PENGEMBANGAN PERENCANAAN GERAK UNTUK
ROBOT KARTESIAN BERBASIS PD DAN PLC
Djoko Purwanto
Tri Arief S ardjono Herlambang
Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya-60111, email : [email protected]Abstrak - Pusat robot ITS adalah pusat penelitian dan pengembangan robot di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Di pusat robot terdapat banyak sekali robot yang siap diteliti atau dikembangkan fungsinya salah satunya adalah robot kartesian berbasis PLC. Robot kartesian adalah sebuah robot d engan terdiri dari b eberapa lengan yang bekerja pada sumbu kartesian dan berada pada dasar yang t etap. Saat ini robot kartesian berbasis PLC yang berada di Pusat Robot ITS hanya terbatas untuk pengop erasian manual saja.
Pada tugas akhir ini dibahas mengenai pengembangan p erencanaan g erak untuk robot kartesian berbasis Programmable Logic Controller (PLC). Dimana PLC yang digunakan untuk kontrol robot kartesian adalah Mitsubishi FX2N. Robot kartesian mengguna kan motor stepp er pada penggerak sumbu X yang memiliki resolusi terkecil 0.7 mm dan motor servo sebagai penggerak sumbu Y yang memiliki resolusi terkecil 1 mm. Robot kartesian berbasis PLC tersebut terhubung dengan Personel Computer (PC). Fungsi dari PC adalah sebagai tempat pengguna untu k menggambarkan suatu objek. Sistem akan menghasilkan gambar output sesuai dengan gambar yang telah pengguna buat pada PC. Robot kartesian yang digunakan adalah robot kartesian 2 DoF dengan sebuah tool untuk menggambar.
Tugas akhir ini dapat melakukan proses penggambaran citra sesuai dengan gambar yang telah dibuat oleh pengguna pada PC.
Kata kunci: Robot kartesian, PLC, Perencanaan gera k
I. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi ad alah sal ah satu tolok ukur perkembangan su atu negara. Hal itu merupakan suatu hal yang menjadi salah s atu titik fokus d ari instansi pendidikan. Dimana instansi pendidikan ad alah p enyumbang terbesar dari riset atau pengemb angan teknologi suatu neg ara. Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) merup akan salah satu pergu ruan tinggi teknik di Indonesia yang melakukan riset di bidang teknologi. Salah satu tempat di ITS sebag ai pusat riset adal ah pusat robotika ITS. Di pusat robotika ITS terdapat banyak s ekali robot-robot standar industri yang tersedia untuk dikembangkan. Mulai dari motoman, bioloid, robot kartesian dan lain sebagainya.
Robot kartesian adalah robot yang memiliki lengan yang bekerj a sesuai dengan sumbu kartesius. Robot kartesian yang terd apat pad a pusat robotika adalah robot kart esian berbasis PLC dan komputer. Robot kartesian berbasis PLC menggunakan PLC mitsubishi FX2N. Untuk komunikasi dengan hardware lainny a, PLC tersebut hanya d apat dilakukan menggunkan serial port dan digital I/O. Untuk saat ini fungsi d ari robt k artesian di pusat robot hanya terbat as untuk pengoperasian manual saja.
Pada tugas akhir ini ak an dirancang dan diimplementasikan sebuah p engembang an peren can aan gerak pad a robot kartesian berbasis
programmable logic controller (PLC) untuk aplikasi plotter. Pengguna akan membuat suatu gambar uji
pada PC lalu gambar tersebut ak an diolah data-d ata koordinatnya y ang kemudian dikirimkan melalui komunikasi serial ke mikrokontroler. Kemudian mikrokontroler akan men erjemahk an perintah yang dikirmkan oleh PC yag kemudian dikirimkan ke PLC untuk digunakan sebag ai acuan untuk mengg erakk an motor-motor pada robot kart esian untuk menggabark an ulang apa y ang telah digambark an oleh pengguna.
II. TEO RI PENUNJANG
2.1 PROGRAM EDITOR
Program editor adalah s ebuah p rogram yang dapat memasukkan sebu ah inputan ke dalam program itu. Dimana inputan ters ebut dap at berup a sebuah gamb ar ataupun yang lainnya. Untuk inputan berupa gamb ar ad a hal yang perlu diperh atikan, yaitu koordinat dan pixel. Sebuah tempat untuk menggambar ad alah kanvas.
