PROJECTGROEP 71

Mike Rietveld | Erwin van Huizen | Rick Vermeer | Jorrit Franx | Robin Sitters | Pepijn van den Bent | Rogier Hagenaars | Roel Breure

Periode 1

Grijperproject

‘Ons eerste ontwerpproject’

‘Ons eerste ontwerpproject’, een ontwerpproject/proces is zeer interessant aangezien er talloze kwaliteiten moeten worden benut om tot een goed eindproces te komen. Hoe hebben we dit aangepakt? Heel simpel, we hebben de door de TU aangeboden opdracht zo nauwkeurig mogelijk gevolgd. Ons hele ontwerpproces is gebaseerd op het model van Pahl en Beitz [1]. Op deze site staat een precieze en daadkrachtige beschrijving van het proces. De indeling van deze website is gebaseerd op de door de TU gestelde richtlijnen en op het model van Pahl en Beitz. Dit vertaalt zich in 4 subdomeinen: Analyseren, Conceptueel ontwerpen, materialiseren en uitwerken.

Promovideo

Analyseren

Het doel van deze ontwerpopdracht is om een mechanisme te ontwerpen dat een appel kan oppakken, deze om een wand heen kan verplaatsen en deze vervolgens precies in het midden van een plateau naast de wand neer kan zetten. Het mechanisme moet aangedreven zijn door pneumatische actuatoren.
De hoofdfunctie is dus om de appel van de ene naar de andere kant van de wand te verplaatsen.
De deelfuncties die het mechanisme moet uitvoeren zijn dan ook:
1. Het grijpen van de appel
2. Naar de appel toe bewegen (beweging in de x-richting)
3. De appel naar de roos verplaatsen (beweging in de y-richting)
Voor elk van de bovengenoemde deelfuncties zal één actuator worden gebruikt.

Programma van eisen en wensen

Er is een programma van eisen en wensen opgesteld om de criteria en specificaties te definiëren. Het programma van eisen en wensen behorend bij dit project is te vinden in de tabel hieronder.

Eisen

In de beginstand mag het mechanisme zich niet boven het plateau van de appel (hoogte = 16 mm) bevinden.
De appel moet gedurende de overgang tussen de grijper geklemd blijven.
Appel mag in het gehele proces[3] niet beschadigd (geen deuken, scheuren in de huid) worden.
De appel moet binnen een radius van 2 cm op de roos losgelaten worden op een 16 mm hoog plateau.
In de eindstand mag het mechanisme zich niet boven het plateau van de roos bevinden.
Er mogen geen onveilige situaties[2] door het mechanisme ontstaan.
De actuatoren moeten binnen 5 minuten kunnen worden gedemonteerd van het mechanisme.
Er mogen maximaal 3 actuatoren gebruikt worden.
Een appel (bolvormig object) van minimaal 50 mm en maximaal 80 mm diameter moet worden verplaatst.
Binnen 30 seconden moet het hele proces[3] hebben plaatsgevonden.

Wensen

Een grijper met een zo klein mogelijke massa.
Een sterke grip op de appel, zodat deze niet uit de grijper valt.
Een efficiënte beweging realiseren. (zo min mogelijk overbodige stappen zetten en/of afstand afleggen)
De appel precies op de roos van het plateau plaatsen. (nauwkeurig)
Solide constructie; weinig speling in de verbindingen. (betrouwbaar) Het moment om, en kracht in de constructie moet beperkt blijven.
Breekbare onderdelen moeten snel vervangen kunnen worden.
Zo min mogelijk materiaal gebruiken (vooral het materiaal dat door de TU ter beschikking gesteld is).
Totaal van eventuele zelf aangeschafte materialen zo goedkoop mogelijk houden.
De uitschuifsnelheid van de actuatoren mag niet te groot zijn. Deze moet dus beperkt worden.

