PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PROTOTIPE MESIN CNC 4 AXIS BERBASIS PC (PERSONAL COMPUTER) Teuku Firsa, Muhammad Tadjuddin, Syahriza, Saddam Husaini Department of Mechanical Engineering, Syiah Kuala University Jl. Tgk. SyechAbdurrauf No. 7 Darussalam – Banda Aceh 23111, INDONESIA Phone/Fax.: +62-651- 7428069, HP: +6281360706093, e-mail:
[email protected] Mesin CNC (computer numerical control) dikendalikan dengan kode huruf dan angka (Numerik) untuk melakukan proses pemesinan yang memiliki tingkat akurasi yang sangat tinggi dibandingkan dengan proses pemesinan secara manual. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membuat sebuah prototipe mesin CNC 4 axis. Ke-empat sumbu Mesin CNC (X,Y,Z dan A) ini bergerak secara simultan, dengan sumbu A yang berotasi pada sumbu X sebagai axis keempat menggunakan chuck TU-2A, sedangkan untuk axis X, Y, dan Z bergerak linear yang digerakkan menggunakan motor stepper.Mesin ini dikontrol dengan sebuah PC yang juga digunakan sebagai tempat pengimput kode G untuk proses pengerjaannya. Komponen produk yang dihasilkan lebih komplekskarenaprototipel mesin CNC 4 axis ini dapat menjangkau bagian yang tidak dapat dijangkau oleh mesin CNC 3 axis, seperti produk propeller dan hand griper. Pada akhirnya, mesin ini mampu menghasilkan produk-produk permesinan yang kompleks dengan harga yang terjangkau. Kata kunci : Mesin CNC 4 axis , rotary axis, personal komputer, motor stepper CNC machine (computer numerical control) controlled by a code of letters and numbers (numeric) to perform the machining process has a very high accuracy rate compared to the machining process manually. This research aims to design and produce a prototype of 4 axis CNC machine. All four-axis of CNC machine (X , Y, Z and A) moves simultaneously which is a A-axis rotating on the X-axis as the fourth axis using a TU-2A chuck, on the other hand the X, Y and Z-axis moves linearly driven using a stepper motor. This machine is controlled by a PC that is also used for created the G code as a input process. The resulting products are more complex because the prototype of 4-axis CNC machines can work and reach any parts that could not be reached by a 3-axis CNC machines such as propeller and hand gripper. Finally, this machine will be able to produce the complexity products of machining at an affordable price. Keyword: 4-Axis CNC machine, Rotary axis, Personal Computer, Motor Stepper
1. Pendahuluan Secara umum mesin CNC adalah sebuah mesin yang dikendalikan dengan kode angka-angka dan huruf yang secara otomatis menjalankan operasi manufacturing menurut perintah yang tersusun dalam kode angka (NC Code). Karena informasi yang digunakan berbentuk rumus matematik maka sistem ini dinamakan kontrol dengan angka (numerical control). Dalam perkembangnya mesin CNC modern, kinerja atau kemampuan mesin makin meningkat dengan bentuk mesin yang sederhana dan rapi dengan fitur desain semakin komplek, dan juga menggunakan teknologi terkini sehingga dapat bekerja lebih efisien dan praktis. Komponen mesin CNC yang dapat dikontrol gerakannya (start, aselerasi, deselerasi dan stop) dinamakan sebagai sumbu mesin (machine axis). Saat ini penggunaan mesin CNC hampir terdapat disegala bidang. Dari bidang industri manufaktur, riset dan lembaga pendidikan. Pada lembaga pendidikan khususnya perguruan tinggi biasanya mengunakan mesin EMCO CNC turning training unit 2 axis (TU-2A) dan milling training unit 3 axis (TU-3A) sebagai sarana praktikum pada mahasiswa. Namun mesin-mesin yang ada pada lembaga pendidikan saat ini hanya mesin CNC 3 axis, oleh karena itu diperlukan
