20

BAB III

METODE PERANCANGAN

3.1 Metode Pahl and Beitz

Perancangani merupakani kumpulan keputusan yang dibuat dalam menentukan

prosesi yang digunakan untuk menentukan bentuki objeki dari kebutuhan yang

diinginkan oleh costumer. Secara umum perancangan dapat diartikan sebagai kegiatan

awal untuk merealisasikan alat yang keberadaan alati tersebut sangat dibutuhkan oleh

seseorang maupun kelompok untuk mempermudah suatu pekerjaan.

Perancangan merupakan suatu prosesi perencanaan yang dilakukan secara tepat

dan berurutan. Kegiatan ini dinamakan sebagai fase. Fase-fase dalam proses

perancangani berbedai antara satu dengan yang lainya. Didalam fase juga terdapat

kegiatan-kegiatani yang disebuti lanngkah dalam fase. Gambaran-gambarani ini

disajikan dalam bentuk diagrami alir sebagai metode dalam perancangani dan

perencanaan. Di dalam bukunya Engineering Desaign : A Systematic Approach [6]

Pahl dan Beitz mengusulkan proseduri prosedur yang dilakukan dalam perancangan

dan perencanaan. Procedure-prosedur tersebut antarai laini:

1. Perencanaan dan Penjelasan Tugasi

2. Perancangan Konsep Produki

3. Perancangaan Bentuk Produki

4. Perancangaan Detail Produki

Setiap fase proses perancangan akaan menghasilkan hasil fase. Dimana hasil

fase tersebut kemudian akan menjadi masukan untuk fase berikutnya dan akan menjadii

umpan balik untuk fasei yang mendahului.

21

Pada rancangi banguni prototype mesin plotter x-y metodei yang digunakan

adalah hanya perancangn konsepi produk menurut Pahl dan Bietz..berikut adalah

diagram alir perancangan konsep produk menurut Pahl dan Bietz pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram alir konseptual perancangan menurut Pahl and Beitz

3.2 Perancangan Konsep Produk

Perancangan konsepi berguna untuk memberikan beberapa solusi alternatifi

konsep produk yang selanjutnyai dievaluai berdasarkan persyaratani teknis dan

ekonomis. Tahapan ini diawalii dengan mengenal dan menganalisa spesifikasii produk

22

yang telah ada. Hasil analisa spesifikasiaproduki dilanjutkan dengan memetakan

struktur fungsi komponen.

Sehingga dapat disimpulkan bbeberapa varian solusi pemecahan masalah

konsepi produk. Pada perancangan dan pembangunan prototype mesin plotter x-y akan

dibuat 2 konsep produk kemudian dipilih salah satu dari produk tersebut berdasarkan

dari segiiteknisidaniekonomis.

3.3 Daftar Persyaratan

Perancanganidimulai dengan membuatidaftar persyaratan atauimenentukan

spesifikasi produk. Hal ini diperoleh dari analisa mesin plotteripenelitianiterdahulu

yang telah disebutkan pada bab sebelumnya [1][2][3][4].

Daftarsspesifikasi teknis terdiri dari dua persyaratan yaitu tuntutan (demand)

dan keinginani (wishes). Tabel spesifikasi teknisi dapat dilihat pada tabel 3.1.

Tabel 3.1 Daftar tuntutan perancangan prototype mesin plotter x-y

No Kriteria

Persyaratan

Uraian Persyaratan Sifat

1 Manufakturi Pembuatan mudah Di

Proses bongkar pasang mudah Di

2 Kontruksii Kokoh terhadap beban tertentu Wi

Presisi (tegak lurus 90°) Wi

Getaran motor stepper tidak mempengaruhi

mekanisme kontruksi

Wi

3 Ergonomisi Mudah dipindahkan (portable) Di

Mudah dioperasikan Di

23

Sesuai dengan kebutuhan Wi

4 Keselamatani Bagian yang berbahaya ditutup Di

Keamanan rangkaian kelistrikan Di

5 Produksii Dapat diproduksi oleh bengkel kecil Wi

Suku cadang murah dan mudah didapat Wi

6 Perawatani Maintenance dilakukan secara berkala Di

Biaya perawatan murah Wi

Perawatan mudah dilakukani Wi

7 Efisiensii Daya listrik tidak terlalu tinggii Di

Hasil gambar yang presisi Di

8 Ekonomii Meningkatkan kesejahteraan masyarakat Wi

Mampu bersaing dengan produk import Wi

Harga lebih murah Wi

3.4 Mengidentifikasi Masalah Masalah Penting

Pada tahap ini, tujuannya adalah untuk menajamkani permasalahan yang ada

pada sepesifikasi desain yangi ada pada tabel 3.1. berikut adalah tahapan tahapan untuk

