Op de studie werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Delft is het van belang dat naast de theoretische kennis ook het een en ander aan praktische kennis door de studenten wordt opgedaan. Dit in de vorm van practica en projecten. Het eerste project waar de studenten in groepjes hun tanden in mochten zetten was het ontwerpen van een grijper. Deze grijper had als doel, gestuurd door pneumatische actuatoren, een bekertje of tetrapak op te pakken en te verplaatsen in 3 richtingen. Deze website dient ertoe om de denkstappen en handelingen van projectgroep 60 te verklaren en zo het uiteindelijke product te presenteren.
Het ontwerpproces begon met het opstellen van de voorwaarden waaraan het ontwerp moest voldoen. De belangrijkste gestelde ontwerpeisen zijn dat het opgepakte voorwerp 15 cm omhoog (z-richting) en 10 cm opzij (y-richting) verplaatst moet worden. Bovendien waren bonuspunten te verdienen indien de grijparm naar het op-te-pakken voorwerp toe kon bewegen (x-richting).
Om de werklast gemakkelijk te verdelen is besloten het ontwerp in twee delen te splitsen. Een arm die de y- en z-translatie zou verzorgen en een grijphand die naast het voorwerp in te klemmen in de x-richting zou transleren. Aan beide delen zijn een aantal studenten toegewezen. De YZ-translatie werd onderzocht door David, Benjamin en Tim. De X-translatie en grijper is ontworpen door Casper, Bob, Job en Willem. Ieder groepslid heeft zijn eigen ontwerp gepresenteerd.
Na enig overleg is uiteindelijk voor beide delen een concept gekozen. Deze zijn samengevoegd tot één compleet ontwerp. Dit ontwerp is vervolgens doorgerekend om alle onderdelen te kunnen laten fabriceren. Wederom is het ontwerp hier in tweeën gesplitst om de werklast binnen de projectgroep efficiënt te verdelen. Nadat de maten bekend waren, konden de losse onderdelen getekend worden in het CAD (computer aided design) programma solidworks.
Met de gefabriceerde onderwerpen is uiteindelijk de grijparm in elkaar gezet. Tijdens deze fabricage zijn een aantal problemen geconstateerd die zo goed mogelijk zijn verholpen.
Het ontwerp bestaat uit twee delen. De grijper, het deel dat het bekertje oppakt, en een arm, die ervoor zorgt dat het bekertje omhoog en opzij beweegt.
Het geheel zit bevestigd aan een staaf (1) die dient als scharnier. Hierdoor kan de arm en grijper in zijn geheel draaien waardoor het bekertje meer dan de vereiste 10 centimeter opzij beweegt. Aan deze staaf zit een houten plaatje(2) waar de arm(3) aan bevestigd is.
De arm bestaat uit vier perspex plaatjes, één onder en één boven aan beide zijden van de houten plaat, die de beweging omhoog mogelijk maken. Ongeveer halverwege de bovenste twee perspex plaatjes zit een bout waaraan de eerste actuator(4) bevestigd is. Als deze actuator inschuift draait de arm omhoog. Een draad die aan de zijkant van de arm bevestigd is zorgt ervoor dat het geheel opzij kan draaien. Deze draad zit in het verlengde van de tweede actuator(6). Als deze actuator inschuift zal de draad de arm opzij trekken. Aan het uiteinde van de arm zit de grijper met ingebouwd schaarmechanisme bevestigd(5).
Dit schaarmechanisme staat constant onder druk door een elastiek(7). Het elastiek zorgt ervoor dat de grijper naar voren beweegt en dichtgaat. Met behulp van een draad(8) in de in de grijper, die tevens bevestigd is aan de derde actuator, wordt de grijper open gezet. In de beginstand zorgt de actuator dus voor spanning in de draad waardoor de grijper open is. Zodra de actuator uitschuift en de spanning van de draad komt gaat de grijper dicht door het elastiek. Op deze manier wordt een voorwaartse grijpbeweging gemaakt.
