mogelijk gemaakt door:
Groep wb88
| teamlid | Naam |
|---|---|
| 1 | Tim |
| 2 | Jaap |
| 3 | Wies |
| 4 | Jochem |
| 5 | Ricardo |
| 6 | Matthijs |
Project site WB1130 - Groep wb88 -
Een kermisgrijper die altijd goed grijpt. Dat is het ontwerp dat wij uiteindelijk wilden maken. Met behulp van een groot frame, katrolwerking, drie actuatoren en een sterke grijper hebben wij geprobeerd dit voor elkaar te krijgen. Kermisgrijpers staan niet bekend om hun succesgarantie, dus er is twijfel geweest of het allemaal zou werken. Nu het project voltooid is kunnen we zeggen dat we dit stereotype hebben doorbroken. De onderdelen en mechanismen die we hadden bedacht, bleken allemaal te werken. In combinatie met een goede samenwerking hebben we een functionerende grijper gemaakt die ook voldoet aan de eisen. Hieronder staat beschreven hoe we dit hebben gedaan.
Wij als WB088 zijn een groep van 6 heren met een verdeelde leeftijd. Met het jongste lid 18 lentes jong, en onze oudste beuker maar liefst 35 jaar oud kwamen we stroef uit de startblokken. Gelukkig hebben we ons snel weten te herpakken en we zijn dan ook tevreden met ons resultaat.
Zoals bekend gaat het om het ontwerpen, ontwikkelen en bouwen van een grijper. De bedoeling is dat we een bekertje of een pak melk kunnen optillen en een stuk verder kunnen neerzetten. Voor het gemak hebben we de opdracht hier uitgebeeld.
Om deze bewegingen te kunnen maken kregen wij de beschikking over twee kleine en een grote actuator. Deze actuatoren zijn pneumatische cilinders met een slag van 100 mm. Aangezien we een verticale verplaatsing van meer dan 150 mm moeten bereiken hebben we dus een krachtversterker nodig. Denk hierbij aan een hefboom, een differentiaalkatrol of een tandwieloverbrenging. De andere bewegingen die gemaakt moeten worden zijn uiteraard de horizontale verplaatsing en natuurlijk het openen en sluiten van de scharen.
Verplaatsing in twee richtingen
Er moeten drie (omkeerbare) acties woren uitgevoerd: grijpen, optillen en horizontaal verplaatsen
De kracht omlaag van het gewicht van de grijper + bekertje mag niet groter zijn dan de kracht die de grijper omhoog kan leveren
De grijper moet het bekertje kunnen klemmen
Het bekertje mag niet kapot gaan of vallen
De belasting van het gewicht moet verdeeld worden over de hele grijper
Het bekertje mag niet kantelen
De grijper bevat maximaal drie, door de TU verschafte, actuatoren
De grijper mag niet omvallen
In methoden en materialen wordt besproken hoe op het uiteindelijke ontwerp van de grijper is gekomen, hoe de grijper werkt en welke materialen hiervoor nodig zijn geweest.
Figuur 1: Uitwerking van verschillende deelonderwerpen
Figuur 2: Differentiaalkatrol.
Het definitieve ontwerp is een ontwerp dat gebruikt maak van een differentiaalkatrol aangedreven door een actuator die zorgt voor de verplaatsing in verticale richting. Door het differentiaalkatrol te gebruiken kan de verplaatsing van 100 mm van de actuator omgezet worden naar de benodigde verplaatsing van 150 mm die het voorwerp in verticale richting moet hebben. De horizontale verplaatsing wordt geleverd door een cirkelvormige plaat hout met daarop een perspex arm met daaraan een katrol waar het touw van het differentiaalkatrol doorheen gaat. Met behulp van de actuator kan de arm over deze plaat verplaatst worden en wordt er gezorgd voor een horizontale verplaatsing van het voorwerp.