2.1.1 KANVAS
Kanvas adalah s ebuah medi a yang disedi akan pada prog ram editor seb agai saran untuk menggambar. Pada k anvas penggun a dap at membuat garis, dan meng atur b entuk garis. Tidak hanya terbatas p ada garis s aja, pengguna juga d apat menggambar bentuk lain seperti kotak, segitiga, bulat dan masih banyak b entuk lainnya. Untuk dapat membuat program s eperti itu, terlebih dahulu h arus memahami dasar grafik a. Antara lain adalah:
• Koordinat • Piksel
Kanvas dap at dibayangkan s eperti suatu lembaran kertas atau k ain. Pada lembaran tersebut pengguna dap at melakukan operasi gambar. Kanvas
tersusun atas sejumlah piksel. Piksel adalah elemen terkecil pad a kanv as yang dap at digambar oleh pengguna.
Gambar 2.1 Piksel
Setiap piksel mempunyai koordinat, yang dinyatakan dengan (x,y). X dapat dibayangkan sebagai kolom dan Y sebagai baris. Sebagai contoh, piksel yang terlet ak p ada pojok kiri at as memiliki koordinat (0,0). Koordinat piksel pada pojok k anan bawah memiliki koordinat berup a (X,Y). Dalam hal ini X adalah properti yang menyatak an lebar kolom yang ditulisi dan Y adalah properti yang menyatakan baris yang ditulisi.
2.2 Konfigurasi Cartesian
Kon figurasi cartesian terdiri d ari tiga sumbu
linear yang saling teg ak lurus, yang disingkat dengan PPP, seperti pada gambar 2.13. Demikian, area kerj a robot berada p ada sistem koordin at xyz cartesi an, sehingga memudahkan p erhitungan persaman geraknya.
Gambar 2. Konfigurasi Cartesian
Ada beb erapa k euntungan p ada kon figurasi ini. Seperti yang telah disebutkan diatas, perhitungan persamaan gerak robot yang mud ah, karen a pergerak an pada setiap sumbu cartesian dipengaruhi oleh satu aktuator, sehingga memudahkan dalam pemogram an pergerakanny a.
Secara umum, sangat mudah untuk melakukan gerakan v ertikal, yang sering digunakan dalam pros es perakitan (assembl y). Kerugian dari konfigurasi ini adalah ketidakmampu an dalam mencap ai objek yang berada dilantai dan k ecep atan operasi y ang lambat p ada bidang horisontal
dibandingkan dengan robot dengan base rotary
2.3 Programmable Logic Controller (PLC)
Sejarah p engembang an PLC dimulai pada decad e 1960 dan 1970 saat sebagian industri memakai relay seb agai penghubung dalam pengaturan pros es industri. Saat itu kontrol panel dipenuhi dengan bany ak rel ay dan pengk abelan y ang seringkali sebuah kontrol pan el dari proses industry bisa memenuhi dinding ruangan dengan kab el dan relay. Jika terj adi kesal ahan kon figu rasi logika ataupun kerusakan rel ay maka perlu dilakuk an pembongkaran kontrol pan el yang mengharusk an penghentian proses industri dan produksi tentunya.
Berbagai kekurangan sep erti terlalu banyaknya kabel yang t erhubung d alam kontrol panel, kesulitan dalam p enggantian komponen, kesulitan menemukan error, lam anya waktu perbaikan yang seringkali sulit untuk ditentukan, memberikan inisiatif t erhad ap pengemb angan sebu ah kontroler kompak seb agai p enggantinya. Deng an PLC berbagai k euntungan diperoleh b aik dari sisi ekonomi maupun teknis.
