PORTAALGRIJPER1600
GROEP 16
ONTWERPPROCES
De opdracht voor het Werktuigbouwkundig ontwerp project 1 was om een appel van plaats A naar B te verplaatsen met een schot ertussen. Dit moesten we realiseren door gebruik te maken van slechts drie pneumatische actuatoren: twee kleine en één grote. Ook kregen we een plaat PMMA van 490 x 240 x 5 mm waar we lasergesneden onderdelen van konden maken.
De ontwerpopdracht
Eisen en wensen
Programma van eisen en wensen
Eisen
-
De appel mag niet beschadigen
-
Er mogen geen onveilige situaties ontstaan
-
Binnen vijf minuten moeten de actuatoren in de constructie bevestigd zijn
-
De grijper mag niet beginnen of eindigen boven het vlak waar de appel op dat moment ligt
-
De appel begint in het midden van het vlak en eindigt aan de andere kant in het midden van het plankje
-
De constructie mag niet aan het plankje vastgemaakt worden
-
De appel mag niet ondersteboven eindigen
Wensen
-
De constructie is stabiel
-
Alle soorten appels kunnen verplaatst worden (groot/klein, nat/droog etc.)
-
Alles is op een professionele manier in elkaar gezet (geen duct tape etc.)
-
De grijper kan telkens het zelfde (goede) resultaat reproduceren
Keuze voor de samenstelling van de grijper
Tijdens het ontwerpproces hebben wij als individuen en als groep concepten bedacht voor de samenstelling van de grijper die zo goed mogelijk aan onze eisen en wensen voldoen. Deze ideeën hebben we in een morfologische kaart gezet om tot de beste combinaties te komen.
Op dit whiteboard schreven we alle opties voor de samenstelling van de grijper in een tabel. De gekleurde stippen geven aan welke opties goed met elkaar samen zouden kunnen gaan. Daarna hebben we per persoon d.m.v. Romeinse cijfers (I, II, III, IV, V) aangegeven welke combinatie we de voorkeur gaven. We besloten vijf tekeningen te maken van verschillende combinaties en dan te discussiëren over welke de beste was. Zie de legenda hiernaast uitvergroot.
(1) De eerste rij gaat over de manier waarop we de appel gingen oppakken: van boven, van de zijkant of van onder. De tekeningen geven aan wat we precies bedoelen.
(2) De tweede rij gaar over hoe we ervoor zorgen dat de appel niet beschadigd, dat is namelijk een van de eisen van dit project. De opties voor de bekleding van de grijper: elastiek, een veer of zacht materiaal gebruiken. Deze konden we natuurlijk ook combineren door bijvoorbeeld een veer en zacht materiaal te gebruiken.
(3) In de derde rij van de tabel hebben we alle opties voor de arm uitgezet. Deze arm moest in- en uitklapbaar zijn om niet tegen het schot aan te komen als de arm of het 'voertuig' verplaatst. Voor het in- en uitklappen konden we op verschillende manieren een actuator gebruiken: in een vouw arm, een optil arm, een schaarsysteem of een ophanging.
(4) In rij vier staan de verschillende manieren waarop we de arm konden bewegen, namelijk door de (ingeklapte) arm te draaien in een kleine hoek, grote hoek, of de hele arm in één richting te verplaatsen d.m.v. een rails.
(1)
(4)
(3)
(2)
I Grijper vanaf de zijkant, veer, optil arm en draaien in een kleine hoek.
Dit leek een goede combinatie omdat het goed te realiseren is met de kennis die we nu hebben. Ook is het handig dat de constructie aan de wand vastgemaakt kan worden. Het veersysteem samen met het oppakken vanaf de zijkant is ideaal om appels van verschillende groottes op te pakken.
II Vanaf de zijkant, elastiek en draaien in een grote hoek.
Het grote voordeel aan deze combinatie is dat er slechts twee actuatoren nodig zijn om de appel te verplaatsen doordat je hem alleen hoeft vast te pakken en te roteren, want de arm hoeft niet langer of korter te worden. Daarnaast werkt het oppakken vanaf de zijkant samen met het elastiek goed.
III Appel wordt van boven gepakt d.m.v. een veersysteem en verplaatst door een optil arm aan een rails.