De grijper bestaat uit vier grijparmen met daartussen een vierkant stuk perspex. Door dit stuk naar boven te bewegen gaan deze grijparmen uit elkaar en als het naar beneden bewogen wordt gaan de grijparmen naar elkaar toe (zie video).
proef voor de werking van de scharen met karton
Hieronder een lijst van materialen die gebruikt zijn bij het bouwen van onze pneumatische grijper:
Perspex van de lasersnijder (zie afbeelding)
Houten frame
drie actuatoren
Differentiaalkatrol
Cirkelvormige plaat (kwart cirkel)
Touw
Katrol
Perspex arm
Figuur 3: Perspex van de lasersnijder
Als eerst hebben we de bekende gegevens van de actuatoren genoteerd.
| Type | Slag | Diameter | Oppervlakte | Maximale kracht |
|---|---|---|---|---|
| klein | 100 mm | 8 mm | 0.503 cm^2 | 25.15 N |
| groot | 100 mm | 12 mm | 1.13 cm^2 | 56.5 N |
Uit de gegevens in deze tabel blijkt dat de actuatoren genoeg kracht kunnen uitoefenen om het zwaarste object op te kunnen tillen (0,5 kg = 4,905 N). Ook zien we hier dat de slag van de actuatoren niet genoeg is om de opgedragen verticale verplaatsing (150 mm) met een directe overbrenging uit te voeren.
We hebben de grijper zo ontworpen dat een rond bekertje van vier kanten wordt ingeklemd en dat het tetrapak wordt gegrepen door twee tegenover elkaar geplaatste vingers in de uitsparingen bovenin. De vier vingers worden direct geactueerd door een kleine actuator waardoor met 6,29 N per vinger aan de vingers wordt getrokken. De plaatsing van de onderste vierkante geleider zorgt dat het bekertje niet samengeknepen kan worden en dat de grijper opent als de actuator uitzet. De bovenste vierkante geleider zorgt dat de verticale verplaatsing van de bovenste stukken van de vingers omgezet worden in het samenknijpen van de vingers en fungeert dus als kantelpunt. De binnenkant van de geleiders is een vierkant met zijden van 50 mm.
De vingers zijn zo ontworpen dat de tegenovergestelde ophangingen 20 mm (hart op hart) uit elkaar liggen. Als de actuator samentrekt, komen de uiteinden van de vingers tot op 50 mm van elkaar. Dit is de minimale diameter van het bekertje. Voor een momentenevenwicht kiezen we als draaipunt de vierkante geleider (punt D). De verticale afstand tussen het aangrijpingspunt van de normaalkracht van het bekertje en de geleider is in geactueerde toestand 52 mm. De horizontale afstand tussen het draaipunt en het aangrijpingspunt van de actuator is 15 mm. Voor momentenevenwicht:
Fn is gelijk en tegengesteld aan Fgrijp, die op de beker wordt uitgeoefend. Op de beker wordt dus in totaal een kracht van 7,25 N uitgeoefend. Aan het uiteinde van de vinger zit een laagje rubber. De wrijvingscoëfficiënt tussen rubber en karton is 0,65(zie engineeringtoolbox) Fw = μ*FN, dus Fw is maximaal 4,72 N, wat overeenkomt met 0,481 kg. Volgens deze berekening is de grijper sterk genoeg om de beker vast te kunnen houden. In de praktijk blijkt dit ook zo te zijn, zelfs met de versnelling van het optillen.
Voor het halveliterpak hebben we geen berekening gemaakt omdat de vingers in de open ruimte bovenaan grijpen en het pak geen mogelijkheid geven om weg te glijden.
Voor het optillen hebben we de grote actuator gebruikt. Om met de slag van 100 mm meer dan 150 mm te kunnen overbruggen hebben we een differentiaalkatrol gemaakt. De actuator is verbonden met het kleine deel van de katrol, die een diameter van 25 mm heeft. De grijper is verbonden met de katrol met een diameter van 50 mm. De 100 mm slag van de actuator wordt zo omgezet naar een grotere verticale verplaatsing. In theorie zou de versterking vier keer moeten zijn omdat de straal verdubbelt, maar in de praktijk is het minder. Dat kan komen doordat het relatief dikke touw meerdere malen om het kleine katrol is opgerold, waardoor het verschil in diameter tussen beide katrollen kleiner is. Onze inschatting was dat de grote actuator met 56,5 N sterk genoeg zou zijn om met deze overbrenging het zwaarste object (4,905 N) en de wrijving te overwinnen en dit blijkt in de praktijk ook zo te zijn.