2.4 MOTOR STEPPER
Stepper motor adalah salah satu tipe motor yang sangat populer digunakan sebagai
penggerak/pemutar peralatan industri. Prinsip kerja stepper motor ini mirip dengan DC motor, yaitu
sama-sama dicatu dengan tegangan DC untuk memperoleh medan magnet. Bila DC motor memiliki
magnet tetap pada stator, stepper motor mempunyai magnet tetap pada rotor. Suatu stepper motor biasanya cukup dinyatakan deng an spesi fikasi : “berapa phasa “ , “ berapa derajat perstep ”, “ berapa
volt tegangan catu untuk tiap lilitan” dan berapa ampere/miliampere arus yang dibutuhkan untuk tiap
lilitan”. Walau bagaimanapun motor stepper jauh berbed a dengan DC motor. Motor stepper tidak dapat
bergerak dengan sendiriny a. Motor stepper bergerak secara per-step sesuai dengan spesi fikasinya, dan
bergerak dari satu step ke step berikutnya memerlukan waktu. Juga ada perbedaan pad a
torque-speed antara motor stepper dan motor DC.
Secara umum motor DC tidak menghasilkan torsi yang besar pada kecep atan rend ah, sebaliknya motor
stepper dapat menghasilkan torsi yang besar pada kecep atan rend ah. Motor stepper juga memiliki karakteristik yang lain yaitu holding torque, yang
tidak dimiliki oleh motor DC. Holding torque memungkinkan motor stepper dapat menahan posisinya ketika tidak berputar. Hal ini sangat berguna untuk aplikasi dimana suatu sistem
memerlukan kead aan start dan stop.
Karakt eristik dari motor stepper adalah seb agai berikut:
• Voltage
Tiap motor stepper mempunyai teg angan rata-rata y ang biasany a tertulis pada tiap
unitnya atau t ercantum pad a dat asheet masing-masing motor stepper. Tegangan rata-rata ini harus diperhatikan d engan seksama karena bila melebihi dari tegangan rat a-rata ini akan menimbulkan panas y ang terl alu besar p ada motor stepper y ang menyeb abkan kin erja putarannya tidak maksimal atau b ahkan motor stepper akan rusak dengan sendirinya.
• Resistance
Resistance-p er-winding adalah
karakteristik yang lain dari motor stepper.
Resistance ini akan menentukan arus
yang mengalir, selain itu juga akan mempengaruhi torsi dan k ecepatan maksimum dari motor stepper.
• Degrees per step
Deraj at per step adalah faktor terp enting dalam pemilihan motor stepper sesuai dengan aplikasinya.
Tiap-tiap motor stepper mempunyai spesifikasi masing-masing, antara lain: 0.720 per step, 1.80 per
step, 3.60 per step, 7.50 per step, 150/step, dan bahkan ada yang 900 per step. Dalam pengoperasiannya kita dapat menggunakan 2 prinsip yaitu step atau half-step. Dengan
full-step berarti motor full-stepper aan berputar sesuai
dengan spesi fikasi deraj at per stepnya, sedangkan
half-step berarti motor stepper akan berputar
setengah derajat/step dari spesifik asi motor stepper tersebut.
III. PERANC ANGAN SISTEM
Perancangan sistem terdiri dari peran cang an
hardware dan software. Pada bagian hardware
terdiri dari PC, rangkaian minimum sistem mikrokontroller AVR ATmega 16, rangk aian switch, PLC, driver motor dan motor. Diagram blok hardware dapat dilihat pada gambar dibawah. Pada bagi an software terdiri dari pemrograman pada PLC, mikrokontroler dan PC. Pemrograman PC menggunakan software tertentu yang terdiri dari program editor untuk menggambark an gambar uji, pemrosesan d an pengiriman d ata serial. Pemrograman mikrokontroler berfungsi sebagai menerjemahk an perintah dari data serial yang dikirimkan PC. Kemudian mengirimkan ke PLC. Pemrograman PLC berfungsi untuk menggerakkan motor pada robot kartesian seseu ai dengan data yang diterimanya dari mikrokontroler.
Gambar 3. Diagram blok hardware
Gambar diat as adalah diag ram blok hardware keseluruhan sistem. Blok hardware yang berada dalam kotak g aris putus adalah hardware y ang dirancangb angun oleh penulis. Sedangkan untuk blok
hardware yang berada di lu ar kotak garis putus
adalah fasilitas dari Pusat Robotika ITS.
