RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL MESIN LASER …
64
RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL MESIN LASER ENGRAVING DENGAN MICROCONTROLLER ARDUINO A final project report presented to the Faculty of Engineering By Harist Fauzi 003201305016 In partial fulfillment of the requirements of the degree Bachelor of Science in Mechanical Engineering President University May 2018
Transcript of RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL MESIN LASER …
RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL
MESIN LASER ENGRAVING DENGAN
MICROCONTROLLER ARDUINO
A final project report
presented to
the Faculty of Engineering
By
Harist Fauzi 003201305016
In partial fulfillment
of the requirements of the degree
Bachelor of Science in Mechanical Engineering
President University
May 2018
ii
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini, mahasiswa Program Studi Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, President University.
Nama : Harist Fauzi
NIM : 003201305016
Menyatakan dengan sesungguhnya nya bahwa Tugas Akhir dengan judul
RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL MESIN LASER ENGRAVING
DENGAN MICROCONTROLLER ARDUINO, adalah:
1. Dibuat dan diselesaikan sendiri dengan menggunakan literatur, hasil kuliah,
survei lapangan, bimbingan, serta jurnal acuan yang tertera dalam referensi
pada tugas akhir ini.
2. Bukan merupakan duplikasi karya tulis yang telah dipublikasikan atau
pernah dipakai untuk mendapatkan gelar sarjana di perguruan tinggi lain,
kecuali bagian-bagian tertentu digunakan sebagai referensi pendukung untuk
melengkapi sumber informasi.
3. Bukan merupakan karya tulis terjemahan dari kumpulan buku-buku atau
jurnal acuan yang tertera dalam referensi pada tulisan tugas akhir saya.
Jika terbukti saya tidak memenuhi apa yang telah dinyatakan seperti di atas, maka
tugas akhir saya ini akan dibatalkan.
Cikarang, 02 Mei 2018
Yang membuat pernyataan,
Harist Fauzi
iii
LEMBAR PENGESAHAN
RANCANG BANGUN SITEM KONTROL
MESIN LASER ENGRAVING DENGAN
MICROCONTROLLER ARDUINO
By
Harist Fauzi
003201305016
Approved by
Nanang Ali Sutisna, M.Eng. Final Project Supervisor
Lydia Anggraini,ST.,M.Eng.,Ph.D.
Head of Study Program
Mechanical Engineering
Dr.-Ing. Erwin Sitompul,S.T., M.Sc.
Dean of Faculty of Engineering
iv
MOTTO
“Berusaha dan berdoa adalah kunci kesuksesan”
“Membuat kesempatan lebih baik dari pada menunggu kesempatan datang”
v
ABSTRAK
Penggunaan dan kebutuhan mesin laser engraving saat ini mengalami peningkatan
diantaranya untuk kegiatan produksi dan praktikum disekolah-sekolah kejuruan dan
universitas teknik di Indonesia. Namun harga mesin laser engraving dipasaran masih cukup
tinggi. Oleh karena itu perlu adanya langkah mencari solusi untuk mengatasi hal tersebut
diantaranya dengan mendesain dan merancang bangun mesin laser engraving yang
dikhususkan untuk keperluan praktikum dengan harga terjangkau.
Mesin Laser Engraving membutuhkan sistem kontrol sirkuit yang berfungsi sebagai
otak mesin. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang bangun system kontrol
mesin laser engraving menggunakan microcontroller, dalam penelitian desain dan rancang
bangun mesin laser engraving meliputi pemilihan sistem kontrol, Mekanisme penggerak,
elemen struktur dan proses rancang bangun. Semua parameter akan diatur dan dioperasikan
melalui sistem kontrol CNC sehingga mesin laser engraving dapat beroperasi dengan baik.
Sistem kontrol pada mesin laser engraving dirancang menggunakan microcontroller
berbasis CNC 2 axis controller ATmega328 Arduino Nano, dengan penggerak tiga buah
motor stepper sebagai aktuator, untuk menggerakkan mesin terhadap sumbu x, y, z dan
laser module dengan daya 2,500 mW. untuk mencegah kerusakan jika ada kesalahan
(error) pergerakan mesin dilengkapi tombol emergency stop.
Implementasi kontrol sistem dengan microcontroller CNC 2 axis berbasis ATmega328
Arduino nano yang diterapkan pada Mesin laser engraving, karena open source dan lebih
terjangkau. Diharapkan dengan diterapkannya microcontroller berbasis ATmega328
Arduino nano, Seiring dengan berkembangnya waktu sistem kontrol dapat direalisasikan
dan dapat dikembangkan agar sistem kontrol lebih stabil.
Kata kunci: Laser Engraving, ATmega328 Arduino Nano, Microcontroller CNC 2 Axis
vi
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah
melimpahkan nikmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan
skripsi dengan judul RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL MESIN LASER
ENGRAVING DENGAN MICROCONTROLLER ARDUINO tepat pada waktunya.
Laporan ini dibuat sebagai syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik mesin di fakultas
teknik President University.
Ucapan terima kasih yang sebesar-sebesarnya kepada semua pihak yang telah
membantu menyelesaikan laporan skripsi ini, khususnya kepada:
1. Bapak Dr.Ing. Erwin Sitompul, selaku Dekan Fakultas Teknik, President University.
2. Ibu Dr. Lydia Anggraini, S.T, M.Eng, selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin
sekaligus dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, saran dan masukan
kepada penulis dalam menyelesaikan laporan ini.
3. Bapak Nanang Ali Sutisna, M.Eng selaku dosen pembimbing yang telah memberikan
masukan dalam pembuatan alat serta laporan.
4. Dosen pengajar dan juga staf di lingkungan President University yang telah
membantu dalam proses dan selesainya laporan ini.
5. Ibu Badiah dan Bapak July Naftaly selaku orangtua dan keluarga tercinta yang selalu
memberikan doa, semangat dan dukungan dalam segala hal.
6. Rekan-rekan satu angkatan jurusan Teknik Mesin President University serta semua
pihak yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini.
Akhir kata, Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis pribadi dan bagi
pembaca pada umumnya. Laporan ini tentunya masih jauh dari kata sempurna serta banyak
kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak sangat
diharapkan.