[2] → Actuatoren die te snel bewegen, waardoor het PMMA kan breken.
1. Beklemmingsgevaar voor degene die het systeem bedient.
2. Onderdelen mogen niet afbreken (en daardoor mogelijk rond vliegen).
3. Persluchtslangen mogen niet losschieten. (Geen lekkende slangen o.i.d., want dit kan leiden tot gehoorschade)
4. Scherpe randen.
[3] → Het oppakken van de appel, verplaatsen van de appel en het loslaten van de appel

Conceptueel ontwerpen

Nadat is vastgesteld wat voor problemen voorkomen moeten worden om tot een werkend eindproduct te komen, wordt gedacht aan ‘hoe’ dit kan worden bewerkstelligd. Hiervoor is een gebruikt.
Deze is ingedeeld in 3 categorieën(deelfuncties) die tientallen uiteenlopende oplossingen onderscheiden tot verschillende groepen. In deze fase van het proces wordt een grote hoeveelheid innovatieve ideeën bedacht. Al deze ideeën zijn terug te zien in de morfologische-kaart. We hebben ervoor gekozen om in een laat stadium ons pas te gaan focussen op een daadwerkelijk concept. Dit zorgt er namelijk voor dat er geen tunnelvisie optreedt en andere mogelijke ideeën worden uitgesloten. Om de werking van onze concepten na te gaan hebben we gebruik gemaakt van spuugmodellen. Zowel de morfologische-kaart als de spuugmodellen zijn terug te zien onder het kopje media.

Materialiseren

Uit de morfologische kaart zijn drie kansrijke varianten geselecteerd. Deze varianten zijn geconverteerd tot concepten door middel van complete spuugmodellen. Vervolgens zijn deze concepten geëvalueerd middels de gewogen criteria methode.

Concept 1

Concept 2

Concept 3

Eerst zijn de 6 belangrijkste criteria vastgesteld. Daaropvolgend is er een rangschikking opgesteld van meest naar minst belangrijk. De redenatie hiervan is te zien in de tabel hieronder.

	Massa grijper	Solide constructie	Lage kosten	Lage uitschuifsnelheid	Sterke grip op de appel	Appel dicht bij de roos	Score
Massa grijper	0	-	+	-	-	+	2
Solide constructie	+	0	+	+	-	+	4
Lage kosten	-	-	0	-	-	+	1
Lage uitschuifsnelheid	+	-	-	0	+	+	3
Sterke grip op de appel	+	+	-	+	0	+	3
Appel dicht bij de roos	-	-	-	-	-	0	0

De belangrijkste eigenschap is de solide constructie en het minst belangrijk zijn de lage kosten. Hieruit is nog niet te bepalen hoeveel belangrijker een criterium is ten opzichte van een ander. Elk criterium krijgt een weegfactor van 1 tot en met 10, waarbij 10 het meest belangrijk is, zoals te zien is in de tabel hieronder.

Waarde	Wens
10	Solide constructie
9	Lage uitschuifsnelheid
8
7	Sterke grip op de appel
6	Massa grijper
5
4
3	Lage kosten
2	Appel dicht bij de roos
1

Er is nu een duidelijk overzicht voor de criteria gecreëerd. Om realistische scores te krijgen, is de volgende stap het geven van punten per criterium aan ieder concept. Dit gebeurt op een schaal van 1 tot en met 5. Een puntenaantal van 5 is hierbij de hoogste score. Deze wordt vermenigvuldigd met de weging van het criterium. De uitkomsten zijn te vinden in de tabel hieronder.

