WB54-2017(Der Apfelgreifinator)

Der apfelgreifinator

Deze website laat zien wat wij, groep 54, de afgelopen weken hebben bereikt omtrent project 1 van de bachelor Werktuigbouwkunde an de TU Delft.

opdracht

Er is natuurlijk niet zomaar besloten om de ‘Apfelgreifinator’ te ontwikkelen. De Technische Universiteit Delft heeft haar eerstejaars werktuigbouwkunde studenten namelijk een degelijk uitdagende ontwerpopdracht voorgeschoteld in het eerste kwartaal van het studiejaar 2017/2018. De opdracht luidt: Ontwerp een mechanisme dat een appel kan oppakken en op een naastgelegen plateau kan plaatsen, om een wand heen, aangedreven door pneumatische actuatoren.

Opstelling opdracht

In het figuur is goed te zien wat de exacte doelpositie van de appel is, namelijk het midden van het plateau. Men is er verder zo goed als volledig vrij in gelaten op wat voor manier de grijper de appel op zijn doelpositie deponeert. Zo mocht de grijper de appel zowel over als om de wand heen bewegen om deze op de doelpositie te leggen. Bovendien waren er geen restricties met betrekking tot de materiaal- en onderdeelkeuze.
Hoewel veel aspecten van de opdracht zelf ingevuld dienden te worden, waren er nog wel sommige 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 appel precies 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.
Er mogen maximaal 3 pneumatische actuatoren gebruikt worden.
Er mag maximaal 5 minuten besteed worden aan het gebruiksklaar maken van het mechanisme.

Programma van eisen en wensen:

De concrete eisen die door onze groep zijn opgesteld op basis van de eisen die in de opdracht stonden zijn:

Het apparaat moet een appel kunnen vastgrijpen zonder deze zichtbaar te beschadigen.
Het apparaat moet de appel (gemeten vanaf het middelpunt, dat aangegeven is door een pin) maximaal 2 centimeter van het doelwit neer kunnen zetten, zonder deze zichtbaar te beschadigen.
Het apparaat mag aan zowel het begin als aan het eind zich niet bevinden boven het vlak waar de appel dan ligt.
Het mechanisme moet veilig zijn. (Geen scherpe randen, controleerbaar, geen knelgevaar, geen losse delen)
Het apparaat moet enkel met actuatoren bediend kunnen worden.
Het apparaat moet binnen 5 minuten opgebouwd kunnen worden.

Hiernaast zijn er ook een aantal wensen door onze groep opgezet om onze vezonnen concepten te onderschieden. Deze waren:

Een budget van 70 euro om alle onderdelen te kopen.
In plaats van het gebruik maken van drie actuatoren twee gebruiken.
De gehele operatie uitvoeren binnen een minuut.

Concepten

Elke groepsdeelnemer heeft een concept bedacht. Hiervoor werd het onderstaande morfologisch schema gebruikt. Men koos via dit schema per onderdeel één van de opties, om vervolgens het geheel uit te werken tot een in de praktijk werkende grijper.

Morfologisch schema

Individuele concepten:

Nu zullen we de concepten bepreken die ieder goeps lid heeft uit gewerkt.In het tabel hieronder is zichtbaar welke persoon welke onderdelen uit het morfologische schema heeft gekozen.

	Berk	Daan	Matt	Wim	Antonio	David	Bob
Grijper	3 5	4	6	5 6	3 5	2	3
Positie bevestiging	3	2	2	2	3	2	2
Beweging A -> B	(1)	2	2	2	3	2	4
Beweging C -> D	5	1	4	5	-	1	3

