Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Penentu Axis Z Zero Setter Menggunakan Laser dan Kamera Sebagai Sensor T1 612006028 BAB II
BAB II
SISTEM PENENTU AXIS Z ZERO SETTER
2.1
Gambaran Umum
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dipaparkan pada Bab I, tujuan
skripsi ini adalah merancang suatu penentu axis Z Zero Setter menggunakan laser sebagai
pengganti sensor Z setter dan kamera (webcam) sebagai sensor yang diaplikasikan pada
alat pengebor otomatis atau mesin bor duduk yang dikontrol secara otomatis dengan
menggunakan kayu sebagai bahan.
Pada skripsi ini dirancang sebuah mesin bor duduk otomatis yang menyerupai bor
duduk pada umumnya. Di sini digunakan laser dan kamera sebagai sensor penentu titik nol
yang dikendalikan oleh aplikasi desktop di PC (Personal Computer) dan data yang
diterima komputer akan dikirim ke mikrokontroler melalui serial. Ball screw (ulir)
digunakan untuk naik dan turunnya mesin bor dan dua buah linear shaft sebagai
penyangga untuk dudukan mesin bor. Untuk menggerakkan ball screw digunakan motor
stepper dan dikendalikan oleh mikrokontroler. Motor stepper terhubung oleh dua pulley
belt (katrol), yaitu pulley besar dan pulley kecil. Pulley kecil terhubung dengan motor
stepper langsung dan pulley besar terhubung oleh ulir, kedua pulley terhubung dengan belt.
2.2
Blok Diagram Sistem
Dari penjelasan yang telah dipaparkan di atas, dibuat blok diagram sistem seperti
Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Blok diagram sistem.
5
2.3
Cara Kerja Sistem
Tahap pertama yang dilakukan adalah proses kalibrasi otomatis yang dilakukan
oleh mata bor terhadap plat PCB pada meja kerja. Kalibrasi ini akan mengatur titik nol
mata bor terhadap meja kerja dan mengatur nilai nol laser terhadap mata bor. Setelah
melakukan proses kalibrasi mata bor pada plat PCB, sinar laser akan menyala dan bor akan
naik secara perlahan untuk mencari titik nol laser. Cara untuk menemukan titik nol laser
adalah menyatukan dua titik sinar laser menjadi sejajar seperti pada Gambar 2.2. Bila
posisi titik sinar laser masih bersilangan atau belum sejajar seperti pada Gambar 2.3, maka
bor akan bergerak naik atau turun sampai posisi sejajar.
Gambar 2.2. Titik nol sinar laser yang sudah sejajar.
Gambar 2.3. Titik laser yang belum sejajar.
Proses untuk mencari titik nol adalah dengan pengolahan citra digital (digital image
processing). Pengolahan citra digital adalah proses pengolahan gambar dua dimensi oleh
perangkat komputer digital [2] atau merupakan proses pengambilan atribut-atribut pada
gambar dengan input dan output yang berupa gambar [4].
Proses pengambilan citra melalui USB webcam dengan cara menerima citra dalam
ruang RGB (Red Green Blue) dengan data masing-masing komponen warna RGB 8 bit.
Jadi setiap piksel memiliki data 24 bit.
6
Pengolahan citra yang digunakan meliputi :
a. Grayscaling
Format data citra digital berhubungan erat dengan warna. Pada banyak kasus,
terutama
untuk
keperluan
penampilan
secara
visual,
nilai
data
digital
merepresentasikan warna dari citra yang diolah. Format citra digital yang banyak
dipakai adalah citra skala keabuan (grayscale).
b. Tresholding
Thresholding atau binerisasi yaitu pengelompokan piksel-piksel dalam citra
berdasarkan batas nilai intensitas tertentu adalah salah satu dari operasi tingkat
titik [2].
c. Menghitung Titik Pusat Massa
Setelah menghitung thresholding, didapatkan 2 titik sinar laser yang mencakup
luasan beberapa piksel. Jumlah titik pada masing-masing luasan dihitung dan dicari
titik berat masing-masing titik menggunakan persamaan berikut.
(2.1)
(2.2)
Keterangan :
Tx adalah posisi sumbu x titik berat dari luasan
Ty adalah posisi sumbu y titik berat dari luasan
Pi(x) adalah posisi sumbu x titik ke i dari luasan
Pj(y) adalah posisi sumbu y titik ke j dari luasan
n adalah jumlah titik dalam satu luasan
Ada kemungkinan terdapat noise pada citra sehingga timbul titik-titik selain sinar
laser. Untuk mengatasi noise ini, diambil hanya 2 titik sinar terbesar hasil thresholding.