Cikarang, 02 Mei 2018
Penulis :
Harist Fauzi
vii
DAFTAR ISI
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN .......................................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................................... iii
MOTTO .............................................................................................................................. iv
ABSTRAK .......................................................................................................................... v
KATA PENGANTAR ........................................................................................................ vi
DAFTAR ISI .................................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... x
DAFTAR TABEL .............................................................................................................. xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ........................................................................................................... 1
1.2 Perumusan Masalah ................................................................................................... 2
1.3 Batasan Penelitian ..................................................................................................... 2
1.4 Tujuan Penelitian ....................................................................................................... 2
1.5 Manfaat Penelitian ..................................................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan ................................................................................................ 3
BAB II LANDASAN TEORI.............................................................................................. 4
2.1 Laser Engraving ......................................................................................................... 4
2.2 Komponen Elektrikal ................................................................................................. 5
2.2.1 Laser diode .................................................................................................... 5
2.2.2 Motor Stepper ................................................................................................ 7
2.2.3 Microcontroller .............................................................................................. 8
2.2.4 Shield arduino nano ..................................................................................... 10
2.2.5 Driver motor stepper .................................................................................... 11
2.2.6 Driver laser .................................................................................................. 12
2.2.7 Tombol emergency ...................................................................................... 13
2.2.8 Power supply DC ......................................................................................... 13
2.3 Komponen Mekanisme ............................................................................................ 14
2.3.1 Poros rail ...................................................................................................... 14
2.3.2 Poros ulir ..................................................................................................... 14
2.3.3 Linier bearing .............................................................................................. 15
2.3.4 Frame Almunium ......................................................................................... 15
viii
2.3.5 Bracket ......................................................................................................... 16
2.3.6 Shaft support dan pillow .............................................................................. 16
2.3.7 kopling ......................................................................................................... 17
2.4 Perangkat Lunak Sistem Kontrol ............................................................................. 17
2.4.1 Perangkat lunak Arduino IDE ..................................................................... 18
2.4.2 Perangkat lunak Laser GRBL ...................................................................... 19
2.4.3 Corel DRAW ............................................................................................... 20
2.4.4 Solid work ................................................................................................... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................................... 21
3.1 Diagram Alir Penelitian ........................................................................................... 21
3.2 Perancangan Kontrol Sistem ................................................................................... 23
3.2.1 Blok diagram kontrol sistem........................................................................ 24
3.2.2 Perancangan sistem kontrol aktuator ........................................................... 25
3.2.3 Perancangan sistem kontrol laser ................................................................ 26
3.3 Spesifikasi Mesin Laser Engraving ......................................................................... 28
3.4 Metode Analisis ....................................................................................................... 29
3.5 Parameter Pengujian ................................................................................................ 29
3.5.1 Jarak laser .................................................................................................... 29
3.5.2 Daya laser .................................................................................................... 30
3.5.3 Kecepatan gerak laser head ......................................................................... 30
3.6 Standar Keamanan ................................................................................................... 31
3.7 Alat dan Bahan ........................................................................................................ 31
BAB IV HASIL DAN ANALISIS .................................................................................... 33
4.1 Pengujian Sistem Kontrol ........................................................................................ 33
4.1.1 Pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator.............................................. 33
4.1.2 Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser ................................................... 34
4.2 Pengujian Mesin Laser Engraving ........................................................................... 35
4.2.1 Pengujian dengan metode jarak laser .......................................................... 35
4.2.2 Pengujian dengan metode daya laser ........................................................... 36
4.2.3 Pengujin dengan metode kecepatan gerak laser .......................................... 37
4.2.4 Pengujian akurasi sistem kontrol ................................................................. 38
4.3 Prosedur Pengoperasian Mesin Laser Engraving .................................................... 39
ix
4.4 Analisis Hasil Pengujian Mesin Laser Enggraving ................................................. 40
4.5 Standar Parameter Mesin Laser Engraving ............................................................. 40
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................ 41
5.1 Kesimpulan ............................................................................................................. 41
5.2 Saran ....................................................................................................................... 42
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................ 43
LAMPIRAN ...................................................................................................................... 45
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Desain mesin laser engraving ....................................................................... 4
Gambar 2. 2 Laser Diode ................................................................................................... 6
Gambar 2. 3 Motor Stepper ............................................................................................... 7
Gambar 2. 4 Arduino Nano V3.0 ...................................................................................... 8
Gambar 2. 5 Shield arduino nano .................................................................................... 10
Gambar 2. 6 Driver Motor Stepper A4988 ...................................................................... 11
Gambar 2. 7 Mosfet IRF 5305 S ..................................................................................... 12
Gambar 2. 8 Tombol Emergency .................................................................................... 13
Gambar 2. 9 Power supply .............................................................................................. 13
Gambar 2. 10 Poros rail ................................................................................................... 14
Gambar 2. 11 Poros ulir ................................................................................................... 14
Gambar 2. 12 Linier bearing ........................................................................................... 15
Gambar 2. 13 Frame almunium profile 2020 .................................................................. 15
Gambar 2. 14 Braket motor stepper................................................................................. 16
Gambar 2. 15 Shaft support ............................................................................................. 16
Gambar 2. 16 Pillow lead screw ...................................................................................... 17
Gambar 2. 17 Kopling ..................................................................................................... 17
Gambar 2. 18 Tampilan software Arduino IDE .............................................................. 18
Gambar 2. 19 Tampilan software laser grbl .................................................................... 19
Gambar 2. 20 Tampilan aplikasi corel draw.................................................................... 20
Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian ............................................................................... 21
Gambar 3. 2 Skema sistem kontrol .................................................................................. 24
Gambar 3. 3 Aktuator sistem kontrol .............................................................................. 25
Gambar 3. 4 Laser sistem control .................................................................................... 26
Gambar 3. 5 Siklus sinsyal pwm arduino ........................................................................ 27
Gambar 3. 6 Prototype mesin laser engraving ................................................................. 28
Gambar 3. 7 Jarak laser head terhadap benda kerja ........................................................ 29
Gambar 3. 8 Daya laser pada controller laser grbl .......................................................... 30
Gambar 3. 9 Kecepatan gerak laser pada controller laser grbl ........................................ 30
Gambar 4. 1 Prosedur pengoperasian mesin laser engraving .......................................... 39
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Spesifikasi laser diode ...................................................................................... 6
Tabel 2. 2 Spesifikasi motor stepper ................................................................................. 8
Tabel 2. 3 Arduino nano v3.0 grbl pinout ......................................................................... 9
Tabel 2. 4 Spesifikasi arduino nano................................................................................... 9
Tabel 2. 5 Modus microstepping ..................................................................................... 11
Tabel 2. 6 Spesifikasi mosfet irf5305s ............................................................................ 12
Tabel 3. 1 Urutan step...................................................................................................... 25
Tabel 3. 2 Spesifikasi mesin laser engraving .................................................................. 28
Tabel 3. 3 Daftar alat yang digunakan ............................................................................. 31
Tabel 3. 4 Daftar bahan yang digunakan ......................................................................... 32
Tabel 4. 1 Hasil pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator ....................................... 33
Tabel 4. 2 Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser ...................................................... 34
Tabel 4. 3 Pengujian dengan metode jarak laser ............................................................. 35
Tabel 4. 4 Pengujian dengan metode daya laser .............................................................. 36
Tabel 4. 5 Pengujian dengan metode kecepatan gerak laser ........................................... 37
Tabel 4. 6 Pengujian akurasi sistem kontrol .................................................................... 38
Tabel 4. 7 Standar parameter mesin laser engraving ....................................................... 40
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, aplikasi laser telah banyak
digunakan dalam berbagai bidang. Penerapan aplikasi laser processing dapat berupa laser
engraving, laser marking dan laser cutting. Aplikasi laser engraving pada material
merupakan teknologi yang telah banyak digunakan dewasa ini khususnya dalam bidang
proses manufaktur. Keunggulan teknik engraving dengan menggunakan laser dibanding
dengan metode konvensional adalah ketepatan pengerjaan lebih baik, proses engraving
lebih presisi, Karena dikontrol secara otomasi menggunakan sistem Computer Numerical
Control (CNC). Pada proses engraving dengan menggunakan laser diperlukan adanya
parameter yang tepat pada sistem kontrol untuk menjalankan mesin laser agar dapat
beroperasi dengan baik dan benar. Berdasarkan hal tersebut, untuk mendapatkan kualitas
yang baik perlu adanya kombinasi pada proses laser engraving, antara lain Jenis laser, daya
laser, kecepatan laser, dan jarak fokus atau laser head dengan benda kerja.
Jenis laser menentukan material yang dapat di proses engraving metal dan non metal,
Daya pada laser berpengaruh pada kemampuan engraving terhadap material, kemudian
jarak laser head pada mesin laser engraving berpengaruh terhadap titik fokus yang
dihasilkan pada proses engraving. Sedangkan kecepatan gerak laser berpengaruh pada
kekasaran hasil engraving pada permukaan benda kerja. Sehingga dengan menggunakan
parameter yang tepat pada suatu jenis material, maka dapat mengurangi kerugian akibat
cacat atau kerusakan yang akan timbul pada hasil proses laser engraving. Penelitian
dengan pengujian kekasaran permukaan, menganalisa hasil laser engraving atau mengukur
diameter dari laser yang ditembakkan ke material sangat diperlukan.
Dengan penelitian ini diharapkan memperoleh skematik sistem kontrol mesin laser
engraving, menghasilkan prototype mesin laser engraving, dan nilai parameter dari data-
data hasil uji kinerja mesin laser engraving dengan microcontroller CNC 2 axis berbasis
ATmega328 Arduino Nano. Selain itu penelitian ini juga diharapkan dapat mengatasi
permasalahan seperti ketiadaan mesin laser engraving sebagai sarana praktikum di
lingkungan kampus President Universty.
2
1.2 Perumusan Masalah Dalam penelitian ini ada beberapa hal yang menjadi rumusan masalah untuk menjadi
rujukan apa yang akan dilakukan dan diteliti dalam rancang bangun mesin laser engraving,
diantaranya :.
1. Bagaimana penerapan Arduino nano untuk sistem kontrol mesin laser engraving.
2. Bagaimana keselarasan sistem kontrol dan mekanisme yang digunakan pada mesin
laser engraving dengan controller arduino nano serta menganalisis hasil pengujian
dari proses laser engraving.
3. Bagaimana memahami prinsip dan mekanisme kerja mesin laser engraving.
1.3 Batasan Penelitian Berdasarkan uraian rumusan masalah tersebut, maka pembahasan pada penelitian ini
dibatasi agar pembahasan lebih terfokuskan. Batasan masalah yang dibuat mencakup
tentang:
1. Penelitian rancang bangun sistem kontrol mesin laser engraving menggunakan jenis
laser diode dengan daya 2,500m Watt.
2. Material yang digunakan untuk proses engraving adalah selain metal, antara kertas,
lain kayu, plastik, mdf.
3. Parameter mesin laser engraving yang digunakan adalah daya laser, jarak laser head
dan kecepatan pergerakan laser.
