan yang diberi nama CNC rakitan. CNC rakitan merupakan suatu peralatan mekanik yang dikendalikan dengan menggunakan komputer untuk melakukan gerakan seperti menggambar dalam suatu bidang dan menyerupai plotter. Pada makalah ini dibahas kebutuhan pengetahuan dari tiap-tiap bidang ilmu dalam merancang dan membangun peralatan tersebut. II. Tinjauan Pustaka Mesin CNC merupakan suatu alat mekanik yang memiliki 3 derajat kebebasan atau lebih. Peralatan ini banyak dipakai untuk membuat suatu barang yang memiliki bentuk tertentu dalam jumlah yang banyak dengan kualitas yang sama. Bila benda tersebut dikerjakan secara manual maka hasil kerja sangat tergantung dari operator dan keadaan mesin. Mesin CNC banyak variasinya antara lain CNC milling, CNC turning, CNC drilling masing masing memiliki kegunaan tertentu. Dalam merancang CNC rakitan diperlukan pengetahuan dibidang mekanik, elektronika, dan pemrograman. Bagian mekanik terdiri dari konstruksi dan penggerak untuk 3 arah gerakan X, Y dan Z. Pada bagian elektronik terdiri dari motor stepper, kontroler motor stepper dan antarmuka dengan komputer. Bagian perangkat lunak terdiri dari program menterjemah bahasa g-code untuk CNC. Rancangan benda kerja menggunakan komputer. Para disainer menggunakan komputer untuk membuat rancangan (dalam bentuk gambar) dapat dimanipulasi sebelum diolah menggunakan mesin CNC. Bahasa pemrograman yang banyak dipakai pada mesin CNC yaitu bahasa pemrograman G-CODE. Untuk menjalankan mesin CNC maka diperlukan perintah-perintah dengan menggunakan perintah G- code yang menjadi standar pada peralatan CNC [2]. Format perintah untuk menjalankan mesin CNC disajikan di bawah ini. N123 G123 X,Y [P] [R] [A] [B] [S] [T] [F] N123 (Number 123) untuk memberikan alamat baris yang menunjukkan urutan pengerjaan G123 perintah nomor 123 pada kode G X,Y koordinat x dan y I-1

2 Tabel 2-3 Perintah kode G untuk mesin CNC TNC155 Gcode keterangan G00 Menuju posisi secara cepat G01 Interpolasi Linear G02 Interpolasi lingkaran dengan arah jarum jam G03 Interpolasi lingkaran dengan berlawan dengan arah jarum jam G05 Interpolasi lingkaran tanpa memberikan arah rotasi G06 Interpolasi lingkaran sambung kontur tangensial G07 Langkah posisi paralel poros G10 Interpolasi linear polar dengan pergerakan yang cepat G11 Interpolasi Linear Polar G12 Interpolasi lingkaran polar dengan arah jarum jam G13 Interpolasi lingkaran polar dengan berlawanan jarum jam G15 Interpolasi polar tanpa pemberian arah rotasi Penggerak untuk peralatan CNC rakitan menggunakan motor stepper. Untuk menggunakan motor stepper diperlukan rangkaian elektronis penggerak motor stepper. Motor stepper unipolar terdiri dari 4 buah lilitan. Untuk menggerakkan motor stepper pada bagian lilitan diberi masukan dengan pola tertentu, pola-pola tersebut akan menentukan arah putar dan sudut yang ditimbulkan. kontroler motor steper dan motor stepper serta saklar batas, Bagian mekanik disajikan pada gambar 4. Gambar 3. Diagram blok sistem secara keseluruhan Bagian konstruksi mekanik Gambar 4. Bagian bagian dari CNC rakitan Gambar 5. Konstruksi lengkap dari CNC rakitan Gambar 1. bentuk fisik motor stepper CCW CW 0100 Bagian mekanik terdiri dari konstruksi seperti terlihat pada gambar 4 dan 5. Konstruksi CNC rakitan memerlukan 3 buah penggerak yaitu motor stepper dan 3 buah saklar batas (limit switch) serta satu motor bor sebagai aktuator pada benda kerja. Pemasangan motor stepper sebagai penggerak disajikan pada gambar Gambar 2, Pola aktifasi tunggal untuk menggerakan motor stepper III. Perancangan CNC rakitan terdiri dari beberapa bagian seperti terlihat pada gambar 3. Gambar 3 terlihat bagian komputer yang berisikan program untuk membaca G-Code, antarmuka peralatan melalui parallel port, Gambar 6. pemasangan motor stepper penggerak I-2

