BAB III METODE PERANCANGAN 3.1 Metode Pahl and Beitz
Transcript of BAB III METODE PERANCANGAN 3.1 Metode Pahl and Beitz
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