Adanya noise tersebut membuat kamera sulit dalam menemukan titik nol laser, bila kedua
titik disatukan seperti pada Gambar 2.4. Untuk mengatasi itu, titik sinar laser dibuat
terpisah (atas dan bawah), sehingga saat menemukan titik nol kedua titik sejajar atas dan
bawah seperti Gambar 2.2.
7
Gambar 2.4. Dua titik laser menjadi satu titik.
Setelah melakukan proses untuk pencarian titik nol laser dan posisi laser sudah
sejajar, maka mesin bor akan kembali ke posisi paling atas (reset). Setelah melakukan
proses kalibrasi mata bor dan kalibrasi titik nol laser, alat akan menunggu perintah dari
aplikasi desktop. Pada aplikasi desktop, data akan dikirim dari komputer dan diterima oleh
mikrokontroler dan mikrokontroler akan menggerakkan motor stepper. Data tersebut dapat
berupa nilai step yang menyatakan koordinat titik nol mata bor dan sinar laser. Karena data
dikirim lewat komputer maka diperlukan sebuah interface atau perangkat antarmuka yang
memungkinkan pengguna untuk mengontrol proses pengeboran.
Untuk mengirimkan data dari komputer ke mikrokontroler dibutuhkan jalur
komunikasi. Jalur komunikasi yang digunakan adalah serial port.
M ekanik
Komput er
M ikrokont roler
M otor St epper
Penggerak Bor
Gambar 2.5. Cara kerja mesin bor.
Data yang dikirim dari komputer akan diterima dan diolah oleh untai pengendali.
Data tersebut diubah dalam bentuk pulsa tegangan dengan frekuensi tertentu dan dalam
waktu tertentu. Untai pengendali ini berupa untai mikrokontroler yang berfungsi untuk
mengolah data, mengontrol gerakan motor dan mengatur on-off pada laser.
Karena arus dan tegangan keluaran dari mikrokontroler sangat terbatas, sedangkan
arus dan tegangan yang dibutuhkan untuk menggerakkan motor cukup besar maka
8
dibutuhkan untai driver motor. Untai ini menggunakan optocouplers dan MOSFET sebagai
komponen utamanya.
Motor yang digunakan adalah motor stepper jenis unipolar. Motor stepper bekerja
dengan mengubah pulsa listrik menjadi gerakan mekanik diskrit. Karena mempunyai
gerakan mekanik diskrit, maka putaran motor dapat dengan mudah diatur sesuai
kebutuhan. Putaran motor stepper tergantung dari jumlah pulsa yang diberikan, sedangkan
kecepatannya tergantung frekuensi pulsa yang diberikan. Langkah motor stepper
dinyatakan dalam sudut. Sudut tersebut disebut sudut langkah atau step angle. Step angle
adalah sudut yang dihasilkan dalam 1 kali pergerakan motor stepper. Misalkan sebuah
motor stepper mempunyai step angle 0.9° maka dalam 1 putaran mempunyai 400 step.
Pada bagian mekanik penggerak, poros motor stepper terhubung langsung dengan
sebuah katrol (pulley) kecil. Pulley kecil ini terhubung dengan sebuah pulley besar yang
terhubung oleh belt. Pulley besar terhubung langsung dengan poros ulir.
Pulley kecil
Pulley besar
Gambar 2.6. Mekanik penggerak mesin bor.
9
Ulir berfungsi mengubah gerakan rotasi menjadi translasi. Untuk itu diberikan sebuah nut
(mur) pada poros ulir.
1
1
2
4
4
3
2
1
Ulir
Jarak gang ( pitch)
3
Putaran Motor Stepper
Gambar 2.7 Putaran motor stepper vs gerakan ulir.
Jika motor stepper digerakkan, maka pulley kecil dan pulley besar akan
menggerakkan ulir, sehingga ulir akan bergerak searah gerakan motor stepper dan mur
bergerak naik atau turun mengikuti arah putaran ulir. Jika putaran motor stepper diubah
dalam gerakan ulir akan mendapat jarak sebagai berikut :
S
= Jarak yang ditempuh ulir (mm).
N
= Jumlah step.