adanya perancangan dan pembuatan mesin CNC 4 axis. Mesin CNC 4 axis ini masih berupa protipe yang hanya mampu melakukan proses permesinan dari bahan selain logam. Inti dari penelitian ini adalah membuat prototipe mesin CNC 4 axis dengan sumbu A yang berotasi pada sumbu X berbasis PC. Pemesinan 4 axis adalah proses pemesinan dengan mesin CNC yang memiliki 4 arah gerak (axis), yaitu axis X, Y, Z, dan A. Selain bagi sarana praktikum, mesin ini juga layak digunakan untuk menghasilkan produk-produk komersial dengan harga yang relatif murah. Prototipe mesin CNC 4 axis ini memiliki pergerakan simultan untuk semua axis gerakannya, dan juga dapat diinput program pengerjaannya secara DNC (Direct Numerical Control). Selain memasukkan kode G secara otomatis, memasukan kode G dapat juga dilakukan secara manual. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Mesin NC Peralatan NC (Numerical Control) didefenisikan oleh Electronic Industries Association (EIA) sebagai “A System in which action are controlled by the direct insertion of numerical data at same point. The system must automatically interpret at least some portion of this data” (sebagai sebuah sistem dimana aksi-aksi yang dikontrol dimasukkan langsung dari data numeric pada poin yang sama. Secara otomatis sistem harus menterjemahkan paling sedikit beberapa bagian dari data ini). Pengoprasian mesin NC diperlukan program intruksi yang dinamakan part program atau disebut program NC, yang merupakan prosedur yang menentukan urutan proses, posisi pahat potong relatif terhadap benda kerja, yang harus diikuti oleh mesin untuk membuat suatu part tertentu. Sistem NC berfungsi menggantikan peranan yang sebelumnya dilakukan oleh operator secara manual pada mesin konvensional, seperti mengatur gerakan pahat sampai pada posisi siap potong, melakukan gerakan pemotongan dan menggerakkan pahat kembali ketempat semula. Juga dengan mengatur kondisi atau parameter pemotongan seperti kecepatan potong, kecepatan makan, dan kedalaman pemotongan. Karena semuanya itu telah diatur dalam part program, maka tugas operator mesin NC tinggal mengawasi jalannya pekerjaan yang berlangsung secara otomatis. 2.2 Mesin CNC Mesin CNC (Computer Numerically Controlled) merupakan sebuah istilah yang digunakan hingga sistem operasinya dikontrol dengan memakai sebuah komputer internal yang berfungsi: - Penyimpanan program tambahan. - Penyutingan program. - Perjalanan program dari memori. - Diagnostic control dengan pemeriksaan robot. - Pekerjaan rutin atau khusus. - Kemampuan perubahan skala. Teknologi CNC adalah metode yang terbaik saat ini untuk memenuhi produk pasar terhadap keperluan akan komponen manufaktur, disebabkan karena ketelitian dan efisiensi yang dimilikinya. Keandalan dari mesin CNC tidak terlepas dari kompone-komponen pendukungnya, seperti operator (brainware), perangkat keras (hardware) dan perangkar lunak (software). Ketika komponen itu harus saling mendukung untuk memperoleh hasil kerja yang memuaskan. 2.3 Motor Stepper Motor stepper (motor stepper bipolar dan motor stepper unipolar) merupakan motor DC yang dapat diatur posisinya dengan akurat pada posisi tertentu dan dapat berputar ke arah yang diinginkan dengan memberi pulsa-pulsa listrik dengan pola tertentu.
Wirdartojuga menyebutkan motor stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step) dan memiliki akurasi yang tinggi tergantung pada spesifikasinya. Setiap motor stepper mampu berputar untuk setiap step-nya dalam satuan sudut (0.75°, 0.9°, 1.8°), makin kecil sudut per step-nya maka gerakan per step-nya motor stepper tersebut makin presisi.
(a)
(b) Gambar 1 Skema motor stepper (a) Unipolar stepper motor (b) Bipolar stepper motor Sumber:http://didisetiawan04.blogspot.com/2012/07/motor-stepper.html 2.4 Mikrokontroler TB6560AHQ adalah sebuah IC mikrokontroler buatan Toshiba yang penggunaannya dikhususkan untuk mengontrol gerakan motor stepper.