Door de de optil arm kan de appel langs het schot. Het voordeel van de rails verplaatsing is dat er geen rekening gehouden hoeft te worden met hoeken en dergelijke, slechts met de horizontale afstand.
IV Vanaf de zijkant, elastiek, vouw arm en draaien in een kleine hoek.
Door de vouw arm kan je in de horizontale richting extra afstand afleggen om zo de appel langs het schot te krijgen. De draaiing in de kleine hoek is makkelijk te realiseren.
V Grijper van boven, elastiek, vouw arm en draaien in kleine hoek.
Het enige verschil met optie IV is dat de appel van boven gepakt wordt. Dit is gunstiger, want de appel wil door zwaartekracht naar beneden en kan dus niet uit de grijper vallen.
Verschillende mogelijke combinaties voor samenstelling van het project staat hieronder beargumenteerd.
Argumentatie voor de combinaties
Onze combinatie
Verplaatsing
Wij hadden onze keuze al beperkt tot drie ontwerpen, die we hebben gekozen d.m.v. een morfologische kaart (zie kaart). Bij ontwerp 1 zouden we onze grijper verplaatsen door deze via een beweegbaar frame die over een rails om en over het ‘muurtje’ rijdt, net als een portaalkraan die in een haven containers verplaatst.
Het tweede idee was een arm die we aan het witte bord zouden bevestigen, en deze zou de arm met behulp van twee actuatoren eerst omhoog, daarna over het muurtje, en dan weer naar beneden zou brengen. Het idee was om deze arm aan een as te bevestigen, waar deze dan omheen zou draaien. Met de juiste hoek zou deze rotatie er voor moeten zorgen dat de appel de horizontale afstand vanaf het beginpunt naar het eindpunt.
Onze derde optie had ook te maken met een arm die om een bepaald punt heen draait. In dit geval zou de rotatiehoek de buitenhoek zijn van de hoek uit het vorige idee. De arm zou dus niet over het muurtje hoeven gaan, maar juist een grote draai maken.
Uiteindelijk hebben we er voor gekozen om voor het railsysteem te gaan. Dit leek ons het meest nauwkeurige, en makkelijker in te stellen systeem om de grijper te verplaatsen, omdat dit frame een rechtlijnige beweging maakt over het muurtje, en zo hoefden we niet met hoeken in de weer. Ook dachten we dat zo’n constructie het meest stabiel zou zijn. Wel zagen we al snel in dat dit frame ons wel het meeste geld zou kosten, omdat we het frame uit hout zouden moeten maken. De kosten waren echter het criterium met de laagste wegingsfactor. Omdat de eindbestemming van de appel 16 mm hoger ligt dan het beginpunt, moeten we wel zorgen dat de rails in een hoek staat zodat de portaalkraan 16 mm hoger eindigt. Zie hieronder de berekening voor de hoek en hoe hoog het laatste blokje moet zijn.
Aandrijving
Om het frame over rails te bewegen is er aan een wiel een tandwiel verbonden waarover een tandheugel beweegt, die aan de grote actuator is verbonden, die het wiel aandrijft. Door de juiste verhouding tussen het tandwiel en het wiel te kiezen (de tandheugel beweegt 10 cm over het tandwiel).
Bekleding
De eerste optie die in ons opkwam was dat we de kracht van de pneumatische actuator verminderen d.m.v. een veer. Deze veer zou de ‘klap’ van de actuator op moeten vangen waardoor de appel niet beschadigd moet raken.
Als tweede dachten we aan een elastiekjes. Hierbij zouden de ‘vingers’ van de grijper de appel niet moeten raken, maar er juist omheen. Als we de elastiekjes aan de vingers vastmaken, zal de appel vastgeklemd worden door de spanning van de elastiekjes. Op deze manier raakt de grijper de appel niet direct aan, maar zou de appel wel goed genoeg geklemd worden, mits we niet te slappe elastiekjes gebruiken.
We bedachten ook dat we het probleem zouden kunnen verhelpen door de binnenkant van de grijper te ‘bekleden’ met een zachte stof, zoals een schuurspons of memoryfoam . Dit heeft net als de elastiekjes een verende werking, weliswaar met minder elastische kracht, maar wel een groter contactoppervlak, waardoor de appel beter op zijn plek zou zitten, en minder gaat wiebelen.
