BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 2.1 Sejarah Perkembangan Mesin Numeric Control (NC)

5 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Perkembangan Mesin Numeric Control (NC)

Mesin numerical control merupakan mesinperkakas yang dioperasikan melalui perintah yang diprogamisecaraiabstrak dalam bentuk angkaidan huruf serta disimpan dalam media penyimpanan. Pengoprasian mesin NC sangat berbeda dengan pengoperasian mesin perkakas sebelumnya, dimana mesin dikontroli dengan menggunakan putaran atau mesin otomasi sederhanaiyang di kontrol dengan cam. Kata NC berasal dari bahasa ingris yang berarti numerical control.

Mesin NC pertama kali dibuat pada tahun 40-an dan 50-an, berdasarkan alat yang dimodifikasi dengan motor yang digerakkanioleh kontrol untuk mengikuti titik yang telah dimasukkan kedalam sistem pada pita berlubang. Mekanisme awal motor ini dengan cepat ditambah dengan komputer analog dan digital, menciptakan peralatan mesin komputer numerikikontrol (CNC) modern yang telah merevolusi proses pemesinan. Metode lain untuk mentransfer program CNC ke peralatan mesin, seperti disket atau koneksiilangsung dari komputeriportabel, floppy disk, USB flash drive dan lain sebagainya[5].

2.2 Prinsip Dasar Mesin Plotter

Mesin plotter merupakan alatipemesinan yangidigunakan untuk membuat tulisan dan menggambar. Pada umumnya mesiniplotter memiliki dua sumbu yaitu sumbu x dan sumbu y. Kedua sumbu tersebut disusun secara horisantal dan vertikal yang tujuanya untuk membentuk garis horisontal, vertikal maupun sirkuler. Pemasangan bulpoiniatau sejenisnya dipasang secara tegakilurus terhadap sumbu Y

dengan ujung bulpoin menghadapikebawah guna untuk memudahkanidalam proses penggambaran. Gambar mesin plotter dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Prototype Mesin Plotter x-y (Sumber : [5])

Pada mesin plotter, sistem gambar terbentuk dari pergerakan sumbu x dan y secara individuimaupun kombinasi. Pergerakan individuipada sumbu x dan sumbu y akan menimbulkan sebuah gambar garis lurus secara horizontal maupun secara vertikal. Pergerakan ini berawal dari pusat sudutiatau awal garis sesuai dengan perintah G-Code yang telah di buat. Pergerakan kombinasi adalah pergerakan keduaisumbu dalam waktu yang bersamaan guna membentuk gambarigaris miring, sirkuler maupun lingkaran.

Mesin plotter memiliki prinsip dasar pengerjaan bergerak menunjuk suatu titik koordinat. Mesin akan bergerak sepanjang tabel x dan y untuk menunjukikoordinat tertentu sesuai dengan kontril yang di berikan. Kontrol dapat diinput melalui Personal

Computer (PC). Pada proses menggambarnya plotter bisa menggunakan teknik menggambar scan by line dan scan by out line. Scan by line akan menghasilkanigambar arsiraniyang merapat. Scan by out line akan menghasilkan gambar yang sesuai dengan pola dan hasil gambar yang presisi. Namun diantara kelebihan tersebut mesin plotter memiliki kelemahan dalam proses pengerjaanya, salahisatunya membutuhkan waktu yang cukup lama saat prosesipengerjaan berlangsung. Akan tetapi hal ini berbanding lurus dengan hasiligambaran yang sesuai pola dengan presisi serta dapat meringkas pekerjaan manusia.

Dari penjabaranicara kerja mesin plotter menurut R. Hamzah dkk[2] dapat dijadikan sumber informasi sebagai gambaran dari cara kerja mesin plotter yang akan di rancang dan dibangun. Akan tetapi yangimembedakan dengan penelitian yang dilakukan oleh R. Hamzah dkk adalah designimesin dan area kerja mesin plotter serta mencoba memperbaiki kekurangan dari penelitian tersebut.

2.3 Sistem Kontrol

Menurut W. Bolton di dalam jurnal Abdul Aziz (2006:89), Pengertian sistem kontrol adalah “suatu masukan atau beberapa masukan tertentu yang digunakan untuk mengontrol keluarannya pada nilai tertentu, memberikan urutan kejadian tertentu, atau memunculkan suatu kejadian jika beberapa kondisi tertentu terpenuhi”. Aplikasi sistem kontrol untuk saat ini sudah sangat luas dan banyak digunakan dalam banyak industri proses dan manufaktur, dari industriikecil hingga industri besar yang memerlukan pekerjaan dengan tingkat presisi tinggi yang sulit ditangani oleh tenaga manusia[6][7].