4. Program controller menggunakan library yang sudah ada.
5. Sistem kontrol menggunakan perangkat lunak Arduino IDE dan Laser GRBL.
6. Tidak membahas mengenai struktur mesin laser engraving.
7. Tidak membahas pemrograman G-Code.
1.4 Tujuan Penelitian Penelitian yang dilakukan ini memiliki beberapa tujuan untuk dicapai sebagai pencapaian
akhir, diantaranya :
1. Untuk melakukan proses rancang bangun mesin laser engraving dua axis.
2. Membuat sistem kontrol pada mesin laser engraving dengan microcontroller
berbasis arduino nano.
3. Membuat prototype mesin laser engraving.
4. Melakukan analisis dari hasil proses pengujian mesin laser engraving.
5. Menentukan nilai parameter sitem kontrol dari hasil data pengujian sebagai standar.
3
1.5 Manfaat Penelitian Beberapa manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah:
1. Penerapan dan pemahaman sistem kontrol menggunakan mikrokontroler berbasis
arduino nano.
2. Menambah wawasan mahasiswa dalam menerapkan, pengembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi sehingga memberikan motivasi untuk giat dalam
melakukan penelitian pada periode yang selanjutnya.
1.6 Sistematika Penulisan Tahapan-tahapan penelitian yang dilakukan dalam penulisan laporan ini dibahas dalam
beberapa bab dengan sistematika sebagai berikut:
1. BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat
dan sistematika penulisan.
2. BAB II. LANDASAN TEORI
Bab ini berisi penjelasan tentang teori yang berhubungan dengan penelitian. penjelasan
secara umum mesin laser engraving, cara kerja laser engraving dan bagian-bagian
mesin laser engraving.
3. BAB III: METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini menjelaskan tentang metode kajian yang digunakan untuk menyelesaikan skripsi
dalam pelaksanaan rancang bangun mesin laser engraving dengan microcontroller
berbasis arduino nano.
4. BAB IV: HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menjelaskan hasil pengujian dan hasil analisis penelitian rancang bangun mesin
laser engraving dengan controller arduino nano.
5. BAB V: PENUTUP
Bab ini berisi kesimpulan dan saran selama penelitian rancang bangun mesin laser
engraving.
4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Laser Engraving Laser Engraving adalah aktivitas laser yang digunakan untuk mengikis permukaan
material, Dimana sinar panas laser digunakan untuk mengikis atau membuang bagian-
bagian permukaan material sehingga tulisan, gambar atau foto dapat tampak pada
permukaan material yang di engraving menggunakan laser. Prinsip kerja dari mesin laser
engraving mirip dengan mengukir, Mesin laser engraving tidak dapat menghasilkan warna
dan hasil dari proses laser engraving sangat bergantung pada jenis material dan besar
kekuatan dari sinar laser yang digunakan.
Gambar 2. 1 Desain mesin laser engraving
Gagasan penelitian ini adalah merancang bangun mesin laser engraving dua axis
dengan menggunakan microcontroller berbasis ATMega328 Arduino Nano untuk sistem
kontrolnya. Arduino adalah perangkat keras open source yang cukup populer dan mudah
diaplikasikan. Arduino akan menerima G-code melalui port serial dari G-code interpreter
yang berjalan pada komputer dan akan memberikan perintah aktuasi ke driver motor
stepper dan laser modul. Mekanisme penggerak mesin laser engraving menggunakan
motor stepper sebagai aktuator linier pada setiap sumbu X, Y, dan Z. Seperi pada Gambar
2.1. Motor stepper dikombinasikan dengan poros ulir untuk merubah putaran menjadi
gerak linier dan modul ultraviolet laser diode digunakan untuk mengukir objek yang
memiliki daya bakar cukup tinggi untuk engraving di permukaan material non metal, dapat
berupa kertas, kayu, kulit, plastik, dll.
5
2.2 Komponen Elektrikal Komponen Eletrikal yang digunakan pada sistem kontrol mesin laser engraving dalam
penelitian ini sebagai berikut:
2.2.1 Laser diode Kata laser merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation yang bisa diartikan sebagai mekanisme dari suatu alat yang memancarkan
radiasi elektromagnetik melalui proces pancaran terstimulasi. Pengertian Laser Diode
adalah komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan radiasi koheren yang dapat
dilihat oleh mata ataupun dalam bentuk spektrum infra merah. Yang dimaksud dengan
Radiasi Koheren adalah radiasi dimana semua gelombang berasal dari satu sumber yang
sama dan berada pada frekuensi dan fasa yang sama. Radiasi elektromagnetik tersebut ada
yang dapat dilihat oleh mata normal, ada juga yang tidak dapat dilihat.
Laser diode hanyalah salah satu jenis perangkat atau teknologi yang dapat
menghasilkan sinar laser. Jenis lainya yang dapat menghasilkan sinar laser diantaranya
adalah Solid state laser, Laser Gas, Laser Excimer dan Dye Laser. Pada dasarnya, laser
diode hampir sama dengan lampu LED yaitu dapat mengkonversi energi listrik menjadi
energi cahaya, namun laser diode dapat menghasilkan sinar cahaya atau beam dengan
Intensitas yang lebih tinggi. Berdasarkan cara kerjanya, laser diode dapat dibedakan
menjadi dua jenis yaitu Injection Laser Diode (ILD) dan Optically Pumped Semiconductor
Laser.
1. Injection Laser Diode (ILD)
Cara kerja Injection Laser Diode memiliki berbagai kemiripan dengan LED (Light
Emitting Diode). Kedua-duanya dibuat berdasarkan proses dan teknologi yang hampir
sama. Perbedaan utama pada laser dioda adalah adanya sebuah saluran atau kanal
panjang yang sempit dengan ujung yang reflektif. Kanal tersebut berfungsi sebagai
penuntun gelombang pada cahaya, kanal biasanya disebut dengan waveguide. Pada
bagian waveguide cahaya laser direfleksikan dan kemudian diperkuat sehingga
menghasilkan emisi terstimulasi sebelum dipancar keluar.
6
2. Optically Pumped Semiconductor Laser
Optically Pumped Semiconductor Laser atau disingkat dengan OPSL ini
menggunakan chip semikonduktor sebagai dasarnya, chip semikonduktor ini bekerja
sebagai media penguat optik. Dioda laser yang terdapat didalamnya berfungsi sebagai
sumber pompa. Terdapat beberapa Keuntungan dari diode laser jenis Optically Pumped
Semiconductor Laser ini, terutama dalam pemilihan panjang gelombang (wavelenght)
dan mengurangi gangguan dari struktur elektroda internal.
Tabel 2. 1 Spesifikasi laser diode
Laser Specification Brand OEM Model LA03-2500 Heatsink Material Aluminium Output Power 2,500 mW (2.5W) Wavelength 445 nm (Blue Laser Voltage DC 24 V Current 5A Beam Shape Dot (Focusable) Life time 10,000 hour Working Temperature 40 - 75 C Can Engrave MDF, Paper, Wood, Plastic, Leather
Dalam penelitian rancang bangun mesin laser engraving ini pemilihan jenis laser
menggunakan laser diode 2,500mW 445NM dengan lensa yang dapat difokuskan.
berdasarkan spesifikasi pada Tabel 2.1 memenuhi kriteria untuk mesin laser engraving
material non metal.
Gambar 2. 2 Laser Diode
7
2.2.2 Motor Stepper Motor Stepper adalah seperangkat alat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah
pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan
pulsa yang diberikan kepada motor. untuk menggerakkan stepper motor diperlukan
pengendali atau driver motor stepper yang mengirimkan pulsa-pulsa periodik. Adapun
konstruksi dasar dari stepper motor dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2. 3 Motor Stepper
Pemilihan stepper motor sebagai aktuator atau penggerak dilakukan karena motor
tersebut dapat dikendalikan dengan cukup mudah dan memiliki ketelitian yang tinggi.
Adapun motor yang akan digunakan pada rancang bangun mesin laser engraving ini
adalah motor stepper tipe 17HS1352 dengan torsi (0.25Nm) 1.3 Amper. Salah satu
karakteristik motor stepper yang penting yaitu adanya torsi penahan, yang memungkinkan
menahan posisinya. Hal ini sangat berguna untuk aplikasi dimana suatu sistem
memerlukan keadaan start dan stop.
Besarnya derajat putaran per step adalah parameter terpenting dalam pemilihan motor
stepper karena akan menentukan ukuran langkah gerakan yang paling kecil (resolusi).
Tiap-tiap motor stepper mempunyai spesifikasi masing-masing, antara lain 0.72° per step,
1.8° per step, 3.6° per step, 7.5° per step, 15° per step, dan bahkan ada yang 90° per step.