Gambar 2 IC TB6560AHQ Sumber : Penelitian IC mikrokontroler ini kemudian dirangkai dengan beberapa komponen lain sehingga menjadi sebuah driver control untuk beberapa motor stepper untuk satu buah motor stepper munggunakan satu buah IC, yang komplit dengan DIP setting dan fitur-fitur lainnya, dan juga dapat dikendalikan menggunaka komputer melalui kabel parallel port (BD25). 2.5 Parallel Port (LPT) Parallel port adalah salah satu jenis soket pada PC untuk berkomunikasi dengan peralatan luar. Parallelport biasanya terletak pada salah satu port panel bagian belakang komputer. Arti
istilah parallel yakni sistem pengiriman data digital, dimana beberapa bit data dikirim sekaligus pada satu saat dengan menggunakan jalur terpisah. Pada komputer umumnya digunakan konektor DB-25 yang mempunyai jumlah pin sebanyak 25 buah.
Gambar 3 Skema LPT DB-25 Sumber:http://www.computerports.net/parallel-port/ 2.6 Mach® 3 Mach® 3 adalah software buatan Artsoft yang dapat mengolah program yang dihasilkan oleh software CAM berupa g-code. Kemuadian Mach® 3 meneruskan perintah yang ada pada program g-code ke driver board untuk mengendalikan motor stepper. Keuntungan menggunakan software Mach3: Data tool yang lengkap. Tampilan dan sistem pengoperasian yang hampir sama dengan kontrol mesin CNC yang sebenarnya. Penggunaan dan pengoperasian yang sangat mudah.
Gambar 4 Interface Software Mach®3 Sumber: Penelitian 3. Metodologi 3.1 Peralatan Penelitian Adapun peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Personal Computer 2. Linear bearing, linear shafting dan chuck TU-2A 3. Motor stepper 4. Motor stepper driver 5. Power Supply 24 volt, 15 Ampere. 6. Konektor BD25 yang berfungsi untuk menghubungkan PC dengan alat untuk mengontrol gerakan motor stepper. 7. HELES electronic Soldering Iron 220 V, 30 W dan penghisap timah. 8. Obeng set, kunci L, tang, gunting, isolasi dan lain-lain.
3.2 Langkah-langkah Penelitian Adapun langkah-langkah penelitian yang yang akan dilaksanakan antara lain: 1. Mempelajari literatur mengenai mesin CNC 4 axis. 2. Merancang mesin CNC 4 axis menurut kegunaannya nantinya. 3. Merancang/membuat mesin CNC 4 axis. 4. Mempelajari software CAM. 5. Mempelajari software Mach® 3 untuk menggerakkan motor stepper. 6. Memasang 4 buah motor stepper pada driver motor control sebagai penggerak sumbu X, Y, Z dan sumbu A. 7. Menghubungkan driver motor control pada PC dengan kabel parallel port BD25. 8. Menghubungkan driver motor stepper dengan power supply 24 V 15 A. 9. Setup software Mach® 3 agar pergerakan setiap axis sesuai dengan yang diinginkan. 10. Menjalankan software Mach® 3 dengan menginput G code yang dihasilkan oleh software CAM untuk mengontrol motor stepper. 4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Sistem Kontrol Mesin CNC Pada diagram dibawah ini dapat dilihat mekanisme sistem kontrol yang digunakan dalam proses Perancangan Dan Pembuatan Mesin CNC 4 Axis Berbasi PC (Personal Computer).