Gambar 2.2. sitem kontrol (a) mengontrol variable, (b) mengontrol urutan kejadian, (c) mengontrol apakah suatu kejadian dapat terjadi.

(sumber : [8] )

Dari 3 macam imasukan dan keluaran sistem kontrolidi atas, sistem kontrol yang sesuai dengan prototype mesin plotter x-y yang akan dirancang dan dibangun adalah gambar (b) dengan masukan berupai urutan kejadian yang diinginkan yaitu berupa G-code dan M-code dan mendapatkan keluaran berupa variabel dengan urutan kejadian yang diinginkaniyaitu berupa pergerakan bulpoin sesuai dengan G-code dan M-code yang telah dijadikan masukan.

Menurut W. Bolton (2006:89-102), sistem kontrol dibagi menjadi dua bagian

Masukan _keluaran

Sistem Kontrol

Variable dengan nilai yang diinginkan Dengan nilai yang

diinginkan

(a)

Masukan

Sistem Kontrol

Variable dengan urutan yang diinginkan Dengan urutan kejadian yang diinginkan keluaran (b) Masukan Sistem Kontrol

Kejadian dengan urutan yang diinginkan Dengan urutan kejadian yang diinginkan keluaran (c)

yaitu sistem loop terbuka dan loop tertutup[7]. Berikut adalah penjelasan mengenai sistem kontrol loop terbuka dan sistem kontrol loop tertutup dapat dilihat pada 2.3.1 dan 2.3.2.

2.3.1 Loop Terbuka

Sistem Kontrol Loop Terbuka dapat diartikan sebagai keluaran dari sistem tidak memiliki efek pada sinyal masukan terhadap prosesiyang sedang berlangsung. Keluaran sepenuhnya ditentukan oleh pengaturan awal. Jadi, jika terjadi perubahan kondisi, maka tidakiada langkah penyesuaian yang dilakukan terhadap keluaran untuk mengompensasi perubahan yang terjadi. Tidak ada informasi yang diumpankan kembali ke sistemikontrol untuk melakukan penyesuaian agar dapat mempertahankan kondisi yang diharapkan. Sistem Loop terbuka ini memiliki keuntunganiberupa sistem yang relatif sederhana sehingga murah dan mudah diaplikasikan. Akan tetapi sistem ini tidak ada koreksi yang dilakukan terhadap kesalahanyang terjadi padaisinyal keluaran yang berasal dari gangguan-gangguan tambahan sehingga sistem iniisering kali tidak akurat[7][8].

Di dalam diklat mata kuliah mekatronika dan teknik pengaturan yang dibina oleh bapak dosen Budiono[8] Sistem kontrol terbukaimemiliki tiga buah elemen dasar yaitu elemen kontrol, elemen koreksi, proses di mana variabelnya dapat dikontrol sebagai berikut :

Gambar 2.3.. sistem kontrol loop terbuka (sumber: [8]) masukan Elemen Kontrol Elemen Koreksi Proses nilai yang diatur nilai yang diinginkan keluaran

1. Elemen Kontrol

Elemen ini akan menentukan aksi atau tindakaniyang harus diambil sebagai akibat dari diberikannya masukan berupa sinyal dengan nilai yang diinginkanike dalam sistem[8].

2. Elemen Koreksi

Elemen ini mendapat masukan dariipengontrol dan menghasilkan keluaran berupa tindakaniuntuk mengubah variabel yang sedang dikontrol[8].

3. Proses

Merupakan proses di mana suatu variable dikontrol. Tidak ada perubahan tindakan kontrol yang dilakukaniuntuk menanggapi gangguan-gangguan yang mengubah variabel keluaran. Sistem Kontrol Loop Tertutup adalah kelaran memiliki efek pada sinyal masukan yang akan memodifikasinya untuk mempertahankanisinyal keluaran pada nilai yang diinginkan. Jadi, sistem ini mengirimikesalahan atau perbedaan antara sinyal keluaran dan sinyal masukan acuan dengan membandingkan serta menggunkan kesalahanisebagai alat kontrol[8].

