Jambura Journal of Electrical and Electronics Engineering (JJEEE)

## Rancang Bangun Mesin CNC ( Computer Numerical Control ) Laser dengan Metode

## Design for Assembly
Andre Muchlis Prodi Teknik elektro Universitas Negeri Gorotalo Gorontalo, Indonesia
andremuchlis1@gmail.com Wrastawa Ridwan Prodi Teknik elektro Universitas Negeri Gorotalo Gorontalo, Indonesia wridwan@ung.ac.id Iskandar Z. Nasibu Prodi Teknik elektro Universitas Negeri Gorotalo Gorontalo, Indonesia zul.nasibu@ung.ac.id Diterima : Januari 2021 Disetujui : Januari 2021 Dipublikasi : Januari 2021
Abstrak — CNC  Laser (Computer  Numerical  Control) adalah alat  yang  memiliki  fungsi  untuk  mengukir/mencetak  berbagai tulisan dan  kaliqrafi secara otomatis berdasarkan  media yang digunakan  seperti  Acrilic,  Fiber,  Almunium,  dan  kayu. Perancangan CNC  laser menggunakan  metode Design  For Assembly  Boothroyd (DFA), G-Code ,  dan Closed  Loop  System (Loop Tertutup). Kelebihan metode DFA yaitu mengestimasikan  pengurangan  waktu  perakitan.  Metode G- Code lebih  ke  menyatukan  gerakan  yang  akan  di  lakukan mesin,  seperti  bergeser  ke  titik  A,  titik  B.  Kemudian  pada metode Closed Loop System (Loop Tertutup) bekerja mengirim sinyal  umpan  balik  ke  pengendali  untuk  mengecilkan kesalahan  sistem.  Hasil  pengujian  dari  komponen  pada masing-masing  alat  secara  keseluruhan  berupa  input  dan output  menjadi  kesatuan  alat  mesin CNC  laser  cutting dan engraver . Software GRBL dihubungkan pada CNC shild . GRBL mengirim G-Code ke  arduino  dan  menerjemahkan  isi  dari G- Code satu  persatu  untuk  menghasilkan  pergerakan motor stepper dan cahaya laser . Telah didapatkan sistem pengontrolan  mesin laser  engravir yang  bisa  menggerakkan mesin  kearah  dua  sumbu  X  dan  Y,  yang  tersusun  dari beberapa  komponen  yaitu  komputer,  kontroler  arduino  nano, motor stepper , laser module , power supplay dan emergency stop. Pengujian laser  engraver dilakukan  dengan  medium  plywood dan berbagai pola gambar. Hasil pengujian menunjukkan alat dapat bekerja sesuai dengan pola gambar yang ada.
Kata Kunci— CNC laser, Design For Assembly , Arduino.
Abstract  –  CNC  Laser  (Computer  Numerical  Control)  tools  that have a function to automatically engrave / print various writings and  kaliqrafi  based  on  the  media  used  such  as  Acrilic,  Fiber, Aluminum,  and  wood.  CNC  laser  design  uses  the  Design  For Assembly  Boothroyd  (DFA),  G-Code,  and  Closed  Loop  System (Closed Loop) method. The advantage of the DFA method is that it  estimates  the  reduced  assembly  time.  The  G-Code  method  is more  about  unifying  the  movements  that  the  machine  will  do, such  as  moving  from  point  A  to  point  B.  Then  the  Closed  Loop System method works to send a feedback signal to the controller to minimize system errors. The test results of the components on each  tool  as  a  whole  are  in  the  form  of  input  and  output  into  a
unity of the CNC laser cutting and engraver machine tool. GRBL software is linked to the CNC shild. The GRBL sends the G-Code to the Arduino and translates the contents of the G-Code one by one  to  produce  stepper  motor  movement  and  laser  light.  A schematic  of  a  laser  engraving  machine  control  system  that  is able  to  move  the  machine  towards  two  axes  X  and  Y,  which  is composed  of  several  components,  namely  a  computer,  Arduino nano  controller,  stepper  motor,  laser  module,  power  supply  and emergency  stop.  Laser  engraver  testing  was  carried  out  using plywood  and  various  image  patterns.  The  test  results  show  that the tool can work in accordance with existing image patterns.
Keywords – CNC laser, Design For Assembly , Arduino

