Ontwerpproces

Bij dit project wordt gebruik gemaakt van de ontwerpcyclus, deze cyclus geeft de stappen weer die doorlopen moeten worden in het ontwerpproces. Hier onder staan de stappen uitgelegd om de ontwerpcyclus goed te kunnen begrijpen. Uiteindelijk is ieder deel van de ontwerpcyclus beschreven in deelkopjes, waar wij hebben uitgelegd hoe wij deze stap hebben uitgevoerd.

In de onderstaande blokken is algemene informatie te vinden over de verschillende fases tijdens een ontwerpproces. Klik op deze blokken om te bekijken hoe wij in de bijbehorende fases te werk zijn gegaan!

Morfologisch overzicht

Voor de verschillende problemen zijn er verschillende uitwerkingen denkbaar. Door in een morfologisch overzicht te zetten zijn de opties overzichtelijk geordend en kunnen de beste opties worden samengevoegd tot een succesvol ontwerpvoorstel. Uiteindelijk hebben we de opdracht verdeeld in vier deelproblemen: grijpen van de appel, verticale verplaatsing van de appel, horizontale verplaatsing van de appel, drukverdeling van de grijper op de appel. Uiteindelijk kwamen we met 4 opties voor de grijper, 3 voor de horizontale verplaatsing, 3 voor de verticale verplaatsing en 4 voor het verdelen van de belasting op de appel. In totaal hebben we nu dus 4 x 3 x 3 x 4 = 144 opties voor een mechanisme.

Niels Bergsma

Deze grijper is gebaseerd op het schaar principe, waarbij tussen de uiteinden van de vingers elastiek is gespannen. De grijper kan worden uitgebreid door meer ' vingers boven en onder de originele vingers toe te voegen zodat je meer elastieken kan spannen waardoor je de appel beter kan vasthouden. Elastiek zorgt voor wrijving op de appel. Ook is de spanning zelf te bepalen door de lengte aan te passen. De actuator is verbonden aan balken, die zijn verbonden aan de vingers. Als de actuator uitschuift, gaat de grijper dicht. Dit leek mij een goed ontwerp voor de grijper omdat het redelijk eenvoudig maar toch effectief is. Mijn hele grijper is uit PMMA gemaakt omdat er niet heel veel kracht op de grijper komt te staan en omdat PMMA erg licht is waardoor de grijper geen groot moment creëert op de andere onderdelen van onze hele grijper die voor de beweging omhoog zorgen.

Ivo Vreeswijk

Bij deze grijper is het de bedoeling dat de appel vanaf de zijkant wordt gepakt. Door gebruik te maken van 3 planken per kant, kan er een eenvoudig een gebogen vorm worden gemaakt. Deze vorm zou zich als het ware om de appel heen vouwen, om hem zo stevig beet te houden. Eventueel zouden aan de planken nog sponsen worden geplaatst, zodat de druk beter verdeeld wordt. Daarop zou een rubber laagje kunnen komen die ervoor zorgt dat de wrijving tussen de appel en de grijper groter wordt, wat resulteert in meer grip. De werking van deze grijper is gebaseerd op het tang mechanisme, waar spuugmodellen voor zijn gemaakt. Deze bleek goed te werken en zou in de lengte op de arm geplaatst kunnen worden, waardoor ons mechanisme compact blijft. Door de actuator uit te schuiven klappen de armen dicht en wordt de appel gegrepen. Als de actuator weer inschuift klappen de armen open, en wordt de appel los gelaten.

Ravi Jagernath

Dit ontwerp bestaat uit een basis in de vorm van de letter T. Hier zijn twee vingers aan vast getekend. Tussen de uiteinden van de vingers en de basis zijn meerdere elastieken getekend. Deze zullen ervoor zorgen dat de druk die de appel uitoefent verdeeld wordt. De actuator die de grijper aanstuurt zit vast aan twee elastieken van de vingers. Aan deze elastieken zal getrokken worden om de grijper te laten sluiten. Het elastiek zorgt er voor dat de grijper niet te snel sluit. Het in- een uitschuiven van de actuator gebeurt namelijk vrij snel en met een behoorlijke kracht. De grijper is van PMMA gemaakt. PMMA is vrij licht maar toch sterk. Het gewicht zal dus geen belemmering zijn voor de beweging. Door meerdere vingers toe te voegen kan dit ontwerp worden verbeterd. Dit zal de druk verder verdelen. Hierdoor zal de appel nog stabieler vast worden gehouden door de grijper.

