De Ontwerpopdracht
Ontwerp een mechanisme dat een appel kan oppakken en op een naastgelegen plateau kan plaatsen, om een wand heen, aangedreven door pneumatische actuatoren.
Voorwaarden en Specificaties
-In de beginstand ligt de appel in het midden van het vierkant naast het plateau.
-Het doel (de eindstand) is om de appelprecies in het midden van het plateau te plaatsen.
-Het systeem mag de appel niet beschadigen.
-In de beginstand mag geen enkel deel van het mechanisme zich in de ruimte boven het vierkant naast het plateau bevinden. Voor het grijpen van de appel moet het systeem zichzelf dus eerst naar de appel toe bewegen.
-Na het plaatsen van de appel moet het mechanisme de appel weer loslaten, en zich weer weg bewegen.
-In de eindstand mag geen enkel deel van het mechanisme zich in de ruimte boven het plateau bevinden.
-Het mechanisme mag geen onveilige situaties opleveren.
Eisen en Wensen
- Het mechanisme mag geen onveilige situaties opleveren.
- Systeem moet binnen vijf minuten opbouwbaar zijn.
- Actuatoren mogen niet vastzitten in het ontwerp
- Overige onderdelen mogen niet meer dan tien euro per persoon kosten.
- Zo veel mogelijk onderdelen van PMMA
- Zo weinig mogelijk speling
Beschikbaar materiaal
De TU Delft stelt 3 pneumatische actuatoren ter beschikking, een basisframe(zie afbeelding), m4 en m6 moeren en bouten, beugels voor bevestiging aan het bord, persluchtslangen van ca. 500 mm en één plaat PMMA(perspex) van 490x240x5 mm. De PMMA plaat kunnen we laten lasersnijden om zo onze onderdelen voor de grijper te krijgen.
Eindontwerp
Morfologisch Schema
Uiteindelijk zijn we met behulp van het morfologisch schema(zie afbeelding) op drie oplossingen gekomen. De oplossing met het rode lijntje, de oplossing met het groene lijntje en de oplossing met het gele lijntje. We hebben voor de rode oplossing gekozen omdat deze het meest overeen kwam met ons programma van eisen en wensen.
Zo voldoet hij aan de eis dat er zoveel mogelijk PMMA gebruikt moet worden, weinig speling, gemakkelijk op te bouwen, lage kosten en hij is veilig. Ook vonden we het een goed ontwerp omdat het origineel is en hij maar twee actuatoren nodig heeft omdat hij de horizontale en verticale beweging combineert.
De overige twee oplossingen zijn niet gekozen omdat deze veel gebruik zouden maken van andere materialen zoals hout en pvc buizen voor de rails. Ook vonden we dit de voor de hand liggende oplossing. De grijper met tandwielen is niet gebruikt omdat tandwielen duur zijn. En we met voorgaande ervaringen problemen gehad hebben met PMMA tandwielen.
Werking
Grijpen
De grijper werkt als harmonica mechanisme. Het uiteinde zit vast aan een as en het middelpunt van de grijper schuift door een sleuf die in de as gefreesd. Aan de andere kant van de as kan de actuator bevestigd worden.
De afmetingen van de grijper zijn zo gekozen dat deze in de maximale open stand 10cm naar buiten komt en de openening van de grijper 10cm is. De voorste haken zijn 6cm lang en de binnenste 4cm zodat er tussen een appel past als de grijper gesloten is. Tussen de haken zijn elastiekjes gespannen om ervoor te zorgen dat de appel niet fijn geknepen kan worden, maar toch stevig vastgepakt kan worden.
Horizontale en verticale bewegingen
De arm is bevestigd op de as, deze draait vrij rond. Achter de arm zit een cirkel waar de actuator aan bevestigd is. Aan de cirkel zitten ook twee cilinders, op een van de twee rust de grijperkant van de arm, de andere cilinder is voor als de arm rond slaat.
Wanneer de actuator wordt ingetrokken, draait de cirkel, welke de arm rondslaat. Aan de overkant van de grijper zit ook een contragewicht, zodat er weinig kracht nodig is om hem rond te krijgen.
Zodra de arm rond is rust de grijperkant op de andere cilinder.
As en bordbevestiging
De as in het bord is een erg belangrijk onderdeel in ons ontwerp. Er komt namelijk veel kracht op te staan, doordat het gewicht van de arm, het gewicht van de grijper + appel eraan komt te hangen. Daarom moet de as relatief sterk zijn, om ook het moment die deze gewichten creëren te compenseren. Het is gemakkelijk dat de as niet al te zwaar is, omdat dit gewicht namelijk altijd mee moet worden gedragen in het ontwerp. Al staat dit gewicht wel los van de arm.