Sistem mikrokontroler diperlukan untuk menerjemahk an data s erial yang dikirimkan oleh PC. Komunikasi serial antara PC-mikrokontroler menggunakan kab el data handphone DKU-5. Penggunaan k abel DKU-5 ini menggantikan fungsi pengubah level teg angan RS-232 yang bias a digunakan pada komunikasi serial. Pemakaian kabel DKU-5 lebih praktis daripad a RS-232. yang perlu dilakukan untuk menyiapk an k abel DKU-5 seb agai media komunikasi adalah menemukan kabel Tx, Rx dan ground. Kemudian menginstal software driver untuk kabel DKU-5 pad a PC yang akan digunak an antarmuka deng an mikrokontroler.
Rangkaian switch digunakan untuk mengubah
level teg angan d ari mikrokontroler ke level tegang an
kerja PLC, yaitu 0-24 volt. Schematic diagramnya adalah sebag ai berikut:
Gambar 4. Rangkaian switch
Pada pemrog raman PC dibuat sebuah form
canvas seb agai wad ah untuk mengg ambark an
gambar uji. Kemudian gamb ar uji diambil data koordinat titik penyusunnya. Titik yang diproses dikomparasikan dengan titik sebelumnya. Hasil komparasi akan diproses kemudian dikirimkan ke mikrokontroler.
Gambar 5. Diagram alir pemrogram an PC Pemrograman pad a mikrokontroler berfungsi sebagai j embatan komunikasi antara PC-PLC. Pemrogaman pada mikrokontroler adal ah untuk menerjemahk an d ari data yang dikirimkan ol eh PC ke data y ang diproses oleh PLC untuk menggerakk an robot kartesian.
Gambar 6. Diagram alir pemrogram an mikrokontroler.
Pada PLC digunakan port digital I/O sebagai saran a antarmuk a dengan mikrokontroler. Digunakan 5 digital input untuk mengendalikan gerak robot searah sumbu X+, X-, Y+, Y- dan tool.
Gambar 5. Kabel DKU-5
Gambar 6. Mininum system mikrokontroler dan rangkaian switch
Gambar 7. Robot kartesian
Gambar 8. PLC dan pulse generator.
IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS Pengujian dilakukan untuk mengetahui kinerj a sistem yang telah dibuat. Pengujian yang dilakukan terdiri dari : (1) karakterisasi motor; (2) pengujian hardware d an so ftware. Pengujian sistem secara
keseluruhan dilakuk an untuk mengukur perform ansi sistem terhad ap hasil yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini.
4.1 Karakterisasi motor Pengujian resolusi motor
Pengujian dilakukan dengan cara pemberian input pada masing motor d engan lebar pulsa yang bervariasi.
Tabel 1. Hasil pengujian lebar delay untuk sumbu X
Lebar delay Status motor Jarak (mm)
100 ms Tidak bergerak 0
200 ms Tidak bergerak 0
250 ms Bergerak 0.7 300 ms Bergerak 1 400 ms Bergerak 1.25
Tabel 2. Hasil pengujian lebar delay untuk sumbu Y
Lebar delay Status motor Jarak (mm)
100 ms Tidak bergerak 0
200 ms Tidak bergerak 0
250 ms Bergerak 1 300 ms Bergerak 1.3 400 ms Bergerak 1.75
Hasil pengujian pada tab el diatas didapatkan hasil untuk sumbu X dan sumbu Y. Sehingga didapatkan l ebar d elay minimum untuk menggerakkan motor adalah 250 ms.
Setelah didapatkan lebar delay minimum untuk menggerakkan motor p ada tiap sumbu, maka dilakukan p engujian untuk mengetahui resolusi motor tiap sumbu.
Untuk menguji resolusi motor sumbu Y, maka dilakukan beberap a percobaan d engan memberikan 10 kali pulsa d engan leb ar pulsa 250 ms secara m anual deng an beberap a variasi pengaturan pulse p er second dari PLC. Berikut tabel hasil pengukuran :
Tabel 2. Pengukuran Resolusi Motor Sumbu x
Hal yang sama dilakuk an pad a sumbu Y. Untuk menguji resolusi motor sumbu Y, mak a dilakukan beberap a percobaan deng an memberikan 10 k ali pulsa dengan lebar pulsa 250 ms secara manual d engan beb erapa v ariasi pengaturan pulse p er second dari PLC. Berikut tabel hasil pengukuran :
Tabel 3. Pengukuran Resolusi Motor Sumbu y
Mengacu p ada Tabel 2 dan 3, hasil resolusi motor untuk tiap sumbu. Hal ini dikarenak an motor yang digunkan untuk tiap sumbu berbeda.