Tabel keuze onderdelen individuele concepten

David Janssen:
Mr. Janssen koos voor het bord als bevestigingsoptie. Hieraan zou d.m.v. bouten en moeren een kogelscharnier bevestigd worden, die op zijn beurt weer bevestigd wordt aan de arm van de grijper. Door het kogelscharnier zou de arm zowel naar boven als van links naar rechts kunnen bewegen. Verder werd er gekozen voor een actuator onder de arm om een verticale beweging te bewerkstelligen. Ook de horizontale beweging zou worden aangedreven door een actuator, maar dan bevestigd aan de zijkant van de arm. Ten slotte werd als grijper gekozen voor optie 2 oftewel een grijper die typisch gebruikt wordt in grijpspelmachines, die vaak te vinden zijn op de kermis en in arcade speelhallen. Echter werd later toch gekozen voor optie 3 voor de grijper. Met als voornaamste reden dat het aandrijven van grijper 2 met een actuator zeer gecompliceerd zou zijn in tegenstelling tot het aandrijven van grijper 3.

Handtekening concept David

Wim Kok:

Bij dit concept was er ook gekozen om het bevestiging bord te gebruiken om de opstelling te monteren. Hier aan worden dan vier armen bevestigt met een pinscharnier dezen armen zijn daarna weer via een pinscharnier gemonteert aan dezlefde plaat waardoor er een vierstangen mechanisme onstaat. De plaat wordt vervolgens bestuurt in een vertcale beweging door een actuactor die aan het bord is bevestigt waardoor het mogelijk wordt de arm te bewegen in het richting van het platform hierdoor bevindt zich geen enkel deel van de opstelling zich boven het platform. De arm is verbonden op een as die met een kogellager in de plaat. Op deze as is een tand wiel waardoor het mogelijk wordt de as te roteren. Hiervoor wordt een tandheugel met rechtgeleiging en een actuator bevestigt aan de plaat, dit maakt de beweging mogelijk om de appel te verplaatsen van de linkerkant van het platform naar de rechter kant. Als grijper is er gekozen voor een simpel ontwerp dat gesloten wordt door het in schuiven van de actuator terwijl het sluiten van de grijper wordt gedaan door een set veren hierdoor zijn de krachten op de appel eenvoudig te bepalen. In de volgende figuren zijn een schets van het concept zichtbaar een een kartonnen model van het draai mechanisme.

Handtekening concept Wim

Model draaimechnisme

Het voordeel van dit ontwerp is dat wanneer alle afmetingen nauwkeurig zijn berekent dat het mogelijk is om de appel heel nauwkeuring neer te zetten op het platform. Een ander voordeel is dat dit ontwerp heel snel de operatie kan uitvoeren. Een nadeel van dit ontwerp is dat het door de groote onderdelen waarscijnlijk niet past op de gekregen PMMA plaat. Een andere punt is dat het ontwerp van het tandwiel in PMMA moeilijk is en dat misschien te zwak is om deze taak uit te voeren.

Matthew Fankhauser:

De kern van dit ontwerp is een hefboommechanisme waarmee de grijper het hoogteverschil tussen
bodem, houten muur en platform kan overbruggen. Voor de draaibeweging kan het mechanisme aan
het boord met een scharnier worden bevestigd. Voor dit ontwerp zijn 3 actuatoren nodig. Twee voor
het hefboom- en draaimechanisme en eentje voor het grijpmechanisme. De actuator wordt aan het
korte einde van de hefboom bevestigd en duwt deze omlaag, zodat het einde met de grijper omhoog
beweegt. De andere actuator zit aan de onderkant van het hefboommechanisme vast en duwt deze
van de plaat, zodat de grijper om een bepaalde hoek draait.

Het ontwerp heeft natuurlijk voor- en nadelen.
Voordelen:
- De grijper kan grotendeels uit PMMA worden gemaakt.
- Het boord kan als basis worden gebruikt
- Door 2 parallelle hefbomen blijft de grijper altijd horizontaal
- Simpel idee
Nadelen:
- Hefboommechanisme heeft veel scharnierpunten, waar veel krachten optreden en wrijving
ontstaat.
- Is er genoeg PMMA om dit concept uit te voeren?