mengidentifikasiimasalah :

Pembuatan G-code, dengan menghilangkan persyarataniyang tidakiberkaitan

langsung dengan fungsi dan batasan batasan penting maka diperoleh:

o Penggunaan software yang gratis.

o Perancangan desaign kokoh dan murah.

24

Ei

So

Eo

Si

Mo Mi

o Penggunaaan mikrokontroller yang murah.

o Penggunaan kota khusus untuk tempat mikrokontroller.

o Alat berbentuk prototype.

Mengubah G-code ke dalam bentuk gambar yang sesuai dengan urutan kejadian

G-code dari kriteria ini maka diperoleh hasil :

o Alat dapat mengasilkan output berupa gambaran yang susai dengan G-

code.

o Hasil plot presisi atau keakurasian yang baik.

o Dapat menge-plot segala bentuk gambar.

Langkah terakhiriadalah memformulasikan masalah ke dalam bentuk kalimat.

Hasil yang diperoleh dapat di nyatakan sebagai berikut:

Rancangibangun prototype mesin plotter x-y yang memiliki keakurasian yang

baik dan mampu menge-plot berbagai macam gambar serta berbiaya produksi

rendah.i

3.5 Menentukan Struktur Fungsi

Setelah spesifikasi teknis dan masalah-masalah yang akan timbul diketahui

maka selajutnya menentukan struktur fungsi. Struktur fungsi terdiri dari struktur fungsi

keseluruhan (overall function) dan sub-fungsi/fungsi utama yang didasarkan pada

aliran energi input/output (Ei/Eo), material input/output (Mi/Mo) dan signal

input/output (Si/So) dengan menggunakan idiagram blok. Untuk diagram bloc fungsi

keseluruhan dapat dilihat di bawah ini.

Gambar 3.2 Diagram Blok Fungsi Keseluruhan

Gambar 3.2 menjelaskan bahwa aliran fungsi energi, material, signal pada alat

prototype mesin i plotter x-y, dimana input energi i listrik masuk ke sistem kemudian

diproses oleh sistem dan diubah menjadi energi gerak. Input material berupa kertas

Prototype Mesin Plotter x-y

25

gambari kemudian masuk kedalam sistem dan di prosesiuntuk menghasilkan gambaran

yang sesuai dengan sinyal yang diberikan. Untuk inputisignal berupa G-code dan M-

code kemudian masukikedalam sistem dan akan diprosesiguna menghasilkan gambar

pola sesuai dengan signal yang di berikan.

Pada sistem prototype mesin plotter x-y, terdapat beberapa sub-fungsiialiran

energi listrik dan aliran signal. Energi listrik AC (Alternating Curent) masuk kesistim

penyearah aliran listrik sehingga menghasilkan energi listrikisearah atau biasa disebut

aliran DC (Direct Curent), kemudian dari energi listrikialiran DC di convert menjadi

energi mekanik berupa putaran poros motoristepper. Putaran poros motor stepper akan

di kontrol oleh sistim kontrol sesuai dengan signal input yang telah diberikan

sebelumnya pada sistem kontrol, sehingga akan menghasilkan gerakan mekanik pada

poros motor sesuai dengan signal yang telah di berikan pada sistem kontrol. Signal

yang diberikan pada sistemikontrol berupa G-code dan M-code. Hal ini akan

menjadikan prinsip kerja prototype mesin plotter x-y. Untuk lebih jelasnya dapat di

lihat pada gambar 3.3.