Dalam pengoperasiannya kita dapat menggunakan dua prinsip yaitu full step atau half step.
Dengan full step berarti motor stepper berputar sesuai dengan spesifikasi derajat per
stepnya, sedangkan half step berarti motor stepper berputar setengah derajat per step dari
spesifikasi motor stepper tersebut.
8
Tabel 2. 2 Spesifikasi motor stepper
Motor Stepper Specifications Model Number 17HS1352 Phase Number 2 Operating Voltage 12 - 24 V Current 1.33 A Step Angle 1.8 Degree Resistance 2.1 ohm Inductance 2.5mH Radial Torque 2.5 kg.cm Holding Torque 1.26 N.m Shaft Diameter 5 mm Rotary inertia 35g.cm^2 Motor Weight 0.22 kg Dimension 42 x 42 x 34 mm (L x W x D)
2.2.3 Microcontroller Microcontroller adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian
elektronik dan dapat menyimpan program didalamnya. Microcontroller umumnya terdiri
dari CPU (Central Processing Unit), memori, I/O tertentu dan unit pendukung seperti
Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi di dalamnya. Kelebihan utama
dari microcontroller ialah tersedianya RAM dan peralatan I/O pendukung sehingga ukuran
board microcontroller menjadi sangat ringkas.
Gambar 2. 4 Arduino Nano V3.0
9
Tabel 2. 3 Arduino nano v3.0 grbl pinout
Arduino Nano V 3.0 GRBL Pinout Pin Referensi Pin Referensi D12 Limit Z Axis D13 Spindel Direction D11 Variable Laser PWM 3V3 Not Used D10 Limit Y Axis VREF Not Used D9 Limit X Axis A0 Reset/Abort D8 Stepper Enadble/ Disable A1 Feed Hold D7 Direction Z Axis A2 Cycle Start/Resume D6 Direction Y Axis A3 Coolant Enable D5 Direction X Axis A4 (Note Used/ Reserve) D4 Step Pulse Z Axis A5 Probe D3 Step Pulse Y Axis A6 Not Used D2 Step Pulse X Axis A7 Not Used
Pemilihan Arduino nano sebagai microcontroller pada rancang bangun mesin laser
engraving, karena Arduino nano sudah dilengkapi dengan beberapa fasilitas yang dapat
digunakan berkomunikasi dengan komputer atau dengan board microcontroller lainnya.
Arduino Nano mudah diprogram dengan penggunakan perangkat lunak Arduino IDE yang
dilengkapi dengan serial monitor sehingga memungkinkan programmer untuk
menampilkan data serial sederhana yang dapat dikirim atau diterima dari board Arduino
Nano.
Tabel 2. 4 Spesifikasi arduino nano
Device Keterangan Chip mikrokontroller ATmega328P Tegangan operasi 5V Tegangan input 7V - 12V Digital I/O pin 14 buah, 6 diantaranya PWM Analog Input pin 6 buah Arus DC per pin I/O 40 mA Memori Flash 32 KB, 0.5 KB telah digunakan untuk bootloader SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Clock speed 16 Mhz Dimensi 45 mm x 18 mm Berat 5 g
10
2.2.4 Shield arduino nano Shield dapat digunakan sebagai papan ekspansi untuk sistem kontrol mesin laser
engraving dan dengan controller arduino nano. shield atau papan ekspansi ini memiliki
tiga slot untuk modul penggerak motor stepper, dan setiap driver motor stepper hanya
membutuhkan dua port I/O, artinya enam port I/O cukup untuk mengelola tiga motor
stepper. Dengan menggunakan shield keyes pada rancang bangun mesin laser engraving,
mempermudah untuk menghubungkan modul lain seperti limit switch dan dapat
menambahkan fitur atau fungsi khusus pada arduino.
Gambar 2. 5 Shield arduino nano
Fitur shield
• Port driver motor steppr 3 axis
• Kompatibel dengan controller arduino nano
• Dapat dikontrol dalam motor stepper empat-fase dua fase
• Limit switch 3 axis
• Dapat terhubung ke LCD I2C atau modul I2C lainnya
• Input tegangan 7.5-12V
• Kompatibel dengan Laser GRBL
11
2.2.5 Driver motor stepper Driver Motor merupakan komponen yang berfungsi untuk mengkomunikasikan
controller dengan aktuator serta memperkuat sinyal keluaran dari kontroler sehingga dapat
dibaca oleh aktuator atau motor stepper. Dalam perancangan elemen sistem kontrol mesin
laser engraving, motor driver yang akan digunakan adalah Driver A4988. yang dapat di
lihat pada Gambar 2.6
Gambar 2. 6 Driver Motor Stepper A4988
Driver motor stepper ini memiliki beberapa port yang nantinya terhubung ke masing-
masing port input signal, motor stepper, power supply dan beberapa pin lainya Stepper
driver A4988 mendukung lima modus microstepping yang diatur melalui jumper pin MS1,
MS2, dan MS3 pada papan ekspansi atau shield sesuai tabel berikut :
Tabel 2. 5 Modus microstepping
MS1 MS2 MS3 Resolution
Low Low Low Full Step High Low Low Halft Step Low High Low Quarter Step High High Low Eighth Step High High High Sixteenth Step
12
2.2.6 Driver laser
Gambar 2. 7 Mosfet IRF 5305 S
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah sebuah perangkat semikonduktor yang secara luas di gunakan sebagai driver laser atau switch dan penguat sinyal pada perangkat elektronik. Mosfet pada rancang bangun sistem kontrol mesin laser engraving di gunakan untuk driver pengendali laser device. dengan input PWM pada Gate maka akan mengontrol tegangan yang lewat melalui Source ke Drain. Besar kecil nya tegangan yang di lalui Source dan Drain ini ditentukan besar kecil nya nilai PWM yang di input di Gate dari controller.
Tabel 2. 6 Spesifikasi mosfet irf5305s
13
2.2.7 Tombol emergency Emergency Stop merupakan bagian dari sistem kontrol yang berfungsi sebagai
rangkaian pemutus darurat apabila terjadi kegagalan operasional suatu sistem. Tombol
Emergency disebut juga tombol darurat yang bertugas untuk mengamankan sistem dari
kerusakan tingkat lanjut dan mematikan suatu sistem operasional secara keseluruhan
dengan satu tombol seperti pada gambar 2.8.
Gambar 2. 8 Tombol Emergency
2.2.8 Power supply DC Power Supply DC merupakan perangkat yang berfungsi sebagai penyedia utama daya
tegangan DC bagi CNC Controller, Motor Stepper, dan Laser module. Fungsi dasar dari
power supply adalah merubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Oleh karena itu, Power
Supply kadang disebut juga dengan istilah Electric Power Converter. Daya yang dihasilkan
oleh power supply ini dijaga konstan agar memberikan suplai yang optimal bagi motor
stepper dan laser modul.
Gambar 2. 9 Power supply
14
2.3 Komponen Mekanisme Komponen mekanisme yang digunakan untuk mendukung sistem control pada mesin
laser mesin laser engraving sebagai berikut:
2.3.1 Poros rail Poros rail berfungsi sebagi pemandu pergeseran mesin dalam satu axis gerak.
Kompenin ini sangat penting pada mesin yang digunakan karna kecepatan dan akurasi
gerak sangat menentukan. Poros yang digunakan menggunakan material SS400 dengan
diameter 8mm.
Gambar 2. 10 Poros rail
2.3.2 Poros ulir Poros ulir adalah sebagai penghubung dan menerjemahkan gerakan memutar menjadi
gerakan linear. Poros Ulir biasanya digunakan untuk mekanisme aktuator dan positioner
daya rendah. Poros ulir memiliki kerugian energi gesekan yang lebih besar dibandingkan
dengan mekanisme penghubung lain akan tetapi untuk akurasi dan transfer daya lebih baik
dibanding dengan menggunakan mekanisme timing belt.
Gambar 2. 11 Poros ulir
15
2.3.3 Linier bearing Linier Bearing adalah bantalan yang dirancang untuk memberikan gerakan bebas
dalam satu arah atau gerak linier sehingga mengurangi gesekan antara dua bagian yang
bergerak, dengan adanya linier bearing, gesekan antara dua bagian menjadi sangat minim.
Pada rancang bangun mesin laser engraving ini menggunakan linier bearing dengan tipe
LM8UU (Inner 8mm, Outer 15mm, Length 24mm) seperti pada gambar.
Gambar 2. 12 Linier bearing
2.3.4 Frame Almunium Dalam penilitian rancang bangun mesin laser engraving untuk struktur frame
menggunakan almunium vslot 2020 seperti pada gambar dengan material almunium 6063.
