RANCANG BANGUN SISTEM PENGGERAK STEPPER
RANCANG BANGUN SISTEM PENGGERAK STEPPER MOTOR DAN SPINDLE PADA
MESIN GRAFIR 2.5D MENGGUNAKAN MOSFET
Wahyu Hidayat
Hendy Rudiansyah, Tika Meizinta
Jurusan Teknik Otomasi Manufaktur dan Mekatronika
Politeknik Manufaktur Negeri Bandung
Jl. Kanayakan 21 Bandung, Indonesia
ABSTRAK
Mesin grafir 2.5D merupakan mesin yang memiliki kemampuan untuk melakukan proses milling yang dapat
dioperasikan otomatis dan manual. Terdapat empat buah penggerak pada mesin ini, yaitu 3 buah stepper motor 2
fasa pada sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z , serta 1 buah motor DC untuk memutar spindle. Mesin grafir 2.5D ini
diintegrasikan dengan sistem pengendali berbasis Mikrokomputer yaitu Raspberry pi 3 dengan interface
menggunakan LCD dan keypad antara mesin dan operator.
Proyek akhir ini difokuskan pada rancang bangun sistem penggerak stepper motor dan motor DC pada mesin
grafir 2.5D. Sistem penggerak ini terdiri atas driver motor DC dan stepper motor 2 fasa yang diintegrasikan dengan
sistem perangkat lunak dari mikrokomputer raspberry pi. Rangkaian MOSFET H-bridge digunakan untuk
menggerakan motor DC dan Rangkaian MOSFET Dual H-bridge untuk stepper motor 2 fasa dimana rangkaian ini
menerima input kontrol dari pin-pin raspberry pi untuk mengontrol kecepatan dari motor DC sebagai spindle dan
pergerakan stepper motor. Selain itu dalam sistem ini memiliki komponen pengaman yaitu dioda, agar tidak
terjadinya arus balik yang dapat membuat rangkaian short-circuit.
Dengan menggunakan rangkaian MOSFET H-bridge sebagai sistem penggerak mesin grafir 2.5D ini,
pergerakan dari sumbu X,Y,Z dan spindle mesin memiliki pergerakan yang dapat dikendalikan dari mikrokomputer.
MOSFET pada driver stepper motor yang memiliki nilai VDS = 8,3%, dimana rangkaian mendekati nilai optimal
karena nilai VDS sudah sesuai dengan datasheet MOSFET IRF540, tetapi nilai RDS(on) masih belum sesuai dan
MOSFET pada driver motor DC yang memiliki nilai VDS = 0,83% saat berputar pada arah CW, dimana nilai ini
mendekati nilai optimal dari datasheet MOSFET IRF540 karena nilai RDS(on) sudah mendekati nilai RDS(on) pada
datasheet MOSFET IRF540.
Kata kunci : Mesin grafir 2.5D, Raspberry Pi 3, Motor DC, Stepper motor, Driver, MOSFET H-Bridge.
1. PENDAHULUAN
perangkat-perangkat
yang
digunakan
merealisasikan mesin CNC Grafir 2.5D.
1.1 Tujuan
1. Unit Antarmuka : LCD berwarna 5 Inci –
Keypad (Numpad set).
2. Unit Proses
:
Microcomputer
–
Raspberry pi 3.
3. Unit Pengendali :
Microcomputer
–
Raspberry pi 3.
Perangkat keras :
1. Stepper motor
: 2-phase hybrid stepping
motor 57BYGH56-4011YD, 8 segments
drive.
2. Motor DC
:
500W
/
11000r/min (Very Smallnoise).
3. Driver Stepper : MOSFET Dual H-Bridge
Driver stepper motor.
4. Driver DC
: MOSFET HBridge Driver motor DC.
5. HMI
: 5 inch LCD HDMI
800x480 + Qliptec Numerical Keypad
Perangkat lunak :
1. Visual Studio 2015 64 bit, digunakan untuk
membantu program antarmuka mesin.
Tujuan dari proyek akhir ini adalah sebagai
berikut.
1. Membuat perangkat kontrol untuk mesin
CNC Grafir 2.5D berbasis mikrokomputer.
2. Membuat sistem penggerak untuk mesin
CNC Grafir 2.5D.
3. Mesin dapat menggerakan aktuator dengan
ketepatan posisi secara efisien.
4. Mesin dapat menggerakan sumbu X dan Y
secara
simultan
sehingga
dapat
berinterpolasi.
5. Mesin dapat menggerakkan sumbu Z
sehingga
mampu
melakukan
proses
pemakanan pada kedalaman tertentu.
6. Input G-Code dapat dilakukan dengan
memasukkan file dari memori / USB.
1.2 Teknologi
Teknologi yang digunakan pada proyek akhir ini
secara keseluruhan adalah teknologi mesin produksi
yang melibatkan teknik kendali. Berikut adalah
untuk
2. Python 3.5.1, digunakan untuk membuat
program inti yang mengendalikan pergerakan
mesin.
3. PyQt 5.6, digunakan untuk membuat
program program antarmuka mesin.
4. Qt 5.7.1 Creator & Designer, digunakan
untuk membuat program antarmuka mesin.
5. Proteus 8.6, digunakan untuk membuat
desain PCB dan rangkaian unit pengendali.
6. Autocad Electrical, digunakan untuk
membuat skematik wiring panel.
7. Solidworks 2014, digunakan untuk membuat
desain panel kontrol.
8. Microsoft Visio, digunakan untuk membuat
algoritma sistem.
2. METODOLOGI PENULISAN
Penyelesaian masalah dalam proyek akhir ini
menggunakan metode sebagai berikut.
a.
Studi pustaka, yaitu melakukan pengumpulan
data dari buku-buku, jurnal, dan artikel di
internet.
b. Studi analisis, yaitu melakukan analisa dari
teori dan hasil pengamatan.
c. Metode
wawancara,
yaitu
dengan
mendapatkan informasi dari alumni, serta
melalui bimbingan dengan dosen-dosen,
terutama dosen pembimbing.
d. Studi
lapangan,
yaitu
melakukan
pengumpulan data dari hasil pengamatan.
Gambar 3. 1 Mesin Grafir 2.5D
Plant
dikendalikan
menggunakan
mikrokomputer Raspberry pi sebagai unit proses
pengiriman dan penerimaan sinyal perintah pada plant.
Raspberry pi menjadi pengontrol utama yang bertugas
untuk mengkomunikasikan masukan dari interface
sehingga mengeluarkan sinyal perintah kepada
penggerak stepper motor dan penggerak motor DC
yang telah dibuat. Penggerak stepper motor dan motor
DC menggunakan komponen utama berupa MOSFET
IRF540 ,IC gate Driver dan optocoupler sebagai
rangkaian isolator. Operator memasukan koordinat
dan kedalaman pemakanan yang diinginkan dalam
format G-Code dan M-code menggunakan keypad dan
ditampilkan pada LCD yang terdapat pada panel
kontrol. Dapat dilihat flowchart gambaran umum
sistem pada Gambar 3.2 ini.
NUMPAD, KEYPAD,
USB
INPUT
uC
3. SUBSISTEM RANCANGAN PENGENDALI
Subsistem merupakan bagian dari sistem yang
memiliki fungsi tertentu sehingga sistem dapat bekerja
sebagaimana mestinya.
3.1
Gambaran Umum Sistem
Mesin Grafir 2.5D adalah alat bantu pengerjaan
frais yang dua sumbunya (sumbu X dan sumbu Y)
bergerak secara bersamaan dan satu sumbunya (sumbu
Z) bergerak secara terpisah. Mesin grafir ini beroperasi
pada koordinat kartesius, yaitu sumbu X, sumbu Y,
dan sumbu Z. pergerakan dalam sumbu-sumbu
tersebut dikendalikan oleh aktuator berupa motormotor listrik. Pada sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z
digunakan stepper motor yang berfungsi untuk
menentukan posisi dari titik-titik yang telah
ditentukan, sedangkan pada spindle digunakan motor
DC (Direct Current) untuk melakukan pemakanan
benda kerja setelah sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z
mencapai posisi yang ditentukan. Inilah yang nantinya
akan berhubungan langsung dengan benda kerja yang
akan dilakukan proses pengerjaan. Gambar 3.1 berikut
ini adalah Gambar dari mesin grafir 2.5D.