= Step Angle (°).
P
= Jarak pitch ulir (mm).
10
SISTEM PENENTU AXIS Z ZERO SETTER
2.1
Gambaran Umum
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dipaparkan pada Bab I, tujuan
skripsi ini adalah merancang suatu penentu axis Z Zero Setter menggunakan laser sebagai
pengganti sensor Z setter dan kamera (webcam) sebagai sensor yang diaplikasikan pada
alat pengebor otomatis atau mesin bor duduk yang dikontrol secara otomatis dengan
menggunakan kayu sebagai bahan.
Pada skripsi ini dirancang sebuah mesin bor duduk otomatis yang menyerupai bor
duduk pada umumnya. Di sini digunakan laser dan kamera sebagai sensor penentu titik nol
yang dikendalikan oleh aplikasi desktop di PC (Personal Computer) dan data yang
diterima komputer akan dikirim ke mikrokontroler melalui serial. Ball screw (ulir)
digunakan untuk naik dan turunnya mesin bor dan dua buah linear shaft sebagai
penyangga untuk dudukan mesin bor. Untuk menggerakkan ball screw digunakan motor
stepper dan dikendalikan oleh mikrokontroler. Motor stepper terhubung oleh dua pulley
belt (katrol), yaitu pulley besar dan pulley kecil. Pulley kecil terhubung dengan motor
stepper langsung dan pulley besar terhubung oleh ulir, kedua pulley terhubung dengan belt.
2.2
Blok Diagram Sistem
Dari penjelasan yang telah dipaparkan di atas, dibuat blok diagram sistem seperti
Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Blok diagram sistem.
5
2.3
Cara Kerja Sistem
Tahap pertama yang dilakukan adalah proses kalibrasi otomatis yang dilakukan
oleh mata bor terhadap plat PCB pada meja kerja. Kalibrasi ini akan mengatur titik nol
mata bor terhadap meja kerja dan mengatur nilai nol laser terhadap mata bor. Setelah
melakukan proses kalibrasi mata bor pada plat PCB, sinar laser akan menyala dan bor akan
naik secara perlahan untuk mencari titik nol laser. Cara untuk menemukan titik nol laser
adalah menyatukan dua titik sinar laser menjadi sejajar seperti pada Gambar 2.2. Bila
posisi titik sinar laser masih bersilangan atau belum sejajar seperti pada Gambar 2.3, maka
bor akan bergerak naik atau turun sampai posisi sejajar.
Gambar 2.2. Titik nol sinar laser yang sudah sejajar.
Gambar 2.3. Titik laser yang belum sejajar.
Proses untuk mencari titik nol adalah dengan pengolahan citra digital (digital image
processing). Pengolahan citra digital adalah proses pengolahan gambar dua dimensi oleh
perangkat komputer digital [2] atau merupakan proses pengambilan atribut-atribut pada
gambar dengan input dan output yang berupa gambar [4].
Proses pengambilan citra melalui USB webcam dengan cara menerima citra dalam
ruang RGB (Red Green Blue) dengan data masing-masing komponen warna RGB 8 bit.
Jadi setiap piksel memiliki data 24 bit.
6
Pengolahan citra yang digunakan meliputi :
a. Grayscaling
Format data citra digital berhubungan erat dengan warna. Pada banyak kasus,
terutama
untuk
keperluan
penampilan
secara
visual,
nilai
data
digital
merepresentasikan warna dari citra yang diolah. Format citra digital yang banyak
dipakai adalah citra skala keabuan (grayscale).
b. Tresholding
Thresholding atau binerisasi yaitu pengelompokan piksel-piksel dalam citra
berdasarkan batas nilai intensitas tertentu adalah salah satu dari operasi tingkat
titik [2].
c. Menghitung Titik Pusat Massa
Setelah menghitung thresholding, didapatkan 2 titik sinar laser yang mencakup
luasan beberapa piksel. Jumlah titik pada masing-masing luasan dihitung dan dicari
titik berat masing-masing titik menggunakan persamaan berikut.
(2.1)
(2.2)
Keterangan :
Tx adalah posisi sumbu x titik berat dari luasan
Ty adalah posisi sumbu y titik berat dari luasan
Pi(x) adalah posisi sumbu x titik ke i dari luasan
Pj(y) adalah posisi sumbu y titik ke j dari luasan
n adalah jumlah titik dalam satu luasan
Ada kemungkinan terdapat noise pada citra sehingga timbul titik-titik selain sinar
laser. Untuk mengatasi noise ini, diambil hanya 2 titik sinar terbesar hasil thresholding.