Handtekening concept Matthew

Bob de Jager:

In dit concept wordt er alleen gebruik gemaakt van scharnieren om de grijper zowel horizontaal als
verticaal te verplaatsen. Het onderste blok zal bevestigd zijn aan een rails aan het frame, waardoor deze
zich op gelijke hoogte van links naar rechts en andersom zal kunnen verplaatsen. Aan dit blok zitten
vervolgens ook rails ( nu niet bevestigd aan het frame ), waarover het bovenste blok zich naar boven en
naar beneden kan verplaatsen. Deze verplaatsing zal mogelijk gemaakt worden door de actuatoren in en
uit te schuiven tussen de uiteindes van de scharnieropstelling. Hierdoor zullen de uiteindes dichterbij of
verder weg van elkaar gaan staan en zullen de scharnieren zich dus uit- of invouwen. Om deze
verplaatsing zo soepel mogelijk te maken zullen we wieltjes vastmaken aan de blokken om deze
vervolgens op de rails te plaatsen.
Dit systeem zorgt dan ook voor een van de grootste voordelen van dit concept, namelijk de stabiliteit.
Verder is het systeem erg eenvoudig om in elkaar te zetten en zal dit dus ook weinig tijd kosten. Door de
vele scharnieren zal dit concept echter wel snel veel gaan kosten, wat tegen een van onze wensen
ingaat.

$C:\Users\bobax\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\Tekening concept grijparm.jpg$

Handtekening concept Bob

Daan Lankhuizen:

Dit concept maakt tweemaal gebruik van een vierstangensysteem. Eerst een systeem waarbij de verticale afstand wordt overbrugt m.b.v. de grote actuator en daarop een systeem die de horizontale afstand overbrugt met een kleine actuator. Beide systemen bestaan uit vier stangen en twee houten blokken. De actuatoren duwen op een stang in die in het midden van de stangen. Verder bestaat de grijper uit twee ronde stangen, waarvan er één vast staat en de ander draait om een scharnier die geduwd wordt door de actuator. De gehele arm is aan de bovenkant van het systeembord bevestigd. Bij het uitschuiven van de grote actuator beweegt de arm naar beneden tot de gewenste hoogte waarna de tweede actuator het blok met de grijper horizontaal draait. Met de laatste actuator wordt de scharnierende ronde stang tegen de appel gedrukt en wordt de appel gegrepen.

Dit ontwerp maakt gebruik van simpele constructies, echter biedt deze constructie niet veel stevigheid en door de los bewegende delen en het feit dat de PMMA staven gedraaid bevestigd zouden moeten worden. Verder werd dit concept uiteindelijk niet gekozen, omdat het niet goed genoeg uitgewerkt was.

Handtekening concept Daan

Berk Colak:

Dit concept wordt gebouwd op een basis, los van het gegeven bord. Er zit een kogellager in de basis verwerkt. Door deze kogellager zit een as, waarop een tandwiel is gemonteerd om een draaibeweging mogelijk te maken. Dit tandwiel wordt gedraaid door een tandheugel die door middel van recht geleiding en een actuator langs het tandwiel wordt geschoven. De basis, met daarop de arm en het tandwiel, staat náást het platform. De arm draait juist van het muurtje af, waardoor het een (ongeveer) 300 graden beweging maakt de andere kant op, totdat de appel losgelaten kan worden. Het grijpmechanisme is later aangepast, maar het aanvankelijke idee was zoals op de tekening. In dit geval is het verstandiger om de foto aandachtig te bekijken, in plaats van een grote hoeveelheid aan onnodige woorden. Ook in dit geval telt: De tekening zegt meer dan duizend woorden.

Handtekening concept Berk A

Handtekening concept Berk B

Antonio Aziz:

Het idee is dat verplaatsing in de horizontale vlak wordt gerealiseerd door een actuator die van een rechtlijnige beweging, een ronddraaiende beweging maakt. De manier die kan worden gebruikt lijkt op de werking van een cilinder (zie foto). De tandwiel komt vervolgens in beweging waardoor de ketting die gespannen is om 4 tandwielen ook in beweging komt. Daarop komt een basis met daarin een kogellager. In de binnenkant van de kogellager zet ik een houten cilinder met daarop de basis voor de arm/grijper. Ik heb ze allebei in een aparte tekening getekend.