OUTPUT
DRIVER
SUMBU X
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SUMBU Y
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SUMBU Z
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SPINDLE
MOTOR DC
LCD
Gambar 3. 2 Gambaran umum Sistem
Antarmuka yang digunakan pada proyek akhir
ini adalah LCD dan keypad. Data yang dimasukan
kedalam antarmuka akan dibaca oleh unit proses yang
berupa Raspberry pi. Pada unit proses, data akan
diolah sehingga menjadi perintah-perintah gerakan
mesin. Setelah diolah data tersebut akan dikirim ke
unit pengendali untuk dieksekusi. Unit pengendali
stepper motor X dan Y mendapat data yang sama
secara bersamaan. Untuk itu pada unit proses yaitu
Rasberry Pi dibuat program yang mampu menjalankan
proses interpolasi sehingga, dua buah sumbu mampu
bergerak secara bersamaan.
3.2
Sistem dan Konstruksi Mekanik
3.2.1 Sistem mekanik
Sistem pada plant ini dimulai dengan
input G-code pada antarmuka yang kemudian
diproses oleh mikrokomputer menghasilkan
output pulse pada sistem elektrikal yang masuk
ke driver stepper motor, dimana driver ini
memberikan catuan untuk stepper motor
bergerak. Saat stepper motor bergerak maka
rotor motor akan menggerakan poros
transportir yang terhubung dengan coupling
flexible membuat gerakan rotasi dari stepper
motor pada sumbu X, Y atau Z akan menjadi
gerakan translasi karena adanya ballscrew yang
mengubah gerakan rotasi motor menjadi
gerakan translasi oleh sebab itu dengan
menggerakkan stepper motor plant dapat
bergerak sesuai sumbu nya. Gerakan poros
transportir ini akan di teruskan oleh ballscrew
sehingga sumbu-sumbu dapat bergerak
translasi.
Sebagaimana
penjelasan
diatas,
pergerakan translasi dari sumbu-sumbu plant
dapat diukur dengan perhitungan sederhana,
dimana :
Pergerakan translasi = Jumlah pulsa per
putaran x jarak tempuh per pulsa..............[3-1]
Berikut adalah penjelasan mengenai
jumlah gerak rotasi menjadi gerak pergeseran
translasi pada sumbu mesin Grafir 2.5D :
metode, sehingga jika operator membutuhkan
akurasi dalam setiap gerakan, maka metode
half step menjadi solusinya. Namun jika
akurasi tidak begitu dibutuhkan dalam
prosesnya, , maka operator akan lebih baik jika
memilih metode full step dalam proses
pengerjaannya. Karena pada half step
diperlukan daya lebih besar saat proses yang
berkelanjutan.
Berikut merupakan diagram alir pada
sistem mekanik mesin pada proyek ini,
ditunjukkan pada Gambar 3.3.
G-Code
Pengolahan
oleh program
Pulse yang
diterima oleh
motor
Full Step
(200 pulse /
rotation)
Poros
transportir
berputar
Ballscrew
menggerakan
sumbu mesin
sejauh 4mm
Half Step
(400 pulse /
rotation)
Poros
Transportir
berputar
Ballscrew
menggerakan
sumbu mesin
sejauh 4mm
Gambar 3. 3 Diagram Alir Sistem Mekanik
3.2.2 Konstruksi mekanik
Mesin grafir 2.5D ini memiliki
perangkat mekanik dimana masing-masing
komponen mesin tersebut saling terintegrasi
menjalankan fungsi setiap bagiannya dengan
sistem. Proses manufaktur dalam pembuatan
konstruksi berikut yaitu dengan menggunakan
mesin frais untuk didapatkan permukaan yang
halus pada area kerja, dan proses bor untuk
melubangi
beberapa
lubang
untuk
pengikatannya. Tabel spesifikasi mesin dapat
dilihat pada Tabel 3.2 ini.
Tabel 3. 2 Spesifikasi Mesin
Tabel 3.1 Pergerakan rotasi bipolar stepper motor
menjadi gerak translasi.
Metode
Full
step
Half
step
Jumlah
pulsa per
putaran
( pulsa )
Jarak tempuh
per pulsa
( mm/pulsa )
200
0,02
Jarak
pergerakan
translasi per
putaran
( mm )
4
400
0,01
4
Pada Tabel 3.1 , gerakan Full step yang
diaplikasikan
pada
stepper
motor
menghasilkan jarak tempuh 0,02 mm setiap
pulsa diberikan. Berbeda dengan gerakan half
step dimana pada setiap pulsa yang
menggerakan motor menghasilkan gerak
translasi sebesar 0,01 mm. Hal ini menegaskan
perbedaan dan keunggulan dari masing-masing
Area kerja
sumbu X, Y, Z
Max.Pemakanan
Dimensi luar
Ukuran meja
Material
Stepper motor
Unit penggerak
Unit penggeser
Kecepatan
maksimum
Kecepatan
pemakanan
Ketepatan posisi
Motor spindle
Kecepatan
spindle
Alat pemotong
Antarmuka
(interface)
Komtabilitas
software
Kode perintah
275 x 385 x 55 mm
≤70mm
610 x 480 x 400 mm
530 x 320 mm
6061/6063 Alumunium alloy
Two phase 57/1.8A(0,9°/1,8°)
1204 Ball Screw
Chromeplate shaft
0- 4000 mm/min
300 – 2500mm/min
0.05mm
Motor spindle dengan arus
langsung
11000 RPM
ER11/3.175mm
Pararel port
Mach3/Emc2
G code/.nc/.ncc/.tab/.txt
3.3
saklar “START” terlebih dahulu. Flowchart
diagram alir sistem auto dapat dilihat pada
Gambar 3.5 ini.
Diagram Alir Sistem
3.3.1
Diagram alir perancangan
Tahap awal dari perancangan
pengendali mesin adalah mengidentifikasi
sistem yang akan dibuat. Identifikasi awal
meliputi identifikasi fungsi keseluruhan mesin.
Kemudian membuat daftar tuntutan yang harus
dicapai lalu membuat rancangan sistem
pengendali. Setelah membuat rancangan
pegendali, diperiksa ulang apakah sudah sesuai
dengan tuntutan sistem. Pada saat pengujian,
jika sistem pengendali tidak berfungsi dengan
baik maka rancangan sistem pengendali harus
dibuat ulang, jika sudah berfungsi dengan baik
maka sistem pengendali siap digunakan pada
mesin grafir 2.5D. Gambar 3.4 berikut ini
adalah gambar diagram alir perancangan dari
pembuatan sistem kendali plant.
A
Mulai
Tidak
Menggerakkan sumbu
Z
Input G-Code, MCode, X , Y , F , R
Ya
Jalankan Program
Tidak
Motor
stepper
menggerakka
n sumbu Z
Ya
Tekan
tombol
“START”
Memutar
Spindle
Perhitungan DDA,
feedrate , arah putar,
posisi
MULAI
Motor stepper
bergerak sesuai
koordinat X dan Y
(Interpolasi)
Pindah ke line
program
selanjutnya
B
M30
A
B
Ya
IDENTIFIKASI MASALAH
Selesai
Gambar 3. 5 Diagram alir mode auto.
TENTUKAN HASIL
PERANCANGAN
3.3.3
Diagram alir sistem pada mode
manual
Pada mode manual, pergerakan mesin
sesuai dengan ditekannya tombol keypad
sumbu kemana alat potong akan digerakkan.
Pengaktifan dan penonaktifan motor juga dapat
dilakukan dengan cara manual. Berikut
Gambar 3.6 adalah flowchart diagram alir
sistem manual.
TIDAK
KONSEP PERANCANGAN
TIDAK
PEMBUATAN SISTEM KENDALI
MESIN SESUAI?
Mulai
YA
XCW, XCCW,
YCW, YCWW,
ZCW, ZCCW
Spindle CW,
Spindle CCW
INSTALASI DAN PENGUJIAN
MESIN SESUAI?
Sumbu X
Ya
Tidak
Sumbu Y
Ya
YA
Sumbu Z
Spindle
Tidak
Ya
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
X
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
Y
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
Z
Tidak ada input
Diagram alir sistem pada mode auto
Pada mode auto, operator harus
memasukkan program kontrol menggunakan
angka (Numerical Control) berstandar GCode dan menggunakan metode interpolasi
DDA untuk mencapai koordinat yang dituju.
Untuk memulai mode auto operator menekan
Tidak
Ya
MESIN DAN SISTEM KENDALI
SESUAI DAN TERUJI
Gambar 3. 4 Diagram alir perancangan.
Tidak
3.3.2
Spindle aktif CW
Spindle aktif CCW
Tidak
Ya
Selesai
Gambar 3. 6 Diagram alir mode manual.
3.4
Tuntutan Sistem
Dalam perancangan dan pembuatan pengendali
mesin grafir 2.5D ini mempunyai beberapa tuntutan.