Adanya noise tersebut membuat kamera sulit dalam menemukan titik nol laser, bila kedua
titik disatukan seperti pada Gambar 2.4. Untuk mengatasi itu, titik sinar laser dibuat
terpisah (atas dan bawah), sehingga saat menemukan titik nol kedua titik sejajar atas dan
bawah seperti Gambar 2.2.
7
Gambar 2.4. Dua titik laser menjadi satu titik.
Setelah melakukan proses untuk pencarian titik nol laser dan posisi laser sudah
sejajar, maka mesin bor akan kembali ke posisi paling atas (reset). Setelah melakukan
proses kalibrasi mata bor dan kalibrasi titik nol laser, alat akan menunggu perintah dari
aplikasi desktop. Pada aplikasi desktop, data akan dikirim dari komputer dan diterima oleh
mikrokontroler dan mikrokontroler akan menggerakkan motor stepper. Data tersebut dapat
berupa nilai step yang menyatakan koordinat titik nol mata bor dan sinar laser. Karena data
dikirim lewat komputer maka diperlukan sebuah interface atau perangkat antarmuka yang
memungkinkan pengguna untuk mengontrol proses pengeboran.
Untuk mengirimkan data dari komputer ke mikrokontroler dibutuhkan jalur
komunikasi. Jalur komunikasi yang digunakan adalah serial port.
M ekanik
Komput er
M ikrokont roler
M otor St epper
Penggerak Bor
Gambar 2.5. Cara kerja mesin bor.
Data yang dikirim dari komputer akan diterima dan diolah oleh untai pengendali.
Data tersebut diubah dalam bentuk pulsa tegangan dengan frekuensi tertentu dan dalam
waktu tertentu. Untai pengendali ini berupa untai mikrokontroler yang berfungsi untuk
mengolah data, mengontrol gerakan motor dan mengatur on-off pada laser.
Karena arus dan tegangan keluaran dari mikrokontroler sangat terbatas, sedangkan
arus dan tegangan yang dibutuhkan untuk menggerakkan motor cukup besar maka
8
dibutuhkan untai driver motor. Untai ini menggunakan optocouplers dan MOSFET sebagai
komponen utamanya.
Motor yang digunakan adalah motor stepper jenis unipolar. Motor stepper bekerja
dengan mengubah pulsa listrik menjadi gerakan mekanik diskrit. Karena mempunyai
gerakan mekanik diskrit, maka putaran motor dapat dengan mudah diatur sesuai
kebutuhan. Putaran motor stepper tergantung dari jumlah pulsa yang diberikan, sedangkan
kecepatannya tergantung frekuensi pulsa yang diberikan. Langkah motor stepper
dinyatakan dalam sudut. Sudut tersebut disebut sudut langkah atau step angle. Step angle
adalah sudut yang dihasilkan dalam 1 kali pergerakan motor stepper. Misalkan sebuah
motor stepper mempunyai step angle 0.9° maka dalam 1 putaran mempunyai 400 step.
Pada bagian mekanik penggerak, poros motor stepper terhubung langsung dengan
sebuah katrol (pulley) kecil. Pulley kecil ini terhubung dengan sebuah pulley besar yang
terhubung oleh belt. Pulley besar terhubung langsung dengan poros ulir.
Pulley kecil
Pulley besar
Gambar 2.6. Mekanik penggerak mesin bor.
9
Ulir berfungsi mengubah gerakan rotasi menjadi translasi. Untuk itu diberikan sebuah nut
(mur) pada poros ulir.
1
1
2
4
4
3
2
1
Ulir
Jarak gang ( pitch)
3
Putaran Motor Stepper
Gambar 2.7 Putaran motor stepper vs gerakan ulir.
Jika motor stepper digerakkan, maka pulley kecil dan pulley besar akan
menggerakkan ulir, sehingga ulir akan bergerak searah gerakan motor stepper dan mur
bergerak naik atau turun mengikuti arah putaran ulir. Jika putaran motor stepper diubah
dalam gerakan ulir akan mendapat jarak sebagai berikut :
S
= Jarak yang ditempuh ulir (mm).
N
= Jumlah step.
= Step Angle (°).
P
= Jarak pitch ulir (mm).
10