26

3.6 Prinsip Kerja mesin Plotter X-Y

Energi listrik 220 V sebagai masukan, energi tersebut dimasukan ke personal

computer (PC). Computer yang telah dialiri energi listrik digunakan untuk membuat

design gambar dan membuat file dengan tipe g-code melalui aplikasi inkscape,

Pengubah

arus

Convert

gambar ke

sinyal pulsa

Pembaca

sinyal pulsa

Pengirim

sinyal pulsa

Personal computer (PC)

Board

penghubung

Board

pembaca

sinyal

Penghubung

signal pulsa

Penggerak

vertikal

bulpoint

Penggerak X Penggerak Y

Board sistem pengendali

menggambar

Penumpu Penumpu

Penggerak

Sumbu

Penggerak

Sumbu

Penumpu

Penumpu

kertas Komponen

Gambar 3.3 Diagram blok fungsi prinsip kerja mesin plotter x-y

27

kemudian file g-code tersebut diimmport ke software universal g-code sender. Software

universal g-code sender berfungsi untuk mengirimkan file tersebut untuk dimasukan

ke software arduino IDE dan sebagai kontrol mesin untuk dijalankan serta untuk

membuat titik koordinat 0,0 (titik awal untuk menggambar). Software arduino IDE

berfungsi untuk membatasi limit gerak mesin, kecepatan motor, besar gerakan angel

servo melalui bahasa pemrogaman. Pemrogaman tersebut disimpan pada hardware

arduino uno. Serta software arduino IDE berfungsi sebagai pembaca g-code kemudian

diubah menjadi sinyal pulsa sebelum dikirimkan ke driver motor.

Energi listrik 220 V di masukan ke power supply yang bertujuan untuk

mengubah arus AC (bolak-balik) 220 V menjadi arus DC (searah) 12 V. Aliran energi

listrik 12 V dimasukan ke board CNC shield. Selain untuk masukan aliran arus DC 12

V, CNC shield berfungsi sebagai penghubung untuk menyalurkan signal pulsa dari

arduino UNO ke driver a4988 dan ke micro motor servo. Aliran energi listrik DC 12

V dari driver motor disalurkan ke motor stepper. Driver motor stepper a4988 berfungsi

sebagai pengirim signal pulsa secara periodik ke motor stepper yang kemudian motor

stepper mengubah menjadi energi mekanis CW (Conter Wise) atau CCW (Conter

Clock Wise). Untuk lebih jelasnya dapat di lihat pada gambar 3.4.

28

Power

Supply

Inkscape Arduino IDE Universal G-

Code Sender

Personal computer (PC)

Board

Penghubung

CNC Shield

Board

Arduino

UNO

Driver

a4988

M. Servo Stepper X Stepper Y

Board sistem kontrol

Alat tulis

Mesin Plotter X,Y

Komponen

Meja gambar

Gambar 3.3 Diagram blok sub-fungsi prinsip kerja mesin plotter x-y

29

3.7 Varian bentuk konsep produk

Setelahi mengetahuii diagram blok fungsi, langkah selanjutnyaiiadalah

menentukan solusi prinsipiatau konsep produk. Pada langkah ini dibuat konsepiproduk

yang sedemikian rupa yang mengacu pada diagram blok sub fungsi yang sudah tertera

pada gambar 3.3.

Gambar 3.5 Konsep produk

(A)

Keterangan gambar :

1. Kerangka sumbu y

2. Ass penopang sumbu y

3. Poros ulir sumbu y

4. Nut brass sumbu y

5. Micro servo motor

6. Penopang pegangan bulpoint

7. Motor stepper sumbu y

8. Bulpoint

30

9. Ass penopang sumbu x

10. Poros ulir sumbu x

11. Ass penopang sumbu x

12. Meja gambar

13. Bearing slidder

14. Ass pemegang bulpoint

15. Pegas tekan

16. Pengunci bulpoint

17. Nut brass sumbu x

18. Penumpu sumbu x

19. Kopling flexible

20. Motor stepper sumbu x

Gambar 3.6 Konsep produk

(B)

Keterangan Gambar :