Gambar 5 Diagram mekanisme sistem kontrol mesin CNC 4 axis Sumber: Penelitian 1. PC PC disini sebagai pengontrol mesin dan juga tempat mengisi NC program yang dibutuhkan untuk proses pengerjaan komponen. 2. Mach 3 NC program yang sudah ada kemudian di proses dalam aplikasi Mach 3sehingga dapat di ubah menjadi source code yang dapat di baca oleh sistem kontroler. 3. Kontroler dan Mesin CNC 4 axis Kontroler membaca program yang telah di masukkan kemudian menggerakkan motor stepper sehingga membentuk suatu mekanisme mesin NC. 4.2 Konfigurasi Hardware Pada penelitian ini digunakan beberapa hardware untuk pembuatan mesin CNC 4 axis. 1. Linear bearing dan linear shafting Linear bearing dan linear shafting disini merupakan perangkat keras (hardware) yang digunakan sebagai reil, untuk menggerakkan axis-axis mesin CNC yang akan dibuat. Tetapi hanya pergerakan sumbu X, Y, Z saja yang bergerak linear, sedangkan sumbu A bergerak rotasi pada sumbu X. 2. Pemutar Sumbu A
Pemutar sumbu A dan pemegang benda kerja menggunakan spidle dan chuck masin CNC EMCO TU-2A. 3. Timing belt Untuk menggerakkan seluruh axis mesin CNC maka dibutuhkan sarana penghubung antara motor stepper dengan axis yang digerakkan. Maka digunakan timing belt yang sesuai dengan gigi yang terhubung pada poros motor stepper. 4.3 Konfigurasi Kontroler 1. WiringSystem Wiring System adalah sistem yang menjelaskan segala sesuatu tentang pemasangan kabel pada controller dimulai dari power supply, programmer ke komputer, limit switch,motor spindelhingga motor stepper. 2. Pemasangan kabel motor stepper pada controller Pada controller terdapat konektor untuk dihubungkan dengan motor stepper. Pemasangan kabel motor stepper pada controller ini sesuai dengan konfigurasi motor stepper itu sendiri. Untuk satu unit motor stepper terdapat 4 buah kabel input signalyaitu A+, A-, B+, B-. 3. DIP Setting pada controller Pengaturan DIP pada controller digunakan untuk mengatur daya yang masuk ke motor stepper, micro stepping dan kecepatan step motor stepper untuk penggerakan motor stepper. 4. Power supply untuk controller Untuk menggerakkan keempat sumbu, controller memerlukan tegangan sebesar 12-35 volt. Power supply yang digunakan adalah power supply 24 volt 15 A. 4.4 Konfigurasi Software Perangkat lunak yang digunakan untuk mendukung penelitian ini adalah software CAD/CAM untuk desain dan simulasi dan juga Mach®3 mengendalikan motor stepper. 1. Desain dan Simulasi Pemotongan Adapun untuk mendesain sebuah komponen bisa menggunakan aplikasi CAD yang mendukung CAM yang berfungsi untuk mendesain gambar dan melakukan simulasi pemotongan 4 axis hingga menghasilkan program g-code. 2. Kontrol dan Kalibrasi Motor Stepper pada Mach®3 Untuk dapat mengendalikan motor stepper dengan Mach®3 maka harus dilakukan setting dan kalibrasi sesuai dengan karakteristik dan spesifikasi masing-masing motor stepper. Setting pada Mach®3 adalah sebagai berikut: a. Setting port dan pin Merupakan pengaturan dasar untuk mengaktifkan port dan pin pada komputer untuk mengirimkan data pada controller. b. Kalibrasi Motor Stepper Kalibrasi motor stepper dilakukan agar gerakan sumbu sesuai dengan perintah pada gcode dan software. Tabel 1 Spesifikasi motor stepper Motor Sumbu Jumlah Step Sudut per step Tegangan (V) 0 X 200 1.8 12 Y 200 1.80 12 0 Z 200 1.8 12 A 200 1.80 12 Sumber : Penelitian Dari tabel diatas maka dapat dimasukkan jumlah step dari masing-masing motor stepper pada software Mach®3.
4.5 Pemasangan Komponen Mesin Sebelum melakukan pengujian pada mesin maka seluruh bagian sumbu mesin, motor stepper, controller dan komputer dipasang pada posisi masing-masing. Pada gambar dibawah ini dapat dilihat mesin CNC 4 axis dengan sumbu A berotasi pada sumbu X.
