BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA Dalam bab ini membahas pengujian dan analisa alat yang telah dirancang dan dibuat. Pengujian alat dimulai dari masing-masing komponen alat sampai dengan pengujian keseluruhan rangkaian alat. Pengujian terhadap prototype mesin CNC seperti pada Gambar 4.1 dimaksudkan untuk mendapatkan kinerja terhadap rangkaian ini, kinerja yang lebih baik didapatkan dengan melakukan perbaikan terhadap komposisi rangkaian yang terdapat kekeliruan dan diketahui saat melakukan pengujian. Gambar 4.1 Prototype Mesin CNC 62
63 4.1 Pengujian Prototype Mesin CNC Berikut ini adalah beberapa pengujian yang dilakukan secara bertahap, mulai dari satu bagian ke bagian berikutnya untuk mempermudah pemeriksaan dan perbaikan. 4.1.1 Pengujian Power Supply Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah tegangan yang berasal dari power supply memiliki tegangan sebesar 12 VDC sesuai rating tegangan di datasheet motor stepper NEMA 17. Selain membutuhkan tegangan 12 VDC, prototype mesin CNC ini juga membutuhkan tegangan 5 VDC untuk arduino UNO dan IC A4988. Pengujian tegangan 5 VDC ini berasal dari tegangan kabel USB yang terkoneksi ke PC. Pengujian tegangan power supply dilakukan menggunakan multimeter digital. Hasil dari pengujian tegangan power supply tercatat pada Tabel 4.1 dibawah ini. Tabel 4.1 Hasil Pengujian Tegangan Driver Motor A4988 Arduino UNO dan IC A4988 Rujukan Datasheet Hasil Pengukuran Rujukan Datasheet Hasil Pengukuran 12,00 VDC 12,13 VDC 5,00 VDC 5,04 VDC
64 Hasil pengujian tegangan power supply menunjukkan bahwa tegangan output tidak jauh berbeda dengan rating tegangan rujukan yang terdapat di datasheet. 4.1.2 Pengujian End Effector Terdapat dua percobaan dalam pengujian ini, yakni percobaan end effector menggunakan sistem suspensi dan tanpa sistem suspensi. Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui hasil yang optimal dalam menulis atau mengarsir objek gambar. Pengujian dilakukan dengan menurunkan sumbu Z sampai end effector menyentuh permukaan bidang gambar lalu menggerakkan motor stepper sumbu Y dari kiri ke kanan sejauh 10 cm lalu dari depan ke belakang sejauh 10 cm. Gambar 4.2 Bentuk dan Hasil Pengujian End Effector Tanpa Sistem Suspensi Hasil pengujian dari end effector tanpa sistem suspensi yang seharusnya membuat garis lurus hasilnya adalah garis putus putus seperti pada lingkaran merah yang ditandai pada Gambar 4.2.
65 Gambar 4.3 Bentuk dan Hasil Pengujian End Effector Dengan Sistem Suspensi Hasil pengujian end effector dengan sistem suspensi dapat membuat garis lurus dengan stabil tanpa garis putus putus seperti yang terlihat pada Gambar 4.3. 4.1.3 Pengujian Motor Stepper dan IC A4988 Pengujian dilakukan untuk mengetahui IC A4988 menjalankan tugasnya sebagai translator motor stepper dan untuk mengetahui tingkat akurasi motor stepper NEMA 17 yang memiliki step angle atau perpindahan angular per langkah sebesar 1,8 0. Pada pengujian IC A4988, arduino sebagai pengontrol mengirimkan sinyal ke pin STEP dan DIR IC A4988 agar motor stepper dapat bergerak sesuai dengan instruksi yang sudah ditentukan. Adapun potongan program untuk pengujian IC A4988 ini : //simple A4988 connection //jumper reset and sleep together //connect VDD to Arduino 3.3v or 5v //connect GND to Arduino GND (GND near VDD)
66 //connect 1A and 1B to stepper coil 1 //connect 2A and 2B to stepper coil 2 //connect VMOT to power source (12v battery + term) //connect GRD to power source (12v battery - term) int stp = 13; //connect pin 13 to step int dir = 12; // connect pin 12 to dir int a = 0; // gen counter void setup() { pinmode(stp, OUTPUT); pinmode(dir, OUTPUT); } void loop() { if (a < 20) //sweep 20 step in dir 1 { a++; digitalwrite(stp, HIGH); delay(500); digitalwrite(stp, LOW); delay(500); } else { digitalwrite(dir, HIGH); a++; digitalwrite(stp, HIGH); delay(500);