Om aan deze eisen te voldoen hebben we een aluminium as gekozen, van aluminium uit de 2xxx serie. Dit is namelijk een vrij sterk aluminium. De as heeft een diameter van 15mm, wat ook een gangbare maat is voor de binnendiameter van glijlagers. Hierdoor kunnen we namelijk gemakkelijk bijpassende glijlagers bestellen. Ook is een as met deze dikte sterk genoeg voor het dragen van al het gewicht.
De as wordt verder bevestigd in het houten “achterbord” en gaat vervolgens door twee stalen plaatjes, welke dienen voor het opvangen van het moment dat veroorzaakt wordt door de arm + grijper + appel. Doordat de as naadloos aansluit in het gat van het hout, zit deze direct al vast en hoeft er niks gelijmd te worden. Het draaipunt zit bij de rand van het buitenste metalen plaatje. Het houten bord plus de andere twee metalen plaatjes zorgen voor een linksom draaiend positief moment en de arm plus grijper zorgen voor een rechts omdraaiend moment. Omdat alles op zijn plaats blijft heerst er evenwicht.
Aan het einde van de as is een gat getapt voor een 4mm bout. Deze gaat dienen voor het in op zijn plaats houden van de schijf en de arm. Oftewel deze bout + eventuele platgeslagen L-bracket wordt met een bout aan de as bevestigd, zodat de schijf en de arm niet van de as afdraaien.
Het eindontwerp
Berekeningen
Berekening Arm
Hoogte tussenschot = 26cm
Verplaatsing zijkant = 13.3cm
Hoogte centrale as + arm grijpkant > 26
Arm contrakant < hoogte centrale as
We zijn voor verhouding 2:1(arm grijpkant : arm contrakant) aangezien het contra gewicht dan 2 keer zo groot moet zijn. Dit is handig voor het berekenen van het contragewicht. Aangezien het contragewicht dan 2 keer zo groot moet zijn als het gewicht van de grijper. (Fcontra * Lcontra = Fgrijper * Lgrijper
Fcontra * 1 = Fgrijper * 2
Fcontra = (Fgrijper * 2)/1 = 2 * Fgrijper)
Voor het gemak maken we de Lgrijper 20 cm, en dus Lcontra 10 cm.
De hoogte van de centrale as wordt dan √(〖20〗^2-〖13.3〗^2 )=14.93, dit ronden we af naar 15 cm.
Hoek a wordt dan 〖cos〗^(-1) (15/20)=41.5°
Grijpkracht
Theoretische grijpkracht:
Fgrijp=1/2*Fa/cos(30)*cos(50)*12cm/8.5cm=0.524Fa
Berekening kracht actuator 
Berekening contragewicht
F3
p=m/v m=p*v
p=ppmma=1.18 g/cm^3 = 1180 kg/m^3
V=2*(22.5cm*0.5*4+4*(0.7*2.5*0.5))=97cm^3
Mtot= massa moertjes + massa pmma
Mtot= 12*4 + 97*1.18=162.46 g = 0.162 kg
F3= mtot*9.81 = 0.162*9.81= 1.59N
F2
p=m/v m=p*v
p=ppmma=1.18 g/cm^3 = 1180 kg/m^3
V=2*(10cm*0.5*4+2*(0.5*2.5*0.7))=43.5cm^3
Mtot= massa moertjes + massa pmma
Mtot= 12*4 + 43.5*1.18=99.33 g = 0.09933 kg
F3= mtot*9.81 = 0.09933*9.81= 0.974N
F4
F4=m*g
m=massa grijper
= 0.35kg
F4=0.350*9.81=3.43 N
F1
Mcontra= -0.1875*3.4335 - 0.1125*1.59 + 0.1*F1 + 0.05*0.974=0
F1=7.57 N
F1=m*g
Mcontra=7.579.81= 0.772 Kg
Individuele onderdelen
Cirkel
Grijper
Arm
Bord(vooraanzicht en bovenaanzicht)
Lasersnijden
Solidworks
Via de Tu kregen we de mogelijkheid om ons PMMA te laten snijden met een lasersnijder. Bij de afbeeldingen kunt u ook het uiteindelijke solidworks bestand vinden. Met de arm en de grijper. De afmetingen vindt u bij de individuele onderdelen.
Onderdelenlijst
1. plaat pmma geleverd door IWS
2. 20x20x0,8cm pma plaat
3. 16x 30mm m4 bouten
4. 18x 50mm m4 bouten
5. 42x m4 moeren
6. 4x 40mm L brackets
7. 3x 15x20x20mm glijlager
8. 2x 10x12x12
9. Elastiekjes
10. 2x plaatstaal 120x120x5mm
11. Aluminium staaf 120x15mm
12. Aluminium staaf 325x10mm
13. Houten plaat 200x500mm
14. Gewicht 500gr
Het Resultaat
Evaluatie
Fouten Ontwerp
Er is discussie geweest of we kogellagers of glijlagers gingen gebruiken, uiteindelijk is er gekozen voor glijlagers. Op de centrale as werkten de glijlagers prima. Maar op de as bij de grijper werkte het niet goed en was er te veel wrijving. Hierdoor bleef de grijper niet in de oorspronkelijke stand wanneer hij ronddraaide. Dit zorgde ervoor dat de appel op z’n kop terecht kwam. Dit had opgelost kunnen worden door in plaats van een glijlager een kogellager te gebruiken, en als dat niet voldoende was, ook nog een contragewicht aan het einde van de as.