1. Frame sumbu X

2. Frame sumbu Y

3. Rolling bearing por

31

4. Tumpuan sumbu X kiri

5. Tumpuan sumbu X kanan

6. Poros bearing (vertkal)

7. Poros bearing (horisontal)

8. Tumpuan poros sumbu Z

9. Tumpuan sumbu Z

10. Poros bearing di sumbu Z

11. Poros sumbu Z

12. Ulir

13. Kopling flexible

14. Motor stepper

15. Frame pemegang bulpoin

16. Bearing sledder

17. Pemegang bulpoin

18. Nutt brass

19. bulpoin

20. Pully motor stepper

21. Pully bearing

22. Pengunci Vbelt Y

23. Pengunci V-belt X

24. V-belt Y

25. V-belt X

3.8 Evaluasi Terhadap Kriteria Teknis dan Ekonomis (Matrik Morfologi)

Analisa morfologi adalah sautu pendekataniyang sistematis dalam mencari

sebuah alternatif penyelesaianidengan menggunakan matriks sederhana. Metode ini

dapat digunakan sebagai alternatif dari spesifikasii bahan atau komponen yang akan

dipakai pada prodak. Sumber informasi tersebut selanjutnya dapat dikembangkan

untuk memilih komponen-komponeni mesin yang paling ekonomis, segala perhitungan

teknis dan penciptaan bentuk mesin yang menarik. Gambar analisa morfologis dapat

diliat pada gambar dibawah ini.

32

Tabel 3.2 Analisa morfologi prototype mesin plotter x-y

No Variabel Varian

A B C

1 Pengubah

gambar

Inkscape

Corel Draw

2 Pengirim signal

pulsa

Universal G-

code Sender

Benbox

Candle CNC

3 Pembaca signal

pulsa

Arduino IDE

4 Board pembaca

signal dan

pemrogaman

Arduino Uno

Arduino Mega

Arduino Nano

33

5 Sumber energy

Power Supply

Bateray

6 Penghubung

antar komponen

CNC Shield

Breadboard

7 Penghubung

signal pulsa ke

motor stepper

TB 6560

TB 6600

A4988

8 Penggerak

vertikal bulpoint

Micro Servo

Stepper

9 Penopang dan

lintasan X

Nut Brass dan

poros ulir

Poros

Linier Bearing

34

10 Penopang dan

lintasan Y

Nut Brass dan

poros ulir

Poros

Linier Bearing

11 Penumpu

Akrilik

Kayu

Alumunium

12 Penggerak sumbu

Nut brass bulat

Mur

Nut brass T

13 Alat Pembuat

Pola

Bulpoint

Mata Bor

Tabel 3.2 merupakan matrik sederhana yang digunakan untuk menentukan

komponen yang akan digunakan dalam rancang banguni prototype mesin plotter x-y.

Komponen yang akani dipilih dari beberapa varian dalam rancang bangun mesin ini,

mengacu berdasrakan segi ekonomis dan segi tekniki dari sebuah komponen. Berikut

35

alasan penulis dalam memilih suatui komponen hardware maupun software yang akan

digunakan dalam rancang bangun prototype mesin plotter x-y :

1. Pengubah gambar

Inkscape dan corel draw merupakan software gambar vektor. Kedua

software ini dapat di download di internet secara gratis tanpa adanya biaya

tambahan. Dari segi teknis inkscape bisa di input extention tambahan (fitur

tambahan) dari luar. Fitur tersebut adalah MI GRBL servo controller yang

berfungsi sebagai pengubah gambar menjadi g-code dengan sumbu z nya

berupa micro motor servo. Sedangkan corel draw tidak bisa meng-input

extention dari luar aplikasi sehingga pemilihan software inkscape sangat tepat

untuk men-design gambar serta merubahnya menjadi tipe G-code dan M-code

dengan sumbu z nya berupa micro motor servo.