Tuntutan tersebut harus dapat dilakukan oleh mesin
grafir 2.5D ini diantaranya :
1. Mesin harus mampu membuat pola berbentuk
huruf alfabet dengan menerapkan sistem
interpolasi linear dan circular.
2. Mesin dapat menggerakan aktuator dengan
ketepatan posisi secara efisien.
3. Mesin dapat menggerakan sumbu X dan Y secara
simultan sehingga dapat berinterpolasi.
4. Mesin dapat menggerakkan sumbu Z sehingga
mampu melakukan proses pemakanan pada
kedalaman tertentu.
5. Input G-Code dapat dilakukan dengan
memasukkan file dari memori / USB.
3.5
Tabel 3. 4 Konfigurasi Half Step
Clockwise
B.
A.
Perancangan
dan
pembuatan
penggerak stepper motor sumbu X ,
Y dan Z
Gambaran umum
Untuk menggerakan Bipolar 2 Phase
stepper motor pada plant ini dibutuhkan
sistem penggerak yang dapat diintegrasikan
dengan mikrokomputer. Pada Proyek akhir
ini digunakan rangkaian MOSFET DUAL
FULL H- Bridge yang memiliki komponen
utama MOSFET IRF 540 dan IC gate Driver
untuk menggerakkan motor. Rangkaian
sistem penggerak ini terdiri dari komponenkomponen utama tersebut yang dilengkapi
dengan rangkaian pelengkap, seperti
rangkaian isolator optocoupler untuk
memisahkan sumber mikrokomputer dengan
Driver sebagai pull up input dan safety dari
Raspberry pi. Mikrokomputer membaca
perintah dari master untuk kemudian diolah
mikrokomputer itu sendiri menjadi beberapa
varian pulsa yang berpola dan bergantian
yang akan menyulut MOSFET untuk
menggerakan motor. Dilakukan perencanaan
dengan melihat karakteristik penyulutan
stepper motor seperti pada Tabel 3.3 dan
Tabel 3.4 berikut ini:
Tabel 3. 3 Konfigurasi Full Step
Clockwise
Step
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
0
0
1
0
3
0
1
0
0
4
0
0
0
1
C
0
1
1
1
0
0
0
0
B
0
0
0
1
1
1
0
0
D
0
0
0
0
0
1
1
1
Counter
Clockwise
Diagram alir
Untuk membuat sistem penggerak
bipolar 2 phase stepper motor diperlukan
perencanaan. Perencanaan tersebut akan
disajikan dalam bentuk diagram alir.
Berikut adalah diagram alir perencanaan
pembuatan sistem penggerak bipolar 2
phase stepper motor. Gambar 3.7 berikut
ini adalah flowchart diagram alir
perancangan driver stepper.
Subsistem Rancangan Pengendali
3.5.1
A
1
1
0
0
0
0
0
1
Step
1
2
3
4
5
6
7
8
START
A
Pencarian
Literatur
Desain Layout
PCB
Konsep
Rancangan
Rangkaian
Pemesanan PCB
Pembuatan
Rangkaian dan
Simulasi
Software
Assembly
Komponen pada
PCB
Testing
Rangkaian pada
Project Board
Uji
Rangkaian
Yes
A
No
Uji
Rangkaian
No
Yes
Integrasi Sistem
Penggerak
dengan Mesin
Grafir
SELESAI
Counter
Clockwise
Gambar 3. 7 Diagram alir perancangan stepper
motor driver.
Beberapa karakteristik yang harus
diperhatikan adalah prinsip kerja motor,
tegangan dan arus pada motor, BLU (Basic
Length Unit), dan arah pergerakan mata
potong
terhadap
pengaruh
motor.
Perancang rangkaian motor, pembuatan
rangkaian, serta pembuatan program
dilakukan setelah mengetahui prinsip kerja
motor. Digunakan simulasi pada software
untuk mengetahui cara kerja rangkaian.
Rangkaian simulasi yang sesuai dengan
prinsip kerja motor digunakan sebagai
rangkaian yang akan dibuat pada PCB
board. Dilakukan pengujian pada PCB
board. Hasil uji dari PCB board yang
berhasil dijadikan parameter untuk
membuat PCB board selanjutnya. Hasil uji
PCB board yang gagal akan menjadi
parameter untuk menganalisis rangkaian
tersebut kembali dengan membuat
rangkaian dari simulasi software sampai
ditemukan rangkaian yang sesuai prinsip
kerja motor.
Dilakukan pengujian nilai RDS (on)
MOSFET pada driver ini sebagai parameter
optimal atau tidaknya rangkaian driver ini.
Nilai RDS (on) yang didapat dari hasil uji
dibandingkan dengan nilai RDS (on), jika
didapat nilai yang sesuai datasheet maka
driver berfungsi dengan baik namun jika
tidak maka driver belum optimal sehingga
diperlukan pengecekan rangkaian driver
dari
spesifikasi
komponen
sampai
rangkaian.
Nilai RDS (on) tidak dapat diukur saat
MOSFET(on), sehingga nilai yang diukur
saat MOSFET(on) adalah nilai VDS dan
ID. Karena RDS = VDS/ID maka dengan
nilai hasil uji VDS dan ID didapat nilai hasil
uji RDS(on). Agar didapat nilai yang tetap
maka lakukan pengujian pada satu
MOSFET dengan diberi penyulutan A+
sampai B-. Seperti pada Gambar 3.8 berikut
ini:
VDS +
Gambar 3. 9 Rangkaian skematik Driver stepper
motor.
Setelah membuat rangkaian skematik
dari
sistem
penggerak
kemuadian
menggunakan software Proteus 8.6 dibuat
desain routing pcb board seperti pada
Gambar 3.10 dan Gambar 3.11 kemudian
Gambar 3.12 adalah gambar layer posisi
komponen PCB disertai nameplate dan
Gambar 3. 13 adalah gambar 3D PCB dari
rancangan PCB driver stepper motor
berikut:
Gambar 3. 10 Tata letak top layer PCB sistem
penggerak stepper
VDS -
Gambar 3. 8 Pengukuran VDS pada MOSFET Q1
C.
Pembuatan sistem penggerak
Dengan bantuan diagram alir
perancangan
kemudian
dilakukan
perancangan rangkaian dari skematik
sampai menjadi PCB board. Berikut
Gambar 3.9 adalah gambar rangkaian
skematik driver stepper motor:
Gambar 3. 11 Tata letak bottom layer PCB sistem
penggerak stepper
START
A
Pencarian
Literatur
Desain Layout
PCB
Konsep
Rancangan
Rangkaian
Pemesanan PCB
Pembuatan
Rangkaian dan
Simulasi
Software
Gambar 3. 12 Layer PCB driver stepper dengan
nameplate
Assembly
Komponen pada
PCB
Testing
Rangkaian pada
Project Board
Uji
Rangkaian
Yes
A
No
Uji
Rangkaian
Yes
Integrasi Sistem
Penggerak
dengan Mesin
Grafir
SELESAI
Gambar 3. 14 Diagram alir perancangan
Motor DC.
Gambar 3. 13 Model 3D Driver Stepper
3.5.2
A.
Perancangan
dan
penggerak motor DC
pembuatan
Gambaran umum
Motor yang digunakan untuk
menggerakan spindle adalah motor DC.
Motor DC ini berada pada tegangan kerja
24 VDC. Untuk menggerakan motor ini
menggunakan rangkaian MOSFET FULL
H- Bridge yang dapat digunakan untuk
menggerakan motor DC pada tegangan dan
arus yang tinggi dan dapat diberikan sinyal
PWM sebagai input-an pengubah kecepatan
dari RPM spindle.
B.
Diagram alir
Pada pembuatan sistem penggerak
motor DC diperlukan perancangan agar
didapat hasil yang sesuai dengan keperluan
mesin grafir 2.5D. Oleh sebab itu untuk
mempermudah perancangan dibuatlah
diagram alir perancangan sistem penggerak
motor DC seperti pada Gambar 3.14 berikut
ini :
Dilakukan pencarian referensi motor
DC dan penggerak yang cocok untuk
digunakan pada motor. Setelah mengetahui
informasi mengenai motor DC dan
penggeraknya, pahami konsep rangkaian
yang akan dirancang kemudian buatlah
rancangan rangkaian penggerak motor DC.
Uji rangkaian, jika sesuai dengan yang
diinginkan maka dibuat layout PCB dari
rangkaian tersebut. Jika belum sesuai maka
pembuatan rancangan rangkaian dilakukan
kembali. Setelah itu pembuatan PCB dan
diujikan apakah sudah sesuai dan berfungsi
dengan baik. Jika belum berfungsi maka,
membuat layout PCB baru, jika sudah
sesuai dan berfungsi maka PCB tersebut
dapat digunakan untuk penggerak motor
DC.
