Werktuigkundig Ontwerpproject WB11 2017-2018
Wij zijn een werkgroep van 7 eerstejaars studenten die de opdracht hebben gekregen een mechanische grijper te ontwerpen die een appel moet kunnen vastpakken en verplaatsen. De afgelopen 8 weken hebben wij hard gewerkt aan het bouwen van onze mechanische grijper. De opdracht luidde als volgt: Ontwerp een mechanisme dat een appel kan oppakken en op een naastgelegen plateau kan plaatsen, om een wand heen, aangedreven door (maximaal 3) pneumatische actuatoren. Aan het ontwerp van de grijper hingen natuurlijk wel een aantal voorwaarden waar aan voldaan moest worden:
In week 1 hebben wij als groep kennis met elkaar gemaakt en hebben wij de taken verdeeld. Vervolgens hebben wij ons georienteerd op de opdracht en zijn we begonnen met het brainstormen van ideeen. In week 2 hebben wij onze ideeen verder uitgewerkt en onze Programma van Eisen en Wensen opgesteld. Als laatste hebben wij al onze concepten verzameld in een morfologische kaart.
In week 3 hebben wij aan de hand van onze morfologische kaart de deelsystemen van onze grijper gekozen. Aangezien er meerdere mogelijkheden waren hebben wij 3 concepten gekozen en die 3 hebben wij getekend en getest met proefmodellen. In week 4 hebben wij onze 3 concepten geevalueerd en daaruit de beste gekozen. Het gekozen concept hebben wij verder uitgewerkt en geoptimaliseerd. De berekeningen hebben wij in Python gedaan en de onderdelen hebben wij getekend in SolidWorks. Aan het einde van week 4 hebben wij in SolidWorks de CAD tekening gemaakt van de PMMA onderdelen van onze grijper voor de lasersnijder.
In week 5 zijn onze PMMA onderdelen gesneden door de lasersnijder. In week 6 hebben wij onze overige materialen gehaald en zijn wij begonnen met het assembleren van ons ontwerp.
In week 7 hebben wij onze grijper in elkaar gezet en getest. Na het testen bleek dat er een paar kleine details waren die we over hoofd hadden gezien, maar met een paar kleine aanpassingen waren ook deze problemen opgelost.
In week 8 hebben wij de laatste tests gedaan aan onze grijper en alle resultaten uit het project op onze website geplaatst. Tot slot hebben wij nog een video gemaakt van onze grijper in actie en die video geupload op onze website.
Onze verwachting was dat we een vrij simpel, sterk ontwerp zouden hebben dat met redelijke nauwkeurigheid de appel zou kunnen transporteren. We wisten dat enige imprecisie verwacht moest worden, omdat niet alle onderdelen simpel te maken waren.
Hiervoor als voorbeeld de rails, na berekeningen over de afstand die het knooppunt van de rails minimaal van de muur moest hebben kwamen we uit op een ontwerp waar de rails een hoek van 20 graden met de middellijn maakten. Echter, na het grijpsysteem verder uitgewerkt te hebben was dit knooppunt niet meer ver genoeg weg van de muur, dus werden er wat nieuwe stukjes gezaagd en erbij gedaan. Al deze rail delen sloten mooi op elkaar aan, maar niet geheel zonder overlap van de muurtjes ervan of iets dergelijks. Door deze aansluitingspunten van de rails waar de voorpoot tegenaan botst komen er wat schokkende bewegingen trilt de appel wat van zijn plaats en komt hij niet meer mooi in het midden terecht.
Echter konden we de meeste van die hoeken vijlen en werd de beweging vloeiender, als resultaat komt de appel toch vrij goed in het midden terecht. De huidige precisie, als de appel niet de neiging heeft te rollen, is tevredenstellend en naar onze criteria.
Ook wilden we het ontwerp simpel houden, een ontwerp waarin alle onderdelen of sterk genoeg waren niet snel kapot te gaan en ook makkelijk te vervangen. Eerst leek het alsof we een aantal zeer ingewikkelde onderdelen nodig zouden hebben, die met de hand gemaakt zouden moeten worden.
Echter konden we het ontwerp aanpassen waardoor al die onderdelen overbodig waren en alle resulterende onderdelen simpel te krijgen waren. De rail is een van de moeilijkste onderdelen in zijn geheel, maar elk afzonderlijke deel is vrij simpel en goed te maken. Het enige onderdeel dat we niet makkelijk opnieuw zouden kunnen maken of op een andere wijze verkrijgen is de grijper. Deze is van onze PMMA-plaat gemaakt en we zouden er niet zomaar meer van kunnen regelen. Wel zijn ze vrij goed los te halen als ze kapot zijn, doordat ze met slechts bouten vast zitten. Hiervoor hadden we een andere oplossing geregeld, uit onze plaat konden we acht keer de grijper halen, terwijl we er maar vier nodig hadden. Als er zorgvuldig mee omgegaan werd, hadden we alle reserves die we konden wensen.
Na testen scheen een fietsbinnenband de goede rek tot kracht verhouding te hebben met een goede grip, echter tijdens het testen met de actuatoren bleek anders.
De actuatoren zorgen voor een meer explosieve beweging dan wij van te voren met de hand hadden getest. De grip van de binnenband bleek niet genoeg om de appel vast te houden tijdens deze explosieve beweging. Onze tijd in de AWS was gelimiteerd, dus moesten we snel een oplossing bedenken. Werktuigbouwers dat we zijn dachten we gelijk aan ducttape. Toch deden we eerst wat schuurpapier eroverheen, omdat we dachten dat dat wel goede grip zou brengen, maar het schuurpapier was te fijn en de appel gleed even goed weg. Toen deden we kleine stripjes van ducttape zelf, na meerdere pogingen en verschillende diktes stripjes hadden we eindelijk een hoeveelheid ducttape die de appel goed vasthield maar toch losliet wanneer dat nodig was.
Ook verhoogde dit de nauwkeurigheid, door het ducttape hadden de schokkende bewegingen geen effect meer op de appel en bleef die beter op zijn plek.
Iets wat ons wel verraste, was de kracht van de actuatoren. Eerder kwam aan bod dat ze een erg explosieve beweging verzorgden. Zelfs met redelijk lage druk, ongeveer 2 bar, was de kracht ruim voldoende. Dit zorgde dat de besturing iets voorzichtiger gedaan moest worden. Met wat oefenen met de knoppen was de benodigde behendigheid verkregen en was de beweging vrij simpel te doen.
Grijper
Arm
Zoals in bovenstaande tabel te zien is zijn de kosten van de onderdelen en materialen geen belangrijke factor bij het kiezen van het beste concept. De moeilijkheid is belangrijker gevonden dan de kosten, maar niet belangrijker dan de overige criteria. Er is gekozen voor een simpel ontwerp dat goed werkt en maar gebruik maakt van 2 actuatoren. Daarom heeft het aantal actuatoren prioriteit boven de kosten en de moeilijkheid. Door het gebruik maken van 2 actuatoren wordt het ontwerp iets minder simpel. Om er zeker van te zijn dat het mechanisme betrouwbaar is het belangrijk dat de machine of zo robuust is dat het niet kapot kan gaan of dat de onderdelen makkelijk te vervangen zijn. Vanwege die reden is dat het belangrijkste criterium geworden. Ook is het erg belangrijk dat onze machine de appel nauwkeurig kan oppakken en weer neerzetten. De voorkeur ging uit naar een moeilijk, duur ontwerp die de appel nauwkeurig kan verplaatsen en niet naar een simpele, goedkope machine die onnauwkeurig is en snel kapot gaat.