Z+ Y+ A+
X+
Gambar 6 Mesin CNC 4 axis Sumber : Penelitian 4.6 Proses Pengujian Mesin Untuk mengetahui kemampuan, akurasi dan repitabiliti mesin CNC 4 axis yang dibuat maka harus dilakukan pengetesan/pengujian pada semua sumbu-sumbu yang ada (sumbu X, Y, Z dan A). Dalam proses pemesinan tingkat akurasi, repitabiliti dan kemampuan mesin sangat penting untuk diketahui, karena hal iniakan berpengaruh terhadap kinerja mesin dan hasil pemotongan benda kerja. Maka pada penelitian ini dilakukan pengujian akurasi dan repitabiliti mesin dengan cara menggerakkan sumbu menggunakan software dengan jarak tertentu kemudian mengukur jarak pergerakannya pada mesin. Pada sumbu A terdapat perbandingan diameter antara pulley motor stepper dan pulley sumbu A. Jadi sebelum pengujian akurasi maka perlu dilakukan perbandingan putaran step antara kedua sumbu dengan memakai persamaan berikut: 𝑛1 𝑑2 = … … … … … … … … … … … … … … (1) 𝑛2 𝑑1 𝑛1 𝑑1 𝑛2 = … … … … … … … … … … … … . (2) 𝑑2 Dimana: 𝑛1 :Putaran motor stepper sumbu A(3600/200 step) 𝑛2 : Putaran sumbu A 𝑑1 : Diameter pulley penggerak 𝑑2 : Diameter pulley yang digerakkan Maka: 3600 𝑥32 𝑛2 = /200 𝑠𝑡𝑒𝑝 93 𝑛2 = 123.870 /200 𝑠𝑡𝑒𝑝 Jika 200 step pergerakan motor stepper sumbu A hanya berputar sebesar 123.870 maka untuk berputar 3600 sumbu A dapat dihitung: 3600 𝑥200 = 581.25 𝑠𝑡𝑒𝑝 123.870
Untuk menggerakkan sumbu A sebesar 3600 maka dibutuhkan 581,25 step dari motor stepper penggerak sumbu A. Akurasi putaran sumbu A dalam 1 step (Ap) dapat ditentukan dengan : 3600
Ap = 581,25 𝑥 1,80 Ap = 0,340 Dari hasil perhitungan diatas maka untuk sumbu A dapat bergerak 0,340 untuk satu step. Pada motor sumbu X, Y dan Z memiliki derajat putar yang sama dengan motor sumbu A yaitu 1.80 per step. Pada axis X, Y dan Z motor yang digunakan memiliki roda gigi keliling 54mm. dengan demikian dapat di ketahui: 3600
Ap = 54 𝑥 1,80 Ap = 3,704 step/mm Dari hasil perhitungan diatas didapat untuk axis X, Y dan Z motor stepper dapat berputar 3,704 step setiap 1 mm. Untuk mengukur tingkat akurasi dan repitabiliti pergerakan sumbu digunakan dial indikator yang disentuhkan ujung dial indicator (sensor) pada sumbu-sumbu mesin CNC 4 axis yang akan di ukur. Alat untuk mengukur jarak pergerakan sumbu menggunakan vernier caliper. Pada sumbu A menggunakan perbandingan besar sudut dan diameter. Data akurasi yang di dapatkan dalam pengujian untuk masing-masing sumbu dapat dilihat pada tabel 2 – tabel 5. Jarak Pengujian sumbu X Akura tempuh si (%) 1 2 3 4 (mm) 2 1.90 1.95 1.90 1.90 99.91 4
3.95 3.90
4.00
3.95
99.95
7
7.00 7.00
6.90
7.00
99.98
10
9.90 9.95
9.90
10.00
99.94
Akurasi rata-rata
99.94
Tabel 2 Akurasi pergerakan sumbu mesin CNC 4 axis pada sumbu X
Jarak Pengujian sumbu Y Akurasi tempuh (%) 1 2 3 4 (mm) 2 2.00 2.00 2.30 2.00 99.92 4
3.90
4.05 4.00 4.00
99.99
7
6.90
7.00 6.95 6.95
99.95
10
9.85 10.00 9.95 10.00
99.95
Akurasi rata-rata
99.95
Tabel 3 Akurasi pergerakan sumbu mesin CNC 4 axis pada sumbu Y
Jarak Pengujian sumbu Z Akuras tempuh i (%) 1 2 3 4 (mm) 2 1.90 1.85 2.00 1.80 99.89 4
4.00 4.05
3.95
3.95
99.99
7
6.80 6.80
7.15
6.70
99.86
10
9.55 9.90 10.50 10.00
99.99
Akurasi rata-rata
.