3 Bagian pengendali penggerak motor stepper Bagian pengendali memerlukan rangkaian penggerak motor stepper unipolar sebanyak 3 unit. Rangkaian ini memiliki masukan STEP, DIR dan keluaran sebanyak 4 yang disambung pada motor stepper. Masukan DIR berfungsi untuk mengubah arah putar motor stepper dan masukan STEP untuk memerintahkan motor stepper bergerak. Rangkaian lengkap dari penggerak motor stepper disajikan pada gambar 7. Gambar 7. Software Kellyware untuk CNC Gambar 7. Rangkaian penggerak motor stepper Hubungan kontroler motor stepper dengan komputer disambung melalui parallel port. Tabel koneksi antar kontroler dengan komputer Pin DB25 Sinyal KCAM 1 ~C0 spindle 2 D0 X step 3 D1 X dir 4 D2 X enable 5 D3 Y step 6 D4 Y dir 7 D5 Y enable 8 D6 Z step 9 D7 Z dir 10 S6 Not used 11 ~S7 X home 12 S5 Y home 13 S4 Z home 14 ~C1 Z enable 15 Not used 16 C2 M code 17 ~C3 M code GND Software penterjemah g-code menggunakan software kellyware yang bersifat shareware, tampilan help pada software kellyware disajikan pada gambar 7. Fitur-fitur pada perangkat lunak KCAM4: Format file yang didukung : G-code, DXF, HPGL, Excellon, Gerber Pengendalian motor melalui port paralel Pengendalian melalui serial memerlukan perangkat yang kompaktibel dengan MaxStepper Tampilan 2D dan 3D Pemasukan data G-code Konversi data G-code Subprogram makro G-code Kendali manual untuk jogging Kendali jogging melalui keyboard Masukan G-code manual Perkiraan waktu proses Indikator status posisi peralatan Dua kedalaman untuk aplikasi papan nama Plot isolasi PCB dari Gerber (RS274X) Dengan kemampuan yang dimiliki oleh KCAM4 memudahkan pengguna awam menggunakan dan mengoperasikan CNC rakitan. Rancangan dalam bentuk gambar dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak untuk disain, misalnya coreldraw, visio. Hasil rancangan agar bisa dibaca oleh peralatan CNC harus diubah menjadi format file DXF, G-CODE. VI. Pembahasan Setelah bagian perangkat keras selesai dirakit maka dilakukan penggabungan dengan perangkat lunak. Pada program perlu disetel / dikalibrasi agar sesuai dengan perangkat keras yang ada. Penyetelan sistem dilakukan pada software KCAM seperti terlihat pada gambar 8. I-3

4 Gambar 8. Penyetelan sumbu (Axis setup) pada software KCAM4 Pengujian dilakukan dengan pembacaan dari file disney27.plt (merupakan format hpgl) dan disajikan pada gambar 9. Gambar 10. File masukan berupa disney27.plt diubah menjadi bentuk G-code Gambar 9. Contoh gambar kerja disney27 yang berasal dari disney27.plt Selain berasal dari file dengan format plt, software ini mampu membaca dari G-code maupun dari format yang lain Format DXF berasal dari software yang termasuk dalam CADCAM. Dalam melakukan integrasi antar bidang perlu dilakukan penelusuran kebutuhan dan dukungan dari suatu disiplin ilmu. Pada peralatan mesin CNC rakitan kebutuhan mekanik yaitu konstruksi yang dapat bergerak 3 sumbu. Perlunya dipelajari standar-standar yang dipakai, contohnya motor stepper, g-code, parallel port. Tabel hubungan kebutuhan dan dukungan dari disiplin ilmu Kebutuhan Domain Gambar 3D untuk rancangan mekanikal konstruksi, pekerjaan konstruksi Kontroler untuk penggerak Elektronika Antarmuka peralatan dengan Elektronika komputer Perangkat lunak pengolah G-CODE Informatika Rancangan gambar (design) Seni Produksi alat, penjualan ekonomi I-4

5 Keuntungan dengan adanya integrasi antar disiplin ilmu yaitu pengetahuan yang menjadi domain bagi dirinya harus dikuasai dengan baik, selain itu pengetahuan di luar domain ilmu yang dipahami semakin berkembang. Dengan integrasi antar disiplin ilmu juga akan membentuk kerjasama, kerja kelompok dan akan saling berinteraksi dengan banyak orang. V. Kesimpulan CNC rakitan merupakan hasil integrasi dari bidang elektronika, mekanik, pemrograman serta seni. CNC rakitan mudah untuk dikembangkan dan diimplementasikan. Dalam melakukan integrasi dari berbagai disiplin ilmu perlu diperhatikan kebutuhan dan dukungan dari disiplin ilmu tersebut. Dengan mengetahui kebutuhan dan dukungan dari suatu disiplin ilmu yang lain maka akan lebih mudah dalam pemilihan pengetahuan yang harus dipelajari. Dengan melakukan kerjasama dengan disiplin ilmu lain maka diharapkan sekat-sekat ilmu yang terwujud dalam program studi pada kebanyakan program studi yang ditawarkan dapat semakin berkurang. References [1] Robert H. Bishop, The Mechatronic Handbook, 2nd ed. CRC press, New York, 2008 [2] Hollebrandse, Teknik Pemrograman dan Aplikasi CNC, PT Rosda Jayaputra, Jakarta, 1988 [3] Geoff Williams, CNC Robotics, McGrawHill, New York, 2003 I-5

6 I-6