Daan Michel

De grijper bestaat uit verschillende vingers die door middel van schroefdraad en moertjes boven elkaar zijn geplaatst. Deze twee delen, die zijn verkregen, zijn aan een kant vastgemaakt aan een plank. Dit is gedaan door de schroefdraad waarmee de vingers aan elkaar zitten ook door de plank te laten lopen. Aan de middelste schroefdraad die door de vingers loopt zit bovenop een balkje bevestigd die richting het plankje lopen. De andere uiteindes van de balkjes zitten vast aan een klein plaatje die over het plankje kan bewegen. Aan dit plaatje zit ook een actuator waardoor deze op en neer wordt bewogen. Door dit systeem bewegen de vingers naar elkaar toe als de actuator uit schuift en van elkaar af als de actuator inschuift. Dit systeem werkt simpel en is effectief. De betrouwbaarheid van dit systeem lijkt mij erg hoog want er zijn niet te veel bewegende delen en het is robuust gebouwd.

Joris Hooftman

De grijper die ik heb getekend is gebaseerd op het schaar principe van onze morfologische kaart. Dit principe leek mij het meest betrouwbaar, dankzij een eenvoudige verbinding tussen de actuator en de vingers van de grijper. Een eenvoudig ontwerp is belangrijk want de grijper moet zo licht mogelijk zijn. Verder hebben alle vingers aan de binnenkant rubber. Dit zorgt voor een hogere wrijvingscoëfficiënt tussen de appel en de vingers, waardoor de appel minder snel uit de vingers zal vallen. Dit ontwerp zou je nog kunnen uitbreiden door een vinger boven en een vinger onder de originele vinger toe te voegen. Dit zorgt er voor dat de appel meer dan twee contactpunten heeft met de vingers, en dus ook meer stabiel is.

Benjamin Groenhart

Deze grijper is gebaseerd op de werking van een schaar. De uiteinden van de grijper zitten vast aan twee stangen die samen scharnieren om een punt. Zodra die twee stangen dichter bij elkaar komen gaat de grijper dicht. De vier stangen in dit systeem zijn verbonden door middel van vier scharnierpunten en de actuator kan worden verbonden tussen twee overstaande scharnierpunten. De actuator kan dus op twee verschillende manieren worden vastgemaakt aan de grijper. De uitwijking van grijper is in dit systeem makkelijk te regelen, door de lengtes van de stangen te variëren. Het uiteinde van de grijper bestaat uit twee planken per kant, waardoor de appel vier contactpunten heeft met de grijper. Het hout zou eventueel nog kunnen worden bekleed met sponsachtig materiaal zodat de druk op de appel niet te groot wordt. Ook rubber kan worden gebruikt om de grip op de appel te bevorderen. Deze grijper is ontworpen om de appel vanaf de zijkant op te pakken.

Vincent Erd

Voor dit ontwerp heb ik inspiratie opgedaan bij een auto krik. Zoals je kunt zien knijpt hij dicht door middel van een actuator die onder aan de grijper aan beide punten zit vastgemaakt. Het ontwerp zou kunnen worden verbeterd door meerdere vingers vast te maken aan de appel kant van de grijper. Hierdoor verbetert de grip op de appel en zal hij minder snel vallen. Ook is het een simpel ontwerp wat door middel van allemaal even lange onderdelen te maken is, hierdoor is het aantal reserve onderdelen minimaal en wordt er materiaal bespaard.

In deze fase staat de uiteindelijke ontwerpkeuze centraal. We hebben gekozen voor 3 ontwerpen, die redelijk van elkaar verschillen. Hierdoor houden we alle opties open voor ons uiteindelijke ontwerp. Zo kun je ieder ontwerp door middel van het programma van eisen en wensen keuren, zodat er een uiteindelijk ontwerpvoorstel kan komen. Onder het kopje 'Ontwerpen' kunnen de drie ontwerpen worden gevonden, met extra uitleg over de werking van het mechanisme. Door ook het programma van eisen en wensen uit te breiden, en goed naar weging te beoordelen zou het beste ontwerp als winnaar uit de bus moeten komen.