Gambar 2. 13 Frame almunium profile 2020
16
2.3.5 Bracket Bracket yang digunakan untuk menyangga motor stepper menggunakan plat besi,
Dengan menggunakan baut sebagai pengikat yang di pasang diantara frame almunium
vslot 2020, dengan desain seperti pada Gambar 2.14.
Gambar 2. 14 Braket motor stepper
2.3.6 Shaft support dan pillow Shaft support atau blok pendukung poros linier ini memiliki diameter dalam 8 mm
terbuat dari aluminium untuk mengunci poros, dan membantu secara akurat menyelaraskan
poros linier yang digunakan pada setiap sumbu gerak mesin laser engraving.
Gambar 2. 15 Shaft support
17
Sedangkan pillow berfungsi sebagai bantalan poros ulir pada sumbu x dan sumbu y yang digerakkan oleh motor stepper untuk mengurangi gesekan rotasi sehingga tidak membebani kinerja motor stepper.
Gambar 2. 16 Pillow lead screw
2.3.7 kopling Kopling jenis ini digunakan sebagai penerus atau penghubung putaran as motor
dengan poros ulir, kopling tipe ini dipakai untuk gaya yang tidak terlalu besar. Antara
poros dan tabung terdapat pasak atau baut sebagai pengunci agar tidak bergeser dalam arah
aksial.
Gambar 2. 17 Kopling
2.4 Perangkat Lunak Sistem Kontrol Penggunaan perangkat lunak atau software pada penelitian ini penggunaan perangkat
lunak mutlak diperlukan untuk menggambar, mengontrol dan menguji kinerja mesin laser
engraving ini. Adapun software yang digunakan sebagi berikut:
18
2.4.1 Perangkat lunak Arduino IDE IDE itu merupakan kependekan dari Integrated Developtment Enviroenment, atau
secara bahasa mudahnya merupakan lingkungan terintegrasi yang digunakan untuk
melakukan pengembangan, melalui perangkat lunak Arduino IDE inilah Arduino
dilakukan pemrograman untuk melakukan fungsi-fungsi yang dibenamkan melalui sintaks
pemrograman. Dengan aplikasi ini dapat menginformasikan jika ada kelasahan
pemrograman, pemograman Arduino menggunakan bahasa pemrograman sendiri yang
menyerupai bahasa C. Bahasa pemrograman Arduino (Sketch) sudah dilakukan perubahan
untuk memudahkan pengguna dalam melakukan pemrograman dari bahasa aslinya.
Sebelum dijual ke pasaran, IC mikrokontroler Arduino telah ditanamkan suatu program
bernama Bootloader yang berfungsi sebagai penengah antara compiler arduino dengan
mikrokontroler.
Gambar 2. 18 Tampilan software Arduino IDE
Arduino IDE dibuat dari bahasa pemrograman java. Arduino IDE juga dilengkapi
dengan library C/C++ yang biasa disebut wiring yang membuat operasi input dan output
menjadi lebih mudah. Arduino IDE ini dikembangkan dari software Processing yang
khusus untuk pemrograman controller arduino.
19
2.4.2 Perangkat lunak Laser GRBL Laser GRBL adalah software yang digunakan untuk mengontrol dan menguji kinerja
mesin laser engraving, adapun penggunaannya melibatkan komputer untuk memasukkan
perintah-perintah diantaranya mengatur pergerakan linear aktuator dengan cara mengatur
putaran dan arah putaran motor stepper setiap axis pada mesin laser engraving dengan
perintah G-Code, Pada dasarnya Laser GRBL adalah sebuah aplikasi yang dapat
mengunggah hex file atau G-Code file ke arduino agar arduino dapat membaca perintah
dalam bnetuk G-Code. Software ini memudahkan pengguna dalam proses pemrograman
mesin laser engraving dengan sistem microcontroller yang digunakan. Pengguna bisa
memberikan perintah secara langsung atau pengguna juga bisa menggunggah satu file
dalam bentuk notepad yang berisi G-Code.
Gambar 2. 19 Tampilan software laser grbl
20
2.4.3 Corel DRAW Fungsi perangkat lunak corel draw dalam penelitian ini adalah sebagai aplikasi desain
berbasis vektor atau garis untuk membuat berbagai macam desain sample uji kinerja sistem kontrol mesin laser engraving.
Gambar 2. 20 Tampilan aplikasi corel draw
2.4.4 Solid work Solidwork digunakan untuk membuat gambar baik gambar dua dimensi ataupun tiga
dimensi serta dapat mensimulasikan pergerakan benda secara animasi. Pada penelitian ini
solidwork digunakan untuk menggambar semua bagian dari mesin laser engraving,
merakitnya, serta mensimulasikan mesin laser engraving dalam bentuk gerakan linear
sesuai dengan yang direncanakan.
21
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian Tahapan yang dilakukan pada penelitian rancang bangun sistem kontrol mesin laser
engraving dengan microcontroller CNC 2 axis berbasis arduino nano.
Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian
Perancangan Sistem
Desain
Pembuatan Program Kontrol
Pengujian Sistem
Analisis Hasil
Selesai
Pembuatan dan Perakitan
Tidak
Ya
Kesimpulan dan Saran
Studi Literatur
Mulai
22
Untuk mencapai hasil penelitian yang sesuai dengan tujuan yang diharapkan, tahapan
dari penelitian ini selanjutnya direncanakan dalam tahapan-tahapan yang berisi kegiatan
penelitian sebagaimana dijelaskan dalam bagian berikut.:
1. Studi literatur
Tahap pertama memulai penelitian ini dilakukan tahapan mencari literatur yang
berkaitan dengan penelitian ini, dengan harapan perancangan dan pelaksanaan
penelitian sesuai dengan yang diharapkan.
2. Perancangan struktur
Tahap kedua perancangan mesin laser engraving sesuai dengan spesifikasi yang
diinginkan. konsep perancangan dilakukan dengan mempertimbangkan jenis laser,
aktuator, struktur material dan material yang akan di proses engraving. Dalam
pembuatan desain perancangan dengan menggunakan software Solidwork.
3. Perancangan Sistem Kontrol
Tahap ketiga adalah proses perancangan sistem microcontroller berbasis ATmega 328
Arduino Nano, untuk sistem kontrol aktuator dan laser.
4. Pembuatan program kontrol pada arduino nano
Tahap keempat adalah menentukan nilai parameter controller dapat dilakukan dengan
cara trial and error, hingga di peroleh hasil yang di inginkan. dengan mengacu pada
karakteristik masing – masing hardware,agar kontrol bekerja dengan baik pada sistem.
5. Pengujian sistem
Tahap kelima adalah pengujian terhadap sistem yang telah dibuat seperti fungsi motor
stepper dan laser dengan metode trial eror.
6. Analisis data dan pembuatan laporan
Tahap keenam adalah melakukan analisis pada data yang diperoleh dari tahap
sebelumnya dan melaporkan hasil yang telah dicapai dalam bentuk laporan skripsi
7. Kesimpulan dan saran
Tahap ketujuh adalah tahap terakhir pada penelitian ini yaitu memberikan kesimpulan
dari hasil pengujian dan analisis data yang diperoleh, memberikan saran untuk
penelitian tahap selanjutnya.
23
3.2 Perancangan Kontrol Sistem Dalam penelitian rancang bangun mesin laser enngraving ini bekerja dengan
mekanisme 2 sumbu axis, sistem kontrol pada mesin laser engraving menggunakan
microcontroller. Beberapa komponen penting yang terdapat dalam sistem kontrol mesin
laser engraving diantaranya adalah Komputer, Arduino, Driver Motor, Stepper Motor,
Laser Diode, Power Supply dan lain-lain. Komputer merupakan pusat perintah pada mesin
laser engraving, dimana semua perintah yang akan disampaikan kepada mesin dalam
bentuk G-Code atau NC file berasal dari komputer. Secara umum semua jenis komputer
dapat digunakan untuk sistem kontrol yang telah dirancang dengan operating windows 7
windows 10.
komponen kritikal yang terdapat dalam sistem kontrol mesin laser engraving adalah
Arduino nano alat ini merupakan otak dari semua komponen sistem kontrol. Alat ini
berfungsi menerjemahkan perintah dalam bentuk G-Code dan selanjutnya disampaikan
kepada driver actuator dan driver laser diode. Sebenarnya ada beberapa jenis
microcontroller yang tersedia dipasaran, baik itu yang berbasis Arduino maupun berbasis
controller lainya. Namun dikarenakan berbagai pertimbangan, diputuskan untuk
menggunakan Arduino Nano sebagai sistem kontrol mesin laser engraving. Disamping
karena harga yang relatif lebih murah, ketersediaan dipasaran cukup banyak, pemilihan
controller menggunakan arduno nano dikarenakan open source dan toturial cara
melakukan perakitan dan setting mudah dicari diinternet. Namum kekurangan dari arduino
nano dalah tidak adanya port power supply, sehingga perlu tambahan shield arduino nano
yang digunakan sebagai papan ekspansi untuk controller mesin laser engraving. CNC
Shield memiliki beberapa port yang nantinya terhubung ke masing-masing port seperti
driver stepper motor 3 axis, driver laser, input device, dan sumber tenaga (power). Dalam
sistem kontrol mesin laser yang menjadi aktuator membantu pergerakan mesin adalah
stepper motor. Motor ini dapat bergerak secara step sesuai dengan sinyal input yang
diberikan.