Handtekening concept Antonio

Keuze:

Nadat de zeven concepten waren ontworpen was het de bedoeling om er een verder uit te werken. Hiervoor hadden we een aan tal kriteria opgeteld om hte beste concept te kiezen. Deze waren:

Kosten: Wat kost het concept om te realiseren en hoe past dat in ons budget.
Snelheid: Hoe snel voert het concept de gehele operatie uit.
Preciesie: Hoe accuraat legt het concept de appel neer op het platform
Soepel: Wat is de invloed van het in en uitschuiven van de actuatoren op de rest van het concept.
Stevigheid: Wat is de kans dat het concept kapot gaat tijdens de operatie.
Haalbaarheid: Kunnen wij dit ontwerp binnen te tijd bouwen.

Deze kriteria werden een waarde toegewezen voor elk concept tussen de 1 en de 5 waarbij 5 het beste resultaat is. Het schema wat hier uit voort gekomen is, is te zien in het volgend figuur. Eerst zijn all ontwerpen waarvan de haalbaarheid laag was uitgesloten, zoals het cocept van antonio dat moeilijk was te realiseren vanwege de grote hoeveelheid tandwielen. Daarna is op basis van de kriteria een top 3 bepaalt. Hieruit kwammen de designs van Berk, Matt en Wim. Op basis van een discusie in onze groep hebben we gekozen voor Berk's concept uit deze top 3. In dit geval werd de doorslag gegeven door het feit dat dit concept 2 actuatoren gebruikte.

		Berk	Daan	Matt	Wim	Antonio	David	Bob
Eisen	Weegfactor	Score	Score	Score	Score	Score	Score	Score
Kosten	1	2	4	4	3	2	4	2
Snelheid	2	4	3	3	4	2	3	3
Precisie	5	4	4	4	4	5	4	4
Soepel	3	4	3	3	4	3	3	3
Stevigheid	4	3	2	4	3	3	3	4
Haalbaarheid*		4	3	4	3	3	2	2
Totaal		54	47	55	55	52	51	53

Tabel concept keuze (* Niet meegenomen in totaal)

Ontweprp

Om het gekozen concept uit te werken zijn er eerst een aantal berekeningen uitgevoert om er voor te zorgen dat de arm en grijper op de juiste locaties uitkomen. Deze berekeningen zijn zichtbaar in het volgede figuur. In deze berekeningen is uitgerekend op basis van de lengte van de as van de arm tot de appel(l) wat de straal van het gebruikte tandwiel(rt) moet zijn. Hiernaast is ook uit gerekend wat de maximale aftand is tussen de as en het platform waar op de appel word neergezet(h) en als laatste is ook de maximale breedte ten opzichte van het midden van de arm(d) berekend om te verkomen dat we een arm ontwerpen die het verticale deel van platform niet raakt. Voor ons ontwerp hebben we een lengte gekozen van 300 mm omdat dit binnen de 480 mm breedte van de beschikbare PMMA plaat viel en er dan ook ruimte over bleef voor de gijper. Ook is er gelet op de krachten die worden uitgeoefend op het ontwerp door de actuatoren om te verkomen dat het ontwerp zichzelf kapot kan maken. Hiervoor hebben we gekozen om de kleine actuator te gebruiken om de grijper aan te sturen en de grote actuator om de tandheugel van het draai mechanisme aan te sturen. Er is ook gekozen om een lage druk aan te houden om te verkomen dat de appel beschadigt wordt door de grijper en om er voor te zorgen dat het PMMA niet zal breken.