67 digitalwrite(stp, LOW); delay(500); if (a > 40) //sweep 20 in dir 2 { a = 0; digitalwrite(dir, LOW); } } } Setelah dieksekusi, ketiga IC A4988 dapat menterjemahkan input sinyal arduino menjadi gerakan motor stepper. Motor stepper bergerak searah jarum jam berjumlah 20 langkah dan kembali berlawanan arah jarum jam berjumlah 20 langkah sesuai dengan potongan program diatas. Pada pengujian motor stepper, arduino akan mengontrol IC A4988 agar motor stepper bergerak hanya satu langkah searah jarum jam. Hal ini bertujuan agar dapat mengetahui berapa sudut perpindahan angular yang dapat dicapai motor stepper dalam satu langkah. Merujuk pada datasheet motor stepper NEMA 17, satu langkah motor stepper menghasilkan perpindahan angular sebesar 1,8 0. Berikut potongan program pada pengujian motor stepper ini : int stp = 13; int dir = 12; int a = 0; void setup() {
68 pinmode(stp,output); pinmode(dir,output); delay(2000); digitalwrite(dir,low); digitalwrite(stp,high); delay(500); digitalwrite(stp,low); delay(500); } void loop() { } Dari hasil pengujian, motor stepper dapat bergerak satu langkah searah jarum jam. Sudut yang dicapai pada masing masing motor stepper untuk setiap satu langkah tertera pada Tabel 4.2 dibawah ini. Tabel 4.2 Pengujian Satu Langkah Pada Tiap Motor Stepper NO Motor Stepper Sudut yang dicapai (derajat) 1 Sumbu X 1,8 2 Sumbu Y 1,8 3 Sumbu Z 1,8 4.1.4 Pengujian Software GBRL Controller Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah Software GBRL Controller dapat mengirimkan kumpulan kode G secara serial ke arduino dan dapat mengeksekusi data menjadi gerakan pada motor stepper.
69 Sebelum melakukan pengujian Software GBRL Controller, maka Arduino UNO harus sudah ter-upload program GBRL yang telah dibuat. Cara mengupload program dilakukan dengan bantuan software Arduino Programming Tools seperti pada Gambar 4.4 Apabila program telah berhasil ter-upload maka pada bagian bawah software akan muncul teks Done uploading. Gambar 4.4 Proses Compile Arduino Interface Software GBRL Controller dapat dilihat pada Gambar 4.5. Pada tab axis control terdapat beberapa panah yang berfungsi untuk mengerakkan ketiga buah sistem sesuai dengan koordinatnya yaitu X, Y dan Z.
70 Gambar 4.5 Axis Control Pada Software Grbl Pada kolom step size akan menentukan banyaknya pergerakan yang dilakukan oleh motor stepper. Terdapat beberapa tombol untuk menggerakkan sistem. Setiap angka yang terdapat pada step size memiliki satuan millimeter. Hasil pengujian menunjukan bahwa motor stepper X dapat bergerak dari kanan ke kiri dengan halus dan tidak bergoyang seperti yang terlihat pada Gambar 4.6.
71 Gambar 4.6 Hasil Pengujian Motor Stepper Sumbu X Hasil pengujiann menunjukan bahwa motor stepper Y dapat menggerakkan bidang tulis dari depan ke belakang dengan halus dan tidak bergoyang seperti yang terlihat pada Gambar 4.7. Gambar 4.7 Hasil Pengujian Motor Stepper Sumbu Y
72 Hasil pengujiann menunjukan bahwa motor stepper Z dapat menggerakkan end effector dari atas ke bawah dengan halus dan tidak bergoyang seperti yang terlihat pada Gambar 4.8. Gambar 4.8 Hasil Pengujian Motor Stepper Sumbu Z 4.1.5 Pengujian Kalibrasi Prototype Mesin CNC Pengujian dimaksudkan untuk mengetahui tingkat ketelitian alat apakah arsiran atau tulisan yang terdapat di mesin memiliki ukuran yang sama dengan yang terdapat pada komputer, pengujian dilakukan pada masing masing sumbu koordinat.