Voor de opgedragen horizontale verplaatsing van ‘enkele tientallen millimeters’ hebben we met een actuator met een slag van 100 mm geen overbrenging nodig. We hebben er voor gekozen om er toch één te gebruiken. Dit is een hefboomwerking. De actuator grijpt aan op 100 mm van het draaipunt, de grijper hangt op 300 mm van het draaipunt. De actuator staat niet precies haaks op de verplaatsing, dus de slag van 100 mm van de actuator wordt niet omgezet naar een verplaatsing van 300 mm, maar wel naar meer dan de opgedragen afstand. De wrijvingsweerstand die moet worden overwonnen is die tussen de metalen bout en het MDF. De wrijvingscoëfficiënt is 0,4 (zie engineeringtoolbox) De wrijving vindt plaats op 200 mm van het draaipunt. Fn is daar (300/200)*((massa(grijper+object)*g)) Fw = μ*Fn. Fw mag maximaal 25,15 N zijn, want we gebruiken de kleine actuator. Fw/ μ=Fn, dus Fn mag maximaal 62,9 N zijn. De grijper en het object mogen dus maximaal een massa van 6,41 kg hebben. Daar blijft het ver onder, dus de horizontale verplaatsing moet werken zoals we hebben bedacht, en in de praktijk blijkt dit ook zo te zijn.
film 1: pak melk op een verhoging
film 2: bekertje verplaatsen
film 3: Deelsysteem zwenkarm.
film 4: Deelsysteem differentiaal katrol.
film 5: Deelsysteem grijper
Voor meer filmpjes, zie youtube.
Bij de eerste test van de volledige grijper hebben we problemen gehad met de de differentiaalkatrol. Het touw rolde ervan af bij het tillen en laten zakken van de grijper. Dit hebben we opgelost met een geleider in de vorm van een houtblokje. Naarmate we de werking herhaaldelijk testten, merkten we op dat de lijmverbinding van de differentiaalkatrol tussen twee vlakken aan loslaten was. Deze spleet heeft geleid tot het uit elkaar vallen van de katrol. Na de katrol gedemonteerd te hebben zijn wij deze gaan analyseren.
Uit onze analyse bleek dat de lijmverbindingen sterk genoeg waren maar dat het hout in de lengte aan het splijten was door de druk die op as werkte. Omdat wij geen vier uur hadden om de contructielijm te laten drogen hebben wij ervoor gekozen om pinnen te plaatsen tussen deze gespleten as om vervolgens met moertjes de onderdelen van de hele katrol tegen elkaar aan te drukken. Dit bleek te werken en verdere aanpassingen waren er niet nodig aan de differentiaalkatrol. Het enige probleem die wij niet ter plekke permanent konden oplossen was de heftige beweging van de actuatoren, waardoor de klauw gaat “zwaaien”. Dit was tijdelijk wel te verhelpen door de luchtdruk kunstmatig laag te houden bij de horizontale beweging.
Over het algemeen is er op alle gebieden een goed resultaat bereikt. Al het groepswerk is op tijd ingeleverd en de groep heeft netjes binnen de deadlines die zijn aangegeven door de universiteit gewerkt.
Zo begon alles met het kiezen van het ontwerp. Ieder lid van de groep had de opdracht gekregen van de voorzitter van die week om na te denken over een ontwerp van zowel de grijper als de rest van de opstelling. Op deze manier is er besproken welke optie de beste was en op basis daarvan is bepaald wat het ontwerp van de gehele grijper uiteindelijk moest worden. Dit was een effectieve manier om op het juiste ontwerp te komen en dit is dan ook goed verlopen.
Vervolgens moest dit ontwerp gerealiseerd worden. Zo is er over nagedacht welk deel van het ontwerp uit welk materiaal moest bestaan. Er was besloten dat de grijper het beste van perspex gemaakt kon worden, maar dat het kubusvormige frame van hout gemaakt moest worden en de katrollen apart moesten worden gekocht. De onderdelen van perspex moesten worden gesneden door de lasersnijder. Om dit te doen moest er een dxf-file (gemaakt met SolidWorks) worden ingeleverd. Dit is op tijd gelukt. Twee onderdelen waren niet op maat gesneden, maar dat is opgelost met wat nauwkeurig zaagwerk en op deze manier is ook op dit gebied een wenselijk resultaat bereikt.