Ontwerp beoordelen

Om de ontwerpen zo concreet mogelijk te beoordelen, moet het programma van eisen en wensen worden aangepast. De kopjes die verschillende eisen en wensen samenvatten moeten tegen elkaar worden uitgezet. Van elke twee moet worden gekeken welke het belangrijkst is. Op deze manier kunnen de uiteindelijke wegingsfactoren worden bepaald, waarna de ontwerpen getoetst kunnen worden.

Uit bovenstaande tabel kunnen we de volgorde van belangrijkheid per criteria opmaken. Een plusje geeft weer dat een criteria belangrijker is dan een ander. Door het aantal plusjes op te tellen krijgen we een score. De hoogste score is het belangrijkste criteria en zal dus het zwaarste mee moeten wegen in de uiteindelijke ontwerpkeuze. Om de juiste wegingsfactoren te bepalen zijn deze scores een belangrijke stap in de goede richting. Echter is het nog lang niet alles. De criteria zullen besproken moeten worden in de groep om zo de wegingsfactoren te bepalen. Door de criteria uit te zetten in een schaal van 1 tot 10 wordt het meeste duidelijkheid omtrent de wegingsfactoren gecreëerd. Onze wegingsfactoren zijn als volgt:

Hier rechts is de schaal van 1 tot 10 uitgezet, met daarnaast de criteria. De volgorde komt overeen met de volgorde van de bovenstaande tabel. Door echter de schaal van 1 tot 10 toe te passen kan er onderling meer verschil worden aangebracht. Zo is te zien dat we de nauwkeurigheid 10x zo belangrijk vinden als de duurzaamheid, terwijl de score maar 5x zo groot was. Ook is te zien dat we de stevigheid en de betrouwbaarheid in eerste instantie even belangrijk vonden. Als we vervolgens kijken naar de wegingsfactoren dan zien we dat de betrouwbaarheid toch best belangrijker vinden dan de stevigheid van het mechanisme.
De plaatsing van de criteria op de schaal heeft plaatsgevonden door overleg en discussie, aan de hand van de probleem analyse. Aangezien wij het probleem goed hebben geanalyseerd was het bepalen van de wegingsfactoren geen lastige taak.

Vervolgens worden alle ontwerpen getoetst aan de hand van de criteria. Elk ontwerp krijgt per criteria een score van 1 tot 5 aan de hand van de indeling die in de tabel rechts te zien is. Door middel van de wegingsfactoren kunnen de resultaten goed met elkaar worden vergeleken. Deze kwantitatieve analyse laat zien welk ontwerp de hoogste score krijgt. Dit zou dus het beste ontwerp moeten zijn. Uiteindelijk is er ook voor gekozen om dit ontwerp te realiseren.

In de bovenstaande tabel is duidelijk te zien wat de uiteindelijke scores per ontwerp zijn, nadat ze zijn beoordeeld per criteria aan de hand van de wegingsfactoren. Door de gewogen scores per criteria op te tellen, komen we op een totaalscore terecht. Er is te zien dat 'Ontwerp 2' de hoogste score heeft. Dit is dan ook ons definitieve ontwerpvoorstel, en deze zal gerealiseerd gaan worden.

Tijdens het ontwerpen kwamen we een aantal erg lastige berekeningen tegen, waardoor we nog niet alles volledig ontworpen hebben. Een aantal onderdelen zullen door middel van passen en meten aan onze grijper worden bevestigd. We hebben het bouwproces verdeeld in twee onderdelen: De grijper en de arm. De arm is weer onderverdeeld in twee delen, namelijk het deel voor de verticale verplaatsing en het deel voor de horizontale. Voor de grijper was wel alles uitgedacht van tevoren. En dit hoefde dus alleen maar aan elkaar te worden bevestigd. Het plan is om de arm van hout te maken, zodat deze makkelijk kan worden bewerkt.