2.3.2 Loop Tertutup

Sistem kontrol Loop Tertutup dapatidigambarkan fungsi dari masing-masing elemen dan jalur atau lintasan sinyal sebagai berikut :

Gambar 2.4. Sistem kontrol loop tertutup (sumber: [8])

1. Elemen Pembanding

Elemen ini berfungsi untuk membandingkaninilai yang dikehendaki dari variabel yang sedang dikontrol dengan nilai terukur yang diperoleh dan menghasilkan sebuah sinyal error. Sinyal error samaidengan sinyal dengan nilai yang diinginkan dikurangi sinyal dengan nilai sebenarnya yang terukur.

Jadi, jika keluarannya merupakan nilai yang diinginkan, maka tidak akan muncul sinyal error, sehingga tidak ada sinyaliyang dimpankan untuk memulai kontrol. Sinyal error hanya akanimuncul dan mulai aksi kontrol jika terdapat perbedaan antara nilaiiyang diinginkan dengan nilai variabel sebenarnya[8].

2. Elemen Implementasi Kontrol

Elemen kontrol menentukan aksi atau tindakan apa yang akan diambil bila diterima sebuah sinyalieror. Kontrol yang dilakukanidapat berupa diberikannya sebuah sinyaliyang akan menyalakan atau mematikan sebuah saklar jika terdapat sinyal error. Jadi jika errornya kecil, maka hanyai sinyal

Masukan + Elemen Kontrol Elemen Koreksi Proses - nilai yang diinginkan keluaran pengatur an Signal umpan baik yang merupakan dari variabel yang sedang diikontrol perbandingan

Elemen-elemen alur maju

kontrol yang kecil yang dihasilkan. Begitu juga sebaliknyaijika errornya besar, maka sinyal kontrol besar yang proporsional yang dihasilkan. Aksi-aksi kontrol lainnya di antaranyaimeliputi mode integral dimana sinyal kontrol akan terus-menerus bertambah selama terus terjadi eror, dan mode derivatifidimana sinyal kontrol proporsionaliterhadap laju perubahan sinyal eror yang terjadi.

Pengontrol atau unit kontrol seing kali digunakan untuk menyatakan kombinasi atau gabungan antara elemen pembanding, yaitu detektor error dan elemen implementasi kontrol. Salah satu contoh dariielemen ini adalah penguat diferensial yang mempunyai dua buah masukan, yaitu masukan untuk nilai pengaturan dan satu masukan lainnya untuk sinyal umpan balik. Setiap perbedaan yang muncul diantara kedua sinyalimasukan ini akan diperkuatiuntuk menghasilkan sinyal eror. Apabila tidak terdapat perbedaan di antara keduanya, maka tidak akan ada sinyal eror yang dihasilkan[8].

3. Elemen Koreksi

Elemen koreksi atau sering disebut juga elemen kontrol akhir, menghasilkan suatu perubahan didalamiproses, yang bertujuan untuk mengoreksi atau mengubah kondisi yang dikontrol. Untuk menyatakan elemen dari sebuah unit koreksi yang membangkitkan daya untuk menjalankan aksi kontrol dapat disebutidengan istilah aktuator. Contoh dari elemen ini yaitu, katup kontrol direksional yang digunakan untuk mengalihkan arah aliran fluidaiyang berarti mengontrol pergerakan dari sebuah aktuator, seperti misalnya pergerakan pistonididalam silinder. Contoh lain ada pada motor listrikidi mana sebuah sinyal digunakan untuk mengontrol kecepatan putaran porosnya[8].

4. Proses

Proses merupakan sistem dimanaiterdapat sebuah variabel yang dikontrol, contohnyaisebuah ruangan didalam rumah dengan variabel yang dikendalikan adalah temperatur ruangan tersebut[8].

5. Elemen Pengukuran

Elemen pengukuran menghasilkan sebuah sinyaliyang berhubungan dengan kondisi variabel dari proses yang sedang dikontrol. Contoh elemen ini adalah sebuah sensoritemperatur dengan unit pemrosesan sinyalnya yang bersesuaian[8].

6. Alur Umpan Balik

Alur umpan balik merupakan cara sebuah sinyal yang terkaitidengan kondisi sebenarnya yang tercapai, diumpankan kembali untuk memodifikasi sinyal masukan bagi suatu proses. Umpan balik dikatakan negatifiapabila sinyal yang diumpankan kembali mengurangiinilai masukan. Jenis umpan balik yang diperlukan untuk mengontrol sebuah sistem disebut juga umpan balik negatif. Umpan balik positifiterjadi apabila yang diumpankan kembalibersifat menambahkan nilai masukan[8].