Dilakukan pengujian nilai RDS (on)
MOSFET pada driver ini sebagai parameter
optimal atau tidaknya rangkaian driver ini.
Nilai RDS (on) yang didapat dari hasil uji
dibandingkan dengan nilai RDS (on), jika
didapat nilai yang sesuai datasheet maka
driver berfungsi dengan baik namun jika
tidak maka driver belum optimal sehingga
diperlukan pengecekan rangkaian driver
dari
spesifikasi
komponen
sampai
rangkaian.
Nilai RDS (on) tidak dapat diukur saat
MOSFET(on), sehingga nilai yang diukur
saat MOSFET(on) adalah nilai VDS dan
ID. Karena RDS = VDS/ID maka dengan
nilai hasil uji VDS dan ID didapat nilai hasil
uji RDS(on). Lakukan pengujian pada satu
MOSFET dengan diberi arah putaran motor
CW dan CCW. Seperti pada Gambar 3.15
berikut ini:
VDS -
Gambar 3. 15 Pengukuran VDS pada MOSFET Q1
C.
Pembuatan sistem penggerak
Gambar 3. 18 Tata letak bottom layer PCB sistem
penggerak DC
Diagram alir yang sudah dibuat
kemudian diimplementasikan agar didapat
hasil yaitu sistem penggerak motor DC
dalam pembuatan ini perlu diperhatikan
bahwa perlu adanya rangkaian isolator
antara Raspberry dan sistem penggerak
sebagai safety dan pull up input untuk IC
gate Driver yang akan mengaktifkan
MOSFET sebagai pengontrol input motor
DC. Berikut Gambar 3.16 adalah gambar
dari skematik driver motor DC
Gambar 3. 19 Layer PCB driver DC dengan
nameplate
Gambar 3. 16 Rangkaian skematik Driver motor
DC.
Gambar 3. 20 Model 3D Driver DC
Gambar 3.17 dan 3.18 adalah
gambar desain PCB top layer dan bottom
layer driver motor DC, sedangkan Gambar
3.19 adalah gambar layer posisi komponen
PCB disertai nameplate dan Gambar 3. 20
adalah gambar 3D PCB desain 3D dari PCB
driver motor DC menggunakan software
proteus 8.6.
Gambar 3. 17 Tata letak top layer PCB sistem
penggerak DC
3.5.3
A.
Perancangan dan pembuatan panel
kontrol
Gambaran umum
Proses pembuatan panel elektrik dan
motherboard untuk mesin grafir 2.5D
dimulai dari membuat daftar barang yang
dibutuhkan dan kemudian membuat desain
panel dan PCB motherboard untuk
peletakan komponen yang dibutuhkan.
Setelah itu, barang yang dibutuhkan perlu
disiapkan sebelum proses pemasangan.
Pembuatan lubang pada bagian samping
panel, pintu dilakukan untuk barang yang
dibutuhkan dari luar panel sehingga tidak
semua barang berada di dalam panel dan
penyolderan PCB motherboard. Setelah
selesai pelubangan panel dan pemasangan
komponen pada panel dan motherboard,
pengkabelan
dilakukan
untuk
menghubungkan jalur elektrik yang saling
berhubungan. Pada langkah akhir, panel
dan motherboard diuji untuk kelancaran
kerja sistem.
B.
C.
Pembuatan Panel dan Motherboard
Pembuatan panel dan motherboard
didasari dari diagram alir proses pembuatan
panel dan motherboard sehigga didapat
beberapa proses pengerjaan yaitu desain,
machining, dan electrical wiring. Gambar
3.22 adalah desain 3D panel menggunakan
solidwork, Gambar 3.23 adalah gambar
PCB motherbard menggunakan software
proteus 8.6 dan Gambar 3.24 adalah
gambar layer posisi komponen PCB
disertai nameplate:
Diagram alir
Pada
pembuatan
panel
dan
motherboard dilakukan secara paralel atau
secara bersamaan agar didapat efektivitas
waktu dalam proses pembuatan panel dam
motherboard. Agar didapat rancangan
yang sesuai dengan step proses dibuatlah
diagram alir rancangan pembuatan panel
dan motherboard seperti Gambar 3.21
berikut ini:
START
A
Membuat list
komponen yang
dibutuhkan
Assembly
Komponen pada
Panel dan
Motherboard
Gambar 3. 22 Model 3D Desain Panel kontrol
Gambar 3. 23 Tata letak double layer PCB
Motherboard
Konsep Kerja
Panel
Wiring Panel
Pembuatan
Desain Panel
dan
Motherboard
Uji Coba
Pengadaan
Komponen
No
Yes
STOP
Machining
Panel
A
Gambar 3. 21 Diagram alir pembuatan panel dan
motherboard.
Gambar 3. 24 Layer PCB motherboard dengan
nameplate
4. UCAPAN TERIMAKASIH
Dalam pembuatan Proyek Akhir ini banyak
sekali pihak yang membantu baik secara moral
ataupun materi sehingga Proyek Akhir ini dapat
diselesaikan tepat waktun. Ucapan terima kasih
kepada semua pihak yang telah membantu,
khususnya kepada :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tuhan yang Maha Esa karena atas berkatnya
Laporan Teknik Proyek Akhir ini dapat
selesai.
Kedua orang tua dan saudara tercinta yang
selalu memberikan nasihat dan memberikan
doa.
Bapak Hendy Rudiansyah dan Ibu Tika
Meizinta selaku pembimbing yang telah
membimbing dan mengarahkan penulis
dalam menyelesaikan karya tulis serta
program yang dibuat.
Bapak Ismail selaku Kepala Jurusan Teknik
Otomasi Manufaktur dan Mekatronika yang
selalu memotivasi dan memberi semangat.
Seluruh
instruktur
Teknik
Otomasi
Manufaktur dan Mekatronika yang telah
memberikan nasihat dan penyegaran dikala
penulis sedang mengalami kesulitan dan
kebuntuan.
Institusi Politeknik Manufaktur Negeri
Bandung, khususnya jurusan Teknik
mekatronika dan Otomasi Manufaktur, untuk
fasilitas yang dipakai selama masa
perkuliahan dan pengerjaan tugas akhir ini.
Teman-teman tingkat 3, khususnya temanteman AEA, AEB, AEC atas semua bantuan
dan dorongan semangatnya.
Mohon maaf kepada semua pihak atas
kesalahan yang pernah dilakukan baik itu
sengaja ataupun tidak sengaja selama
pengerjaan proyek akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
Stepper motor ; Pengertian, cara kerja dan jenisjenisnya. 16 Juni 2017.
http://www.partner3d.com/motor-stepper-pengertiancara-kerja-dan-jenis-jenisnya/
2-phase and 5-phase Stepper Motor Comparison. 16
Juni 2017.
http://www.orientalmotor.com/steppermotors/technology/2-phase-vs-5-phase-steppermotors.html
Syahrul, (-), Stepper motor: Teknologi, Metoda dan
Rangkaian kontrol, Majalah Ilmiah Unikom
Prinsip Kerja Motor DC. 19 Juni 2017.
http://elektronika-dasar.web.id/prinsip-kerja-motorDC/
Prinsip Kerja Motor Listrik DC. 19 Juni 2017.
http://artikel-teknologi.com/prinsip-kerja-motorlistrik/
Stepper motor 19 Juni 2017.
http://id.fym-motor.com/theory-of-stepper-motor20.html
Driver Motor DC pada Robot Beroda dengan
Konfigurasi H-BRIDGE MOSFET 16 Juni 2017
https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/teori-hbridge-MOSFET/
Bachdar, Rizki Azmi Islami. 2015. RANCANG
BANGUN
PENGGERAK
MOTOR
DAN
PEMROGRAMAN PADA SUMBU Z SERTA
KONTROL SISTEM PADA MESIN GRAFIR 2 ½
D BERBASIS ARDUINO. Politeknik Manufaktur
Negeri Bandung. Bandung.
Rizal,
Muhammad.
2016.
PEMBUATAN
PENGGERAK DAN PENGENDALI SUMBU Z
DAN SPINDLE MESIN GRAFIR 2.5D BERBASIS
MICROCONTROLLER . Politeknik Manufaktur
Negeri Bandung. Bandung.
Rizal, Muhammad Nursyam. 2016. PEMBUATAN
PENGENDALI DAN PENGGERAK STEPPER
MOTOR PADA MESIN GRAFIR 2.5 D
BERBASIS MICRO-CONTROLLER . Politeknik
Manufaktur Negeri Bandung. Bandung.