2. Pengirim signal pulsa

Universal g-code sendder, benbox dan candle merupakan software

untuk mengontrol atau mengendalikan gerak putar motor stepper dan micro

motor servo dan berfungsi sebagai pengirim signal pulsa berupa g-code. Ketiga

sofware ini di download dari internet secara gratis. Dari segi teknis universal g-

code sendder (UGS) mudah digunakan bagi pemula dan mampu mengendalikan

putaran motor stepper dan micro motor servo dengan delay kurang dari 1

second. Software candle sukar di oporasikan bagi pemula dikarenakan memiliki

banyak fitur dan untuk mengendalikan motor stepper memiliki delay kurang

lebih 1 second. Untuk pembacaan G-code dengan sumbu z menggunakan micro

servo software candle tidak mampu membacanya sehingga terjadi error pada

saat pengiriman G-code ke board arduino uno. Software benbox mudah di

operasikan bagi pemula tetapi untuk ukuran dimensi gambaran hasil plot tidak

sesuai dengan ukuran progam g-code yang telah dibuat. Sehingga dari

penjabaran di atas dipilih software universal g-code sendder dikarenakan lebih

unggul dari segi teknis.

36

3. Pembaca signal pulsa

Arduino IDE merupakan software untuk memprogram batasan batasan serta

logika pemrogaman motor stepper dan micro motor servo. Dikarenakan mesin

yang akan di rancang menggunakan board arduino uno maka tidak ada varian

untuk software pemrogaman.

4. Board pembaca signal pulsa (Arduino UNO)

Jenis-jenis board arduino adalah arduino nano, arduino uno dan arduino

mega. Ketiga board ini digunakan sebagai penyimpan program. Dari ketiga

board masing masing memiliki kapasitas memori yang berbeda beda. Untuk

arduino nano memiliki kapasitas memori 16 KB, arduino uno memiliki

kapasitas memori 32 KB dan arduino mega memiliki kapasitas memori 258 KB.

Memori yang diperlukan untuk menyimpan pemrogaman mesin plotter x-y

sebesar 29 KB. Untuk harga ketiga board tersebut berbeda beda tergantung

ukuran kapasitas memori yang dimiliki board tersebut. Semakin besar kapasitas

yang dimilki semakin mahal harganya. Sehingga dipilih arduino uno sebagai

board untuk menyimpan hasil pemrogaman dari beberapa varian tersebut.

5. Sumber energi

Listrik PLN dan batrai merupakan sumber energi. Apabila

menggunakan listrik rumahan sebagai sumber energi maka diperlukan alat

khusus yaitu berupa power supply. Power supply merupakan alat yang

berfungsi sebagai pengubah arus AC 220 volt menjadi arus DC 12 volt.

Dikarenakan tegangan dan arus yang dibutuhkan untuk menggerakkan motor

adalah arus DC 12 volt maka diperlukan power supply. Apabila menggunakan

batrai 12 volt tidak diperlukan power supply akan tetapi jika memakai batrai

37

terus menerus maka arus listrik yang ada dibatrai bisa habis dan diperlukan

untuk pengisian ulang. Hal ini kurang efektif apabila menggunakan batrai

sebagai sumber arus listrik. Dari segi ekonomis harga batrai dengan power

supply hampir sama. Oleh karena itu dipilih arus listrik rumahan sebagai

sumber arus listrik dengan menggunakan alat power supply dikarenakan lebih

efisien.

6. Penghubung antar komponen

CNC shield dan bread board merupakan alat penghubung arduino

dengan driver motor stepper. Harga CNC shield lebih mahal dari pada harga

bread board. Akan tetapi dari segi teknis CNC shild mudah pemasanganya dan

tidak memerlukan ruang banyak jika di bandingkan dengan bread board. Oleh

karena itu dipilih CNC shield sebagai penghubung komponen dikarenakan

memiliki pin yang sama dengan arduino uno serta tidak memerlukan banyak

kabel dan mencegah terjadinya konsleting arus pendek.

7. Penghubung signal pulsa ke motor stepper

TB 6560, TB 6600 dan A4988 merupakan varian driver motor stepper.

Ketiga varian driver memiliki harga yang berbeda beda. Driver A4988 lebih

murah jika dibandingkan dengan 2 driver tersebut. Untuk kemampuan dari

driver tesebut sama, akan tetapi yang membedakan hanya arus maksimal yang

bisa dialirkan. Oleh karena itu dipilih driver A4988 sebagai driver dikarenakan

memiliki harga yang cukup murah serta mampu untuk menggerakan motor

stepper tipe 17HS4001.