7. Alur Maju

Alur maju digunakan untuk menyatakan jaluriatau lintasan dari sinyal error sampai dengan keluaran. Elemen alur maju ini terdiri dari beberapa elemen yaituielemen kontrol, elemen koreksi, dan elemen proses[8].

Pada penelitian ini akan menerapkan sistemikontrol loop terbuka dikarenakan beberapa faktor diantaranya adalah sistem kontrol ini mudah diaplikasikan dan rangkaian sederhana sehingga dapatimenekan biaya produksi. Hal ini yang akan

menjadikan persyaratan untukiperancangan dan pembangunan dari prototype mesin plotter x-y.

2.4 Sistem Kendali Mesin Plotter

Board kontrol merupakaniperangkat wajib dalam sistem kontrol. Board kontrol berfungsi sebagai penyimpanan program dan sebagai batasan parameter yang sesuai dengan spesifikasi mesin plotter. Pada umumnya boardikontrol yang digunakan dalam mesin plotter adalah arduino dan mach 3. Namun dalam perancangan prototype mesin plotter x-y yang akan dibuat menggunakan boardikontrol arduino uno.

1.4.1 Board Kontrol Arduino

Arduino adalah jenis mikrokontroller berupaichip atau integrated circuit (IC) yang bisa di program melalui komputer. Tujuan pemasangan program pada mikrokontroler adalah untuk rangkaian elektronikimampu membaca perintah, memproses perintah dan yang kemudian menghasilkan output sesuai dengan yang di progamkan. Jadi mikrokontroller bertugas sebagai otak yang mengendalikan motor stepper. Padaibord arduino pemrogaman dapat diisikan dengan firmware GRBL atau yang lainya[2].

Hardware Arduino uno memiliki spesifikasi sebagai berikut :

a. 14 pin IO Digital (pin 0–13) Sejumlah pin digital denganinomor 0–13 yang dapat dijadikan input atau output yang diaturidengan cara membuat program IDE.

b. 6 pin Input Analog (pin 0–5) Sejumlahipin analog bernomor 0–5 yang dapat digunakan untukimembaca nilai input yang memilikiinilai analog dan mengubahnya ke dalam angka antara 0 dan 1023.

c. 6 pin Output Analog (pin 3, 5, 6, 9, 10 dan 11) Sejumlah pin yangisebenarnya merupakan pin digital tetapi sejumlah pin tersebut dapat diprogram kembali menjadi pin output analog dengan cara membuatiprogramnya pada IDE.

Gambar 2.5 Board Arduino 1.4.2 Breakout Board (BOB) Pengendali

Breakout Board adalah jenis mikrokontroller berupaichip atau integrated circuit (IC) yang sudah terdapat program CNC atau biasaidisebut dengan firmware Mach 3. Akan tetapi tidak terdapat settingiparameter dari spesifikasi mesin plotter. Untuk mengisikan parameterispesifikasi ke progam dapat di isikan melalui Mach 3 I/O Interface Card. Mach 3 I/O Interface Card merupakan perankgat lunak yang di distribusikan melalui internet oleh Artsoft U.S.A[9].

Gambar 2.6 Breakout Board (Sumber : [10])

Breakout Board berfungsi sebagai penerjemah sinyal yang di gunakan untuk menjalanakan mesiniCNC dari personal computerike mesin CNC serta berfungsi sebagai mengisolasi PC Motherboard dari masalah listrik yang lain yang dapatimerusak Motherboard[9].

2.5 Sistem Penggerak

Pada mesin CNC motor yang digunakan sebagai penggerak sumbu adalah motor DC jenis stepper. Motor stepper adalah perangkatielektronik yang bekerja mengubah pulsa elektronij menjadi gerakan mekanis diskrit (terputus). Motoriini di kategorikan sebagai motoriDirect Current (DC) yang khusus berputar dalam suatu derajad yang tetap atau biasanya di sebut dengan step (langkah). Untuk menggerakkan motor ini di perlukan pengendali motor stepper yang membangkitkanisinyal pulsa-pulsa secara periodik. Satu step antara 8° hingga 90° dan satu derajad perlangkah motor memerlukan 360 pulsa untukimenggerakan melewati satu putaran penuh [9].