Ook is er bij de cirkel een fout gemaakt. De arm waar de actuator aan trok was niet lang genoeg, waardoor hij onvoldoende kracht kon leveren en de grijper inclusief appel tijdens de eerste testsessie niet aan de andere kant van de muur kon komen. Dit is opgelost met een verlenging van de arm, door middel van een platgeslagen L-bracket.
In het solidworks design is ook een kleine fout gemaakt, waardoor één arm iets langer is uitgevallen. Dit had geen nadelig effect op de werking van de grijper.
Uiteindelijk was het contragewicht ook net niet voldoende, in het filmpje kunt u dan ook zien dat we door middel van 2 kleine moersleutels op voldoende gewicht zijn uitgekomen.
Doordat de grijper niet meedraaide kwam één arm van de grijper ook tegen het 26 cm hoge muurtje aan tijdens de draaibeweging. Dit hebben we opgelost door de opstelling 2 cm te verhogen.
Uiteindelijk was een remsysteem op de arm door middel van elastiek ook een goeie geweest. Aangezien hij te hard neer kwam, en niet accuraat genoeg is.
Evaluatie van de eisen en wensen
Met ons ontwerp hebben we bijna aan alle eisen en wensen weten te voldoen. De enige plek waar verbetering kon worden behaald was dat de appel hard tegen de grond werd geplaatst aan de andere kant van de muur. Hierdoor raakte de appel na meerdere tests beurs. Aan de grijper is uiteindelijk €36 uitgegeven, en voldoet het project dus aan de gestelde eis van het budget. Redenen hiervoor zijn namelijk dat er optimaal gebruik is gemaakt van het beschikbare pmma, wat ook een van onze wensen was. De opbouwtijd van onze grijper was minimaal in de aws. Alle onderdelen worden met één schroef vastgezet en de actuatoren kunnen dan beide op de grijper worden geplaatst en bevestigd met twee moeren. Dit alles kan binnen vijf minuten gedaan worden.
Groepsdynamiek
Aan het begin van het project bestond onze groep uit zes mensen. Helaas heeft één iemand na week twee aangegeven met de studie te stoppen, waardoor het project met vijf mensen vervolgd moest worden. Hoewel het uiteindelijk geen nadelige gevolgen heeft gehad voor het ontwerp moest iedereen hierdoor iets meer taken op zich nemen. De overige groepsleden hebben allemaal iets ingebracht, waarna er uiteindelijk een ontwerp gekozen is. Natuurlijk na eerst alle mogelijke ideeën overwogen te hebben.
Aandachtspunten
In het groepsproces zijn er ook enkele aandachtspunten voor een volgend project. Het is namelijk belangrijk om per bijeenkomst een voorzitter en notulist aan te stellen. Dit zou aan het begin van het project al gepland kunnen worden. Echter is het dan ook erg belangrijk om per bijeenkomst deze taken na te komen. Het moet duidelijk worden dat iemand deze taak heeft en de bijbehorende taken op zich neemt zodat deze persoon de rest van de groep kan corrigeren. Verder is het belangrijk dat de benodigdheden voor het project altijd ter beschikking zijn. Als één groepslid onverwachts afwezig is bij een bijeenkomst, moeten alle materialen en andere spullen bereikbaar zijn voor de andere groepsleden. Al met al was er een fijne groepsdynamiek, echter ontstond hierdoor wel een te relaxte mentaliteit waardoor punctualiteit soms te wensen over kon laten. Hierdoor werd de groep in geheel belemmerd omdat ze bijvoorbeeld niet in de locker konden waar de materialen inlagen. Tijdens de geplande “projecturen” is het belangrijk om de tijd goed te benutten. Er is voldoende tijd ingepland, waardoor thuiswerken vermeden kan worden, mits je tijdens deze uren goed doorwerkt en je je weinig tot niet met andere zaken bezighoudt. Communicatie is erg belangrijk, daarom is het gemakkelijk om een WhatsApp groep aan te maken en een drive. Waardoor er gemakkelijk afspraken met elkaar kunnen worden gemaakt en bestanden kunnen worden uitgewisseld. Hier is in ons project goed over nagedacht en aan voldaan.
Samenvatting
Kortom, we hebben ons aan alle eisen en wensen gehouden. De grijper werkte goed maar er waren wel wat verbeterpuntjes. Het samenwerken binnen de groep verliep verder ook goed, op enkele keren dat iemand te laat kwam na.