Als vierde idee hadden we bedacht dat we een sportelastiek zouden gebruiken. Dit is een breed elastiek, waarvan we er één aan elke kant van de grijper een stuk elastiek tussen twee vingers bevestigen. Dit is een soort combinatie van het idee met de elastiekjes en het idee met de spons. Deze elastieken hebben de spankracht van meerdere kleine elastiekjes, maar ze hebben ook een groot contactoppervlak op de appel.
Omdat we bang waren dat de vering de klap misschien niet helemaal zou kunnen opvangen, en omdat de grijper de appel alsnog zou raken, en daardoor een grotere kans had op beschadiging had, viel het eerste idee al vrij snel af.
Omdat de vierde optie de positieve kanten van de 2e en de 3e combineert, en het er naar ons idee het beste uit zou zien, zijn we voor de optie gegaan. Jesse wist dat hij thuis nog een sportelastiek had die hij wel kon gebruiken, wat de doorslag gaf voor dit besluit.
Arm
Om de grijper naar de appel toe te brengen zouden we waarschijnlijk een schaarmechanisme toepassen, omdat deze makkelijk en recht van boven naar beneden kan gaan en makkelijk te bevestigen is aan het frame. We hadden deze eerst niet gezien als een goede optie, maar toen we bedachten dat deze d.m.v. een verticaal schaarsysteem konden ophangen, was dat duidelijk de meest stabiele en handigste manier.
Grijper
We waren het er al snel over eens dat een grijper die vanuit twee kanten dichtvouwt het handigst was. Dit is namelijk via een schaarsysteem makkelijk te openen.
Ook kan je zo’n systeem gebruiken om de appel van de bovenkant én van de zijkant te pakken. Nu was het nog een kwestie van hoe we er voor zouden zorgen dat de appel niet beschadigd zou raken, omdat door de kracht en snelheid van deze actuatoren de appel snel geplet kan worden. Zie de berekeningen voor de grijper hieronder
Keuze voor de verplaatsing
Doordat we een uitgebreide discussie hadden over de manier van het verplaatsen van de appel, hebben we een schema gemaakt om te kijken welke van de opties het best aan onze eisen en wensen voldoet. Zie hieronder ons schema met de criteria.
Zoals te zien heeft de precisie en betrouwbaarheid bij ons de hoogste weegfactoren, dat komt omdat wij het resultaat van onze grijper zeer belangrijk. Daarnaast zijn stabiliteit en haalbaarheid het belangrijkst doordat dat ook veel effect heeft op hoe goed de grijper werkt. Daarna veiligheid omdat we vinden dat wanneer je er met gezond verstand mee omgaat er vrij weinig mis kan gaan in het opzicht van veiligheid. Als minst belangrijk hebben wij de kosten van het materiaal en dat komt doordat dat geen direct effect heeft op de prestatie van de grijper.
Analyse
In de analyse willen we nog een keer bespreken wat de positieve punten van ons ontwerp(proces) zijn en wat we nog zouden kunnen verbeteren.
Positieve punten:
-
Onze methode voor de verticale verplaatsing van de appel was geslaagd. Het schaarsysteem voldeed aan de verwachtingen. Het was redelijk stabiel zonder een actuator. Als we de actuator verbonden aan het schaarsysteem was compensatie nodig van tegen gewichten en elastieken om schaarlift stabiel te houden.
-
De grijper was sterk genoeg om zelfs de grotere appels dusdanig te klemmen dat deze verticaal verplaatst konden worden. En dankzij het sportelastiek was er genoeg grip om de appel vast te houden.
-
Het frame was stabiel en had geen probleem om het gewicht van de schaar, grijper, actuatoren en appel te houden.
-
De hoeveelheid grip van het aangedreven wiel, we waren eerst bang dat het aangedreven wiel niet genoeg grip zou hebben. Toen we de aandrijving met de actuator probeerde gebeurde helaas waar we eerder al voor vreesde, want het wiel begon te slippen. Dit hebben we vervolgens opgelost door een elastiekje op het wiel te plaatsen (dat elastiek hadden we meegenomen naar de AWS omdat we er al vanuit gingen dat het zou gaan slippen).
