Sistem Kontrol Berbasis Arduino Uno pada Mesin Gambar Desain Grafis

1. Sipnosis

Mesin Computer Numerical Control (CNC) yang murah, dengan ukuran yang lebih kecil, mudah dioperasikan, dan fleksibel dengan tiga sumbu X, Y, dan Z pada desain grafis. Terdapat tiga motor stepper digunakan untuk mengontrol gerakan kertas pada sumbu X dan Y dan satu motor stepper pada sumbu Z untuk menggerakkan spidol.

Mikrokontroler Arduino Uno yang diintegrasikan dengan modul CNC Shield digunakan untuk mengontrol sinkronisasi secara tepat dari ketiga motor steper selama proses pencetakan/ menggambar.

Arduino Uno diprogram dengan menggunakan bahasa G-Code dari komputer yang terhubung ke Arduino melalui kabel USB dengan bantuan software bCNC untuk mengontrol pergerakan dan sinkronisasi motor.

Mesin cetak diimplementasikan dan diuji dengan mencetak logo yang berisikan gambar dan tulisan pada kertas foto (180mm × 120mm) dengan menggunakan spidol.

Ukuran kertas yang kecil dikarenakan dimensi yang dibuat pada mesin CNC yang berukuran kecil. Dengan desain yang sederhana, murah dan dapat dicapai dengan menggunakan komponen yang tersedia secara komersial.

2. Pendahuluan

Mesin CNC adalah suatu proses yang menggunkan komputer untuk mengkontrol proses pembuatan seperti plotter, mesin bubut, dan sebagainya. Saat ini mesin CNC banyak digunakan untuk proses memotong, mengelas, merakit robot.

Karena berkembangya teknologi pada komputer menjadi sangat mudah dalam menambahkan beberapa fitur baru ke dalam mesin CNC. CNC adalah singkatan dari Computer Numerical Control. CNC merupakan perubahan revolusioner dalam dunia elektronik dari pekerjaan manual menjadi otomatis dengan mikrokontroler digital.

Mesin CNC dikontrol melaui komputer untuk menggerakkan tool seperti, matabor, laser, dan sebagainya pada proses manufaktur. Saat ini, di bidang industri otomotif mesin CNC banyak digunakan untuk memotong, mengelas dan merakit robot.

Laboratorium Servomekanisme MIT menemukan bahasa pemrograman kontrol numerik pertama pada akhir 1950- an, mereka menggunakan g-code dalam implementasi alat. G-code (a.k.a. RS-274) adalah Bahasa pemograman yang paling banyak digunakan dalam pemrograman kontrol numerik untuk mengontrol peralatan mesin CNC.

Dengan bahasa pemrograman G yang membuat programmer dapat mengontrol arah dan kecepatan di mesin CNC, sehingga motor dapat mengikuti jalur yang telah ditentukan dalam program. Konsep yang sama termasuk untuk mesin lain seperti untuk menggambar, mengebor, membentuk, dan mencetak 3D.

Namun, banyak proyek berbeda yang diimplementasikan untuk mesin CNC berukuran kecil dengan biaya relatif rendah seperti; Sundar Pandian dan S. Raj Pandian yang telah mempresentasikan hasil pengembangan pabrik CNC vertikal tiga sumbu dengan berbiaya rendah dan cocok untuk digunakan dalam laboratorium teknik mesin, dengan total biaya sistem pengembangan sekitar 1/20 dari anggaran yang ada.

Mesin CNC yang dibuat saat ini digunakan di laboratorium. Kajal J. Madekar dkk menunjukkan bahwa penggunaan pemrograman G-code untuk mengendalikan motor untuk mesin CNC berukuran kecil dapat memberikan akurasi yang lebih baik seperti pada mesin CNC pada umumnya dan dapat mengurangi beban kerja, pergerakan sumbu X, Y, Z yang digerakkan oleh motor dapat dilihat secara langsung pada komputer sehingga dapat memulai atau hentikan mesin kapan pun diperlukan dan karenanya membuat mesin kecil membawa fleksibilitas untuk melakukan pekerjaan.

