Wij, een groep van zeven gemotiveerde eerstejaars studenten van de TU Delft, zijn onze eerste werktuigbouwkundige uitdaging aangegaan. De opdracht was het ontwerpen van een grijper die aan de volgende randvoorwaarden voldoet:
• De grijper moet een standaard koffie/ranja bekertje van karton/plastic met een massa van
≤ 0.5 kg kunnen oppakken. Het bekertje kan verschillende soorten inhoud bevatten en de inhoud kan mogelijk boven de rand van het bekertje uitsteken. De inhoud dient tijdens het optillen in het bekertje te blijven.
• Het bekertje dient vanaf een vlak horizontaal tafelblad opgepakt te worden, 250 mm omhoog getild te worden, en in die positie minimaal 10 seconden in de grijper te blijven. De startpositie van de lege grijper is in de hoogste stand.
• Voor de aandrijving zijn er 3 actuatoren ter beschikking.
Door gebruik te maken van onze creativiteit en de theoretische kennis en vaardigheden die in de colleges van Technische Systemen werden behandelt, hebben wij uiteindelijk onze Henk kunnen ontwerpen. Henk is onze grote trots en verdient een eigen website. Op deze website is een overzicht te vinden van het ontwerpproces van Henk en het uiteindelijke resultaat.

Tekening 1

Dit ontwerp is gebaseerd op de werking van een tang. De verticale actuator zal de grijper en de horizontale actuator op en neer kunnen bewegen. De grijper zal in de hoogste stand beginnen en hierdoor richting de beker (die onder de tang staat) bewegen. Hierdoor zal de tang op de juiste hoogte boven de beker verschuiven. De tang zal in de open stand beginnen maar als de horizontale actuator in zal trekken, dan zal de tang de beker vastpakken door de beker tussen de 2 staven in te klemmen. Doordat de verticale actuator hierna weer de horizontale actuator met daaraan de tang met de beker zal optillen, wordt de beker dus omhoog getild.

Tekening 2

Bij deze grijper was het idee om het bekertje op twee hoogtes in te sluiten zodat de stabiliteit verhoogd wordt. Hierbij is de onderste insluiting is een klein beetje smaller vanwege de vorm van het bekertje die afloopt. Verder bestaat de grijper uit vier armen waarvan de twee linker en de twee rechter zijn verbonden door stangen zodat ze identiek bewegen. Vervolgens zijn deze delen verbonden door een scharnier. De grijper word geopend door de actuatoren in te trekken en gesloten door de actuatoren in de uiterste stand te zetten. De kracht van deze twee actuatoren word verminderd door de veer die is bevestigd tussen de twee armen, hierdoor wordt de beweging ook minder impulsief. De grijper wordt omhoog bewogen door de actuator die boven het scharnierpunt is bevestigd maar wel los staat van dit scharnier zodat de actuator geen draaiende of horizontale beweging ondervind.

Tekening 3

Dit ontwerp werkt als volgt. De 2 grijp armen gaan geopend naar beneden. Als de armen op de ondergrond terecht zijn gekomen én om het bekertje, sluiten de armen zich. Op dit moment raken de grijp armen de beker nog niet, als de grijp armen omhoog bewegen, sluiten deze om de beker omdat de beker dan breder wordt. Uiteindelijk is de beker omsloten door de grijper en kan het bekertje opgetild worden.

Voordat we gingen bouwen hebben wij de grijper gesimuleerd in matlab en keken of de grijper in evenwicht is met behulp van Free Body Diagrams en Matlab.

Om te bepalen of de grijper niet scheef gaat hangen hebben we het moment om de voorste ophanging berekend. Als er een negatief moment zou ontstaan in er tegengewicht nodig.

In deze grafiek valt af te lezen hoeveel extra gewicht nodig is achter op de grijper om hem in evenwicht te houden bij een bepaalt extra gewicht in de beker. Hier uit valt af op te maken dat de grijper een extra gewicht van 370 gram moet dragen om in evenwicht te blijven bij een massa van 500 gram extra gewicht.

Voor he bestand voor het tekenen van de grijper klik hier en voor het matlab bestand voor het berekenen van het benodigde tegengewicht klik hier

Ons ontwerp: Het ontwerp met de grijper die het op te pakken bekertje insluit en daarna omhoog tilt moest nog wel iets specifieker uitgewerkt worden. Daarbij kwam als eerst kijken hoe we de kracht van de actuator kunnen gebruiken om het bekertje in te laten sluiten. De oplossing die we hiervoor bedacht hadden is het bevestigen van één stang aan beide ‘armen’ en deze 2 stangen ook aan elkaar bevestigen. Aan het bevestigingspunt van deze 2 stangen kon de actuator trekken/duwen waardoor de ‘armen’ sloten of openden. Hierbij was wel van belang dat de actuator op dezelfde positie bevestigd zit en zelf niet kan bewegen. De oplossing die we hiervoor bedacht hadden is om de actuator (net als de armen) te bevestigen door middel van schroeven of ducttape aan een grondplaat. Als de grondplaat omhoog verplaatst kon worden, dan nam deze de grijper en dus het bekertje mee omhoog.