## I. P ENDAHULUAN
Mesin CNC mempunyai komputer yang bisa mengubah karakter G-Code ke  Bahasa  yang  bisa  dikenal  oleh  mesin kemudian  di  proses  dan  di  kirim  kepada  masing-masing driver  motor  stepper,  driver  laser  Avoid  15  watt,  dalam bentuk  sinyal  digital  ataupun  analog .CNC  Engraver menggunakan Closed  Loop sistem. Apabila  ada  kesalahan ( error )  pada  mesin CNC baik  dari  pengguna  ataupun  dari sistem  elektronikanya  mesin  tersebut  akan  berhenti . Sistem kontrol  numerik CNC dapat  berjalan  karena  ada  perangkat komponen  sistem  kontrol  yang  mendukung  operasional mesin  seperti motor  stepper , driver  motor , breakout  board control , dan power supply , serta pengontrolan dari software . Semua  komponen  elektronik  digabungkan    dengan  kabel- kabel sehingga membentuk perangkat CNC Engraver. Dalam  rangka  menghindari  atau  mengurangi  tingkat kesalahan  tersebut,  penelitian  ini  akan  merancang  sebuah alat CNC  Laser (Computer  Numerical  Control) yang memiliki  fungsi  mengukir/mencetak  berbagai  tulisan  dan kaliqrafi secara otomatis berdasarkan media yang digunakan seperti  acrilic,  fiber,  almunium,  dan  kayu.  Alat  ini  berbasis aplikasi GRBL dan LASER  ENGRAVER yang  berfungsi untuk  mengontrol CNC dengan  kontrol  2  axis  X  dan  Y untuk mengatasi segala kesulitan yang terjadi.
Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  merealisasikan rancangan model pengontrolan driver motor stepper dengan laser diode dari arduino untuk karakter G-Code; m engetahui perancangan chasis CNC Laser dengan  metode Desain For Assembly (DFA); dan untuk  mengatahui  gerak motor stepper yang akurat ke arah X dan Y pada mesin CNC laser.

## II. K AJIAN PUSTAKA
Proses  mesin CNC untuk  pembelajaran  simulasi software  adalah  penelitian  dalam  [1].  Proses  mesin CNC diawali  dari  mendesainnya  sampai  dengan  menghasilkan sebuah  benda  kerja  dalam  bentuk CNC , software simulasi CNC yang digunakan, baik itu software yang mampu berdiri sendiri  untuk  proses  kombinasi  berbagai software lain sehingga  mesin CNC dapat  berjalan  menggunakan perangkat  atau software komputer.  Rancangan  mesin CNC Engraver mini  yaitu  sebagai  alat  untuk  membantu  para pelajar  dilakukan  oleh  [2].  Penelitian  ini  bertujuan mendesain,  membuat  dan  menguji  prototipe  mesin CNC Engraver  mini  yang  mampu  digunakan  untuk  mengukir sirkuit  di  PCB  dan  ukiran  artistik  di  kayu,  akrilik  dan  lain sebagainya.    Fokus  penelitian  ini  pada  penggunaannya untuk  menguji  keakurasian  hasil  pengerjaan milling bentuk persegi berukuran X = 20 mm, Y = 15 mm dan Z = 2 mm. Pengaturan  perangkat  keras  dengan  menggabungkan G- Code ini  memberikan  akurasi  yang  baik  dan  mengurangi beban  kerja. G-Code mempermudah  mencari  informasi lokasi  semua  langkah motor  stepper ,  karena  status  motor yang bergerak secara langsung terlihat di komputer sehingga operator  dapat  memulai  atau  menghentikan  mesin  kapan pun dibutuhkan.
Perancangan Sistem Multi Computer Numerical Control (CNC) untuk plotter dan laser  engraving adalah  penelitian yang  dilakukan  oleh  Diki  Muhammad  Sobirin  [8]. Pembuatan alat ini dibuthkan 2 buah motor stepper sebagai penggerak,  Axis  X,  dan  Axis  Y, motor  stepper yang digunakan  adalah motor  stepper jenis  bipolar. Motor Stepper dihubungkan  pada CNC  Shield yang  sudah  dibuat sebelumnya  menggunakan  Arduino  uno,  memiliki driver motor  dan driver  laser .  Arduino  nano  digunakan  untuk menkonvrensi  sinyal  pengontrolan laser dan motor  stepper menjadi  sinyal  PWM  untuk  dapat  menggerakkan servo . Perancangan dan analisis rangka mesin desktop CNC milling adalah  penelitian  yang  dilakukan  pada.  Optimasi  parameter CNC laser cutting pada kekasaran  dan  laju  memotong menggunakan  Taguchi Grey  Relational  Analysis  Method adalah  penelitian  yang  dilakukan  oleh [10] . Jumlah percobaan  yaitu  Sembilan  kali  dan  dilakukan tiga  kali replikasi untuk bisa dapat memproses penelitian berdasarkan metode Taguchi .  Kemudian  pada  proses optimasi  dilakukan  multi  respon  dengan  menggunakan metode Grey relational analysis . Dalam proses pengambilan data yang  dilakukan  yaitu  dapat  mengukur  waktu  actual dengan stopwatch untuk  mengetahui  hasil  dimensi penelitian, selanjutnya dibuat sebagai penginputan data pada laju  pemotongan  benda/material.  Dilakukan  pengujian kekasaran  permukaan  material  dan  untuk  melihat  hasil pemotongan  sehingga  nilai  yang  ada  bisa  dilihat  pada permukaan  benda,  hasil  kualitas  pemotongan  kekerasan permukaan  bisa  dipakai  untuk  menginput  data  pada  nilai kekerasan.  Karakter  yang  ada  pada  masing-masing  nilai
kekasaran,  maka  semakin  kecil  niai  yang  di  dapat  semakin baik untuk merespon laju pemotongan benda.

