Received May 6, 2019; Revised May 27, 2019; Accepted June 12, 2019

## Prototipe Mesin CNC 2D Berbasis Arduino Uno
Ernes Cahyo Nugroho* 1 , Agung Nugroho 2 , Isti Hendriyanto 3
1,3 Program Studi Sistem Komputer, STMIK AUB, Surakarta, Indonesia
2 Program Studi Sistem Informasi, STMIK AUB, Surakarta, Indonesia e-mail: * 1 ernes.cahyo@stmik-aub.ac.id, 2 agung_new@stmik-aub.ac.id,
3 hendrishinigami17@gmail.com

## Abstrak
Papercut  is  a  craft  cut  on  paper  media  with  the  initial  stage  of  making  the  design  is done  still  manually.  It  is  in  less  effective  and  efficient  value.  By  utilizing  the  CNC  machine workmanship  will  be  more  quickly  resolved,  but  the  price  in  the  market  this  machine  is  still relatively expensive for small size. To meet the needs of papercut craftsmen then need to make a CNC machine that is specially for papercut manufacture of course with a much more affordable price.  The  main  purpose  of  this  research  is  to  design  and  make  Prototype  of  CNC  Machine Based  Arduino  Uno  for  the  purpose  of  making  design  or  pattern  of  papercut  craft  which  can work automatically, both for mass production and production of job order. Especially products that  have  intricate  designs  and  require  precise  precision.  The  research  method  used  in  this thesis  is  descriptive  method.  Overall  the  tool  is  divided  into  circuit  blocks,  including:  inputs, process units, and outputs. The input consists of Shield L293D as the command giver to the part of the process unit to be processed by the process unit ie Arduino Uno R3. The output block is Motor  Stepper  X,  Y  and  Motor  Servo  Z  to  execute  the  program  command  given.  With  this machine  is  expected  to  provide  solutions  for  Papercut  craftsmen  so  that  the  design  stage  / pattern  is  not  done  manually.  The  result  of  this  research  is  Prototype  of  Arduino  Uno  CNC Machine  that  can  create  and  print  pattern  or  drawing  design  automatically  in  complete  with motor rotation speed setting. It can be concluded that the machine is designed using two stepper motors as a drive on the X axis and Y axis, and a DC motor is parallel to the X, Y position used for printing. The step position of the motor will be represented in the 2D coordinate model on a millimeter scale. The data entered is then sent via serial communication to the microcontroller as the control center of the machine.
Kata kunci : CNC Machine, Papercut, Arduino R3

## 1. PENDAHULUAN
Kehidupan  masyarakat  modern  saat  ini  istilah  papercut  di  gunakan  untuk  berbagai keperluan  kesenian  seperti  hiasan  dinding,  dekorasi  rumah,  kado  hadiah,  ucapan  selamat, upacara  pernikahan,  sampai  upacara  penguburan.  Bentuknya  pun  sangat  bervariasi,  mulai  dari karakter  -  karakter  huruf    maupun  bentuk-bentuk  hewan,  tumbuhan,  dan  manusia.  Papercut merupakan  seni  memotong  pada  media  kertas,  hingga  menghasilkan  sebuah  bentuk  atau  pola yang  diinginkan.  Dalam  pembuatannya  tahap  awal  yang  perlu  di  perhatikan  adalah  gambar  / desain pola secara manual yang kemudian di potong.
Teknologi mesin untuk pembuatan papercut yang beredar di pasaran Indonesia saat ini adalah mesin perkakas CNC yang harganya masih relatif mahal untuk ukuran kecil kisaran 30 - 40 juta. Hal tersebut tentunya akan menjadi permasalahan tersendiri bagi seseorang yang akan memulai  usaha  pembuatan  kerajinan  papercut  dengan  modal  awal  yang  di  perlukan  begitu
besar.  Oleh  karena  hal  tersebut  maka  perlu  penyesuaian  kebutuhan  mesin  CNC  yang  di khususkan untuk pembuatan papercut dengan harga yang lebih terjangkau / low cost.
Mesin CNC (Computer Numerically Controlled) merupakan mesin yang dikontrol oleh komputer  dengan  menggunakan  bahasa  numerik  (data  perintah  dengan  kode  angka,  huruf  dan simbol)  sesuai  standar  ISO.  Sistem  kerja  teknologi  CNC  lebih  sinkron  antara  komputer  dan mekanik bila dibandingkan dengan mesin perkakas yang sejenisnya, maka mesin perkakas CNC lebih teliti, lebih tepat, lebih fleksibel dan cocok untuk produksi massal.