Berekingen ontwerp

Op basis van het gekozen concept en de vorige berekeningen hebben we een nieuw ontwerp geproduceert waarvan de onderdelen zichtbaar zijn in het volgende figuur. Het verschil tussen dit ontwerp en het concept is dat we voor een andere grijper hebben gekozen in plaats van het origineel omdat deze te breed zou worden waardoor de midden plaat van het platform in de weg komt te zitten. De grijper die gebruikt is, is de grijper die is uitgelegt in Matthew's concept, een vaste plaat en een plaat die erna toe beweegt door de actuator met daar tussen de appel. In de video boven aan de pagina is de volidige grijper zichtbaar.

Lasersnij bestand

Evaluatie
De samenwerking in groep en de totstandkoming van het ontwerp verliep zacht gezegd interessant. Het staat voorop dat elk individu uit ons groepje ontzettend veel heeft geleerd. Elke week, elke keer dat we aan het project werkten, elke keer dat er overleg plaatsvond, kwamen we erachter dat we in
de week ervoor steken hadden laten vallen. De dingen die wel afkwamen waren daarentegen naar ons idee van hoge kwaliteit, waardoor het inhalen minder tijd kostte dan verwacht.

We zijn erachter gekomen dat duidelijke regels en het één op één nakomen van afspraken van cruciaal belang om vorderingen te kunnen maken. Zo waren er in week drie slechts vier volledige concepten, terwijl zeven uitgewerkte ideeën het streven was. Daarnaast merkten wij ook dat de
goede communicatie de kwaliteit van de projecturen sterk verbeterde. Door gestructureerd na te denken bleken sommige problemen helemaal niet zo onmogelijk te zijn als ze lijken.

Ook zijn we pas tijdens het fabriceren en assembleren van het ontwerp achter het kostenplaatje gekomen, en hebben we ook gemerkt dat we over bepaalde onderdelen van het ontwerp niet goed genoeg hebben nagedacht. Zo waren we het er wel over eens dat we onze grijper zo’n 300 graden
wilden laten roteren, maar hadden we nog niet in detail nagedacht over hóé we dit wilden doen. Dit kan voorkomen worden door simpelweg meerdere en nauwkeurigere tekeningen te maken. We zijn er in de periode van fabriceren en assembleren er dan ook achter gekomen dat we in week drie en
vier serieuze steken hebben laten vallen, en deze hebben we in week zes en zeven nog rechtgetrokken. Ongeacht deze tekortkomingen wisten we toch een consensus te vinden over hoe het ontwerp er uiteindelijk moest uit komen te zien.

Daarnaast kwamen we er ook achter dat het lasersnijbestand fouten bevatten. Natuurlijk zijn daar logistieke oplossingen voor bedacht, extra gaten geboord, en (op een goede manier) geïmproviseerd. De reden dat het hier fout is gegaan, is omdat het bestand niet is gecontroleerd door andere
groepsleden. We kunnen naar het volgende project meenemen dat gemaakt werk (achteraf logisch natuurlijk) altijd gecontroleerd moet worden door andere groepsleden.

Leermomenten komen natuurlijk niet alleen uit fouten, maar ook uit het goede voorbeeld geven. We merkten al snel dat een concept veel beter uitgewerkt kan worden als iedereen gezamenlijk nadenkt over het ontwerp en steeds vragen stelt of problemen aantoont, waarna het concept steeds beter wordt. Samenvattend:

Gemaakte afspraken nakomen
Gedetailleerd opdrachten uitvoeren
Goed vooruit denken
Elkaar altijd controleren

Er zijn ongetwijfeld nog veel meer lessen die uit dit project getrokken kunnen worden, maar dit zijn vooral nuances die in het grote plaatje de kleine, maar fijne verschillen maken. Al met al vinden wij onze eerste ervaring met het ontwerpproces ontzettend interessant en hopen deze wijsheden mee te nemen naar de volgende projecten.

Team Wb 54

Antonio Aziz

Berk colak

BOB de jager

Daan lankhuizen

David janssen

Matthew fankhauser

Wim Kok

WB54-2017