## III. METODE PENELITIAN
3.1 Design For Assembly (DFA ) Design  For  Assembly (DFA)  adalah  desain  yang memiliki  pertimbangan  sebuah  produk  untuk  bisa memastikan  anggaran  biaya  yang  akan  digunakan  [3]. Design  For  Assembly (DFA)  adalah  sebuah  rangkaian proses  untuk  memberikan  desain  prosuk  sehingga memudahkan  kita  dalam  aspek  fungsional,  dan  untuk memudahkan  perakitan  komponen  secara  bersamaan. Design  For  Assembly (DFA)  merupakan  desain  dari assembling yang nantinya akan  menganalisis sebuah desain produk  yang  akan  digunakan,  desain  produk  pertama  akan di  proses  sehingga  kesulitan-kesulitan  yang  dialami  oleh perakitan  dapat  diketahui  bersama.  Ini  adalah  prinsip  yang dimiliki DFA dasar menurut Corbett, dan Dooner[4].
1.  Desain  produk  pertama  meminimal  komponen  variasi desain,  gerakan  perakitan  yang  dialami  bisa  terarah dengan sepenuhnya.
2.   Desain  produk  kedua  memiliki  urutan  komponen  yang dapat  di  mengerti,  mengakses  untuk  setiap  komponen dengan  mudah,  komponen  tetap  simentris  agar  dapat berjalanan dengan transportasi yang diinginkan.
3.   Desain  produk  ketiga  memiliki  komponen-komponen yang  dapat  menghalangi  pandangan  atau  tersembunyi, dan  juga  komponen  yang  sulit  di  jangkau  oleh  perakit komponen.
4.  Kemudian akan mempengaruhi bagian-bagian sebelumnya yang sudah di rakit.
5.  Memungkinkan sebuah kesalahan yang akan terjadi pada perakitan.
Penjelasan lanjutan dari metode design for assembly (DFA) ini adalah tambahan peraturan dari metode DFA[5].
1.  Menghilangkan  jumlah  komponen  yang  akan  dirakit apabila tidak perlu digunakan.
2.  Mengembangkan komponen-komponen dari atas permukaan  pada  bagian  bawah  dengan  menggunakan komponen yang dirakit.
3. Produk yang sudah selesai perakitan terlebih dahulu akan di  filter  apabila  telah  memenuhi  syarat,  pada  permukaan benda harus terlihat dan kelihatan stabil.
4. Menggunakan persyaratan metode DFA untuk memudahkan  dalam  pencocokan  desain  dan  bagian- bagian komponen.
5. Menggunakan snap-fit dan  pengikat  cepat  lainnya, gunakan sekrup dan lem sebagai pengerat.