Dengan adanya permasalahan – permasalahan tersebut, penulis membuat “PROTOTIPE MESIN  CNC  2D  BERBASIS  ARDUINO  UNO”  dengan  Software  GBRL  Controller  yang terjangkau  atau  low  cost  dibandingkan  Mesin  CNC  konvensional  yang  secara  khusus  di gunakan  untuk  pembuatan  desain  suatu  pola/gambar  pada  kertas  sebagai  keperluan  dalam kerajinan papercut dan menggunakan end effector berupa pena, Tujuan di buatnya alat ini agar dapat  membantu  memecahkan  permasalahan  masyarakat  yang  akan  memulai  usaha  kerajinan papercut.
Hasil dari penelitian ini adalah Prototipe Mesin CNC berbasis Arduino Uno yang dapat membuat dan mencetak desain pola atau gambar secara otomatis di lengkapi dengan pengaturan kecepatan  putaran  motor.  Kesimpulan  alat  ini  secara  keseluruhan  yaitu  menggunakan  motor servo  sebagai  pengatur  koordinat  dari  End  Effector.  Sistem  koordinat  yang  digunakan  dalam perancangan  prototipe  mesin  CNC  adalah  Koordinat  Kartesian  atau  Rectangular  Coordinated. Diperlukan  2  (dua)  buah  motor  stepper  bipolar  dalam  membuat  prototipe  mesin  CNC.  Sesuai dengan  standar  koordinat  kartesian  yakni  koordinat  X,  koordinat  Y  dan  koordinat  Z.  L293D module digunakan sebagai driver motor stepper CNC. Software Processing untuk mengirimkan kode  G-Code  ke  Arduino  UNO  melalui  komunikasi  serial.  Arduino  sebagai  pengeksekusi program yang dikirimkan dari Software Processing.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1. Diagram Blok
Untuk memahami dari proses rancangan dalam penelitian ini, penulis membuat gambar blok diagram rangkaian seperti gambar 1 dibawah ini:
Gambar 1 Diagram Blok
Rangkaian  blok  input  Adaptor  mensuplaikan  ke  arduino  tegangan  sebesar  5 volt kemudian arduino  membagi  tegangan  tersebut  ke  motor Shield L293D,  motor stepper ,  dan  motor servo masing-masing 5 volt.
Gambar.2  Diagram Blok Output Berdasarkan gambar 1 dan 2 maka dapat diuraikan fungsi dari masing-masing blok yaitu:
a. Arduino Uno R3
Arduino  sebagai  otak  dari  sistem,  data input dari  pengguna  dan  motor  diproses  oleh mikrokontroler yang hasilnya outputnya akan diumpankan ke Motor Shield L293D, Motor Stepper dan Motor Servo .
b. Motor Shield L293D
Motor Shield L293D dalam rangkaian ini yang akan berfungsi sebagai driver motor untuk memerintahkan motor bergerak.
c. Motor Stepper X
Posisi motor bergerak mengarah ke kiri ke kanan dengan koordinat awal 0,0(horizontal).
d. Motor Stepper Y
Posisi motor bergerak mengarah maju mundur dengan koordinat awal 0,0 (vertikal).
e. Motor Servo Z
Berfungsi sebagai pengatur naik turunnya pena.

## 2.2. Rangkaian Motor Shield L293D
Motor  Shield  L293D  digunakan  sebagai  driver  motor  stepper  dan  motor  servo  untuk mengatur pergerakan motor. Konfigurasi pin dapat dilihat pada gambar 3 berikut.