Perhitungan yang digunakan dalamimenentukan banyak step 1 putaran penuh, jarak yang ditempuh dalam 1 step dan waktuiuntuk menggerakkan motor 1 putaran penuh adalah sebagai berikut :

a. Banyaknya langkah 1 putaran penuh

𝐵𝑎𝑛𝑦𝑎𝑘𝑛𝑦𝑎 𝑙𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎ℎ 1 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 = 𝐿𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎ℎ 𝑝𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘

𝐿𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎ℎ 𝑝𝑒𝑟 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑠𝑖 ………....(1)

b. Jarak yang ditempuh untuk 1 langkah

𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 1 𝑠𝑡𝑒𝑝 = 1

𝐵𝑎𝑛𝑦𝑎𝑘𝑛𝑦𝑎 𝑙𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎ℎ 1 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑥 𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ 𝑏𝑎𝑙𝑙 𝑠𝑐𝑟𝑒𝑤 ………(2)

c. Waktu untuk menggerakkan motor 1 putaran 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢

1 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛= 𝐵𝑎𝑛𝑦𝑎𝑘𝑛𝑦𝑎 𝑙𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎ℎ 𝑥 𝐹𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎 ………(3)

Komopenen motor stepper terdiri dari rotor dan stator. Rotor adalah permanent magnet sedangkan stator adalah elektro magnet. Rotor akan bergerak jika diberi aliran listrik. Aliran listrik ini akan membangkitkan medan magnet sehingga rotor akan menyesuaikanya dengan kutub maknet yang dimilikinya. Motor stepper mampu bergerak searah dengan jarum jam maupun berlawanan dengan arah gerak jarum jam.

Dari penjelasan mengenai motor stepper diatas dapat dijadikan gambaran untuk memenuhi persyaratan dalam perancangan dan pembangunan prototype mesin plotter x-y. Teori tersebut digunakan untuk mencari berapa banyak sinyal pulsa yang diberikan ke sistem penggerak (motor stepper) untuk menggerakkan bulpoin sepanjang 1 cm secara vertikal maupun horisontal. Sehingga memungkinkan untuk memenuhi persyaratan perancangan dan pembangunan prototype mesin plotter x-y dalam tingkat akurasi yang tinggi.

Ada dua jenis motor stepper yang ada di pasaran, yaitu :

2.5.1 Motor Stepper Unipolar

Motor stepper unipolar mempunyai rangkaian pengendali yang lebih mudah dirancang karna hanya mempunyai 1 switch/transistor disetiap lilitanya. Untuk menggerakkan motor ini cukupidengan menggunakan pulsa digital yang hanya terrdiri dari satu (positif) dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) sementaraiterminal lainya cukup di satukan dengan tegangan positif konstan (VN) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan. Gambar motor stepper unipolar dapat dilihat pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Motor Stepper unipolar (sumber :[11])

1.5.2 Motor Stepper Bipolar

Motor stepper bipolar memiliki kontruksi yang sama dengan stepper unipolar, hanya saja pada bipolar tidak terdapat tap pada kumparanya. Untuk menggerakkan motor ini di perlukan sebuahidriverimotor yang di knal dengan nama H-Brige. Rangkaian ini akan mengontrol kumparan secara terpisah termasuk polaritas untuk setiap kumparan. Motor ini mampu bergerak 2 arah berlawananimaupun searah dengan jarum jam. Dikarenakanipada motor ini terdapat 4 kutub medan magnet. Cara yang paling sederhana dalam memberikan step pada motor ini adalah dengan memberikan energi secara bergantian pada pada AB atau CD untuk menarik motoridari kutub ke kutub. Jika motor bergerak berlawanan jarum jam maka pada rangkaian CD harus di beri energi dengan polaritas C+ D-. Jika motor bergerak seaarah jarum jam maka padairangkaian AB harus di beri energi dengan polaritas A- B+ (terbalik). Gambar motor stepper bipolar dapat dilihat pada gambar 2.17.

Gambar 2.8 Motor Stepper Bipolar (sumber :[11])

Motor stepper yang digunakan pada rancang bangun prototype mesin plotter x-y ini adalah motor stepper unipolaridengan derajadiper step nya 1,8 derajad. Motoriini mempunyai 2 buah lilitan yang masing masing terpisah. Untuk menggerakkan motor stepper ini di perlukan driver stepper (H-brige) sebagai pemberi sinyal pulsa secara periodik ke motor stepperisehingga motor akan bergerak step demi step sesuai dengan G-code.