We hadden het idee dat we op de goede weg waren maar opnieuw moesten we ons ontwerp meteen weer aanpassen. Omdat de massa van de grijper onderdelen zelf niet verwaarloosd mocht worden, zou er een moment ontstaan waardoor de grijper niet verticaal omhoog zou bewegen maar juist richting het bekertje zou roteren. Om dit te voorkomen hebben we een contragewicht aan de achterkant van de grondplaat bevestigd, zodat het moment van de grijper onderdelen en het bekertje teniet zou worden gedaan. Om extra stevigheid te creëren was het idee om de grijper 2 laags te maken. Hierbij zou er op meerdere punten kracht uitgeoefend worden op de beker en zou de kans minder groot zijn dat de grijper uit balans raakt.
Natuurlijk moest de grondplaat ook nog omhoog getakeld worden. Als hulpmiddel werd een bord beschikbaar gesteld waartegen we onze grijper konden bevestigen. Om gebruik te maken van het bord moest er rekening gehouden worden met de afmetingen, hoekpunten etc. van het bord. Om het onszelf iets makkelijker te maken hebben we daarom besloten om zelf een stellage te bouwen waarin we vrij waren om onze eigen ideeën te realiseren. Om schommelingen van de grijper te voorkomen hadden we ook het idee om de grondplaat in een soort rails te bevestigen waardoor deze vrij strak in de verticale richting zou bewegen zonder dan maar ook veel te bewegen in de horizontale richting. Het resultaat van de gemaakte stellage staat hiernaast.

Het laatste wat ons restte was de daadwerkelijke verplaatsing van de grondplaat en de grijper in de verticale richting. Bevestigingspunten waren het makkelijkst te maken aan de grondplaat, omdat het materiaal van de grondplaat nog niet was gekozen terwijl de specifieke grijper onderdelen gesneden zouden worden uit perspex door middel van een laser. Het idee was hierbij om touw aan de grondplaat te bevestigen en als de actuatoren touw zouden binnenhalen, dan zou de grondplaat verticaal omhoog bewegen. Maar omdat de actuator kon slechts 10 cm touw binnenhalen. Hierdoor zou de doelstelling van 25 cm ruim niet behaald worden. Om deze hoogte toch te halen, hebben we gebruik gemaakt van het fenomeen meekoppeling. Als een katrol met grote diameter en een katrol met een kleine diameter aan elkaar gekoppeld zouden worden, zouden zij evenveel omwenteling maken terwijl de afgelegde weg van een punt op de buitenkant van de grote katrol groter is dan de afgelegde weg van een punt op de kleine katrol. Door het touw van de actuator op de kleine katrol te bevestigen zal de groter katrol dus meer touw binnenhalen en zal de grondplaat dus hoger worden opgetild.

Bouwverslag

De benodigde materialen voor ons ontwerp waren:
- 1 houten stellage gemaakt uit ‘restjes’ houd
- 4x perspex rechthoek met een halve cirkel eruit gesneden
- 2 lange perspex armen
- 2 korte perspex armen
- Meerdere bouten en moeren
- 1 grondplaat
- 4 ‘oogjes’
- Touw
- 2 maisblikjes
- 2 afgerolde klosjes

Om in een zo kort mogelijke tijd ons ontwerp te realiseren hebben we de taken onderverdeeld zodat iedereen zijn steentje bij kon dragen. De specifieke uit perspex gesneden onderdelen werden d.m.v. lasersnijden op maat gemaakt door de TU, de een schroefde de stellage in elkaar terwijl de ander gaatjes boorde in de perspex onderdelen. De dubbele katrollen werden gemaakt door een klosje aan een maisblikje vast te tapen en de grondplaat op maat gemaakt. Op de dag van het practicum werd alles in elkaar geschroefd en stond er een echte zelfgemaakte grijper! Nu restte ons nog één ding;

“De lelijkheid, die zich doet vergeten, is mooier dan de schoonheid.” ­ Comtesse Diane de Beausacq Zoals misschien al wel duidelijk was, is Henk niet de mooiste grijper die ooit ontworpen is. Henk heeft bijna net zoveel duct­tape om zich heen gewikkeld als schroeven in zich verwerkt en ook de gebruikte mais­blikjes mogen niet vergeten worden, maar het gaat er uiteindelijk om dat ie werkt, toch? We hebben acht weken lang hard gebrainstormd voor een goed idee voor onze grijper Henk. De eerste prioriteit was dat de grijper het zou gaan doen, maar ook originaliteit speelde in ons groepje een rol. Met Thomas als meesterbrein, bedachten we een manier om de hele grijper omhoog te krijgen, door middel van een stellage, zodat de grijper niet te veel zou uitwijken in zijn weg omhoog. De grijper zelf was minder origineel, maar wel erg effectief.
Aangezien vrij weinig dingen meteen goed gaan, zijn er aan ons ontwerp‘ een paar’ verbeterpuntjes op te merken, gezien het feit dat Henk een beetje tegenstribbelde in het hele proces. Zo kan Henk met gemak een bekertje tillen met, jawel, een halve kilo inhoud erin. Helaas weigert Henk vervolgens het bekertje 25 cm omhoog te tillen, maar een goede 15 cm zit er wel in. De basis van Henk waar de actuator op bevestigd is, hing op een gegeven moment ook scheef, aangezien Henk net iets zwaarder bleek te zijn dan verwacht. Dit hebben we echter opgelost door de andere kant zwaarder te maken.
Al met al hebben wij acht weken lang hard ons best gedaan en zijn we blij met Henk. Hij doet het niet perfect, maar onze ideeën zijn wel goed tot uiting gekomen. De samenwerking verliep goed en ook hebben we de deadline van de opdrachten die we tussendoor moesten inleveren steeds gehaald.