Grijper

De grijper bestaat uit PMMA. Door middel van SolidWorks hebben we een bestand gemaakt die de lasersnijder aanstuurt om uit de PMMA plaat de door ons bedachte onderdelen te snijden. Aangezien PMMA redelijk breekbaar is, moest tijdens het ontwerpen goed rekening worden gehouden met scherpe hoeken. Deze moesten afgerond worden. Ook hebben we er voor gekozen om bepaalde onderdelen meerdere keren te laten snijden, zodat we een reserve hadden mochten er onderdelen kapot gaan. Het in elkaar schroeven van de grijper was geen ingewikkeld proces, aangezien de onderdelen klopten. Echter vonden we dat het volledig sluiten van de vingers meer kracht kostte dan we vooraf hadden verwacht. Hierdoor zou de grijper onvoldoende kracht zetten op de appel, waardoor de grijper de appel waarschijnlijk niet vast kon houden. Door een reserveonderdeel van een vinger te gebruiken hebben we de grijpers van de vinger verder uit elkaar gezet, waardoor de actuator minder kracht hoeft te leveren om volledig te sluiten. Dit is één van de dingen waar we onverwachts tegenaan liepen en waar we een oplossing voor hebben moeten bedenken. Bij het bedenken van dit soort oplossingen moeten we ook er ook rekening mee houden dat de rest van onze grijper nog wel moet blijven werken. Door een vinger toe te voegen die onze actuator via balkjes met de vingers van de grijper verbindt, was de actuator nu niet meer lang genoeg om onze grijper helemaal dicht te doen. Dit was echter op te lossen door een lange moer aan de actuator vast te maken om de actuator te verlengen. Hier moesten we dus een tweede oplossing bedenken om er voor te zorgen dat onze originele oplossing ons ook daadwerkelijk helpt. Een ander probleem dat we tegenkwamen was dat er te veel kracht op de verbinding tussen de arm van de grijper en de houten arm kwam te staan. Als we hier niks aan zouden doen dan zou ons PMMA waarschijnlijk breken. Daarom hebben we onder een gedeelte van onze PMMA grijper arm een een stuk hout geplaatst dat de kracht opvangt en de kracht over de arm beter verdeelt. We hebben de vorm van dit hout zo gemaakt dat de PMMA grijper arm er op elk moment op rust, zowel als de arm naar rechts staat en als de arm naar links staat.

Het maken van de arm was nog een heel proces, omdat deze afhankelijk was van veel variabelen. De arm moest aan één kant verbonden worden met het bord, waardoor de verticale beweging mogelijk was. Aan de andere kant van de arm werd deze bevestigd aan de arm van de grijper, zodat de grijper kan draaien en er een horizontale beweging ontstaat. Het ontwerp hadden we al, alleen nog niet de juiste afmetingen. Ook over verbindingen was nog niet goed nagedacht. Dit resulteerde in veel bezoekjes aan de gamma om de juiste onderdelen te kopen. Vaak moesten deze nog worden gemodificeerd zodat ze aan onze eisen voldoen. Door een houten balk met een scharnier vast te maken aan het witte bord, kon deze verticaal bewegen. De actuator is er uiteindelijk boven gekomen in plaats van onder zoals in het ontwerp stond. Dit is gedaan zodat als de actuator te weinig kracht heeft om het mechanisme omhoog te trekken, er een veer aan vast kan worden gemaakt zodat de actuator minder kracht hoeft te leveren. Door het hout konden we tijdens de AWS tijd passen waar de verbinding moest komen tussen de arm en de actuator.

Het scharnier van de arm zit vast met twee bouten en moeren vast aan het bord, en voor de actuator geldt hetzelfde. Met slechts 4 boutjes en moertjes aandraaien kan ons mechanisme worden bevestigd aan het bord. Echt kostte het maken van het mechanisme wel veel tijd. Er was nog niet goed genoeg nagedacht over het bevestigen van de actuator aan de arm, en aan het bord. Dit nam veel tijd in beslag waardoor we vanaf hier achter liepen op het schema. Ook hadden we wel 8 uur per week tijd aan de projecttafel, en maar één uur en drie kwartier per week tijd in de AWS ruimte. In de AWS konden we bouwen aan ons mechanisme, en aan de projecttafel konden we weinig werken aan het mechanisme. De projecttafel tijd hebben we gebruikt om goed over de bevestigingsmethodes na te denken, echter is dit in de praktijk een stuk eenvoudiger.