De hele opstelling moest natuurlijk ook in elkaar gezet worden. De groep had veel en goed gereedschap tot zijn beschikking en zo is het assembleren en na veel zaag- en schroefwerk is dit dan ook zonder veel complicaties gelukt.
Een belangrijk onderdeel van dit project was natuurlijk ook om te leren om te werken in een grote groep. De meeste eerstejaars studenten hebben hier namelijk weinig of geen ervaring mee. Dit is ook een onderdeel dat grotendeels soepel is verlopen en de meeste onderdelen van het project zijn dan ook als een groep behandeld.
Zoals in de video’s te zien is is er met dit project een wenselijk eindresultaat bereikt. Toen de grijper voor de eerste keer in het geheel (dus ook inclusief actuatoren) werd geassembleerd werkte hij meteen zonder al te veel problemen. Ons katrolsysteem met differentiaalkatrol werkte probleemloos. Als het bekertje recht onder de grijper werd geplaatst viel de grijper netjes op het bekertje en klemde hij het bekertje moeiteloos vast. Vervolgens kon het bekertje in zowel de x als de y richting worden verplaatst met behulp van de cirkelboogconstructie. Tijdens het verplaatsen van het bekertje hield de grijper het bekertje goed vast. Hetzelfde geldt voor het laten zakken van het bekertje. Het bekertje raakte netjes de grond en bleef goed staan nadat de grijper het bekertje weer had losgelaten.
De grijper is goed ontworpen en gebouwd, het gebruikte materiaal is goed gekozen. Wij hebben als groep de gegeven tijd volledig benut. Door middel van de criterialijst en de ontwerpen die wij hebben samengesteld is in overeenstemming het huidige bouwwerk gekozen. Alle voor- en nadelen van elk aspect van de grijper zijn uitvoerig besproken en ook de problemen waar wij tegenaan zijn gelopen zijn saamhorig geanalyseerd. De oplossingen zijn uitgebreid getoetst en het resultaat was een werkende grijper waarbij alle deelontwerpen hun werk naar behoren deden. Door een fout in de tekening zijn de vingers van de klauw te klein uitgevallen, dit hebben we in het ontwerp gehouden omdat de werking van de grijper niet zodanig beïnvloed werd dat het grote effecten zou hebben op het daadwerkelijke eindresultaat. Het samenwerken is over het algemeen zeer goed gegaan, wij hebben weinig tot geen conflicten gehad, dit komt door een goede communicatie en werkverdeling binnen de groep.
Als groep hebben we veel geleerd. Voor komende projecten zullen we onze communicatie verbeteren om verdere onduidelijkheden te vermijden. Verder gaan we kijken naar de te klein uitgevallen perpex stukken, bijvoorbeeld hoe het kon dat de hele groep over de verkeerde maten heen heeft gekeken. Dit had namelijk voor veel extra werk kunnen zorgen en het ontwerp flink in de war kunnen schoppen. Vanwege de beperkte tijd is het ook zinvol om naar werkmethoden te kijken die ons tijdwinst opleveren. Wij hebben op momenten keuzes moeten maken vanwege tijdsdruk. Dit was achteraf misschien niet nodig geweest als wij bijvoorbeeld een beter planningsoverzicht hadden.
Verbeterpunten van de grijper
Voor de volgende grijper die wij gaan bouwen kunnen wij een paar dingen meenemen uit dit project. Zo zouden wij ander hout gebruiken voor de katrol, ,aangezien dit uit elkaar ging. Ook zouden wij de grijpen stabieler maken. Op dit moment zwaait onze grijper nog teveel onder het frame, dit is geen ramp maar het ziet er mooier uit als dit niet gebeurd. Dit hebben we nog wel kunnen opvangen door de druk te varriëren.
| teamlid | Naam |
|---|---|
| 1 | Tim |
| 2 | Jaap |
| 3 | Wies |
| 4 | Jochem |
| 5 | Ricardo |
| 6 | Matthijs |