RANCANG BANGUN MESIN BOR PCB OTOMATIS BERBASIS COMPUTER NUMERICAL CONTROL (CNC)

TUGAS AKHIR RE 1559 RANCANG BANGUN MESIN BOR PCB OTOMATIS BERBASIS COMPUTER NUMERICAL CONTROL (CNC) BAMBANG YUDHO HARYANTO NRP 2202100047 Dosen Pembimbing Ir.Djoko Purwanto,M.Eng,Ph.D JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Surabaya 2006

RANCANG BANGUN MESIN BOR PCB OTOMATIS BERBASIS COMPUTER NUMERICAL CONTROL (CNC) TUGAS AKHIR Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro Pada Bidang Studi Elektronika Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Mengetahui / Menyetujui Dosen Pembimbing Ir. Djoko Purwanto, M.Eng, Ph.D Nip : 131 879 397 SURABAYA JANUARI, 2007

ABSTRAK Mesin bor PCB otomatis berbasis Computer Numerical Control (CNC) merupakan sebuah mesin yang digunakan untuk melakukan pengeboran otomatis terhadap Printed Circuit Board (PCB) berdasarkan data koordinat (Excellon Drill File) yang diperoleh dari software OrCAD 10.0. Mesin ini tersusun atas 3 buah sumbu yang bergerak secara translasi yaitu sumbu X, Y dan Z. Tiap-tiap sumbu akan bergerak untuk mendeteksi kemudian melakukan pengeboran pada titik yang dituju. Mekanisme kontrol dilakukan oleh mikrokontroler setelah menerima data koordinat dari PC. Mesin ini dapat dioperasikan secara manual maupun otomatis. Mode operasi masnualselain dapat digunakan untuk menjalankan mesin secara manual juga dapat digunakan untuk menentukan posisi offset (0,0,0) dari lengan sumbu supaya diperoleh hasil pengeboran yang maksimal. Pada prakteknya mesin ini mampu bekerja dengan resolusi maksimal sebesar 4.375 um dan kesalahan pergeseran rata-rata sebesar 0.02 mm. Pengeboran pada tiap lubang memerlukan waktu sebesar 5 detik dengan rata-rata kecepatan pergeseran sumbu sebesar 2.63 mm/s. i

KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan judul : RANCANG BANGUN MESIN BOR PCB OTOMATIS BERBASIS COMPUTER NUMERICAL CONTROL (CNC) Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana pada Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Dalam menyelesaikan tugas akhir ini penulis banyak mendapat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Papa, Mama, Didit, Lisa dan Ulfa yang telah memberikan dorongan dan doa hingga tugas akhir ini selesai. 2. Bapak Ir. Hendra Kusuma, M.Eng selaku koordinator Bidang Studi Elektronika yang telah memberikan dorongan dan semangat untuk segera menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Ir. Djoko Purwanto, M.Eng, PhD selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan saran serta bimbingan. 4. Seluruh dosen pengajar Jurusan Teknik Elektro yang telah banyak memberikan ilmu selama penulis menempuh kuliah. 5. Rekan rekan di Jurusan Teknik Elektro, terutama bidang studi elektronika atas segala bantuan dan sumbangan pikiran dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Kami menyadari bahwa buku ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kami mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun. Harapan kami adalah semoga apa yang telah kami tulis dapat bermanfaat bagi para pembaca sekalian. Amin. Surabaya, Januari 2007 Penyusun iii

DAFTAR ISI ABSTRAK...i KATA PENGANTAR...iii DAFTAR ISI...v DAFTAR GAMBAR...vii DAFTAR TABEL...viii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang...1 1.2 Permasalahan...2 1.3 Batasan Masalah...3 1.4 Tujuan...3 1.5 Metodologi...4 1.6 Sistematika penulisan...5 1.7 Relevansi...6 BAB II DASAR TEORI 2.1 Karakteristik Motor DC 8 2.1.1 Prinsip kerja motor DC...8 2.1.2 GGL Balik...13 2.1.3 Torsi dan Arus Motor...14 2.1.4 Kecepatan Motor...15 2.1.5 Daya dan Efisiensi...16 2.1.6 Model Dinamik Motor DC...17 2.2 Pengaturan Posisi Motor DC 19 2.2.1 Teori Pengaturan Kecepatan Motor DC...19 2.2.2 Induktor...20 2.2.3 Rangkaian Pengaturan Posisi Motor DC...20 2.3.Transistor sebagai switch...23 2.3.1 Prinsip Kerja...24 2.4 Motor Stepper...26 2.4.1 Deskripsi...26 2.4.2 Jenis-jenis Motor Stepper...28 2.4.2.1 Variable Reluctance (VR)...28 2.4.2.2 Permanent Magnetr (PM)...29 2.4.2.3 Hybrid...30 2.5 Coil Excitation Types...31 2.5.1 Unipolar Stepper Motor...31 2.5.2 Bipolar Stepper Motor...33 v