	Concept 1		Concept 2		Concept 3
Wens	Score	Gewogen	Score	Gewogen	Score	Gewogen
Solide constructie	4	40	2	20	3	30
Lage uitschuifsnelheid	4	36	3	27	3	27
Sterke grip op de appel	4	28	3	21	1	7
Massa grijper	3	18	4	24	5	30
Lage kosten	2	6	3	9	4	12
Appel dicht bij de roos	3	6	3	6	2	4
	Totaal:	134	Totaal:	107	Totaal:	110

De scores per criterium en de totale weging van het concept vinden we terecht.
We gaan voor ontwerp 1, omdat het hoog scoort op de drie belangrijkste criteria.
Ontwerp 2 scoort erg laag op onze belangrijkste criteria. Het scoort alleen hoger op de massa van de grijper en de lage kosten, maar dit vinden we minder belangrijk. Ontwerp 2 is ook moeilijk te verbeteren. Het aantal scharnierpunten kan lager, maar dan worden de armen langer waardoor het nog minder solide wordt.
Ook ontwerp 3 scoort laag op de 3 belangrijkste criteria, vooral op de sterke grip op de appel. Op de 3 minder belangrijke criteria scoort het ontwerp gemiddeld beter, maar zolang de grip op de appel en de solide constructie niet goed scoren heeft dit weinig zin. We kunnen de grip op de appel verbeteren, maar dit zorgt voor meer gebruik van materialen, waardoor de massa toeneemt. Dit zorgt voor een lagere score bij de massa. Kortom: Concept 3 scoort ook niet hoog genoeg.
Concept 1 scoort dus het best.

Uitgebreide analyse

Het grijpen van de appel

De hoofdfunctie ‘Het grijpen van de appel’ bestaat uit drie verschillende concepten grijpers die te zien zijn op de morfologische kaart.
De grijper van concept 1 bevat relatief veel onderdelen, waardoor de massa van de grijper ook groter is. Deze grijper is wel makkelijk aan de arm van de parallellogram te monteren, vanwege zijn smalle constructie.
De grijper van concept 2 heeft te veel scharnieren waardoor de grijper ook minder stijf wordt. Deze grijper heeft wel een grote diameter, waardoor grotere appels oppakken geen probleem is.
De grijper van concept 3 neemt veel ruimte in beslag in de breedte en het is veel minder stijf vanwege zijn lange armen. Wel heeft deze grijper het minst bewegende onderdelen.
We denken dat alle grijpers genoeg grip kunnen leveren om de appel te klemmen.

Naar de appel bewegen

De hoofdfunctie ‘Naar de appel bewegen’ bestaat uit twee verschillende concepten armen die te zien zijn op de morfologische kaart.
De arm van concept 1 & 3 zorgt ervoor dat het grijpmechanisme recht blijft tijdens de beweging. Deze armen zijn gebaseerd op een parallellogram. Verder zitten er minder scharnieren in, dan in het schaarsysteem van concept 2.
De arm van concept 2 verplaatst een lange afstand, omdat het schaarsysteem ervoor zorgt dat de korte afstand die de actuator aflegt wordt getransleerd in een grotere afstand. Echter zorgt het lange schaarsysteem voor een zwakkere constructie, omdat er een grote kracht aan het uiteinde van het schaarsysteem zal komen. Het grootste probleem is dat het schaarsysteem niet omhoog kan, waardoor de arm het plateau niet op kan komen. Verder is er ook veel kans op speling in de scharnierpunten

De appel naar de roos verplaatsen

De hoofdfunctie ‘De appel naar de roos verplaatsen’ bestaat uit drie verschillende concepten voor deze beweging.
De draaischijf van concept 1 is eenvoudig te monteren en het heeft weinig bewegende onderdelen. Maar het is wel moeilijk te berekenen welke hoek de draaischijf moet maken.
Het schaarsysteem van concept 2 bevat bijna dezelfde problemen als de arm van concept 2. De constructie is redelijk sterk, maar doordat er veel rechtgeleiding is zal de constructie niet heel soepel werken.
De rechtgeleiding van concept 3 werkt niet goed, omdat rechtgeleiding redelijk veel problemen oplevert. Rechtgeleiding vergt redelijk veel kracht die ook op een specifiek punt aangrijpt. Ook kan een kleine oneffenheid in de rechtgeleiding ervoor zorgen dat het systeem blijft steken.

N.B. Om de uitschuifsnelheid te verminderen gebruiken we bij elk concept smoorventielen.