Gambar 3 Rangkaian  L293D
2.3. Motor Servo X
Motor Servo Standar 180° Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan  CCW)  dengan  defleksi  masing-masing  sudut  mencapai  90°  sehingga  total  defleksi  sudut dari  kanan  –  tengah  –  kiri  adalah  180°. Rangkaian  motor servo dapat  dilihat  pada  gambar  4 sebagai berikut :
GO INFOTECH: JURNAL ILMIAH STMIK AUB Vol. 25, No. 1,  Juni 2019 :  43 – 52
Gambar 4 Rangkaian Motor servo 2.4. Adaptor 5V 2A
Inputan tegangan listrik sebesar 5VDC dan output 2 ampere . Bentuk fisik adaptor dapat dilihat pada gambar 5 sebagai berikut :
Gambar 5 Adaptor 5V 2A 2.5. Rancangan Perakitan Komponen Secara Keseluruhan
Perakitan keseluruhan dari semua komponen dapat dilihat pada gambar 6 sebagai berikut :

## Gambar 6 Rancangan Perakitan Komponen Keseluruhan

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1  Cara Kerja Alat
Alat  memerlukan  tegangan  Listrik  5  Volt  DC  selanjutnya  5  volt  DC  akan  dibagi  oleh Arduino. Menghubungkan  kabel arduino dengan  pc,  Setelah posisi koodinat telah berada pada titik (0,0) mesin akan menunggu hingga  ada masukan data berupa posisi koordinat. Data  yang diterima  kemudian  akan  diproses  sesuai  dengan  bit  yang  diterima.  Dalam  proses  pengiriman, data dikirim dalam 12 bit dimana pada bit 1 yaitu sebagai penanda awal dimulainya pengiriman data, Bit 2 yaitu kode untuk proses yang akan dilakukan Bit 3 – 7 untuk nilai koordiant x, bit 8 – 11 untuk nilai koordinat y, dan bit 12 untuk penanda akhir pengiriman data. Pada bit ke 2 pada pengiriman  terbagi  atas  perintah  penggambaran,  perintah  koordinat  dan  perintah  untuk melakukan restart mesin.
3.2 Perakitan Alat
Didalam  proses  perakitan  alat  dimulai  dengan  merangkai  tanpa  menyoldir    komponen elektronika  yang  telah  disiapkan  karena  komponen  menggunakan    modul  yang  sudah  jadi rangkaian  elektronik  seperti  halnya  Arduino  Uno  R3,  Shield  L293D,  dan  komponen  lainnya yang  dilakukan  dengan  langkah  satu  persatu  dengan  teliti  dan  hati-hati  sesuai  dengan  gambar skema rangkaian.
Peralatan  yang  dibutuhkan    pada  saat  perakitan  adalah  Multimeter  yang  merupakan  alat pengukur  yang  digunakan  untuk  mengukur  tegangan,  arus  dan  hambatan  listrik.  Multimeter merupakan alat untuk mengecek setiap komponen apakah masih dalam keadaan baik atau sudah rusak pada saat sebelum dilakukan penyoldiran.
3.3 Perakitan Rangkaian a. Arduino
Arduino ini tidak melakukan  proses penyolderan dan perakitan karena dalam rangkaian ini berupa modul dalam kemasan sehingga rangkaian tinggal menghubungkan ke catu daya dan input dan output ke  motor  dan  elektronika  output  lain.  Rangkaian  arduino  dapat  dilihat  pada gambar 7 sebagai berikut :
Gambar 7 Rangkaian Arduino setelah perakitan b. Shield L293D
Penggabungan  komponen  Shield  L293D  dengan  arduino  R3  dilakukan  secara  hati-hati dengan  membaca  skema  rangkaian  yang  telah  dibuat  sebelumnya.  Di  bawah  ini  gambar  8 rangkaian setelah proses perakitan komponen:
Gambar 8 Rangkaian Shield L293D setelah perakitan c. Motor Stepper X
Pemasangan motor stepper sumbu X pada casing dan menghubungkannya Shield L293D dilakukan secara hati-hati dengan membaca skema rangkaian yang telah dibuat sebelumnya. Di bawah ini gambar 9 rangkaian setelah proses perakitan komponen.
Gambar 9 Rangkain motor stepper X
d. Motor Stepper Y
Pemasangan motor stepper sumbu Y pada casing dan menghunbungkannya Shield L293D dilakukan secara hati-hati dengan membaca skema rangkaian yang telah dibuat sebelumnya. Di bawah  ini  gambar  rangkaian  setelah  proses  perakitan  komponen.  Rangkaian  motor  stepper sumbu Y dapat dilihat pada gambar 10 sebagai berikut :
Gambar 10 Rangkaian Motor Stepper Y
e. Motor Servo Z
Pemasangan motor servo sumbu Z  pada casing dan  menghunbungkannya Shield  L293D dilakukan secara hati-hati dengan membaca skema rangkaian yang telah dibuat sebelumnya. Di bawah ini gambar 11 rangkaian setelah proses perakitan komponen.