Pergerakan dalam bentuk step ini memberikan keuntungan pada mesin sebab mampu
bergerak dengan tingkat kecermatan yang lebih baik. Pada mesin laser ini, dipilih stepper
motor tipe 17HS1352. disamping jenis tersebut masih ada beberapa jenis lain yang lebih
besar maupun yang lebih kecil. Namun karena pertimbangan luas area kerja proses laser
engraving yang akan dilakukan, maka pemilihan stepper motor tipe 17HS1352 dirasa
24
cukup. Dalam pengaturan sistem kontrol digunakan perangkat lunak Laser GRBL yang
bertindak sebagai interface.
kalibrasi sistem kontrol diperlukan untuk memastikan mesin mampu melakukan
proses laser engraving secara teliti dan presisi, sehingga dengan adanya sistem kontrol
numerik akan memberikan kelebihan yang signifikan apabila dibandingkan dengan mesin
konvensional yang dioperasikan oleh operator mesin. untuk menjaga sistem keamanan
mesin agar bergerak sebagai mana fungsinya, maka mesin laser engraving dilengkapi
dengan emergency stop. Apabila sewaktu waktu pergerakan mesin diluar kendali dapat
membahayakan benda kerja, mesin, maupun orang yang ada di sekitar mesin, maka tombol
emergency stop dapat ditekan sehingga mesin dapat berhenti dengan seketika.
3.2.1 Blok diagram kontrol sistem Jenis sistem kontrol mesin laser enggraving pada penelitian ini adalah loop terbuka.
Dengan menggunakan mikrokontroler berbasis arduino nano, sebagai penerjemah G- Code
menjadi pulsa yang dikirim ke driver aktuator dan driver laser (mosfet IRF5305S). Blok
diagram kontrol sistem ditunjukkan pada Gambar 3.2
Gambar 3. 2 Skema sistem kontrol
25
3.2.2 Perancangan sistem kontrol aktuator Perancangan sistem kontrol aktuator pada mesin laser engraving menggunakan motor
stepper sebagai penggerak terhadap sumbu X,Y dan Z. dengan menggunakan driver
stepper type A4988 dengan skema rankaian seperti pada Gambar 3.3.
Gambar 3. 3 Aktuator sistem kontrol
Untuk menggerakan stepper motor, kita harus memberikan pulsa 5 V tegangan pada 4
pin stepper motor dengan pola urutan tertentu. Satu urutan tertentu tersebut akan
menggerakan satu step (1.8O). Memutar satu putaran penuh stepper motor (360O),
dilakukan dengan mengulang 1 step tersebut sebanyak 200 kali dari perhitungan berikut
(360O/1.80O = 200 step), untuk menggerakan satu step maka 4 pin itu harus dikasih pulsa
dengan empat langkah seperti pada Tabel 3.1
Tabel 3. 1 Urutan step
Step Pin1 Pin2 Pin3 Pin4 #1 LOW LOW HIGH HIGH #2 HIGH LOW LOW HIGH #3 HIGH HIGH LOW LOW #4 LOW HIGH HIGH LOW
26
3.2.3 Perancangan sistem kontrol laser Perancangan sistem kontrol laser engraving menggunakan mosfet IRF5305S sebagai
saklar on,off dengan dengan input PWM pada Gate maka akan mengontrol tegangan yang
lewat melalui Source ke Drain. Besar kecil nya tegangan yang di lalui Source dan Drain ini
ditentukan besar kecil nya nilai PWM yang di input di Gate dari controller. skema
rankaian seperti pada Gambar 3.4.
Gambar 3. 4 Laser sistem control
PWM adalah singkatan dari Pulse Width Modulation. Pada arduino sinyal PWM
adalah sinyal yang beroperasi pada frekuensi 500Hz. pin arduino yang bisa dimanfaatkan
untuk PWM adalah pin yang diberi tanda tilde (~), yaitu pin 3, 5, 6, 9, 10, dan pin 11. Pin-
pin tersebut merupakan pin yang bisa difungsikan untuk input analog atau output analog.
Jika menggunakan PWM pada pin ini, bisa dilakukan dengan perintah analog write.
27
Gambar 3. 5 Siklus sinsyal pwm arduino
PWM pada arduino bekerja pada frekuensi 500Hz, artinya 500 siklus atau ketukan
dalam satu detik. Untuk setiap siklus bisa memberi nilai dari 0 hingga 255. Ketika kita
memberikan angka 0, berarti pada pin tersebut tidak akan pernah bernilai 5 volt (pin selalu
bernilai 0 volt). Sedangkan jika kita memberikan nilai 255, maka sepanjang siklus akan
bernilai 5 volt (tidak pernah 0 volt). Jika kita memberikan nilai 127 (kita anggap setengah
dari 0 hingga 255, atau 50% dari 255), maka setengah siklus akan bernilai 5 volt, dan
setengah siklus lagi akan bernilai 0 volt. Sedangkan jika jika memberikan 25% dari 255
(1/4 * 255 atau 64), maka 1/4 siklus akan bernilai 5 volt, dan 3/4 sisanya akan bernilai 0
volt, dan ini akan terjadi 500 kali dalam 1 detik. Untuk visualisasi siklus PWM, bisa lihat
pada Gambar 3.5.
28
3.3 Spesifikasi Mesin Laser Engraving
Dalam penelitian rancang bangun mesin laser engraving dengan microcontroller
arduino telah mengasilkan prototype mesin laser engraving seperti paada Gambar 3.5.
Gambar 3. 6 Prototype mesin laser engraving
Spesifikasi mesin laser engraving dalam penelitian rancang bangun mesin laser
engraving menggunakan microcontroller arduino nano.
Tabel 3. 2 Spesifikasi mesin laser engraving
Spesifikasi Mesin Laser Laser Engraving Control software Laser GRBL Controller Arduino Nano Frame Almunium V slot 2020 Actuator Motor Stepper 0.25 N.m 1.3A Power supply DC 24V 5A Laser 2,500 mW 12V Work Area 100mm*180mm Dimension 220mm*240mm*260mm
29
3.4 Metode Analisis Uji kestabilan kontrol sistem berbasis arduino nano dilakukan dengan analisis hasil
dari trial and error pada proses laser engraving terhadap finish dan lebar garis engraving
pada material. Dengan metode pengujian sebagai berikut:
1. Pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator terhadap gerak linier sumbu X dan sumbu
Y dengan proses laser engraving membuat bentuk lingkaran, persegi dan gambar.
2. Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser dengan uji proses engraving garis dan gambar.
3. Pengujian kinerja sistem kontrol mesin laser engraving dengan menggunakan parameter
jarak laser , daya laser, kecepatan gerak laser head.
4. Pengujian kepresisian mesin laser engraving dengan membandingkan dimensi hasil dari
proses laser engraving dengan perintah atau masukan pada sistem kontrol.
5. Menganalisis data dari hasil pengujian yang dilakukan.
3.5 Parameter Pengujian Parameter yang digunakan dalam pengujian sistem kontrol mesin laser engraving
sebagai berikut:
3.5.1 Jarak laser Parameter jarak laser head bisa diseting dengan menggerakkan aktuator Z axis pada
ketinggian minimal 45mm sampai dengan 75mm, seperti pada Gambar.3.7.
Gambar 3. 7 Jarak laser head terhadap benda kerja
30
3.5.2 Daya laser Parameter daya laser yang digunakan dalam pengujian sistem kontrol mesin laser
engraving dapat diseting pada aplikasi controller Laser GRBL dengan menentukan nilai dari S-Min 0 sampai S-Max 255 seperti pada Gambar 3.8.
Gambar 3. 8 Daya laser pada controller laser grbl
3.5.3 Kecepatan gerak laser head Parameter kecepatan gerak laser yang digunakan dalam pengujian sistem kontrol
mesin laser engraving dapat diseting pada aplikasi controller Laser GRBL dengan
menentukan nilai Border Speed dari 100 mm/menit sampai 400 mm/menit untuk kecepatan
putaran aktuator sumbu X dan Sumbu Y.
