BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori dasar yang digunakan untuk menunjang perancangan dan pembuatan alat. 2.1 Computer Numerical Control (CNC) Computer numerical control (CNC) merupakan sebuah mesin yang dapat mendeteksi titik-titik mana saja yang akan dilubangi. Mesin CNC adalah mesin yang dikontrol oleh komputer dengan menggunakan bahasa numerik (data perintah dengan kode angka, huruf dan simbol) sesuai standart ISO. Sistem kerja teknologi CNC ini akan lebih sinkron antara komputer dan mekanik, sehingga bila dibandingkan dengan mesin perkakas yang sejenis, maka mesin CNC lebih teliti, tepat, fleksibel dan cocok untuk produksi masal. Mesin CNC memiliki dua atau lebih arah gerakan tool yang disebut dengan sumbu atau axis. Gerakan pada axis antara lain linier (yang merupakan garis lurus) atau gerakan circular (yang merupakan lintasan melingkar). Umumnya, sumbu yang terdapat pada gerakan linier adalah X, Y dan Z sedangkan nama axis pada gerakan circular adalah A, B dan C. Salah satu spesifikasi yang dapat 6

7 memperlihatkan kekompleksitasan dari mesin CNC adalah berapa banyak axis yang dimilikinya dan gerakan interpolasi yang ada. Mesin CNC memiliki banyak fungsi sehingga alat ini banyak digunakan dalam dunia industry. Beberapa fungsi diantaranya adalah unruk melakukan pemotongan, milling, pengeboran dan masih banyak lagi lainnya. Contoh mesin CNC dapat terlihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Contoh Mesin CNC 2.2 Arduino Arduino adalah papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer.

8 Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai otak yang mengendalikan proses input, dan output sebuah rangkaian elektronik. Bagian-bagian pada Arduino dapat dilihat pada Gambar 2.2 Gambar 2.2 Arduino Duemilanove Adapun data teknis board Arduino UNO sebagai berikut : Mikrokontroler: Arduino UNO Tegangan Operasi: 5V Tegangan Input (recommended): 7-12V Tegangan Input (limit): 6-20V Pin digital I/O: 14 ( 6 diantaranya pin PWM )

9 Pin analog input: 6 Arus DC per pin I/O: 40 ma Arus DC untuk pin 3.3V: 150 ma Flash Memory: 32 KB dengan 0.5 KB digunakan untuk bootloader SRAM: 2 KB EEPROM: 1 KB Kecepatan Pewaktu: 16 MHz 2.3 Motor Stepper Motor stepper seperti pada Gambar 2.3 adalah salah satu jenis motor DC yang dapat berputar pada sudut tertentu pada langkah tetap. Besarnya langkah bervariasi antara 0,9 o hingga 90 o. Gambar 2.3 Motor Stepper Motor stepper digunakan pada aplikasi yang memerlukan perputaran pada sudut tertentu namun tidak memerlukan feedback dari sensor posisi. Sudut perpindahan diketahui dengan menghitung jumlah langkah yang telah dilakukan.

10 Motor stepper merupakan satu-satunya jenis motor DC yang pengendaliannya dapat dilakukan secara open loop. Contoh penggunaan motor stepper dapat dilihat pada printer dan scanner. Motor stepper memiliki beberapa bagian yang sama seperti motor pada umumnya, dapat dilihat pada Gambar 2.4 Gambar 2.4 Bagian-Bagian Motor stepper 2.3.1 Prinsip Kerja Motor Stepper Motor stepper terdiri dari rotor berupa magnet permanen dan stator berupa elektromagnet seperti pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6.

11 Gambar 2.5 Bagian Motor Stepper Pada kenyataannya jumlah elektromagnet pada suatu motor stepper tidak hanya empat, namun bisa berjumlah banyak. Meski demikian, untuk memudahkan pengaturannya, setiap elektromagnet tidak diatur secara individu, namun terdapat beberapa elektromagnet yang disatukan pengaturannya. Gambar 2.6 Prinsip Kerja Motor Stepper

12 Posisi rotor akan tergantung pada kombinasi medan magnet yang dihasilkan oleh stator. Terdapat berbagai macam metode switching untuk menghasilkan kombinasi medan magnet untuk menggerakkan rotor. 2.4 IC A4988 IC A4988 adalah driver microstepping motor yang lengkap dengan built-in penerjemah untuk memudahkan pengoperasian. IC ini dirancang untuk mengoperasikan berbagai macam motor stepper, baik motor stepper bipolar penuh, setengah, atau seperempat. Dengan output hingga 35V dan ± 2A. IC A4988 memiliki kemampuan untuk beroperasi dalam slow atau mixed decay mode seperti pada diagram aplikasi Gambar 2.7. Gambar 2.7 Diagram Alikasi IC A4988 Bentuk asli IC A4988 dapat dilihat pada Gambar 2.8. IC A4988 memiliki 8 buah kaki yang terdapat pada sisi kanan dan sisi kirinya.