Baca Juga: Perancangan Hygrometer Sensor Pengukuran Kelembaban Pupuk Menggunakan Arduino Uno

3. Metode Penelitian

3.1 Komponen yang Digunakan

Dalam penelitian ini dibutuhkan peralatan berupa komponen hardware dan software yang akan dijelaskan sebagai berikut:

3.1.1 Arduino Uno

Merupakan mikrokontroler yang berbasis mikrokontrol ATmega328P (datasheet). Mikrokontrol Arduino Uno memiliki input/output digital sebanyak 14 pin yang terdiri dari 6 pin yang dapat digunakan untuk output PWM (Pulse Width Modulation) dan 6 pin input analog. Terdapat tombol reset, konektor catu daya 9 – 12volt DC dan memiliki penyimpanan sebesar 32KB.

Dalam pemogramannya Arduino diprogram menggunakan Bahasa C atau C++ dalam software Arduino IDE dan dengan menggunakan kabel USB untuk menghubungkan dengan komputer.

3.1.2 CNC Shield V3

CNC Shield merupakan modul pengaman yang dikoneksikan dengan Arduino untuk membaca g-code. Agar CNC Shield bekerja perlu menginstal grbl pada Arduino.

Pada gambar 2 terdapat tempat driver motor stepper yang terdiri dari sumbu x, y, z dan a. namun yang akan digunakan hanya sumbu x, y, z. CNC Shield memerlukan tegangan 8-36volt DC sebagai daya untuk motor stepper.

Pada tabel 2.1 merupakan pengaturan mikro step pada motor stepper melaui CNC Shield. M1, M2, M3 merupakan pilihan di mana Low berarti tanpa soket penghubung dan High menggunakan soket penghubung.

Baca Juga: Rancang Bangun Alat Perajang Bawang Putih dengan Sistem Kendali Otomatis Menggunakan Sensor Proximity Infrared Berbasis Mikrokontroler Arduino

3.1.3 Driver Stepper A4988

A4988 adalah driver mikro stepping untuk mengendalikan motor stepper bipolar.

Pada gambar 3 terdapat lima pilihan mikro step pada driver A4988 yaitu full-step, half-step, a quarter-step, eight-step dan sixteenth-step. Terdapat potensio untuk mengatur arus keluaran dengan tegangan nominal 3 hingga 5.5 V DC. Untuk arus maksimum 2 amper diperlukan heat sink (pendingin) dan tanpa heat sink untuk arus 1 amper.

3.1.4 Motor Stepper

Motor stepper adalah motor DC yang bergerak dalam langkah diskrit. Pada bagian stator pada motor memiliki banyak kumparan yang diatur dalam kelompok yang disebut “fase”. Dengan memberi tegangan pada setiap fase secara berurutan, motor akan berputar, selangkah demi selangkah.

Dengan langkah yang dapat diatur komputer untuk mencapai posisi yang tepat dan mengontrol kecepatan. Oleh sebab itu motor steper cocok untuk pekerjaan yang membutuhkan presisi yang tinggi.

Pada gambar 4, motor stepper yang digunakan yaitu NEMA17 17HS4401 dengan kriteria step angle 1.8 degree dengan nilai arus 1.7 amper dan dapat menahan torka sebesar 40N.cm (datasheet).

Baca Juga: Rancang Teknologi Sortasi Kematangan Tomat Berbasis Arduino

3.1.5 Power supply

Dalam pengoperasian mesin CNC diperlukan tegangan searah. Dengan menggunakan power supply yang berfungsi untuk mengkonversikan tegangan dari teganan bolaik balik (AC) 220 volt ke dalam tegangan searah (DC) 12 volt sebagai catu daya pada motor stepper.

Pada gambar 5, memiliki input tegangan 220V AC dengan frekuensi 50Hz. Terdapat empat output pada power supply yaitu +12, -12, -12, +12 V DC 10 amper yang tertera pada power supply.