Gambar 11 Rangkaian Motor Stepper Z

## 3.4 Pengujian Tegangan Setiap Blok
Setelah  perakitan  alat  telah  sesuai  dengan  skema  rangkaian,  maka  langkah  selanjutnya adalah  pengujian  tegangan  setiap  blok  rangkaian.  Pengujian  ini  dimaksudkan  untuk  menguji kinerja  tiap  blok  bagian  alat  secara  keseluruhan.  Pengujian  dilakukan  dengan  memberikan tegangan  masukan  pada  rangkaian  yang  diuji,  menganalisis  tegangan  keluaran,  tinjauan rancangan  dan perbaikan kinerja.
Apabila  tegangan  keluaran  telah  sesuai  maka  pengujian  tiap  blok  dihentikan  dan  pada bagian  blok  tersebut  dinyatakan  telah  berfungsi  dengan  baik  dan  dilanjutkan  pada  pengujian blok berikutnya. Namun apabila tegangan keluaran belum mencapai kondisi yang dikehendaki, maka dilakukan perbaikan dengan mengganti nilai komponen-komponen yang lain . a. Pengujian Arduino
Pengujian  terhadap  Arduino    digunakan  untuk  mengetahui  tegangan  keluaran  Arduino saat keadaan logika 0 maupun logika 1. Berikut ini adalah gambar 12 rangkaian Arduino .
Gambar 12 Hasil pengukuran Arduino  logika 0 Hasil pengukuran logika 1 dapat dilihat pada gambar 13 sebagai berikut :
Gambar 13 Hasil Pengukuran Arduino  Logika 1 Dari  hasil  pengukuran  yang  dilakukan  ternyata  didapatkan  hasil  bahwa  dalam  keadaan logika 0 tegangan keluaran dari Arduino  adalah sebesar 0.03 V serta untuk logika 1 didapatkan data  pengukuran  sebesar  4,94  V.  Data  ini  dinilai  cukup  relevan  dan  sesuai  dengan  data sheet dari Arduino. b. Pengujian Shield L293D Pengujian Shield L293D  bertujuan  untuk  mengetahui  apakah  rangkaian  dapat  berfungsi dengan baik sehingga tidak terjadi hambatan dalam hal pengujian rangkaian lainnya. Pengujian shield L293D  dilakukan  dengan  cara  multimeter  diseting  ke menu voltase terlebih  dahulu kemudian meletakkan probe multimeter EXT_PWR, kemudian letakkan pin + dan - . Dan hasil dari  pengujian  saat shield L293D  hidup  tegangan  keluar  4.9 volt dan  saat shield L293D  mati tegangan 0,0 volt .
Gambar 14 Hasil Pengujian L293D Saat Hidup c. Pengujian Motor Stepper
Pengujian  motor stepper dilakukan  dengan  pengujian  tegangan  keluaran,  komponen utama meliputi driver Shield L293D dan adapun peralatan tambahan dalam mendukung proses pengujian yaitu multimeter.
Motor Stepper di uji dengan  cara memberikan catu 5 VDC dan  menguji  gerakan motor, sedangkan  tegangan  keluaran  langsung  diamati  dengan  multimeter.  Dari  pengujian  didapatkan data sebagai berikut.
Gambar 15 Pengujian Tegangan Motor Stepper d. Pengujian Motor Penggerak
Motor penggerak pada mesin terdiri dari dua motor stepper , yaitu motor stepper sumbu x, dan motor  stepper sumbu  y,  dimana  tiap  motor  mempunyai  drivernya  sendiri-sendiri  yang terhubung  ke mikrokontroler .  Pengujian  dilakukan  dengan  cara  memberikan  sinyal-sinyal diskrit 4 bit secara  berkesinambungan  melalui  barisan  perintah  pada mikrokontroler . Pengontrolan  yang  dilakukan    menggunakan  metode  kontrol half  step dengan  8  siklus perlangkah. Sinyal kemudian diteruskan ke driver yang nantinya mengontrol motor penggerak. Hasil pengujian motor penggerak dapat di lihat pada tabel 1 sebagai berikut :
Tabel 1. Hasil Pengujian Motor Penggerak
Dari  pengujian  diperolah  bahwa motor  stepper merespon  sinyal  keluarandari driver dengan baik, motor stepper dapat bergerak searah maupun berlawanan arah jarum jam.
e. Pengujian Kecepatan Motor Stepper
Pengujian  menggunakan  aplikasi stopwatch yang  berada  di smartphone .  Pengujian  ini bertujuan  untuk  mengetahui  durasi  waktu  lama  pencetakan  gambar  sesuai  dengan  ketetapan kecepatan yang telah di tentukan.