4.2 Pengujian sistem keseluruhan
Pengujian sistem keseluruh an dilakuk an dengan m embandingkan g ambar uji pad a program editor d engan g ambar y ang dihasilkan oleh robot kartesian. Pada program editor menggunakan kanv as berukuran 500x500 piksel. Sedangkan pad a media gambar b erukuran 50cmx50cm. Sehingga skalanya adalah 1cm:10piksel.
Gambar 9. gambar uji
Pada gamb ar uji di atas terdap at 3 bu ah bangun kotak yang mempunyai koordinat titik PPS (pulse per second) Pengukur an (mm) rata-rata penguku ran (mm) panjang 1 piksel (mm) 200 11 10 1 10 10 9 500 19 20 2 20 20 21 800 33 33 3.3 33 32 34 PPS (pulse per second) Pengukur an (mm) rata-rata penguk uran (mm) panjang 1 piksel (mm) 200 7 7 0.7 7 8 6 500 12 13 1.3 13 13 14 800 22 23 2.3 23 21 22
awal dan titik akhir sebagai beikut:
Tabel 4. koordinat titik awal dan akhir gambar uji (dalam piksel)
objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (98,90) (191,184) Kotak2 (232,219) (321,292) Kotak3 (72,327) (184,394)
Gambar 10. Hasil gambar sistem Pada hasil gambar sistem tergambar kotak yang tidak sempurna. Hal itu dikaren akan permukaan m eja gambar tidak rata. Area gambar sudah dipet akan untuk setiap kotak 10cmx10cm. Pada hasil gambar sistem didapatkan koo rdinat pad a tiap objek seb agai berikut:
Tabel 5. koordinat titik awal dan akhir gambar hasil sistem (dalam cm) objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (10,9) (19.8,19) Kotak2 (23,22) (32,29) Kotak3 (7,32) (19.5,39)
Dari hasil pengujian sistem diatas didapatkan eror seb agai berikut:
Tabel 6. koordinat titik awal dan akhir gambar hasil sistem (dalam cm) objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (0.2,0) (0.7,0.6) Kotak2 (0.2,0.1) (0.1,0.2) Kotak3 (0.2,0.7) (1.1,0.4)
KESIMPULAN
Dari hasil pengujian sistem diatas d apat diambil kesimpulan sebagai berikut:
• Resolusi tiap sumbu berbeda dikarenak an p emakai an motor y ang berbed a.
• Semakin banyak hardware yang digunakan mempeng aruhi kecepat an respon kerja sistem.
• Pengaturan PPS pada pulse generator
mempengaruhi k ecepatan d an k etelitian kerja sistem.
DAFTAR R EFER ENSI
1. Paul Scherz, Practical Electronics for Inventors, (Amerika Serikat : McGraw-Hill,2000).
2. Martono, Rancang Bangun Robot Penggambar
Berdasarkan Visualisasi Kamera.Tugas Akhir
S1 Teknik Elektro ITS Surabaya. 2008.
3. Andrianto, Heri.2008.”pemrograman mikrokontrolerr AVR Atmega 16 menggunakan
bahasa C (codevision AVR)”.Bandung : inform atika.
4. Richard C. Dorf, The Electrical Engineering
Handbook, CRC Press LLC, 2000.
5. “ How to work Stepper Motor”, http://eio.com/jasstep.htm
6. “SerialProgramming”, http://en.wikibooks.org/ 7. ”ISP Flash Programming ”,
http://www.kmitl.ac.th/~kswichit/ISP-Pgm3v0/ISP-Pgm3v0.html
BIO GRAFI
Herlambang, dilahirk an pada tanggal 11 Mei 1984 di Surabaya, Jawa Timur. Anak bungsu d ari empat bersaud ara. M enempuh pendidikan di SDN Mojo VI Surab aya, SMPN 29 Surabaya, SMAN 2 Tuban. Pada tahun 2004 melanjutkan pendidikan pada jenj ang Strata satu di Jurusan Teknik Elektro ITS dan memilih elektronika sebagai bidang studinya.