3.1.6 CorelDRAW

Merupakan salah satu software yang berfungsi untuk mendesain gambar 2 dimensi yang nantinya hasil desain gambar akan diproses pada software mesin gambar.

Gambar 6 merupakan logo dari software CorelDRAW 2019 yang dapat diunduh melaui internet. Penulis menggunakan software ini dikarenakan dapat meng- eksport file dalam bentuk .dxf (AutoCAD/ Computer Aided Design) yang berupa g-code, agar gambar yang telah dibuat dapat diproses pada mesin gambar.

Baca Juga: Optimasi Kinerja Panel Surya dengan Monitoring Suhu dan Irradiasi

3.1.7  bCNC

Merupakan salah satu software simulasi mesin CNC tiga sumbu yaitu x, y, z. software bCNC dapat mengeksekusi beberapa file yang menggunakan Bahasa G atau g-code.

bCNC diinstall menggunakan python.exe dengan bantuan Command Prompt yang tersedia pada system operasi Windows.

3.2 Perancangan dan Cara Kerja Alat

Dalam perancangan mesin CNC membutuhkan komputer sebagai human interface yang berguna untuk membuat desain gambar menggunkan software CorelDRAW.

Setelah desain dibuat, maka desain perlu di simpan dalam bentuk ekstensi .dxf (AutoCAD/ Computer Aided Design) yang nantinya file tersebut akan dibuka dalam software bCNC yang telah terkoneksi dengan Arduino tipe Uno R3 melaui kabel USB.

Terdapat modul CNC Shield yang telah terhubung dengan 14 port I/O pada Arduino dan driver motor stepper yang telah terhubung pada modul CNC Shield yang akan menggerakkan masing-masing motor stepper.

Terdapat power supply dengan output 12V DC 10A yang berguna untuk menyuplai tegangan pada motor stepper melaui modul CNC Shield yang merupakan diagram perancangan alat pada mesin CNC.

Setelah merencanakan alat, lakukan proses perencanaan desain pada mesin CNC menggunakan spidol dengan media kertas.

Mulai dari mendesain menggunakan software CorelDRAW, membuka hasil desain dalam bentuk .dxf (AutoCAD/ Computer Aided Design) pada software bCNC yang telah terhubung dengan Arduino melalui kabel USB, lalu menentukan titik awal mesin CNC melaui software bCNC, setelah itu mesin CNC melakukan proses scanning. Jika proses scanning gagal, ulangi lagi dalam menentukan titik awal.

Setelah melalui proses scanning, tekan tombol start pada software bCNC. Proses pengerjaan gambar pada mesin CNC bekerja sesuai desain yang telah dibuat. Lama waktu yang dikerjakan tergantung dari desain yang telah dibuat.

Baca Juga: Mahasiswa KKN Tematik UNDIP Ciptakan Inovasi: Alat Penyiraman Otomatis untuk Meningkatkan Produktivitas Urban Farming

4. Kesimpulan

Mesin gambar CNC pada umumnya mahal, perawatan yang sulit dan membutuhkan operator yang sangat terampil. Dengan mesin gambar dengan konsep kinerja CNC pada umumnya dapat mengatasi masalah ini. Dengan biaya yang lebih rendah, mudah dioperasikan dan tidak memerlukan operator yang sangat terampil.

Dari segi desain alat sangat cocok untuk pemodelan domestik. Dengan gerakan yang akurat dan presisi, yang dapat dikontrol dengan komputer yang memudahkan operator dalam mengontrol mesin CNC. Selama proses pencetakan mesin gambar harus sangat stabil karena dapat menyebabkan kesalahan dalam hasil akhir.

Pada bagian baud pada motor perlu pelumasan secara berkala dari waktu ke waktu agar motor dapat bekerja dengan baik. Sinkronisasi antara motor sangat penting untuk operasi yang benar. Selama proses menggambar harus diperhatikan.

Penulis:

Sandy Azis Saputra (NIM: 202310120311126)
Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang

Editor: Ika Ayuni Lestari

Bahasa: Rahmat Al Kafi

Ikuti berita terbaru di Google News