99.93
Tabel 4 Akurasi pergerakan sumbu mesin CNC 4 axis pada sumbu Z
Jarak Akur Pengujian sumbu A tempuh asi 1 2 3 4 (deg) (%) 0 15 14.94 14.90 14.95 14.89 99.92 250
25.02 24.97 24.95 25.00 99.99
45
0
45.00 44.96 44.99 44.95 99.98
900
90.00 89.90 89.95 90.10 99.99 Akurasi rata-rata
99.97
Tabel 5 Akurasi pergerakan sumbu mesin CNC 4 axis pada sumbu A
Akurasi Rata-rata Tiap Sumbu 100.00
99.94
99.95
99.93
Y
Z
99.97
99.90 99.80 99.70 99.60 99.50 99.40 99.30 99.20 99.10 99.00
X
A
Gambar 11 Grafik batang akursi rata-rata sumbu X, Y, Z dan A hasil pengujian Sumber : Penelitian
5. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang dilakukan ini, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Akurasi protipe mesin CNC 4 axis sengat bergantung pada mekanisme mesin tersebut. untuk sumbu X adalah 99,94%, Y=99,95%, Z=99,93% dan sumbu A sebesar 99.97%. 2. Pengujian sistem pemotongan 4 axis mesin CNC dapat berjalan sesuai dengan program gcode yang dimasukkan dengan tingkat akurasi 99,50%. 3. Prototipe mesin CNC 4 axis ini dapat melakukan proses pemesinan sesuai program (G-code) yang dihasilkan software CAM. Prototipe mesin CNC 4 axis ini mampu menghasilkan produk-produk yang komplek dan keakurasian yang tinggi dengan biaya yang relatif murah. 6.
Daftar Pustaka 1. Bailar, Sebastian, 2011.” 4 Axis TB6560 CNC Stepper Motor Driver Board Controller”, termuat di http://reprap.org/wiki/4 Axis TB6560 CNC Stepper Motor Driver Board Controller, diakses 1 Maret 2014. 2. Groover, Mikell P., Zimmers, JR, Emory W., 1983. CAD/CAM: Computer-Aided Design and Manufacturing, Department of Industrial Engineering, Lehigh University. 3. Hanief, Fithrul. 2009. Pembuatan Program Pengendali Stepper Motor Pada Mesin CNC TU-3A Dengan Menggunakan Microsoft Visual Basic 6.0, Tugas Akhir Teknik Mesin, Unsyiah, Banda Aceh. 4. Setiawan, Budi. 2009. Simulasi Kode G CNC Milling Vertikal, Tugas Akhir Teknik Mesin, Unsyiah, Banda Aceh. 5. H.A. Hermansyah. 2012. Pembuatan Sistem Mesin Cnc 4 Axis Sebagai Pengembangan Mesin Cnc Emco TU-3A, Tugas Akhir Teknik Mesin, Unsyiah, Banda Aceh. 6. Krisnandi, Dikdik., Aplikasi Kontrol Switch Menggunakan Silicon Controlled Rectifier (SCR) Melalui Parallel Port, Pusat Penelitian Informatika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Bandung. 7. Maier, Emco and Co., 1990. Student’s Handbook Emco TU-3A, Friedmann-MaierStraβe 9, Austria. 8. Mujahidin, Parallel Port Pogramming, Universitas Gunadarma, Jakarta hlm 2-4. 9. Rochim, Taufik. 1993. Teori dan Teknologi Proses Pemesinan, Laboratorium Teknik Produksi, Jurusan Mesin, FTI-ITB, Bandung. 10. Widarto. 2008. Teknik Pemesinan untuk Sekolah Menengah Kejuruan, Departmen Pendidikan Nasional, Jakarta.