Gambar 16 Pengujian Kecepatan Motor Stepper Dari pengujian diperolah bahwa kecepatan motor stepper sesuai dengan set speed yang telah di tentukan dengan perbedaan durasi yang di dapatkan. f. Pengujian Motor Servo
Pengujian  dilakukan  dengan  menghubungkan  VCC servo pada  tegangan  5V  dan  0V ( Grond )  untuk kabel ground ,  kemudian  memberikan  pulsa  PWM  dengan  lebar  20ms  pada  pin input  servo .  Untuk  mengatur  putaran servo diberikan signal  high atau  Ton  selama  1ms-2ms untuk  setiap  20ms  pulsa  PWM.  Dan  Pengujian  motor  pena  dilakukan  dengan  memberikan sinyal high atau low dari PORT D2. Berikut hasil pengujian motor servo yang dilakukan. Dari pengujian didapatkan data sebagai berikut :
Tabel 2. Hasil Pengujian Motor Servo

## 4. KESIMPULAN
Didalam  alat  ini  terdapat  2  (dua)  motor  stepper  sebagai  penggerak  sumbu  x  dan  y,  1 (satu)  motor  servo  untuk  penggerak  pena,  1  (satu)  Shield  L293D  sebagai  driver  motor  dan dikendalikan  Arduino Uno R3. Secara keseluruhan, rancang bangun alat prototipe Mesin CNC 2D  Berbasis  Arduino  Uno  ini  dapat  bekerja  dan  berfungsi  sebagaimana  yang  direncanakan, yaitu  mencetak  gambar  atau  menulis  sesuai  yang  dikehendaki  menggunakan  pena  secara otomatis. Hasil akurasi pencetakan  gambar bergantung  pada mekanisme mesin tersebut, rata – rata untuk sumbu X = 89,5%, sumbu Y = 89%, dan sumbu Z = 98%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Latif, 2016. Kendali Pergerakan Motor Stepper Sumbu X-Y Pada Prototipe Mesin Cutter Untuk Membuat Pola Garis Tegak Lurus Dan Persegi. Universitas Muria Kudus.
[2] Mahardika,  2014.  Perancangan  Mekanika  Alat  CNC  Router  Berbasis  Arduino  Uno. Universitas Telkom.
[3] Motor  DC  L293D.  http://elektronika-dasar.web.id/driver-motor-dc-l293d/,  di  akses tanggal: 25 Oktober 2017.
[4] Motor Servo. http://elektronika-dasar.web.id/motor-servo/ , di akses tanggal: 25 Oktober 2017.
[5] Motor Stepper. http://www.partner3d.com/motor-stepper-pengertian-cara-kerja-dan-jenis- jenisnya/, di akses pada tanggal : 26 Oktober 2017.
[6] Purwanto, T. Pudji. 2011. Desain dan Implementasi Sistem Kendali CNC Router. Jakarta: LIPI.
[7] Setiawan,  Afrie.  2011.  20  Aplikasi  Mikrokontroler  ATMega  8535  &  ATMega  16 Menggunakan Bascom-AVR. Andi. Yogyakarta.
[8] Silalahi, Ulber. 2006. Metodologi Penelitian. Bandung: Unpar Press.
[9] Software Inkscape. http://manual-inkscape.co.id/2013/08/tutorial-menggunakan- inkscape.html , di akses pada tanggal: 26 Oktober 2017.
[10] Software Processing. https://blogs.itb.ac.id/wnugroho/processing/ , di akses pada tanggal: 26 Oktober 2017.
[11] Sugiyono.2012. Metode Penelitian Kuantitatif Kualitatif dan R&B. Bandung: Alfabeta.
[12] Sulaiman,  Arif.  2012.  Arduino  :  Mikrokontroler  bagi  Pemula  hingga  Mahir. http://buletin.balaielektronika.com, di akses tanggal: 25 Oktober 2017.
[13] Syahwil,  Muhammad.  2013.  Panduan  Mudah  Simulasi  dan  Praktik  Mikrokontroler Arduino. Yogyakarta: Andi Publisher.
[14] Syaripudin, Amir. 2010. Elektonika 2. Jakarta: Yudhistira.
[15] Yunus,  2015.  Mesin  Pengebor  Printed  Circuit  Board  (PCB)  Otomatis.  Universitas Hasanuddin Makasar.