Uitwerken

De uitwerking van het concept begon met drie tekeningen van de verschillende onderdelen met hierin de afmetingen.
Vervolgens is er in Solidworks een gemaakt van alle losse delen met de juiste afmetingen, zodat deze gesneden konden worden met een lasersnijder. Hierbij is rekening gehouden met de breedte van de lasersnede. Vervolgens zijn alle losse onderdelen in elkaar gezet en zijn er waar nodig extra materialen gekocht en onderdelen uit hout gezaagd.

Voor dit ontwerp zijn verschillende materialen en onderdelen gebruikt:

Festo DSNU-12-100 (diameter 12mm, slag 100mm)
Festo DSNU-8-100 (diameter 8mm, slag 100mm)
Festo DSNU-8-100 (diameter 8mm, slag 100mm)
Slotbout M6 8 cm
Bout M6 8 cm

Bout M6 4 cm
Moer M6
Multiplex hardhout FSC 9 mm 122x61 cm
Blauwe persluchtslangen (500 mm)

Het eindproduct

Eind-analyse

Om te bepalen in welke mate het ontwerpproject succesvol is doorlopen en voltooid, kan worden gekeken in hoeverre er aan het programma van eisen en wensen is voldaan. Hieronder wordt het product geëvalueerd op basis van de eisen en wensen.

Het resultaat van de volgende eisen en wensen is naar verwachting:
- De appel wordt goed geklemd, alleen het systeem moet precies goed staan om de appel op te pakken, mede omdat er weinig ruimte zit tussen de appel en de elastieken van de grijper.
- Het proces is herhaalbaar en omkeerbaar.
- Het mechanisme is sterk en er is dus weinig kans op het afbreken van onderdelen.
- De snelheid van de actuatoren is zo ingesteld dat er ook geen kans is op rondvliegende onderdelen. Wel moet de plaat waar het hele mechanisme op staat tegengehouden worden, want anders kan het hele mechanisme kantelen.
- De actuatoren zijn binnen de vijf minuten te monteren in het systeem, maar de actuator bij de grijper is wel vrij lastig te monteren, omdat de arm van de grijper in de weg zit.

Het resultaat van de volgende eis is beter dan verwacht:
- Het proces is vrij ruim onder de 30 seconden uit te voeren, want de bewegingen van de grijper zijn eenvoudig en effectief.

Het resultaat van de volgende eisen en wensen is slechter dan verwacht:
- De appel komt vrij ver van de roos terecht, ongeveer 10 cm, terwijl de eis 2 cm was. Door een communicatiefout over de afmetingen, was de draaiingshoek iets te groot. Verder stuitert de grijper ook nog een keer zoals in het filmpje te zien is, wat zorgt voor een onnauwkeurigheid in de plaatsing van de appel t.o.v. de roos.
- De beweging van het gehele mechanisme is efficiënt, maar er is wel veel materiaal voor gebruikt.

Problemen in het ontwerp:
- De grijper met de appel is zwaarder dan verwacht, maar dit probleem is verholpen door een veer in de parallellogram te zetten die de parallellogram helpt met het optillen van de appel.
- De geleider voor de actuator moest uiteindelijk nog beter vastgezet worden, wat met tie-raps is opgelost. De keuze voor tie-raps is te verklaren, omdat we een snelle oplossing nodig hadden om het mechanisme te testen. Voor de lange termijn zou deze geleider vastgezet moeten worden met bouten.
- De geleider van de actuator in de grijper werkte niet, door een fout in de berekening. Zo kon de actuator niet ver genoeg inschuiven. We hadden een tweede geleider achter de hand en deze werkte wel.
- De uitschuif-snelheden van de actuatoren waren los van elkaar niet goed genoeg aan te passen. Als de druk zo hoog was dat het parallellogram werkte, draaide het systeem veel te snel. Dit hebben we opgelost door de veer in de parallellogram te zetten en smoorventielen tussen de slangetjes naar de afzonderlijke onderdelen te plaatsen.

Als we het geheel bekijken, zijn we tevreden met het eindresultaat.