73 Pada sumbu koordinat X dan Y menggunakan sistem pergerakan linier dengan pulley dan timing belt. Pada bab III tentang perancangan alat, perhitungan rasio antara step dengan jarak milimeter adalah 5,2 atau jika dibulatkan menjadi 5. Pada sumbu koordinat Z yang menggunakan sistem pergerakan linier dengan threaded rod dan nut, perhitungan rasio antara step dengan jarak milimeter adalah 250. Parameter step per milimeter dimasukkan ke dalam program arduino sebagai acuan pergerakan. Pengujian dilakukan dengan memberikan program G ke dalam software GBRL Controller sebagai berikut : G2 X0 Y0 Z0 G2 X0 Y0 Z30 G2 X20 Y0 Z30 G2 X20 Y20 Z30 Secara teori program ini berarti motor sumbu Z bergerak turun sejauh 30 mm lalu motor sumbu X bergerak ke kiri sejauh 20 mm lalu motor sumbu Y bergerak ke belakang sejauh 20 mm. Hasil pengujian kalibrasi masing masing sumbu prototype mesin CNC terlihat pada Gambar 4.9 sampai 4.11 dibawah ini.
74 Gambar 4.9 Hasil Pengujian Kalibrasi Sumbu X Gambar 4.10 Hasil Pengujian Kalibrasi Sumbu Y Gambar 4.11 Hasil Pengujian Kalibrasi Sumbu Z Untuk memperoleh hasil pengujian yang maksimal, percobaan dilakukan berkali kali dengan instruksi jarak perpindahan tiap sumbu program G-code
75 yang berbeda beda agar dapat mengetahui hasil jarak real yang dikerjakan oleh mesin. Hasil percobaan kalibrasi alat terdapat pada Tabel 4.3. Tabel 4.3 Pengujian Kalibrasi Prototype Mesin CNC No Instruksi Program G-Code (mm) Hasil Jarak Real Mesin (mm) Sumbu X Sumbu Y Sumbu Z Sumbu X Sumbu Y Sumbu Z 1 10 10 10 10 10 10 2 20 20 20 20.5 20 20 3 50 50 30 50 50.5 30 4 80 80 40 80 81 41 5 100 100 50 100.8 100 50 Persentasi terjadinya Error pada Prototype mesin CNC dapat dihitung pada tiap percobaan menggunakan rumus : = h h 100% Perhitungan Error pada tiap sumbu Prototype mesin CNC tersaji pada Tabel 4.4. Tabel 4.4 Persentasi Error Prototype Mesin CNC No Error Sumbu X (%) Error Sumbu Y (%) Error Sumbu Z (%) Error 1 0 0 0 Error 2-2.5 0 0 Error 3 0-1 0 Error 4 0-1.25-2,5 Error 5-0.8 0 0 Rata - rata Error - 0,66-0,45-0,5
76 4.1.6 Pengujian Keseluruhan Sistem Prototype mesin CNC ini dapat dikatakan bekerja apabila telah mampu melakukan tugas sesuai dengan keinginan pembuatnya dan semua perangkat penyusun bekerja dalam satu kesatuan kerja. Dengan dasar inilah maka pengujian keseluruhan dilakukan untuk mengetahui apakah prototype mesin CNC bekerja dengan optimal. Pada pengujian keseluruhan sistem, prototype mesin CNC akan menulis dengan menggunakan sebuah ballpen. Desain yang akan dibuat seperti yang terdapat pada Gambar 4.12. Terdapat tiga buah objek dengan keterangan ukurannya. Objek pertama adalah sebuah segitiga dengan panjang 40 mm tinggi 30 mm dan miring 50 mm. Objek yang kedua adalah dua buah setengah lingkaran dengan diameter 50 mm. Objek yang ketiga adalah sebuah persegi dengan panjang 50 mm dan lebar 50 mm. Gambar 4.12 Desain Untuk Pengujian Keseluruhan
77 Setelah desain dibuat dengan Software Inkscape, langkah selanjutnya konversi desain tersebut menjadi sekumpulan kode G. Hasil dari konversi tersebut dapat dibuka oleh Software GBRL Controller. Tekan tombol Begin maka mesin akan memulai pekerjaannya seperti yang terlihat pada Gambar 4.13. Gambar 4.13 Software GBRL yang Sedang Run Adapun hasil dari percobaan keseluruhan sistem dapat terlihat pada Gambar 4.14. Gambar 4.14 Hasil Percobaan Keseluruhan
78 Hasil pengujian keseluruhan sistem, mesin CNC dapat mengerjakan tugas penulisan objek gambar dengan durasi waktu 17 menit 45 detik. Gambar 4.15 Hasil Percobaan Keseluruhan Dengan Alat Ukur Mistar Objek gambar diukur dengan mistar untuk mengetahui tingkat ketelitian dari prototype mesin CNC yang hasilnya cukup akurat untuk skala millimeter seperti yang terlihat pada gambar 4.15. 4.2 Analisa Prototype Mesin CNC 4.2.1 Power Supply Pada pengujian power supply, tegangan yang keluar adalah 12.13 VDC yang stabil. Hal ini berarti tegangan sesuai dengan rating tegangan dari motor stepper NEMA 17. Tegangan yang keluar dari kabel USB PC adalah 5,04 VDC, tegangan ini sesuai dengan rating tegangan untuk arduino UNO dan IC A4988.