13 Gambar 2.8 IC A4988 2.5 Power Supply Power Supply adalah suatu perangkat yang dapat melakukan penurunan tegangan listrik dari 220V AC menjadi 12V DC, 5V DC atau 3,3V DC. Komponen yang terdapat pada power supply dapat dilihat seperti pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Power Supply

14 2.6 PCB Matrix Strip Board PCB ini merupakan jenis PCB yang memiliki lubang. Susunan lubang ini membentuk matrik bergaris seperti pada Gambar 2.10. Pada dasarnya PCB ini digunakan untuk memudahkan penggunanya dalam merangkai komponenkomponen elektronika hanya dengan kabel penghubung (jumper). Gambar 2.10 PCB Matrix Strip Board Kekurangan dalam penggunaan PCB ini adalah sulitnya mengatur sistem wiring yang menghubungkan antara komponen satu dengan komponen lainnya. Kesulitan lainnya adalah pada saat melakukan penyolderan kaki komponen yang memiliki dua penghubung atau lebih pada satu titik solder yang sama. 2.7 Acrylic Polymethyl metacrylate (PMMA) atau acrylic merupakan material yang bening. Tidak hanya sekedar tembus pandang, PMMA juga sedikit sekali menyerap sinar yang melalui bahan tersebut. Disinilah letak perbedaan optis yang utama antara kaca dan acrylic. Walaupun tembus pandang, kaca menyerap cahaya

15 yang masuk sehingga semakin tebal kaca tersebut maka semakin sedikit cahaya yang dapat melaluinya, maka sifat transparannya makin berkurang. Pada acrylic, penyerapan sinar yang terjadi demikian kecil sehingga walaupun ketebalannya bertambah, sifat transparannya tidak banyak berubah. Selain itu kaca lebih bersifat kaku jika dibandingkan dengan acrylic. Acrylic bersifat lebih lentur, sehingga secara teknis lebih dapat bertahan pada hentakan tekanan dinamik air. Selain itu, hal yang merugikan adalah kaca akan berwarna kehijauan (dilihat dari ketebalan) sedangkan pada acrylic tidak. Beberapa kelebihan yang dipunyai oleh acrylic: 1. Bening dan transparan. 2. Kuat, lentur dan tahan lama. 3. Dapat dibuat menjadi berbagai bentuk. 4. Mempunyai berat yang lebih ringan dari kaca. 5. Harga relatif murah dari kaca. 2.8 Bor Bor merupakan salah satu peralatan elektronika yang digunakan untuk membuat lubang. Bor memiliki jenis mata bor dengan ukuran dan bentuk yang beraneka ragam sesuai dengan kebutuhannya. Dalam pembuatan sebuah PCB biasanya digunakan mata bor kecil untuk melubangi PCB sehingga komponen yang akan digunakan dapat tersusun dengan rapih. Jenis bor yang biasa digunakan untuk melubangi PCB adalah seperti pada Gambar 2.11

16 Gambar 2.11 Mini Drill 2.9 Sofware Isis dan Ares Isis dan Ares adalah software yang digunakan untuk merancang rangkaian elektronika dengan lebih mudah. 2.9.1 Sofware Isis Isis merupakan salah satu software yang dapat digunakan sebagai simulasi rangkaian elektronika. Dengan menggunakan software ini kita dapat merancang sebuah rangkaian elektronika dengan berbagai komponen yang tersedia. Setelah rangkaian selesai dibuat, selanjutnya adalah membuka desain rangkaian dengan menggunakan software Ares menggunakan menu seperti pada Gambar 2.12

17 Gambar 2.12 Tampilan Software Isis. 2.9.2 Software Ares Ares adalah software yang digunakan untuk desain akhir rangkaian elektronika. Ares merubah rangkaian yang telah dibuat menggunakan Isis menjadi jalur-jalur penghantar seperti yang ada pada sebuah PCB. Dengan menggunakan Ares rangkaian elektronika yang telah dibuat dapat dicetak dan kemudian dapat digunakan pada sebuah PCB. Selain itu melalui software Ares ini dapat dilihat titik-titik pengeboran yang dapat dikerjakan oleh prototype mesin CNC. Agar titik pengeboran tersebut dapat terbaca oleh prototype mesin CNC, extention file desain tersebut harus diubah terlebih dahulu menjadi pdf dengan menu export.