8. Penggerak vertikal bulpoin

38

Micro motor servo dan motor stepper dapat digunakan untuk menggangkat

bulpoin. Dari segi ekonomi micro motor servo lebih murah jika dibandingkan

dengan motor stepper. Dari segi teknik motor stepper memiliki torsi lebih besar

dari pada micro motor servo. Oleh karena itu dipilihlah micro motor servo

untuk mengangkat alat tulis dikarenakan untuk mengangkat alat tulis tidak

diperlukan torsi yang besar.

9. Penopang dan lintasan sumbu x

Pada penopang dan lintasan sumbu x terdapat beberapa komponen

utama yaitu nut brass, poros ulir, poros dan linier bearing. Semua komponen

tersebut digunakan dalam perancangan prototype mesin plotter x-y dengan

ukuran diameter poros maupun lubang berukuran 8 mm. Ukuran tersebut dipilih

karena harga yang murah dan mampu untuk menumpu sumbu x.

10. Penopang dan lintasan sumbu y

Pada penopang dan lintasan sumbu y terdapat beberapa komponen

utama yaitu nut brass, poros ulir, poros dan linier bearing. Semua komponen

tersebut digunakan dalam perancangan prototype mesin plotter x-y dengan

ukuran diameter poros maupun lubang berukuran 8 mm. Ukuran tersebut dipilih

karena harga yang murah dan mampu untuk menumpu sumbu y.

11. Penumpu/frame

Akrilik adalah bahan polimer seperti kaca. Dari segi ekonomis harga

akrilik sama dengan kayu akan tetapi untuk pembentukanya lebih mudah

akrilik. Selain itu akrilik cukup mampu untuk menumpu komponen-komponen

lainya. Jika frame menggunakan alumunium profile biaya yang akan

dikeluarkan akan lebih mahal. Oleh karena itu dipilihlah akrilik dengan

ketebalan 10 mm sebagai frame prototype mesin plotter x-y dikarenakan mesin

ini masih bersifat prototype atau dalam pengembangan.

39

12. Penggerak sumbu

Nut brass bulat, mur, nut brass T merupakan komponen untuk

menggerakkan sumbu. Ketiga komponen tersebut memiliki harga yang tidak

jauh beda, akan tetapi dipilihlah nut brass dengan model bulat dikarenakan

memiliki pitch yang sama dengan T8 lead screw.

13. Alat pembuat pola

Alat pembuat pola gambar (alat tulis) pada mesin ini menggunakan

bulpoin dikarenakan lebih jelas apabila menggambar dengan media kertas

gambar jika dibandingkan dengan menggunakan spidol. Dari segi harga

bulpoin dengan sepidol hampir sama.

Dari tabel 3.2 dan penjelasan mengenai pemilihan komponen diatas didapatkan

konsep varian sebagai berikut :

Varian = 1(a), 2(a), 3(a), 4(a), 5(a), 6(a), 7(c), 8(a), 9(a-b-c), 10(a-b-c), 11(a), 12(a),

13(a).

3.9 Konsep produk (solusi)

Dari 2 konsep design yang telah dibuat dipilih konsep design A. pemelihan ini

berdasarkan analisa dari segi teknis dan ekonomis. Pada konsep design gambar A lebih

ekonomis jika dibandingkan dengan gambar konsep design B. Secara teknisnya gambar

A dan Gambar B memiliki kualitas yang tidak jauh beda.

40

Gambar 3.5 Konsep produk

(A)

Keterangan gambar :

1. Kerangka sumbu y

2. Ass penopang sumbu y

3. Poros ulir sumbu y

4. Nut brass sumbu y

5. Micro servo motor

6. Penopang pegangan bulpoint

7. Motor stepper sumbu y

8. Bulpoint

9. Ass penopang sumbu x

10. Poros ulir sumbu x

11. Ass penopang sumbu x

12. Meja gambar

41

13. Bearing slidder

14. Ass pemegang bulpoint

15. Pegas tekan

16. Pengunci bulpoint

17. Nut brass sumbu x

18. Penumpu sumbu x

19. Kopling flexible

20. Motor stepper sumbu x