Gambar 3. 9 Kecepatan gerak laser pada controller laser grbl
31
3.6 Standar Keamanan Sinar dari laser yang dihasilkan berbahaya bagi penglihatan manusia, ketika sinar itu
mengenai mata secara langsung atau setelah refleksi dari permukaan yang mengkilap dapat
menyebabkan kerusakan pada kornea mata serta dapat membakar kulit jika bersentuhan
secara langsung. Oleh karena itu pada pengoperasian mesin laser engraving agar
memperhatikan keselamatan dengan ketentuan sebagai berikut:
1. Menggunakan alat pelindung keselamatan kerja seperti kacamata
2. Hindari sentuhan sinar laser dengan kulit secara langsung.
3. Hindari menatap cahaya dari laser secara langsung atau dari pantulan
4. Bersihkan area kerja mesin dari benda yang dapat memantulkan cahaya.
5. Jauhkan benda yang mudah terbakar disekitar mesin laser engraving.
6. Seatiap orang yang menggunakan mesin laser engraving harus sadar akan resiko
yang dihadapi.
3.7 Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian rancang bangun mesin laser
engraving adalah sebagai berikut:
1. Alat yang digunakan dalam rancang bangun sistem kontrol mesin laser engraving:
Tabel 3. 3 Daftar alat yang digunakan
Name Quantity Mesin Gerinda 1 Mesin Bor 1 Mata Bor 5mm 1 Tang 1 Gunting 1 Laser Safety Glass 1 Avometer 1 Obeng Plus & Minus 1 Solder 1 Set kunci L 1
32
2. Bahan yang digunakan dalam rancang bangun sistem kontrol mesin laser
engraving:
Tabel 3. 4 Daftar bahan yang digunakan
Name Model - Size Quantity
Almunium V Slot 2020 20 x 20 x 240 mm 2 20 x 20 x 220 mm 4 20 x 20 x 200 mm 2
Almunium V Slot 20100 20 x 20 x 200 mm 1 Corner Braketgusset 90 2020 12 Linier Axis 8mm 2 Linier Axis 8mm 2 Linier Axis 8mm 2 Linier Bearing LM8UU 8 Linier Bearing LM8L 2 Saft Support SK8 8 Pillow T8 KP08 inner 8mm 2 Plate Bracket Stepper Motor 2 Coupling 5mm-8mm 14 x 25mm 3
Lead Screw T8
90mm 1 210mm 1 230mm 1 Nut Copper T8 6 Spring 2
Motor Stepper 17HS1352S 3 Driver Stepper A4988 1 Controller Arduino Nano V.3.0 1 CNC Shield Keyes Arduino Nano 1 Mosfet IRF 5305S 1 Fan 30 mm 1 Power Supply/Adaptor 24.V 1 Laser Diode 2,500 mW 1
Bolt M5 x 10 54 M5 x 8 4 M3 x 6 12
T Nut Almunium 2020 M5 58 Washer M5 54 Kabel Jumper Male To Male, Male T 6
33
BAB IV
HASIL DAN ANALISIS
Pada bab ini menjelaskan mengenai proses pembuatan dan pengujian yang selanjutnya
dilakukan analisis untuk memperoleh data yang dibutuhkan sesuai dengan hasil yang
diharapkan agar mesin laser engraving ini bisa digunakan dengan baik.
4.1 Pengujian Sistem Kontrol Pengujian sistem kontrol pada mesin laser engraving dilakukan dengan beberapa
metode pengujian mengacu kepada sistem kontrol dan fungi dari aktuator serta laser yang digunakan.
4.1.1 Pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator Pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator dengan cara membuat garis vector
berupa persegi, lingkaran dan gambar dengan hasil yang dapat dilihat pada Tabel 4.1.
Tabel 4. 1 Hasil pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator
No Kecepatan
gerak mm/min
Daya Laser
Jarak Head Laser (mm)
Input Hasil
1 200 255 75 Persegi
2 200 255 75 Lingkaran
3 200 255 75 Gambar
34
4.1.2 Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser dengan cara membuat garis, persegi dan
gambar dengan hasil yang dapat dilihat pada Tabel 4.2.
Tabel 4. 2 Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser
No Kecepatan
gerak mm/min
Daya Laser
Jarak Head Laser (mm)
Input Hasil
1 200 255 75 Garis
2 200 255 75 Persegi
3 200 255 75 Gambar
35
4.2 Pengujian Mesin Laser Engraving Pengujian kinerja dari mesin laser engraving dilakukan dengan parameter jarak laser
head, daya laser dan kecepan gerak laser. Untuk menentukan linai dari parameter yang digunakan pada proses laser engraving.
4.2.1 Pengujian dengan metode jarak laser Pengujian sistem kontrol mesin laser engraving menggunakan parameter jarak laser
head terhadap benda kerja agar menghasilkan garis engraving yang baik, dengan menentukan nilai parameter jarak ideal laser head terhadap benda kerja yang akan di proses engraving. Pengujian dilakukan dengan variasi jarak laser yang berbeda, seperti pada Tabel 4.3.
Tabel 4. 3 Pengujian dengan metode jarak laser
No Kecepatan
gerak mm/min
(S-Max) Daya laser
Jarak Head Laser (mm)
Hasil Keterangan
1 200 255 75
Garis yang dihasikan lebih stabil
2 200 255 60
Garis yang dihasilkan terlalu tebal
3 200 255 45
Garis yang dihasilkan tidak rata
36
4.2.2 Pengujian dengan metode daya laser Pengujian sistem kontrol mesin laser engraving dengan menggunakan parameter daya
laser yang digunakan dalam proses engraving. Menentukan nilai parameter daya laser ideal agar menghasilkan engraving yang baik, dilakukan pengujian dengan menggunakan variasi daya laser yang berbeda seperti pada Tabel 4.4.
Tabel 4. 4 Pengujian dengan metode daya laser
No Kecepatan
gerak mm/min
(S-Max) Daya laser
Jarak Head Laser (mm)
Hasil Keterangan
1 200 105 75
Garis yang dihasilkan kurang tebal
2 200 155 75
Garis yang dihasilkan cukup tebal dan jelas
3 200 205 75
Garis yang dihasilkan tebal
4 200 255 75
Garis yang dihasilkan terlalu tebal
37
4.2.3 Pengujin dengan metode kecepatan gerak laser Pengujian sistem kontrol mesin laser engraving dengan parameter kecepatan gerak
laser dalam proses engraving. Menentukan nilai parameter kecepatan gerak laser dengan pengujian variasi kecepatan gerak laser yang berbeda, dengan hasil seperti pada Tabel 4.5.
Tabel 4. 5 Pengujian dengan metode kecepatan gerak laser
No Kecepatan
gerak mm/min
(S-Max) Daya laser
Jarak Head Laser (mm)
Hasil Keterangan
1 100 155 75
Garis yang dihasilkan terlalu tebal
2 200 155 75
Garis yang dihasilkan nampak jelas
3 300 155 75
Garis yang dihasilkan tipis
4 400 155 75
Garis yang dihasilkan putus-putus
38
4.2.4 Pengujian akurasi sistem kontrol Pengujian akurasi sistem kontrol mesin laser engraving dengan menganalisis hasil dari
proses engraving dan membandingkan ukuran aktual dengan masukan pada sistem kontrol, yang dapat dilihat pada Tabel 4.6.
Tabel 4. 6 Pengujian akurasi sistem kontrol
No Kecepatan mm/min
(S-Max) Daya laser
Jarak Head Laser (mm)
Input Hasil Keterangan
1 200 255 75 Persegi ukuran
30mm x 30mm
Hasil ukur 30mm x 30mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
2 200 255 75 Persegi ukuran
20mm x 20mm
Hasil ukur 20mm x 20mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
3 200 255 75 Persegi ukuran
10mm x 10mm
Hasil ukur 10mm x 10mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
4 200 255 75
Lingkaran ukuran
Diameter 30mm
Hasil ukur Diameter30mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
5 200 255 75
Lingkaran ukuran
Diameter 20mm
Hasil ukur Diameter30mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
6 200 255 75
Lingkaran ukuran
Diameter 10mm
Hasil ukur Diameter30mm (dari center line)
Lebar garis 0.6mm
39
4.3 Prosedur Pengoperasian Mesin Laser Engraving Langkah pengoperasian mesin laser engraving dengan controller arduino nano dan
aplikasi laser grbl.
Gambar 4. 1 Prosedur pengoperasian mesin laser engraving
Langkah 1: Buka aplikasi LASER GRBL, klik File kemudian Open File dan pilih gambar yang akan diproses engraving lalu klik Open.