Nasar. Handbook Of Electric Machines
MESIN GRAFIR 2.5D MENGGUNAKAN MOSFET
Wahyu Hidayat
Hendy Rudiansyah, Tika Meizinta
Jurusan Teknik Otomasi Manufaktur dan Mekatronika
Politeknik Manufaktur Negeri Bandung
Jl. Kanayakan 21 Bandung, Indonesia
ABSTRAK
Mesin grafir 2.5D merupakan mesin yang memiliki kemampuan untuk melakukan proses milling yang dapat
dioperasikan otomatis dan manual. Terdapat empat buah penggerak pada mesin ini, yaitu 3 buah stepper motor 2
fasa pada sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z , serta 1 buah motor DC untuk memutar spindle. Mesin grafir 2.5D ini
diintegrasikan dengan sistem pengendali berbasis Mikrokomputer yaitu Raspberry pi 3 dengan interface
menggunakan LCD dan keypad antara mesin dan operator.
Proyek akhir ini difokuskan pada rancang bangun sistem penggerak stepper motor dan motor DC pada mesin
grafir 2.5D. Sistem penggerak ini terdiri atas driver motor DC dan stepper motor 2 fasa yang diintegrasikan dengan
sistem perangkat lunak dari mikrokomputer raspberry pi. Rangkaian MOSFET H-bridge digunakan untuk
menggerakan motor DC dan Rangkaian MOSFET Dual H-bridge untuk stepper motor 2 fasa dimana rangkaian ini
menerima input kontrol dari pin-pin raspberry pi untuk mengontrol kecepatan dari motor DC sebagai spindle dan
pergerakan stepper motor. Selain itu dalam sistem ini memiliki komponen pengaman yaitu dioda, agar tidak
terjadinya arus balik yang dapat membuat rangkaian short-circuit.
Dengan menggunakan rangkaian MOSFET H-bridge sebagai sistem penggerak mesin grafir 2.5D ini,
pergerakan dari sumbu X,Y,Z dan spindle mesin memiliki pergerakan yang dapat dikendalikan dari mikrokomputer.
MOSFET pada driver stepper motor yang memiliki nilai VDS = 8,3%, dimana rangkaian mendekati nilai optimal
karena nilai VDS sudah sesuai dengan datasheet MOSFET IRF540, tetapi nilai RDS(on) masih belum sesuai dan
MOSFET pada driver motor DC yang memiliki nilai VDS = 0,83% saat berputar pada arah CW, dimana nilai ini
mendekati nilai optimal dari datasheet MOSFET IRF540 karena nilai RDS(on) sudah mendekati nilai RDS(on) pada
datasheet MOSFET IRF540.
Kata kunci : Mesin grafir 2.5D, Raspberry Pi 3, Motor DC, Stepper motor, Driver, MOSFET H-Bridge.
1. PENDAHULUAN
perangkat-perangkat
yang
digunakan
merealisasikan mesin CNC Grafir 2.5D.
1.1 Tujuan
1. Unit Antarmuka : LCD berwarna 5 Inci –
Keypad (Numpad set).
2. Unit Proses
:
Microcomputer
–
Raspberry pi 3.
3. Unit Pengendali :
Microcomputer
–
Raspberry pi 3.
Perangkat keras :
1. Stepper motor
: 2-phase hybrid stepping
motor 57BYGH56-4011YD, 8 segments
drive.
2. Motor DC
:
500W
/
11000r/min (Very Smallnoise).
3. Driver Stepper : MOSFET Dual H-Bridge
Driver stepper motor.
4. Driver DC
: MOSFET HBridge Driver motor DC.
5. HMI
: 5 inch LCD HDMI
800x480 + Qliptec Numerical Keypad
Perangkat lunak :
1. Visual Studio 2015 64 bit, digunakan untuk
membantu program antarmuka mesin.
Tujuan dari proyek akhir ini adalah sebagai
berikut.
1. Membuat perangkat kontrol untuk mesin
CNC Grafir 2.5D berbasis mikrokomputer.
2. Membuat sistem penggerak untuk mesin
CNC Grafir 2.5D.
3. Mesin dapat menggerakan aktuator dengan
ketepatan posisi secara efisien.
4. Mesin dapat menggerakan sumbu X dan Y
secara
simultan
sehingga
dapat
berinterpolasi.
5. Mesin dapat menggerakkan sumbu Z
sehingga
mampu
melakukan
proses
pemakanan pada kedalaman tertentu.
6. Input G-Code dapat dilakukan dengan
memasukkan file dari memori / USB.
1.2 Teknologi
Teknologi yang digunakan pada proyek akhir ini
secara keseluruhan adalah teknologi mesin produksi
yang melibatkan teknik kendali. Berikut adalah
untuk
2. Python 3.5.1, digunakan untuk membuat
program inti yang mengendalikan pergerakan
mesin.
3. PyQt 5.6, digunakan untuk membuat
program program antarmuka mesin.
4. Qt 5.7.1 Creator & Designer, digunakan
untuk membuat program antarmuka mesin.
5. Proteus 8.6, digunakan untuk membuat
desain PCB dan rangkaian unit pengendali.
6. Autocad Electrical, digunakan untuk
membuat skematik wiring panel.
7. Solidworks 2014, digunakan untuk membuat
desain panel kontrol.
8. Microsoft Visio, digunakan untuk membuat
algoritma sistem.
2. METODOLOGI PENULISAN
Penyelesaian masalah dalam proyek akhir ini
menggunakan metode sebagai berikut.
a.
Studi pustaka, yaitu melakukan pengumpulan
data dari buku-buku, jurnal, dan artikel di
internet.
b. Studi analisis, yaitu melakukan analisa dari
teori dan hasil pengamatan.
c. Metode
wawancara,
yaitu
dengan
mendapatkan informasi dari alumni, serta
melalui bimbingan dengan dosen-dosen,
terutama dosen pembimbing.
d. Studi
lapangan,
yaitu
melakukan
pengumpulan data dari hasil pengamatan.
Gambar 3. 1 Mesin Grafir 2.5D
Plant
dikendalikan
menggunakan
mikrokomputer Raspberry pi sebagai unit proses
pengiriman dan penerimaan sinyal perintah pada plant.
Raspberry pi menjadi pengontrol utama yang bertugas
untuk mengkomunikasikan masukan dari interface
sehingga mengeluarkan sinyal perintah kepada
penggerak stepper motor dan penggerak motor DC
yang telah dibuat. Penggerak stepper motor dan motor
DC menggunakan komponen utama berupa MOSFET
IRF540 ,IC gate Driver dan optocoupler sebagai
rangkaian isolator. Operator memasukan koordinat
dan kedalaman pemakanan yang diinginkan dalam
format G-Code dan M-code menggunakan keypad dan
ditampilkan pada LCD yang terdapat pada panel
kontrol. Dapat dilihat flowchart gambaran umum
sistem pada Gambar 3.2 ini.
NUMPAD, KEYPAD,
USB
INPUT
uC
3. SUBSISTEM RANCANGAN PENGENDALI
Subsistem merupakan bagian dari sistem yang
memiliki fungsi tertentu sehingga sistem dapat bekerja
sebagaimana mestinya.
3.1
Gambaran Umum Sistem
Mesin Grafir 2.5D adalah alat bantu pengerjaan
frais yang dua sumbunya (sumbu X dan sumbu Y)
bergerak secara bersamaan dan satu sumbunya (sumbu
Z) bergerak secara terpisah. Mesin grafir ini beroperasi
pada koordinat kartesius, yaitu sumbu X, sumbu Y,
dan sumbu Z. pergerakan dalam sumbu-sumbu
tersebut dikendalikan oleh aktuator berupa motormotor listrik. Pada sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z
digunakan stepper motor yang berfungsi untuk
menentukan posisi dari titik-titik yang telah
ditentukan, sedangkan pada spindle digunakan motor
DC (Direct Current) untuk melakukan pemakanan
benda kerja setelah sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z
mencapai posisi yang ditentukan. Inilah yang nantinya
akan berhubungan langsung dengan benda kerja yang
akan dilakukan proses pengerjaan. Gambar 3.1 berikut
ini adalah Gambar dari mesin grafir 2.5D.
OUTPUT
DRIVER
SUMBU X
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SUMBU Y
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SUMBU Z
MOTOR
STEPPER
DRIVER
SPINDLE
MOTOR DC
LCD
Gambar 3. 2 Gambaran umum Sistem
Antarmuka yang digunakan pada proyek akhir
ini adalah LCD dan keypad. Data yang dimasukan
kedalam antarmuka akan dibaca oleh unit proses yang
berupa Raspberry pi. Pada unit proses, data akan
diolah sehingga menjadi perintah-perintah gerakan
mesin. Setelah diolah data tersebut akan dikirim ke
unit pengendali untuk dieksekusi. Unit pengendali
stepper motor X dan Y mendapat data yang sama
secara bersamaan. Untuk itu pada unit proses yaitu
Rasberry Pi dibuat program yang mampu menjalankan
proses interpolasi sehingga, dua buah sumbu mampu
bergerak secara bersamaan.