18 Untuk keperluan prototype mesin CNC, perancangan desain yang dibuat menggunakan Ares dilakukan dengan cara yang berbeda dari biasanya. Jalur penghantar yang menghubungkan kaki-kaki komponen diletakkan pada top copper. Hal ini dilakukan agar ketika proses export hanya titik-titik peletakkan komponen saja yang terbaca. Proses export terlihat seperti pada Gambar 2.13. Gambar 2.13 Tampilan Software Ares Selanjutnya akan muncul pilihan seperti pada Gambar 2.14. Pada kolom layer terdapat pilihan bottom copper untuk menampilkan desain PCB pada bagian bawah saja. Untuk menentukan lokasi penyimpanan file gunakan menu file name.

19 Gambar 2.14 Mengeksport File Menggunakan Ares 2.10 Software Inkscape Inkscape merupakan software yang biasa digunakan untuk membuat desain Gambar. Software ini dapat dimanfaatkan untuk merubah file dengan extention pdf menjadi Gcode agar dapat terbaca oleh software Grbl Controller. Mengubah desain menjadi Gcode dapat dilakukan dengan cara berikut: 1. Desain terlebih dahulu harus di pisahkan dengan menu ungroup yang dapat mucul dengan klik kanan pada mouse seperti pada Gambar 2.15.

20 Gambar 2.15 Tampilan Software Inkscape 2. Agar ukuran desain presisi, dua buah lingkaran yang terdapat seperti pada Gambar 2.16 harus di hapus. Gambar 2.16 Proses Delete

21 3. Kolom W dan H seperti pada Gambar 2.17 dapat digunakan untuk mengubah ukuran desain sesuai dengan aslinya. Terdapat pula kolom satuan yang akan digunakan. Sedangkan kolom X dan Y yang ada pada Gambar 2.18 dapat digunakan untuk menentukan koordinat peletakkan desain. Gambar 2.17 Merubah Ukuran Desain Gamber 2.18 Menentukan Koordinat Desain

22 4. Titik pengeboran bisa didapatkan dengan menandai setiap titik menggunakan warna yang tersedia. Untuk memisahkan titik pengeboran, bagian yang sudah ditandai dapat dipindahkan lalu bagian yang tidak digunakan dihapus. Gambar 2.19 Membuang Bagian yang Tidak Digunakan 5. Agar desain dapat terbaca pada software Grbl Controller, terlebih dahulu harus diubah menjadi Gcode. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan menu Engraving seperti pada Gambar 2.20.

23 Gambar 2.20 Mengubah Desain Menjadi Gcode 6. Pada tab option, kolom yang dilingkari seperti pada Gambar 2.21 merupakan kedalaman yang akan dibor. Sedangkan tab preferences seperti Gambar 2.22 terdapat menu untuk mengatur nama file, lokasi penyimpanan file, serta posisi awal sumbu Z.

24 Gambar 2.21 Tab Option Gambar 2.22 Tab Preference

25 7. Untuk mengubah menjadi Gcode dapat menggunakan menu apply yang ada pada tab engraving seperti pada Gambar 2.23 Gambar 2.23 Tab Engraving 8. Akan mucul kotak berwarna hijau seperti pada Gambar 2.24 jika menu apply tadi dipilih. Ini menandakan file yang sudah menjadi Gcode otomatis tersimpan pada lokasi penyimpanan yang diilih Gambar 2.24 Proses Akhir Inkscape

26 2.10.1 Menentukan Ketinggian Sistem Z Untuk melakukan pengeboran PCB secara otomatis maka ketinggian sistem Z yang telah terpasang alat bor harus diperhitungkan terlebih dahulu. Untuk menentukan ketinggiannya dapat dilihat pada Gambar 2.25 Gambar 2.25 Mengatur Ketinggian Sistem Z Keterangan pada Gambar 2.25 adalah: A. Penampang pada sistem Y B. Alas bor Alas ini digunakan agar ketika dilakukan pengeboran tidak sampai mengenai sistem Y C. Z safe height for G00 move over blank Ini merupakan jarak ketinggian antara mata bor dengan kedalaman maksimalnya ketika mesin bekerja. Nilai ketinggian ini dapat diatur pada tab preference yang terdapat pada menu engraving. Satuan yang digunakannya adalah millimeter. Untuk menentukan nilai yang harus dimasukkan sebaiknya diukur terlebih dahulu berapa ketinggian alas bor. Sehingga ketika mesin