## 3.2 Closed Loop System (Sistem Loop Tertutup)
Sistem  loop  tertutup  adalah  sistem  pengontrolan  yang memiliki  sifat  sinyal  pengeluaran  dan  mempunyai  pengaruh pada  reaksi  pengontrolan  komponen,  sistem  pengontrolan loop  tertutup  ini  memiliki  umpan  balik  yang  sangat  efisien, akan  tetapi  memiliki  kesalahan  penggerak,  terbentuk perselisihan  antara  dua  sinyal  yaitu  sinyal  masukan  dan sinyal  umpan  balik,  perubahan  sinyal  pengeluaran  atau fungsi  sinyal  turunan,  diberikan  kontroller  untuk  digunakan agar bisa  memperkecil kesalahan (eror) untuk  menghasilkan sinyal  pengeluaran  yang  diinginkan.  Seperti  istilah  Loop Tertutup,  menggunakan  reaksi  umpan  balik  agar  dapat
memperkecil  suatu  kesalahan.  Memberitahukan  hubungan antara  sinyal  masukan  dan  sinyal  keluaran  dari  metode sistem  loop  tertutup.  Apabila  dalam  hal  ini  manusia  bekerja sebagai  server  atau  operator  maka  manusia  pemegang software ,  jadi  manusia  akan  memiliki  sistem  pengontrolan sinyal  keluaran,  agar  sistem  dalam  keadaan  yang  stabil, seperti  yang  diinginkan,  apabila  terjadi  perubahan  dalam sistem  loop  tertutup  maka  manusia  bertanggung  jawab melakukan langkah-langkah pertama peraturan loop tertutup, agar dapat kembali pada keadaan sistem yang dinginkan oleh pengguna [6, 7] .

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Alat ini nantinya akan menghasilkan cahaya laser yang dapat  memberikan  output  seperti  kaligrafi,  ukiran,  gambar, cutting . Mesin CNC Laser ini akan di rancang sesuai dengan apa yang ada pada skema wirring Gambar 1 dengan bantuan motor stepper maka laser akan bergerak dengan objek yang telah ditentukan sebelumnya melalui software , modul driver laser dan motor  stepper dibuat  dengan  bantuan  arduino nano  yang  digabungkan  dengan  modul motor  stepper, penggerak motor stepper menggunakan servo driver [9] .
Gambar 1. Skema Wiring
Bagian-bagian  pada  Gambar  1  dapat  dijelaskan  sebagai berikut.
 Laptop  sebagai  perangkat hardware dalam  mesin CNC ,  yang  memberikan  pengontrolan  pada  output mesin CNC.
 Chasis  CNC ,  merupakan  kerangka  internal  yang menjadi penyangga bagian-bagian alat elektronik.
 Laser  Radiation  Avoid 15  Watt  sebagai  penghasil cahaya yang menghasilkan engraver dan cutting.
 Motor stepper , sebagai penggerak laser ke arah X dan Y.
 CNC Shield sebagai pusat pengontrolan dari driver motor stepper dan laser .  Adaptor  12V,  memberikan  tegangan  DC  ke CNC shield agar dapat di On/Off.
Diagram blok alat dapat dilihat pada Gambar 2.

## Gambar 2. Diagram Blok
Penjelasan  masing-masing  bagian  pada  Gambar  2  adalah sebagai berikut.
a. Komputer  digunakan  untuk  memberikan  pengontrolan pada arduino
b. Saklar sebagai On/Off dari CNC Shield.
c. Adaptor 12V digunakan sebagai input DC dari AC.
d. CNC  Shield sebagai  pusat  pengontrolan motor  stepper dan laser .
e. Motor stepper sebagai roda penggerak laser .
f. Laser memancarkan sinar pada media yang ditentukan.