Legenda:
Bij het testen van de grijparm is geconstateerd dat het ontwerp naar verwachting werkte. De grootste problemen met het ontwerp worden hieronder besproken.
In het ontwerp is gebruik gemaakt van scharnieren. Om deze te construeren is gewerkt met (borg)moeren en bouten. Een probleem hierbij is dat de moeren en bouten niet geheel vast kunnen worden gedraaid. Dit zo omdat de scharnierpunten dan niet kunnen bewegen. Er moet altijd speling blijven. Dat is te zien in op foto (1):
De speling bedroeg telkens 1mm of minder. Hoewel dit een minimale marge lijkt, leidt dit tot een grote uitwijking aan het einde van de grijparm. Het gevolg hiervan is dat de gehele grijper schuin naar beneden gaat hangen. Dit leidde er vervolgens toe dat de grijper de vereiste hoogte niet haalde. In het ontwerp is onvoldoende rekening gehouden met de speling rond de scharnieren. Deze speling zorgde ervoor dat er te weinig tegenkracht bestond om de grijper horizontaal te houden.
Een tweede probleem was de kracht van de actuatoren, deze was namelijk te groot en te abrupt. Het is tijdens het korte testvlak niet gelukt om de impact hiervan te beperken.
De grote kracht is in te perken door de luchtslangen van de actuatoren gedeeltelijk vast te klemmen. Op die manier kan de luchtdruk zich in de actuator langzamer opbouwen en bereikt de luchtdruk een minder hoge piek. Dat zorgt ervoor dat de kracht van de actuatoren geleidelijker stijgt.
Een ander nadeel van het ontwerp was een elastiek dat bij de verticale verplaatsing moest helpen. Dit elastiek remde de arm af als hij naar beneden ging. Maar in de tegengestelde richting versterkte dit elastiek de abrupte beweging van de arm alleen maar.
In de AWS bleek dat de verbinding tussen de actuator en de grijper voor een groot probleem zorgde. De actuator en de grijper waren door middel van een draad verbonden. Deze draad liep tussen de parallellogram-armen heen. Dit ontwerp bleek niet te werken aangezien het touw, als het strak stond, de parallellogramarm omhoog trok. Hierdoor werd de verticale translatie belemmerd. In de foto (3) is te zien dat het touw de arm omhoog trekt. In de hoogste stand vormde dit geen probleem.
Foto (1) Scharnierpunt grijper
Foto (2) Speling scharnier
Foto (3) Spanning in het touw
Tijdens het ontwerpproces zijn de volgende eisen en wensen opgesteld:
Eisen:
Wensen:
De eisen die aan de grijper zijn gesteld komen voor de eerste helft uit de projecthandleiding. Zowel de minimale translaties als het snel bevestigen van de actuatoren staan als ontwerpeisen gegeven. Het voorwerp viel regelmatig uit de grijper door de abrupte beweging hiervan. Dit zorgt ervoor dat het ontwerp niet constant voldoet aan de eerste twee eisen. De actuatoren kunnen echter wel binnen de gestelde minuten gemonteerd worden. Aan deze eis is wel voldaan.
De eis voor een maximum aan de kosten is toegevoegd om er voor te zorgen dat de kosten te overzien blijven voor studenten. Uiteindelijk is net niet aan de wens van €10,- of minder per groepslid voldaan. Aan de eis van minder dan €15,- voldoet het ontwerp wel.
De verbindingen binnen het ontwerp hebben voor enige problemen gezorgd. Bij gebrek aan kogellagers zijn de meeste verbindingen wat losjes aangetrokken opdat de arm kon bewegen. Al deze losse verbindingen hebben het rigoureuze testen doorstaan. De stevigheid van deze verbindingen zelf leverde geen onverwachte problemen.