2.6 Tahapan pergerakan Motor Stepper... 35 2.7 Driver Motor Stepper... 36 2.7.1 L297-IC Stepper Motor Controler... 36 2.7.2 L298-Dual Full Bridge... 36 2.8 Sistem Mekanik... 38 2.9 Mikrokontroler AVR ATMega16... 39 2.9.1 Mikrokontroler AVR... 39 2.9.2 Fitur-fitur ATMega16... 41 2.9.3 Konfigurasi Hardware... 41 BAB III PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1 Perancangan Sistem... 45 3.2 Perancangan Software... 47 3.3 Perancangan Hardware... 60 3.3.1 Board Utama Mesin... 60 3.3.1.1 Mikrokontroler... 60 3.3.1.2 RS-232 Serial Interface... 61 3.3.2 Driver Motor Stepper... 62 3.3.3 Driver Motor DC... 65 3.3.4 Sistem Mekanik... 66 BAB IV PENGUJIAN ALAT 4.1 Deskripsi Pengujian... 69 4.2 Hasil Pengujian... 71 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan...... 75 5.2 Saran...... 75 DAFTAR PUSTAKA..... 77 LAMPIRAN A Listing Program ATMega16... 79 LAMPIRAN B Skema Board Utama Mesin... 95 Skema Driver Motor Stepper... 96 Skema Driver Motor DC... 97 RIWAYAT PENULIS... 99 vi

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Aturan tangan kiri Fleming... 7 Gambar 2.2 Gaya terhadap Arus dan Medan Magnet... 8 Gambar 2.3 Motor DC... 8 Gambar 2.4 Prinsip Kerja Motor DC... 9 Gambar 2.5 Jenis jenis Koneksi pada Motor DC... 10 Gambar 2.6 Motor DC dengan 4 Kutub... 11 Gambar 2.7 Rangkaian listrik sebuah motor DC... 12 Gambar 2.8 Grafik Arus Motor DC terhadap Torsi... 13 Gambar 2.9 Grafik Kecepatan Motor terhadap Torsi... 14 Gambar 2.10 Grafik Daya Motor terhadap Torsi... 15 Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor DC... 16 Gambar 2.12 Diagram Blok Motor DC dengan masukan Arus... 18 Gambar 2.13 Diagram Blok Motor DC dengan masukan Tegangan... 18 Gambar 2.14 Grafik Kecepatan terhadap Waktu dan Tegangan... 20 Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalensi Motor... 21 Gambar 2.16 Rangkaian full-bridge... 22 Gambar 2.17 Arah arus saat motor bergerak maju... 22 Gambar 2.18 Arah arus saat motor bergerak mundur... 23 Gambar 2.19 Simbol BJT NPN dan PNP... 23 Gambar 2.20 Arah Arus Transistor NPN dan PNP... 24 Gambar 2.21 Daerah Operasi Transistor NPN TIP... 25 Gambar 2.22 Rangkaian Switching Transistor... 26 Gambar 2.23 Konstruksi Motor Stepper... 27 Gambar 2.24 Variable Reluctance Motor... 29 Gambar 2.25 Permanent Magnet... 30 Gambar 2.26 Hybrid... 31 Gambar 2.27 Unipolar Stepper Motor... 32 Gambar 2.28 Pembalikan Arus pada Unipolar Stepper Motor... 32 Gambar 2.29 Sekuen Putaran Motor Stepper Unipolar... 33 Gambar 2.30 Motor Stepper Bipolar... 34 Gambar 2.31 Sekuen Putaran Motor Stepper Bipolar... 34 Gambar 2.32 Konsep H-Bridge pada Motor Stepper Bipolar... 35 Gambar 2.33 Konstruksi Internal L297... 36 Gambar 2.34 Konstruksi Internal L298... 37 Gambar 2.35 Skema penggabungan L297 dan L298... 38 vii

Gambar 2.36 Konstruksi Dasar Mekanik... 39 Gambar 2.37 Konstruksi Ulir... 39 Gambar 2.38 Deskripsi pin ATMega16... 42 Gambar 3.1 Diagram Gambar Sistem Secara Keseluruhan... 45 Gambar 3.2 Blok Diagram software pada mikrokontroler... 47 Gambar 3.3 Model pengiriman data manual... 49 Gambar 3.4 Flowchart Program Jog Mode pada Mikrokontroler... 50 Gambar 3.5 Flowchart Program Jog Mode pada PC... 51 Gambar 3.6 Flowchart Program Drill Mode pada Mikrokontroler... 54 Gambar 3.7 Data pengeboran untuk sumbu Z... 56 Gambar 3.8 Model data pengeboran satu lubang... 57 Gambar 3.9 Flowchart Program Drill Mode pada PC... 59 Gambar 3.10 Rangkaian Board Utama Sistem... 61 Gambar 3.11 Deskripsi pin pada L297... 62 Gambar 3.12 Skema driver motor stepper... 64 Gambar 3.13 Driver Motor DC... 65 Gambar 3.14 Struktur Mekanik... 66 Gambar 3.15 Desain mekanik... 67 Gambar 4.1 Program Utama Pengujian Alat... 70 viii

DAFTAR TABEL Tabel 1 Data pergerakan Motor Stepper...41 Tabel 2 Jenis-jenis AVR ATMega...47 Tabel 3 Data pengeboran secara manual...73 Tabel 4 Data pengeboran secara otomatis...74 Tabel 5 Data waktu Pengeboran...74 ix