Punten waar we aan kunnen werken:
-
Aandrijving aan één kant, ons werktuig heeft 4 wielen en staat op 2 rails, echter werd maar 1 van deze twee rails aangedreven en ook nog eens slechts door 1 wiel. Dit zorgde er voor dat de 2 wielen op de andere rails en daarmee de rechter kant van het werktuig als het waren iets achterbleef ten opzichte van de linker kant van het werktuig. Dit had als gevolg dat er mee wrijving optrad en het werktuig lastiger omhoog de rails opkwam.
-
De aandrijving van het wiel gebeurde door een tandwiel die precies in het midden van het wiel zat geplakt. Het tandwiel werd vervolgens weer aangedreven door een tandheugel. Deze tandheugel bewoog heen en weer doormiddel van de grote actuator die er aan vastgemaakt was. Echter door de grote kracht van de actuator werd de tandheugel omhoog uit het tandwiel gedrukt, en dat zorgde ervoor de het tandwiel en de tandheugel gingen slippen. Dit had tot gevolg dat het ons werktuig niet lukte om via de rails de gewenste afstand te overbruggen.
-
Een nadeel aan een schaarlift is dat deze constructie slecht bestand is tegen krachten loodrecht op de schaarbeweging. De actuator die aan de zijkant van de schaarlift is bevestigt levert een kracht die loodrecht op de schaar beweging staat. Daardoor gaat de lift krom staan in uitgeschoven stand. Dit hebben wij geprobeerd te compenseren met gewichten en elastiek, maar dit had nog niet het gewenste effect.
-
Verkeerd gebruik van actuatoren. Dit probleem is te zien aan het feit dat de kleine actuator niet instaat was om de schaarlift, grijper en appel omhoog te verplaatsen. Ondanks dat we de druk in de actuator opgevoerd hebben tot 7 bar, bleek de kleine actuator niet in staat om zoveel gewicht te tillen.
Oplossing:
-
Aandrijving aan één kant, Dit kan worden opgelost door in de toekomst niet 1 maar 2 of zelfs 4 wielen aan te drijven.
-
Aandrijving, de oplossing voor dit probleem is om meer neerwaartse kracht op de tandheugel uit te oefenen, waardoor de tandheugel en tandwiel gewoon mooi tegen elkaar blijven zitten.
-
Beweging in schaarlift; De beste oplossing voor dit probleem is door de actuator, die verbonden is aan de schaarlift, niet aan de zijkant van de schaarlift te plaatsen maar in het midden. Dit zal helaas wel ten kosten gaan van andere delen van de schaarlift die ook voor stabiliteit zorgen. Dit probleem is absoluut oplosbaar, maar vereist wel dat de schaarlift anders wordt ontworpen.
-
Verkeerd gebruik van actuatoren; De meest voor de hand liggende oplossing is om de grote actuator te gebruiken om de schaarlift, grijper en appel op te tillen. Deze is namelijk sterker en was misschien hier toe wel in staat. De vraag die dan overblijft is of de kleine actuator sterk genoeg was om de hele portaal kraan in beweging te krijgen.
Conclusie:
Ondanks de vele tegenvallers tijdens dit project, was onze portaal kraan toch instaat om de appel op te tillen en was dit project deels een succes. We hebben veel tijd, moeite (en geld) gestoken in dit project, en ondanks dat we niet persé het gewenst resultaat hebben verkregen hebben we er toch een hoop van geleerd voor in de toekomst.
Ook heeft dit project ons een hoop ervaring opgebracht, zo merk je bijvoorbeeld gewoon dat je erg snel tegen kleine, maar vervelende obstakels loopt waar je van te voren gewoon bijna geen rekening mee te houden is, simpel weg omdat er zo veel dingen bij het project komen kijken.
Studenten
m^2 perplex
0.1176
0.82
m^2 hout
euro uitgegeven
128.51
6
MEDIA
 |  |  |  |  |  |
|---|---|---|---|---|---|
 |  |  |  |
OVER ONS
WB groep 16
Pieter Becking, Simon Sorgedrager, Cyp Hooft Graafland, Christiaan Wiers, Sebastiaan de Leeuw, Jesse van den Berg