## 4.1 P ERANGKAT
Lunak L ASER GRBL
Laser  GRBL adalah  perangkat  lunak  yang  digunakan untuk  mengontrol  komponen  dan  menguji  kinerja  mesin CNC  Engraver ,  cara  penggunaannya  membutuhkan komputer  untuk  memasukan  perintah-perintah  yang mengatur  pergerakan  axis  X  dan  axis  Y  dengan  cara mengatur  putaran  servo  dan  arah  putaran motor  stepper setiap  axis  X  dan  Y  pada  mesin laser Engraver pada perintah G-Code, Software  GRBL yaitu  sebuah  aplikasi yang  dapat  mengunggah  file G-Code ke  Arduino,  agar arduino  dapat  membaca  perintah  dalam  bentuk G-Code . Software GRBL tersebut memudahkan para pengguna untuk memproses pemograman mesin laser Engraver pada sistem microcontroller yang  digunakan  pengguna.  Tampilan Software Laser  GRBL di perlihatkan pada gambar 3. Pada software ini bisa memberikan perintah secara langsung dari pengguna software [12] .
Gambar 3. Tampilan Software Laser GRBL 4.2 P ENGUJIAN L ASER
Pengujian laser menggunakan laser  diode  15  watt yang di  sambungkan  dengan  arduino  nano  dalam  bantuk CNC shild ,  kemudian software  GRBL mengirim G-Code ke arduino  nano,  arduino  nano  menerjemahkan  hasil G-Code
agar laser tersebut  dapat  memancarkan  sinar  sesuai  yang diinginkan  oleh  pengguna.  Pengujian  laser  dapat  dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Pengujian Laser Diode 15 Watt

## 4.3 H ASIL P ENGUJIAN E NGRAVER D AN C UTTING
Pengujian laser  engraver dengan software  GRBL , pengujian  dengan laser  15W  solid  Wood  engraver 100% daya laser , speed 3000  mm/min.  ketebalan solid  wood 2 mm.  Hasil  pengujian engraver dapat  dilihat  pada  gambar 5.
Gambar 5. Pengujian Solid Wood Engraver
Pengujian laser  cutting dengan software  GRBL , pengujian  dengan laser  15W  Ply  Wood  engraver 100% daya laser , speed 100  mm/min.  ketebalan solid  wood 3 mm. Hasil pengujian cutting dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 6. Pengujian Ply Wood Cutting
Gambar 7. Bentuk Keseluruhan Mesin CNC
Gambar  7  menunjukkan  keseluruhan  dari  alat CNC . Secara  keseluruhan  terdapat  5  bagian  yang  dijelaskan sebagai berikut [11].
1. Bagian  A,  laptop  yang  berisikan  software GRBL dimana sebuah data G-Code muncul dan dikirimkan ke arduino nano.
2. Bagian  B, CNC  Shild memiliki  arduino  nano, driver motor  stepper ,  dan  saklar,  sebagai  modul  untuk CNC laser .
3. Bagian  C,  power  supplay  untuk  menghidupkan modul/ CNC Shild .
4. Bagian D, motor stepper , roda penggerak, dan pambel, sebagai penggerak X dan Y.
5. Bagian  E,  laser  diode  15  watt  sebagai cutting  / engraver.
Tabel 1 memperlihatkan hasil pengujian mesin CNC yang telah  dirancangbangun.  Pengujian cutting dan engraving dilakukan pada material plywood.
Tabel I. Hasil Pengujian CNC Laser Material Power/Speed Size/Time Pola Plywood 3 mm, cutting Power laser 100% Speed 100 mm/min Size 100.3 x 100.3 mm Time 5 hours , 51
min
Plywood 3 mm, engrave Power laser 100% Speed 3000 mm/min Size 100.3 x 71.4 mm Time 1 hours , 33 min
Plywood 3 mm, engrave Power laser 100% Speed 3000 mm/min Size 122.6 x 100.4 mm Time 11 hours , 38 min
Plywood 1 mm, engrave Power laser 40% Speed 3000 mm/min Size 100.6 x 27.8 mm
Time 1 hours , 8 min
Material
Plywood 1 mm, cutting Power laser 100% Speed 200 mm/min Size 100.6 x 100.6 mm
Time 1 hours , 58 min