Langkah 2: Setelah memilih file akan muncul kotak dialog Import Raster Image, atur kecerahan dan kontras gambar.
Langkah 3: Setelah mengataur kecerahan dan kontras gambar, akan muncul kotak dialog Target Image, atur ukuran, kecepatan gerak laser dan daya laser dan sesuai parameter kemudian klik Creat.
Langkah 4: Setelah mengatur parameter kemudian klik Icon kordinat.
Langkah 5: Setelah mengatur kordinat Kemudian klik Run Program.
40
4.4 Analisis Hasil Pengujian Mesin Laser Enggraving Hasil data pengujian mesin laser engraving ini diperoleh dari beberapa tahap
pengujian terhadap parameter yang sudah ditentukan seperti jarak laser, daya laser dan
kecepatan gerak laser, guna mencari nilai parameter yang tepat untuk suatu material yang
akan di proses engraving menggunakan laser.
1. Pengujian dengan parameter jarak laser ini dilakukan dengan jarak laser 45mm, 60mm
dan 75 mm bertujuan untuk mencari jarak ideal, dengan melihat kestabilan hasil dan
membandingkan data pengujian, diperoleh jarak ideal 75mm.
2. Pengujian dengan parameter daya laser ini dilakukan dengan menyeting laser option
pada controller Laser GRBL menggunakan nilai S-Max 105, 155, 205 dan 255. Dari
analisis data hasil uji nilai ideal S-Max 255.
3. Pengujian dengan parameter kecepatan gerak laser dilakukan dengan menyeting speed
pada controller Laser GRBL menggunakan nilai Border speed 100, 200, 300 dan 400.
Dari analisis data hasil uji nilai ideal Border speed 200.
4. Hasil analisis data pengujian kinerja mesin laser engraving, sistem kontrol berjalan
dengan baik dan akurat, serta didapat nilai parameter yang ideal dijadikan standar.
Hasil engraving yang tidak rapi bisa terjadi karena ada beberapa faktor, seperti bahan
yang diproses engraving tidak sesuai dengan jenis laser yang digunakan dan poros linier
yang kotor membuat mesin laser engraving tidak bekerja maksimal.
4.5 Standar Parameter Mesin Laser Engraving Dari hasil pengujian mesin laser engraving dengan menggunakan parameter jarak
laser, daya laser dan kecepatan gerak laser, Dapat disimpulkan nilai parameter mesin laser
engraving dan dijadikan standar parameter.
Tabel 4. 7 Standar parameter mesin laser engraving
Standard Parameter Mesin Laser Engraving
Material Kecepatan S-Max Jarak
gerak mm/min Daya Laser Head Laser (mm)
Karton 200 155 75
41
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan Kesimpulan Perancangan dan pembuatan sistem kontrol mesin laser engraving 2 axis
marupakan penelitian yang dilakukan untuk menjadikan mesin yang telah dimanufaktur
agar dapat dioperasikan dan dikendalikan dengan sistem computer, dalam penelitian ini
telah dilakukan beberapa langkah dan metode sehingga sistem kontrol dapat bekerja
dengan baik. Dari hasil yang telah diperoleh dapat diambil beberapa kesimpulan, antara
lain adalah :
1. Telah diperoleh sebuah rancangan skematik sistem kontrol mesin laser engraving
yang mampu menggerakan mesin kearah dua sumbu X dan sumbu Y.
2. Berdasarkan bentuk rancangan yang telah dibuat, selanjutnya telah dirakit sistem
kontrol mesin laser engraving yang disusun oleh beberapa komponen seperti
Komputer, Controller Arduino Nano, Motor driver, Motor Stepper, Laser module,
Power Supply, dan Emergency Stop.
3. Agar sistem kontrol berjalan sebagaimana mestinya, digunakan sistem interface
berbasis aplikasi program Laser GRBL & Arduino IDE. untuk menyesuaikan
perangkat kontrol yang ada, selanjutnya dilakukan pengaturan port dan input sinyal
pada interface, agar setiap perintah yang berasal dari komputer dibaca dengan baik
oleh aktuator dan laser.
4. Untuk menghindari kesalahan dalam pergerakan mesin, telah dilakukan kalibrasi
unit antara sistem interface dengan pergerakan mesin, sehingga perintah dengan
unit tertentu pada komputer akan dieksekusi tepat oleh mesin laser engraving.
5. Mesin laser engraving dilengkapi dengan emergency stop, perangkat ini berfungsi
untuk menghindari kerusakan mesin ketika sistem error dari pergerakan yang
bersifat membahayakan. Dengan adanya sistem emergency stop maka sistem
kontrol pada mesin laser engraving bisa di restart.
42
5.2 Saran Setelah melakukan penelitian, penulis memberikan saran untuk mengembangkan
penelitian ini untuk penelitian berikutnya. Saran yang dapat disampaikan adalah sebagai
berikut.
1. Dalam pengoperasian mesin laser engraving agar memperhatikan standar
pengoperasian serta menjaga kebersihan dan keselamatan pengoperasian alat.
2. Kalibrasi sebelum proses di perlukan untuk menghindari terjadinya kerusakan akibat
error pada sistem kontrol.
3. Penggunaan controller arduino nano dapat dikembangkan dengan mencari nilai para
meter yang tepat sehingga sistem kontrol berjalan dengan baik.
4. Menambahkan limit swicth pada sumbu X dan sumbu Y, untuk meningkatkan sistem
keamanan.
5. Setelah mesin laser engraving digunakan pastikan setiap poros linier dan poros ulir
dalam keadaan bersih, gunakan pelumas untuk membersihkan dan merawat poros
linier agar terhindar dari korosi dan tahan terhadap gesekan.
6. Untuk standar parameter engraving pada kayu dan akrilik perlu pengujian lebih lanjut.
7. Laser module yang digunakan dapat diganti dengan motor spindle.
43
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ikhlash Syukran Harrizal.2017.Rancang bangun sistem kontrol mesin cnc miling 3
axis menggunakan close loop systems. Teknik Mesin, Universitas Riau
[journal].[diunduh 2018 Feb 8]. Tersedia pada:
https://media.neliti.com/media/publications/184294-ID-rancang-bangun-sistem-
kontrol-mesin-cnc.pdf..
[2] Devri Naldy.2016.Perancangan dan Analisis Struktur Mekanik Prototipe Mesin CNC
Milling 3-Axis.Fakultas Teknik, Universitas Riau
[journal].[diunduh 2018 Feb 8]. Tersedia pada:
https://media.neliti.com/media/publications/201413.
[3] Daniel Costa.2016.Laser engraver with arduino.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
https://www.hackster.io/macinblack/laser-engraver-with-arduino-719d14
[4] LaserGRBL.2013.WHAT IS LASERGRBL.
[Internet].[diunduh 2018 Apr 12]. Tersedia pada:
http://lasergrbl.com/en/
[5] Osoyoo.2017.Arduino NANO +CNC Shield V4.0+A4988 User Manual.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18].Tersedia pada:
http://osoyoo.com/2017/04/07/arduino-nano-cnc-shield-v4-0a4988/
[6] Getburnt.2013.Arduinolaser engraving.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
http://www.instructables.com/id/Arduino-Laser-Engraver/
[7] Tiffany Kwan.2015.Tips for a DIY Laser.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
http://blog.productgraph.io/tips-for-a-diy-laser/ [8] Sinauarduino.2016.Mengenal Arduino Software IDE.
[Internet].[diakses 2018 Feb 20]. Tersedia pada:
http://www.sinauarduino.com/artikel/mengenal-arduino-software-ide/
[9] Wikipedia.2018.Laser diode.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode
44
[10] Wikipedia.2018.Judul.Mosfet.
[Internet]. [diakses 2018 Mar 16]. Tersedia pada:
https://id.wikipedia.org/wiki/MOSFET
[11] CompounentsIOI.2018.Arduino Nano.
[Internet].[diakses 2018 Feb 19]. Tersedia Pada:
https://components101.com/microcontrollers/arduino-nano
[12] Calincostelcoty.2016.Diy Arduino Laser Engraver.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
http://www.instructables.com/id/Diy-Arduino-Laser-Engraver/
[13] Daniel Costa.2016.Laser engraver with arduino.
[Internet].[diakses 2018 Feb 18]. Tersedia pada:
https://www.hackster.io/macinblack/laser-engraver-with-arduino-719d14
[14] Mikro1311860.2015.Kendali motor stepper dengan arduino uno.
[Internet].[diakses 2018 May 2]. Tersedia pada:
https://mikro1311860.wordpress.com/2015/11/09/kendali-motor-stepper-dengan-arduino-uno/
45
LAMPIRAN
46
47
48
49
50
51
52
53