79 4.2.2 End Effector Pada pengujian end effector tanpa sistem suspensi, mesin CNC yang seharusnya membuat objek garis lurus hasilnya terdapat garis putus putus karena tidak menyentuh permukaan bidang objek. Hal ini dikarenakan kesalahan mekanik pada perakitan alat mengakibatkan konstruksi bidang sumbu X miring. Jika percobaan terus dilakukan maka dapat diprediksikan alat akan mengalami kerusakan karena bagian ujung ballpen akan sangat tertekan dengan bagian dasar mesin CNC. Oleh karena itu, ditambahkan suatu pegas atau suspensi seperti pada Gambar 4.3 agar tekanan antara ballpen dengan bagian dasar mesin CNC dapat diminimalisir. Setelah digunakan sistem suspensi pada end effector, ballpen dapat menulis garis lurus pada sumbu X dan Y sesuai dengan instruksi program yang telah dibuat. 4.2.3 Mekanik Prototype Mesin CNC Pada saat awal pengujian software GBRL Controller dan pengujian kalibrasi alat, slider pada sumbu X berkerja cukup halus / smooth namun pada sumbu Y masih kurang kokoh pada bagian linier bearing. Hal ini dikarenakan jumlah linier bearing yang digunakan pada sumbu Y hanya dua buah sedangkan pada sumbu X berjumlah empat buah. Hal ini mengakibatkan sistem tidak kuat untuk menopang beban yang terdiri dari sistem sumbu Z dan end effector dan proses penulisan menjadi tidak presisi karena bergoyang. Untuk menanggulangi masalah ini, ditambahkan bearing dengan ukuran lubang dalam 8 mm atau yang sama seperti ukuran diameter slider dan ukuran lubang luar 16 mm. Bearing tersebut diselipkan ke dalam potongan akrilik agar dapat terhubung dengan sistem
80 sumbu Y seperti pada Gambar 4.16. Gambar 4.16 Komponen Tambahan Untuk Sumbu Y Hasil yang diperoleh setelah menambahkan komponen tersebut adalah sistem sumbu Y sudah kokoh dan tidak goyang. Pada saat proses kalibrasi, prototype lebih presisi dalam menulis. 4.2.4 Kalibrasi Tiap Sumbu Koordinat Pada pengujian kalibrasi prototype mesin CNC, sistem sumbu X menunjukan hasil yang akurat. Hal ini dilihat dari rata rata Error sistem yang hanya berkisar -0,66 %. Pada sistem sumbu Y, percobaan menunjukan hasil yang cukup baik pula, karena rata rata Error sistem berkisar -0,45 %. Pada sistem sumbu Z menunjukkan hasil yang sangat baik, dari lima kali percobaan hanya satu percobaan yanghasilnya kurang presisi. Rata rata Error sistem adalah -0,5 %. 4.2.5 Software GBRL Controller Pada pengujian Software GBRL Controller, software mampu mengirimkan kode G dengan baik. Hal ini dapat dilihat dari LED RX pada Arduino UNO yang menyala saat software mengirimkan data. Arduino juga dapat mengeksekusi data menjadi gerakan motor stepper sesuai perintah. Namun pada saat program sedang
81 running, sistem tidak bisa langsung dimatikan atau berhenti saat terjadi keadaan yang dapat membahayakan seperti melewati bidang kerja. Hal ini dapat terjadi karena Arduino UNO masih mengeksekusi program terdahulu, maka program untuk instruksi berhenti masih menunggu program yang sebelumnya. Untuk mengatasi hal ini, power supply harus dimatikan. 4.2.6 Keseluruhan Prototype`Mesin CNC Saat pengujian alat pada rangkaian secara keseluruhan, semua rangkaian harus dihubungkan. Pada dasarnya prototype mesin CNC ini merupakan sebuah alat yang fungsinya sama persis seperti mesin CNC konvensional. Sebuah mesin yang bergerak sesuai dengan kode G yang diberikan ke sistem. Dari hasil pengujian, mesin dapat beroperasi dengan optimal dan memiliki tingkat ketelitian yang baik. Tingkat persentasi error yang kecil. Motor stepper bergerak cukup halus / smooth.