27 bekerja, kedalaman pengeboran tidak akan melebihi ketebalan alas bor. Semakin tinggi mata bor dari permukaan PCB maka nilainya harus bernilai negatif D. Offset along Z axis Kedalaman pengeboran ini dapat diatur pada tab option yang terdapat pada menu engraving. Satuan yang digunakan adalah millimeter. E. Jarak antara mata bor dengan PCB Agar mata bor tidak menggores permukaaan PCB ketika bergerak maka mata bor harus memiliki jarak ketinggian tertentu dari atas permukaan PCB. Nilai jarak ini bisa didapat dengan menjumlahkan nilai Z safe height for G00 move over blank dan Offset along Z axis. Sebagai contoh, ketika kita memasukan nilai 20 pada kolom Offset along Z axis (kedalaman pengeboran) dan -25 pada kolom Z safe height for G00 move over blank, maka ketinggian antara mata bor dengan permukaan PCB yang akan di dapat adalah -5. Hal ini berarti mata bor akan bergerak sejauh 5mm ke atas agar tidak menggores PCB ketika mesin bekerja. F. Alat bor 2.11 Software Grbl Grbl adalah salah satu software yang dapat digunakan oleh mesin CNC. Software ini hanya dapat membaca file dengan extention ngc. Dengan menggunakan software ini mesin CNC dapat bekerja untuk melakukan

28 pengeboran sesuai dengan desain yang dibuat. Tampilan Grbl Controller dapat dilihat pada Gambar 2.26. Gambar 2.26 Tampilan Grbl Controller 2.12 Arduino Programming Tools Arduino memiliki software khusus yang dapat digunakan untuk membuat sebuah program. Software khusus dari Arduino adalah IDE Sketch Arduino yang tersedia secara gratis untuk di download bagi siapa saja yang ingin menggunakannya. Tampilan IDE Sketch Arduino adalah seperti pada Gambar 2.27.

29 Gambar 2.27 Tampilan Utama IDE Sketch Arduino 2.12.1 Toolbar Toolbar yang ada pada IDE Sketch Arduino memiliki beberapa menu utama seperti pada Gambar 2.28. Gambar 2.28 Toolbar IDE Sketch Arduino

30 Penjelasan dari Gambar 2.28 adalah: a. Verify Tombol ini digunakan untuk meng-compile program yang telah dibuat. Compile berguna untuk mengetahui apakah program yang telah dibuat benar atau masih memilki kesalahan. Apabia ada kesalahan yang terjadi, bagian message akan menampilkan letak kesalahan tersebut. b. Stop Tombol ini digunakan untuk membatalkan proses verify yang sedang berlangsung. c. New Tombol ini digunakan untuk membuat coding pada layar baru. d. Open Tombol ini digunakan untuk membuka coding yang sudah disimpan sebelumnya. e. Save Tombol ini digunakan untuk menyimpan coding yang sedang dikerjakan. f. Upload Tombol ini digunakan untuk mengirim coding yang sudah dikerjakan ke mikrokontroler. g. Serial Monitor Tombol ini digunakan untuk melihat aktivitas komunikasi serial dari mikrokontroler baik yang dikirim oleh user ke mikrokontroler maupun sebaliknya.

31 2.12.2 Coding Area Bagian ini merupakan tempat penulisan coding dengan menggunakan bahasa pemrograman C. Coding di dalam Arduino memiliki dua bagian utama, yaitu: 1. Void Setup ( ) Bagian ini merupakan inisialisasi yang diperlukan sebelum program utama dijalankan seperti pada Gambar 2.29. Gambar 2.29 Contoh Void Setup 2. Void Loop ( ) Bagian ini merupakan fungsi utama yang dijalankan terus menerus selama modul Arduino terhubung dengan power supply. Contoh Void loop terdapat pada Gambar 2.30. Gambar 2.30 Contoh Void Loop

32 2.12.3 Application Status Bagian ini memberikan informasi kepada pengguna mengenai tugas yang sedang dijalankan oleh aplikasi Arduino. 2.12.4 Message Bagian ini memberikan informasi kepada pengguna mengenai besarnya ukuran file dari coding yang dibuat dan letak kesalahan yang terjadi pada coding. 2.12.5 Serial Port Serial port digunakan untuk mem-program mikrokontroler langsung dari aplikasi Arduino. Selain itu, komunikasi serial juga digunakan untuk mengirim dan menerima data antara mikrokontroller dan komputer melalui fasilitas serial monitor yang terdapat pada aplikasi Arduino. Seperti Gambar 2.31. Gambar 2.31 Serial Port