Horizontale beweging van de arm

Het laatste onderdeel van het mechanisme was de draaibeweging in horizontale richting. De arm van de grijper draait een bepaald aantal graden op arm, zodat de grijper de appel kan verplaatsen in horizontale richting. Door het juist plaatsen van de actuator en de goede lengtes van de arm en de arm van de grijper zou ons mechanisme de horizontale afstand moeten overbruggen. Echter moet er aan de arm een extra balkje worden gemaakt van hout, waarop de actuator zou komen. Ook moesten we verbindingsstukken maken tussen de actuator en het hout en tussen de actuator en de arm. Deze verbindingsstukken moeten ook kunnen scharnieren. We konden echter de plaats van het balkje op de arm en de plaats van de actuator op het balkje niet bepalen in het ontwerp. Hiervoor hadden we de actuator nodig zodat we die konden verbinden met onze verbindingsstukken en zo precies konden zien wat de juiste afmetingen waren. Deze afmetingen waren niet nauwkeurig te berekenen vanwege de ingewikkelde hoeken en onnauwkeurige lengtes door alle verbindingsstukken. Tijdens de AWS hebben we met de actuator alle mogelijke afstanden geprobeerd. Uiteindelijk vonden we de stand waarin de horizontale afstand precies genoeg was om de appel in het midden neer te leggenen. Aan de hand van deze stand hebben we de maten kunnen bepalen voor het balkje en de plaats van de actuator. Het balkje is met houtlijm en een lange schroef bevestigd aan de arm en het scharnier van de actuator zit met kleine schroefjes vast aan het balkje.

Evaluatie van het proces

Wij vinden dat we als groep een vrij goede grijper hebben opgeleverd. Het proces naar deze grijper toe verliep vrij soepel. Iedereen was goed bezig met problemen waar we als groep en individueel tegenliepen. De samenwerking tussen de projectmentor, projectleider en de rest van de projectgroep verliep prima. Dit heeft allemaal een positieve invloed gehad op ons uiteindelijke eindproduct. Er zijn echter altijd nog verbeterpunten bij ieder project. Ook bij ons project is dat het geval. We hadden namelijk een aantal probleempjes met het plannen. Hierdoor werden een aantal deadlines niet gehaald. Hier ligt echter wel achter dat de AWS niet altijd beschikbaar was. Dit zorgde ervoor dat wij op een aantal momenten vrijwel niets konden doen en op andere momenten meer moesten doen dan gepland stond. Wij hadden hier natuurlijk als groep rekening mee kunnen houden

Evaluatie van de problemen

Achteraf was een van de grootste problemen dat we niet genoeg tijd in de aws hadden, omdat ons ontwerp erg afhing van de lengtes van de actuatoren. Om uit te rekenen waar de actuatoren moesten worden vastgemaakt waren er teveel variabelen, hierdoor was het makkelijker de bevestigingspunten te bepalen door trial en error. Een ander probleem waar we tegenaan liepen is dat we niet goed hadden nagedacht over hoe we de actuatoren vast gingen maken aan zowel het bord als de grijper. We moesten bepaalde verbindingsstukken hebben die de actuator en het hout met elkaar verbond maar tegelijkertijd ook konden scharnieren op de grijper. Na het monteren van de grijper bleek dat het sluiten de grijper op het einde vrij moeizaam ging. Hierdoor moesten we een oplossing verzinnen waardoor de grijper makkelijk kon sluiten. Gelukkig hadden we nog een reserveonderdeel die we hiervoor uitstekend konden gebruiken. Daarnaast bleek ook dat hij door dit verbindingsstuk de grijper heel erg kon draaien. Dit moesten we natuurlijk niet hebben. Hierdoor hebben we een rail gemaakt waardoor de actuator recht op het verbindingsstuk aangreep en deze niet meer kon draaien. Het idee van de grijper was dat hij de hele appel zou grijpen, achteraf bleek dat een groot deel van de grijper onnodig was en maar een klein deel de appel grijpt. Hieruit kunnen wij concluderen dat de grijper korter had kunnen zijn.