## V. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini,  Rancang  bangun  mesin CNC cutting/engraver telah berhasil diselesaikan. Software GRBL digunakan  untuk  mengirim G-Code ke  Arduino  Nano, selanjutnya  Arduino  menerjemahkan  satu-persatu G-Code agar  bisa  mengontrol motor  stepper dan laser 15w.  Mesin laser  engraving dilengkapi  dengan emergency  stop , perangkat  elektronika  ini  memiliki  berfungsi  untuk mengurangi  kerusakan  pada  mesin CNC ,  apabila  sistem mengalami  kendali (error) dari  pergerakan  mesin  yang membahayakan. Pengujian dilakukan pada material plywood  3  mm  untuk cutting dan engraving dengan berbagai ukuran dan pola gambar. Dari hasil pengujian yang saya  dapatkan  bahwa  mesin CNC  Laser  Engraver/Cutting dapat bekerja dengan hasil yang sangat baik dan sudah di uji pada lab elektronika jurusan teknik elektro.

## R EFFERENSI
[1] Eko  Prianto,  Herlambang  Sigit  Pramono.  Proses  Permesinan CNC Dalam  Pembelajaran  Simulasi CNC .  Mei  2017,  Jurnal  Edukatif Elektro, Vol.1, No.1.
[2] Irawan  Malik,  Sairul  Effendi,  Soegeng  Witjahjo,  Rancang  Bangun Mesin CNC Engraver Mini  Sebagai  Alat  Bantu  Pembelajaran,  Juni 2019, Jurnal Teknika Vol. 13, No. 01.
[3] Arief  Irfan  Syah  Tjaja,  Perancangan  Memperbaiki  Produk Smart Light Dengan  Menggunakan    Metode Design  For  Assembly
Boothroyd-Dewhurst, Jurusan  Teknik  Industri,  Institut  Teknologi Nasional.
[4] Corbettt,  Dooner,  Meleba  dan  Pym.  Pembuatan assembling dan menganalisa  desain  yang  ada  pada  komponen  produk  secara bersamaan.
[5] Rifki  Ilyandi,  Dodi  Sofyan  Arief,  Tekad  Indra  Pradana  Abidin. Menganalisis  metode  DFA  untuk  prototype  pada  mesin  pemisah. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Riau.
[6] Ikhlash  Syukran  Harrizal1,  Syafri,  Adhy  Prayitno.  Perancangan sistem pengontrolan mesin CNC dengan menggunakan metode Closed Loop System. Jurusan Teknik Mesin, Universitas Riau.
[7] Marfanri  Lamatenggo,  Ifan  Wiranto  Prodi,  Wrastawa  Ridwan, Perancangan  Balancing  Robot  Beroda  Dua  Dengan  Metode Pengendali  PID  Berbasis  Arduino  Nano.  Jambura  Journal  of Electrical and Electronics Engineering Vol. 2 No. 2, Juli 2020.
[8] Diki  Muhamad  Sobirin,  Pembuatan  Sistem  Multi Computer Numerical  Control  (CNC) Pada Plotter Dan Laser CNC Engraving,
Program Studi  Teknik  Elektro,  Fakultas  Teknik dan  Ilmu  Komputer, Universitas Komputer Indonesia. Volume 9, Nomor 1, April 2020.
[9] Didi  Widya  Utama,  Perancangan  Dan  Analisis  Rangka  Mesin Desktop Cnc Milling, Program  Studi  Teknik  Mesin  Universitas Tarumanagara Jakarta, Volume 16 Nomor 1, Mei 2018.
[10] Karuniawan  B.  W,  Anda  Iviana  Juniani.  Optimasi  Parameter  Mesin Laser Cutting Terhadap  Kekasaran  Dan  Laju  Pemotongan Menggunakan  Taguchi Grey  Relational  Analysis  Method. Mei  2016. Rakasita R.
[11] Harist  Fauzi.  Rancang  bangun  sistem  kontrol  mesin  laser  dengan Arduino,  Program  Studi  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik, President University.
[12] Muhammad Jufrizaldy, Ilyas, Marzuki. Rancang Bangun Mesin CNC Milling  Menggunakan  Sistem  Kontrol GRBL Untuk  Pembuatan Layout PCB. Februari 2020. Jurnal mesin sains terapan vol. 4 no. 1.