3.2
Sistem dan Konstruksi Mekanik
3.2.1 Sistem mekanik
Sistem pada plant ini dimulai dengan
input G-code pada antarmuka yang kemudian
diproses oleh mikrokomputer menghasilkan
output pulse pada sistem elektrikal yang masuk
ke driver stepper motor, dimana driver ini
memberikan catuan untuk stepper motor
bergerak. Saat stepper motor bergerak maka
rotor motor akan menggerakan poros
transportir yang terhubung dengan coupling
flexible membuat gerakan rotasi dari stepper
motor pada sumbu X, Y atau Z akan menjadi
gerakan translasi karena adanya ballscrew yang
mengubah gerakan rotasi motor menjadi
gerakan translasi oleh sebab itu dengan
menggerakkan stepper motor plant dapat
bergerak sesuai sumbu nya. Gerakan poros
transportir ini akan di teruskan oleh ballscrew
sehingga sumbu-sumbu dapat bergerak
translasi.
Sebagaimana
penjelasan
diatas,
pergerakan translasi dari sumbu-sumbu plant
dapat diukur dengan perhitungan sederhana,
dimana :
Pergerakan translasi = Jumlah pulsa per
putaran x jarak tempuh per pulsa..............[3-1]
Berikut adalah penjelasan mengenai
jumlah gerak rotasi menjadi gerak pergeseran
translasi pada sumbu mesin Grafir 2.5D :
metode, sehingga jika operator membutuhkan
akurasi dalam setiap gerakan, maka metode
half step menjadi solusinya. Namun jika
akurasi tidak begitu dibutuhkan dalam
prosesnya, , maka operator akan lebih baik jika
memilih metode full step dalam proses
pengerjaannya. Karena pada half step
diperlukan daya lebih besar saat proses yang
berkelanjutan.
Berikut merupakan diagram alir pada
sistem mekanik mesin pada proyek ini,
ditunjukkan pada Gambar 3.3.
G-Code
Pengolahan
oleh program
Pulse yang
diterima oleh
motor
Full Step
(200 pulse /
rotation)
Poros
transportir
berputar
Ballscrew
menggerakan
sumbu mesin
sejauh 4mm
Half Step
(400 pulse /
rotation)
Poros
Transportir
berputar
Ballscrew
menggerakan
sumbu mesin
sejauh 4mm
Gambar 3. 3 Diagram Alir Sistem Mekanik
3.2.2 Konstruksi mekanik
Mesin grafir 2.5D ini memiliki
perangkat mekanik dimana masing-masing
komponen mesin tersebut saling terintegrasi
menjalankan fungsi setiap bagiannya dengan
sistem. Proses manufaktur dalam pembuatan
konstruksi berikut yaitu dengan menggunakan
mesin frais untuk didapatkan permukaan yang
halus pada area kerja, dan proses bor untuk
melubangi
beberapa
lubang
untuk
pengikatannya. Tabel spesifikasi mesin dapat
dilihat pada Tabel 3.2 ini.
Tabel 3. 2 Spesifikasi Mesin
Tabel 3.1 Pergerakan rotasi bipolar stepper motor
menjadi gerak translasi.
Metode
Full
step
Half
step
Jumlah
pulsa per
putaran
( pulsa )
Jarak tempuh
per pulsa
( mm/pulsa )
200
0,02
Jarak
pergerakan
translasi per
putaran
( mm )
4
400
0,01
4
Pada Tabel 3.1 , gerakan Full step yang
diaplikasikan
pada
stepper
motor
menghasilkan jarak tempuh 0,02 mm setiap
pulsa diberikan. Berbeda dengan gerakan half
step dimana pada setiap pulsa yang
menggerakan motor menghasilkan gerak
translasi sebesar 0,01 mm. Hal ini menegaskan
perbedaan dan keunggulan dari masing-masing
Area kerja
sumbu X, Y, Z
Max.Pemakanan
Dimensi luar
Ukuran meja
Material
Stepper motor
Unit penggerak
Unit penggeser
Kecepatan
maksimum
Kecepatan
pemakanan
Ketepatan posisi
Motor spindle
Kecepatan
spindle
Alat pemotong
Antarmuka
(interface)
Komtabilitas
software
Kode perintah
275 x 385 x 55 mm
≤70mm
610 x 480 x 400 mm
530 x 320 mm
6061/6063 Alumunium alloy
Two phase 57/1.8A(0,9°/1,8°)
1204 Ball Screw
Chromeplate shaft
0- 4000 mm/min
300 – 2500mm/min
0.05mm
Motor spindle dengan arus
langsung
11000 RPM
ER11/3.175mm
Pararel port
Mach3/Emc2
G code/.nc/.ncc/.tab/.txt
3.3
saklar “START” terlebih dahulu. Flowchart
diagram alir sistem auto dapat dilihat pada
Gambar 3.5 ini.
Diagram Alir Sistem
3.3.1
Diagram alir perancangan
Tahap awal dari perancangan
pengendali mesin adalah mengidentifikasi
sistem yang akan dibuat. Identifikasi awal
meliputi identifikasi fungsi keseluruhan mesin.
Kemudian membuat daftar tuntutan yang harus
dicapai lalu membuat rancangan sistem
pengendali. Setelah membuat rancangan
pegendali, diperiksa ulang apakah sudah sesuai
dengan tuntutan sistem. Pada saat pengujian,
jika sistem pengendali tidak berfungsi dengan
baik maka rancangan sistem pengendali harus
dibuat ulang, jika sudah berfungsi dengan baik
maka sistem pengendali siap digunakan pada
mesin grafir 2.5D. Gambar 3.4 berikut ini
adalah gambar diagram alir perancangan dari
pembuatan sistem kendali plant.
A
Mulai
Tidak
Menggerakkan sumbu
Z
Input G-Code, MCode, X , Y , F , R
Ya
Jalankan Program
Tidak
Motor
stepper
menggerakka
n sumbu Z
Ya
Tekan
tombol
“START”
Memutar
Spindle
Perhitungan DDA,
feedrate , arah putar,
posisi
MULAI
Motor stepper
bergerak sesuai
koordinat X dan Y
(Interpolasi)
Pindah ke line
program
selanjutnya
B
M30
A
B
Ya
IDENTIFIKASI MASALAH
Selesai
Gambar 3. 5 Diagram alir mode auto.
TENTUKAN HASIL
PERANCANGAN
3.3.3
Diagram alir sistem pada mode
manual
Pada mode manual, pergerakan mesin
sesuai dengan ditekannya tombol keypad
sumbu kemana alat potong akan digerakkan.
Pengaktifan dan penonaktifan motor juga dapat
dilakukan dengan cara manual. Berikut
Gambar 3.6 adalah flowchart diagram alir
sistem manual.
TIDAK
KONSEP PERANCANGAN
TIDAK
PEMBUATAN SISTEM KENDALI
MESIN SESUAI?
Mulai
YA
XCW, XCCW,
YCW, YCWW,
ZCW, ZCCW
Spindle CW,
Spindle CCW
INSTALASI DAN PENGUJIAN
MESIN SESUAI?
Sumbu X
Ya
Tidak
Sumbu Y
Ya
YA
Sumbu Z
Spindle
Tidak
Ya
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
X
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
Y
Motor stepper
bergerak sejauh 1
BLU pada sumbu
Z
Tidak ada input
Diagram alir sistem pada mode auto
Pada mode auto, operator harus
memasukkan program kontrol menggunakan
angka (Numerical Control) berstandar GCode dan menggunakan metode interpolasi
DDA untuk mencapai koordinat yang dituju.
Untuk memulai mode auto operator menekan
Tidak
Ya
MESIN DAN SISTEM KENDALI
SESUAI DAN TERUJI
Gambar 3. 4 Diagram alir perancangan.
Tidak
3.3.2
Spindle aktif CW
Spindle aktif CCW
Tidak
Ya
Selesai
Gambar 3. 6 Diagram alir mode manual.
3.4
Tuntutan Sistem
Dalam perancangan dan pembuatan pengendali
mesin grafir 2.5D ini mempunyai beberapa tuntutan.
Tuntutan tersebut harus dapat dilakukan oleh mesin
grafir 2.5D ini diantaranya :
1. Mesin harus mampu membuat pola berbentuk
huruf alfabet dengan menerapkan sistem
interpolasi linear dan circular.