Tijdens het testen bleek dat de grijparm erg onstabiel was. Het uiteinde boog door in de verticale richting en ook de grijpfunctie werkte niet altijd even goed. Zoals al eerder aangeduid was de oorzaak hiervan voornamelijk de verbindingen in de grijparm. Met name de verbinding tussen de grijper en de arm. Deze verbinding bestond uit een losjes aangedraaide bout en borgmoer. Het vaster aandraaien van deze verbinding belemmerde de beweging van de grijper sterk. Tijdens het testen is geëxperimenteerd om een middelstand te vinden waarbij de grijper alleen in de gewilde richting zou bewegen. Dit bleek echter niet mogelijk binnen het tijdframe wat gegeven was om te testen. Gezien dit niet de enige verbinding was die dit probleem had, kan niet anders dan geconcludeerd worden dat ook niet aan de eis voor stabiliteit is voldaan.
Al met al heeft het ontwerp aan de helft van de ontwerpeisen niet voldaan. Er hebben zich vooral problemen voorgedaan in de verbindingen tussen de onderdelen. Bij een vervolgontwerp zou hier meer onderzoek naar gedaan moeten worden.
Het doel van dit ontwerp was om een voorwerp (tetrapak of kopje) een bepaalde afstand omhoog en opzij te bewegen, waarbij gebruik gemaakt werd van 3 pneumatische actuatoren. Tijdens de ontwerpfase is er voor een grijper gekozen die gebruik maakte van een scharnierende buis voor de x-translatie, een scharnierend onderdeel van PMMA voor de Z translatie en een grijper die tegelijkertijd dichtgaat en naar voren gaat met dezelfde actuator. Aan de grijparm waren bepaalde eisen gesteld, waar bij het testen bleek dat aan de meerderheid van deze eisen niet voldaan is.
Aan eisen 3 en 4 waren niet voldaan, bleek bij het testen. Dit kwam door ontwerpfouten en fouten bij het berekenen van de krachten die door de bouten konden worden gedragen. Al met al was het ontwerp goed in elkaar gezet, maar waren er rekenfouten gemaakt waardoor het systeem niet aan de eisen voldeed. Hierdoor was de kracht die een impuls veroorzaakte te groot en zakte het systeem door. Aan de hand van een test met kunstmatige bediening is de bedoelde functie van het systeem te zien.
Dit is één van de tekeningen die gemaakt is tijdens de creative fase van het ontwerpen.
Zijaanzicht van de grijparm in de bovenste stand. Er is gebruik gemaakt van touwtjes om de grijparm in zijn hoogste stand te zetten. In deze afbeelding is de buiging in de arm goed te zien. De grijper zelf is in deze foto gesloten. Dit is te zien aan de linker bout in de uitschuifruit omdat deze in de verste stand van de houten rails is.
Zijaanzicht van de grijparm in zijn laagste stand. Alle mogelijke bewegingen zijn tevens in hun basisstand. De grijper is dicht, de grijparm is in zijn laagste stand en in de nulstand van de x-translatie.
Bovenaanzicht van de grijparm zonder het mechanisme voor de x-translatie. De bouten zijn te zien van bovenaf. De houten rails om de grijper recht te geleiden is goed zichtbaar op deze foto.
Om de werking van de grijper te kunnen testen is van papier een testgrijper gemaakt. Met behulp hiervan kon de uiteindelijke vorm van de parallellogram-grijper bepaald worden.
In dit vooraanzicht van ge grijper is goed te zien dat de verbinding met de arm onvoldoende doordacht is. In de verbinding was te veel speling ingebracht. Mits een kogellager gebruikt was had zich dit probleem misschien niet voor gedaan.
Hier is de verticale verplaatsing van de grijper te zien. We hebben het computerprogramma matlab gebruikt om de verplaatsing en lengte van de parallellogram te bepalen.p>
Hier is de verplaatsing van de grijper te zien. Dit mechanisme rekt uit en beweegt naar het object toe.
Een groot deel van onze grijper bestond uit PMMA. Dit moest in de lasersnijder worden gesneden. In solidworks hebben we een bestand gemaakt, waarmee de lasersnijder de onderdelen kan uitsnijden.
Mekelweg 2, Delft, Nederland
Projectgroep: WB60