2. Mesin dapat menggerakan aktuator dengan
ketepatan posisi secara efisien.
3. Mesin dapat menggerakan sumbu X dan Y secara
simultan sehingga dapat berinterpolasi.
4. Mesin dapat menggerakkan sumbu Z sehingga
mampu melakukan proses pemakanan pada
kedalaman tertentu.
5. Input G-Code dapat dilakukan dengan
memasukkan file dari memori / USB.
3.5
Tabel 3. 4 Konfigurasi Half Step
Clockwise
B.
A.
Perancangan
dan
pembuatan
penggerak stepper motor sumbu X ,
Y dan Z
Gambaran umum
Untuk menggerakan Bipolar 2 Phase
stepper motor pada plant ini dibutuhkan
sistem penggerak yang dapat diintegrasikan
dengan mikrokomputer. Pada Proyek akhir
ini digunakan rangkaian MOSFET DUAL
FULL H- Bridge yang memiliki komponen
utama MOSFET IRF 540 dan IC gate Driver
untuk menggerakkan motor. Rangkaian
sistem penggerak ini terdiri dari komponenkomponen utama tersebut yang dilengkapi
dengan rangkaian pelengkap, seperti
rangkaian isolator optocoupler untuk
memisahkan sumber mikrokomputer dengan
Driver sebagai pull up input dan safety dari
Raspberry pi. Mikrokomputer membaca
perintah dari master untuk kemudian diolah
mikrokomputer itu sendiri menjadi beberapa
varian pulsa yang berpola dan bergantian
yang akan menyulut MOSFET untuk
menggerakan motor. Dilakukan perencanaan
dengan melihat karakteristik penyulutan
stepper motor seperti pada Tabel 3.3 dan
Tabel 3.4 berikut ini:
Tabel 3. 3 Konfigurasi Full Step
Clockwise
Step
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
0
0
1
0
3
0
1
0
0
4
0
0
0
1
C
0
1
1
1
0
0
0
0
B
0
0
0
1
1
1
0
0
D
0
0
0
0
0
1
1
1
Counter
Clockwise
Diagram alir
Untuk membuat sistem penggerak
bipolar 2 phase stepper motor diperlukan
perencanaan. Perencanaan tersebut akan
disajikan dalam bentuk diagram alir.
Berikut adalah diagram alir perencanaan
pembuatan sistem penggerak bipolar 2
phase stepper motor. Gambar 3.7 berikut
ini adalah flowchart diagram alir
perancangan driver stepper.
Subsistem Rancangan Pengendali
3.5.1
A
1
1
0
0
0
0
0
1
Step
1
2
3
4
5
6
7
8
START
A
Pencarian
Literatur
Desain Layout
PCB
Konsep
Rancangan
Rangkaian
Pemesanan PCB
Pembuatan
Rangkaian dan
Simulasi
Software
Assembly
Komponen pada
PCB
Testing
Rangkaian pada
Project Board
Uji
Rangkaian
Yes
A
No
Uji
Rangkaian
No
Yes
Integrasi Sistem
Penggerak
dengan Mesin
Grafir
SELESAI
Counter
Clockwise
Gambar 3. 7 Diagram alir perancangan stepper
motor driver.
Beberapa karakteristik yang harus
diperhatikan adalah prinsip kerja motor,
tegangan dan arus pada motor, BLU (Basic
Length Unit), dan arah pergerakan mata
potong
terhadap
pengaruh
motor.
Perancang rangkaian motor, pembuatan
rangkaian, serta pembuatan program
dilakukan setelah mengetahui prinsip kerja
motor. Digunakan simulasi pada software
untuk mengetahui cara kerja rangkaian.
Rangkaian simulasi yang sesuai dengan
prinsip kerja motor digunakan sebagai
rangkaian yang akan dibuat pada PCB
board. Dilakukan pengujian pada PCB
board. Hasil uji dari PCB board yang
berhasil dijadikan parameter untuk
membuat PCB board selanjutnya. Hasil uji
PCB board yang gagal akan menjadi
parameter untuk menganalisis rangkaian
tersebut kembali dengan membuat
rangkaian dari simulasi software sampai
ditemukan rangkaian yang sesuai prinsip
kerja motor.
Dilakukan pengujian nilai RDS (on)
MOSFET pada driver ini sebagai parameter
optimal atau tidaknya rangkaian driver ini.
Nilai RDS (on) yang didapat dari hasil uji
dibandingkan dengan nilai RDS (on), jika
didapat nilai yang sesuai datasheet maka
driver berfungsi dengan baik namun jika
tidak maka driver belum optimal sehingga
diperlukan pengecekan rangkaian driver
dari
spesifikasi
komponen
sampai
rangkaian.
Nilai RDS (on) tidak dapat diukur saat
MOSFET(on), sehingga nilai yang diukur
saat MOSFET(on) adalah nilai VDS dan
ID. Karena RDS = VDS/ID maka dengan
nilai hasil uji VDS dan ID didapat nilai hasil
uji RDS(on). Agar didapat nilai yang tetap
maka lakukan pengujian pada satu
MOSFET dengan diberi penyulutan A+
sampai B-. Seperti pada Gambar 3.8 berikut
ini:
VDS +
Gambar 3. 9 Rangkaian skematik Driver stepper
motor.
Setelah membuat rangkaian skematik
dari
sistem
penggerak
kemuadian
menggunakan software Proteus 8.6 dibuat
desain routing pcb board seperti pada
Gambar 3.10 dan Gambar 3.11 kemudian
Gambar 3.12 adalah gambar layer posisi
komponen PCB disertai nameplate dan
Gambar 3. 13 adalah gambar 3D PCB dari
rancangan PCB driver stepper motor
berikut:
Gambar 3. 10 Tata letak top layer PCB sistem
penggerak stepper
VDS -
Gambar 3. 8 Pengukuran VDS pada MOSFET Q1
C.
Pembuatan sistem penggerak
Dengan bantuan diagram alir
perancangan
kemudian
dilakukan
perancangan rangkaian dari skematik
sampai menjadi PCB board. Berikut
Gambar 3.9 adalah gambar rangkaian
skematik driver stepper motor:
Gambar 3. 11 Tata letak bottom layer PCB sistem
penggerak stepper
START
A
Pencarian
Literatur
Desain Layout
PCB
Konsep
Rancangan
Rangkaian
Pemesanan PCB
Pembuatan
Rangkaian dan
Simulasi
Software
Gambar 3. 12 Layer PCB driver stepper dengan
nameplate
Assembly
Komponen pada
PCB
Testing
Rangkaian pada
Project Board
Uji
Rangkaian
Yes
A
No
Uji
Rangkaian
Yes
Integrasi Sistem
Penggerak
dengan Mesin
Grafir
SELESAI
Gambar 3. 14 Diagram alir perancangan
Motor DC.
Gambar 3. 13 Model 3D Driver Stepper
3.5.2
A.
Perancangan
dan
penggerak motor DC
pembuatan
Gambaran umum
Motor yang digunakan untuk
menggerakan spindle adalah motor DC.
Motor DC ini berada pada tegangan kerja
24 VDC. Untuk menggerakan motor ini
menggunakan rangkaian MOSFET FULL
H- Bridge yang dapat digunakan untuk
menggerakan motor DC pada tegangan dan
arus yang tinggi dan dapat diberikan sinyal
PWM sebagai input-an pengubah kecepatan
dari RPM spindle.
B.
Diagram alir
Pada pembuatan sistem penggerak
motor DC diperlukan perancangan agar
didapat hasil yang sesuai dengan keperluan
mesin grafir 2.5D. Oleh sebab itu untuk
mempermudah perancangan dibuatlah
diagram alir perancangan sistem penggerak
motor DC seperti pada Gambar 3.14 berikut
ini :
Dilakukan pencarian referensi motor
DC dan penggerak yang cocok untuk
digunakan pada motor. Setelah mengetahui
informasi mengenai motor DC dan
penggeraknya, pahami konsep rangkaian
yang akan dirancang kemudian buatlah
rancangan rangkaian penggerak motor DC.
Uji rangkaian, jika sesuai dengan yang
diinginkan maka dibuat layout PCB dari
rangkaian tersebut. Jika belum sesuai maka
pembuatan rancangan rangkaian dilakukan
kembali. Setelah itu pembuatan PCB dan
diujikan apakah sudah sesuai dan berfungsi
dengan baik. Jika belum berfungsi maka,
membuat layout PCB baru, jika sudah
sesuai dan berfungsi maka PCB tersebut
dapat digunakan untuk penggerak motor
DC.
Dilakukan pengujian nilai RDS (on)
MOSFET pada driver ini sebagai parameter
optimal atau tidaknya rangkaian driver ini.
Nilai RDS (on) yang didapat dari hasil uji
dibandingkan dengan nilai RDS (on), jika
didapat nilai yang sesuai datasheet maka
driver berfungsi dengan baik namun jika
tidak maka driver belum optimal sehingga
diperlukan pengecekan rangkaian driver
dari
spesifikasi
komponen
sampai
rangkaian.
Nilai RDS (on) tidak dapat diukur saat
MOSFET(on), sehingga nilai yang diukur
saat MOSFET(on) adalah nilai VDS dan
ID. Karena RDS = VDS/ID maka dengan
nilai hasil uji VDS dan ID didapat nilai hasil
uji RDS(on). Lakukan pengujian pada satu
MOSFET dengan diberi arah putaran motor
CW dan CCW. Seperti pada Gambar 3.15
berikut ini:
VDS -
Gambar 3. 15 Pengukuran VDS pada MOSFET Q1
C.
Pembuatan sistem penggerak
Gambar 3. 18 Tata letak bottom layer PCB sistem
penggerak DC
Diagram alir yang sudah dibuat
kemudian diimplementasikan agar didapat
hasil yaitu sistem penggerak motor DC
dalam pembuatan ini perlu diperhatikan
bahwa perlu adanya rangkaian isolator
antara Raspberry dan sistem penggerak
sebagai safety dan pull up input untuk IC
gate Driver yang akan mengaktifkan
MOSFET sebagai pengontrol input motor
DC. Berikut Gambar 3.16 adalah gambar
dari skematik driver motor DC
Gambar 3. 19 Layer PCB driver DC dengan
nameplate
Gambar 3. 16 Rangkaian skematik Driver motor
DC.
Gambar 3. 20 Model 3D Driver DC
Gambar 3.17 dan 3.18 adalah
gambar desain PCB top layer dan bottom
layer driver motor DC, sedangkan Gambar
3.19 adalah gambar layer posisi komponen
PCB disertai nameplate dan Gambar 3. 20
adalah gambar 3D PCB desain 3D dari PCB
driver motor DC menggunakan software
proteus 8.6.
Gambar 3. 17 Tata letak top layer PCB sistem
penggerak DC
3.5.3
A.
Perancangan dan pembuatan panel
kontrol
Gambaran umum
Proses pembuatan panel elektrik dan
motherboard untuk mesin grafir 2.5D
dimulai dari membuat daftar barang yang
dibutuhkan dan kemudian membuat desain
panel dan PCB motherboard untuk
peletakan komponen yang dibutuhkan.
Setelah itu, barang yang dibutuhkan perlu
disiapkan sebelum proses pemasangan.
Pembuatan lubang pada bagian samping
panel, pintu dilakukan untuk barang yang
dibutuhkan dari luar panel sehingga tidak
semua barang berada di dalam panel dan
penyolderan PCB motherboard. Setelah
selesai pelubangan panel dan pemasangan
komponen pada panel dan motherboard,
pengkabelan
dilakukan
untuk
menghubungkan jalur elektrik yang saling
berhubungan. Pada langkah akhir, panel
dan motherboard diuji untuk kelancaran
kerja sistem.
B.
C.
Pembuatan Panel dan Motherboard
Pembuatan panel dan motherboard
didasari dari diagram alir proses pembuatan
panel dan motherboard sehigga didapat
beberapa proses pengerjaan yaitu desain,
machining, dan electrical wiring. Gambar
3.22 adalah desain 3D panel menggunakan
solidwork, Gambar 3.23 adalah gambar
PCB motherbard menggunakan software
proteus 8.6 dan Gambar 3.24 adalah
gambar layer posisi komponen PCB
disertai nameplate:
Diagram alir
Pada
pembuatan
panel
dan
motherboard dilakukan secara paralel atau
secara bersamaan agar didapat efektivitas
waktu dalam proses pembuatan panel dam
motherboard. Agar didapat rancangan
yang sesuai dengan step proses dibuatlah
diagram alir rancangan pembuatan panel
dan motherboard seperti Gambar 3.21
berikut ini:
START
A
Membuat list
komponen yang
dibutuhkan
Assembly
Komponen pada
Panel dan
Motherboard
Gambar 3. 22 Model 3D Desain Panel kontrol
Gambar 3. 23 Tata letak double layer PCB
Motherboard
Konsep Kerja
Panel
Wiring Panel
Pembuatan
Desain Panel
dan
Motherboard
Uji Coba
Pengadaan
Komponen
No
Yes
STOP
Machining
Panel
A
Gambar 3. 21 Diagram alir pembuatan panel dan
motherboard.
Gambar 3. 24 Layer PCB motherboard dengan
nameplate
4. UCAPAN TERIMAKASIH
Dalam pembuatan Proyek Akhir ini banyak
sekali pihak yang membantu baik secara moral
ataupun materi sehingga Proyek Akhir ini dapat
diselesaikan tepat waktun. Ucapan terima kasih
kepada semua pihak yang telah membantu,
khususnya kepada :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tuhan yang Maha Esa karena atas berkatnya
Laporan Teknik Proyek Akhir ini dapat
selesai.
Kedua orang tua dan saudara tercinta yang
selalu memberikan nasihat dan memberikan
doa.
Bapak Hendy Rudiansyah dan Ibu Tika
Meizinta selaku pembimbing yang telah
membimbing dan mengarahkan penulis
dalam menyelesaikan karya tulis serta
program yang dibuat.
Bapak Ismail selaku Kepala Jurusan Teknik
Otomasi Manufaktur dan Mekatronika yang
selalu memotivasi dan memberi semangat.
Seluruh
instruktur
Teknik
Otomasi
Manufaktur dan Mekatronika yang telah
memberikan nasihat dan penyegaran dikala
penulis sedang mengalami kesulitan dan
kebuntuan.
Institusi Politeknik Manufaktur Negeri
Bandung, khususnya jurusan Teknik
mekatronika dan Otomasi Manufaktur, untuk
fasilitas yang dipakai selama masa
perkuliahan dan pengerjaan tugas akhir ini.
Teman-teman tingkat 3, khususnya temanteman AEA, AEB, AEC atas semua bantuan
dan dorongan semangatnya.
Mohon maaf kepada semua pihak atas
kesalahan yang pernah dilakukan baik itu
sengaja ataupun tidak sengaja selama
pengerjaan proyek akhir ini.
DAFTAR PUSTAKA
Stepper motor ; Pengertian, cara kerja dan jenisjenisnya. 16 Juni 2017.
http://www.partner3d.com/motor-stepper-pengertiancara-kerja-dan-jenis-jenisnya/
2-phase and 5-phase Stepper Motor Comparison. 16
Juni 2017.
http://www.orientalmotor.com/steppermotors/technology/2-phase-vs-5-phase-steppermotors.html
Syahrul, (-), Stepper motor: Teknologi, Metoda dan
Rangkaian kontrol, Majalah Ilmiah Unikom
Prinsip Kerja Motor DC. 19 Juni 2017.
http://elektronika-dasar.web.id/prinsip-kerja-motorDC/
Prinsip Kerja Motor Listrik DC. 19 Juni 2017.
http://artikel-teknologi.com/prinsip-kerja-motorlistrik/
Stepper motor 19 Juni 2017.
http://id.fym-motor.com/theory-of-stepper-motor20.html
Driver Motor DC pada Robot Beroda dengan
Konfigurasi H-BRIDGE MOSFET 16 Juni 2017
https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/teori-hbridge-MOSFET/
Bachdar, Rizki Azmi Islami. 2015. RANCANG
BANGUN
PENGGERAK
MOTOR
DAN
PEMROGRAMAN PADA SUMBU Z SERTA
KONTROL SISTEM PADA MESIN GRAFIR 2 ½
D BERBASIS ARDUINO. Politeknik Manufaktur
Negeri Bandung. Bandung.
Rizal,
Muhammad.
2016.
PEMBUATAN
PENGGERAK DAN PENGENDALI SUMBU Z
DAN SPINDLE MESIN GRAFIR 2.5D BERBASIS
MICROCONTROLLER . Politeknik Manufaktur
Negeri Bandung. Bandung.
Rizal, Muhammad Nursyam. 2016. PEMBUATAN
PENGENDALI DAN PENGGERAK STEPPER
MOTOR PADA MESIN GRAFIR 2.5 D
BERBASIS MICRO-CONTROLLER . Politeknik
Manufaktur Negeri Bandung. Bandung.
Nasar. Handbook Of Electric Machines