PO Automatische Systemen

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Automatische systemen

Technisch Ontwerpen

Leerdoelen

Aan het eind van deze les kan je ...

... uitleggen hoe je technisch ontwerpt

... een Programma van Eisen opstellen

Tijdsplanning

vr     29-03:  Uitleg Technisch ontwerpen

                      Startopdracht

ma   01-04:  Fase 1 Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven

                      Fase 2 Programma van eisen opstellen

wo   03-04:  Fase 3 (Deel)uitwerkingen bedenken

                      Fase 4 Ontwerpvoorstel formuleren

vr     05-04:  Fase 5 Ontwerp realiseren (prototype) in LEGO

ma   08-04: Fase 6 Ontwerp testen en evalueren

                      Eventueel ontwerpcyclus nogmaals doorlopen

wo   10-04:  Presentaties (max 5 min per groepje)

Wat is technisch ontwerpen?

Technisch ontwerpen betekent dat je een product ontwerpt en bouwt, dat een oplossing vormt voor een technisch probleem. Het proces van technisch ontwerpen verloopt in een aantal fasen, zoals weergegeven in onderstaande figuur, de ontwerpcyclus.

Startopdracht

Je gaat nu in een groepje van 3 het volgende 

ontwerp realiseren: een parachute ontwikkelen

voor een kerstbal (oorspronkelijk een ei, maar dat 

geeft teveel troep).

Met verschillende materialen kan je de parachute, 

verbindingsstukken en "container"  voor de 

kerstbal ontwerpen. Zorg ervoor dat de kerstbal

na een val van ongeveer 3 meter heel blijft.

Jullie hebben 20 minuten. Daarna presenteer je je 

ontwerp aan de anderen in max 2 minuten. 

Fase 1: Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven

Nu gaan we wat professioneler aan de slag en de hele ontwerpcyclus doorlopen. Als je een probleem analyseert stel je jezelf vragen om er achter te komen hoe het probleem precies in elkaar zit. 

Voorbeelden van dergelijke vragen zijn: Wie hebben dit probleem? Waar wordt het door veroorzaakt? Zijn er problemen die hier op lijken? Ken je daar oplossingen van? Door de antwoorden op deze vragen zo nauwkeurig mogelijk op te schrijven, krijg je goed zicht op het ontwerpprobleem. 

Voor het analyseren van het probleem kun je gebruik maken van een woordweb.

Fase 2: Programma van Eisen opstellen

Een programma van eisen (PvE) kun je opvatten als een lijst waarop alle toetsbare voorwaarden staan waaraan het product moet voldoen.

Bij het opstellen van het programma van eisen, moet je bedenken dat verschillende 'partijen' verschillende eisen zullen stellen. Denk hierbij aan: de opdrachtgever, de consument, de fabrikant, de ondernemer, de overheid, ...

In het geval van dit PO kan dit gelimiteerd worden. Je kan als groepje niet voor elke 'partij' een oplossing bedenken, aangezien je maar een beperkt aantal oplossingen met je automatische systeem kan oplossen. Richt je dus vooral op 2 - 3 partijen tijdens dit PO.

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken

Een deeluitwerking is een voorstel om een stuk van het probleem op te lossen. Als in het programma van eisen bijvoorbeeld staat dat het voorwerp licht moet zijn, dan kun je als deeluitwerking voor deze eis noemen dat het voorwerp van karton gemaakt moet worden, of van een lichte plasticsoort, of dat het materiaal uitgehold moet worden, etc.

 

Een taak is een handeling die het voorwerp moet kunnen uitvoeren. Een taak heeft te maken met de bedoelingen van het product en kan zijn: snijden, optillen, schoonmaken, bewaren, etc. 

Een eigenschap is iets anders dan een taak. Het is een kenmerk van het product die het gedrag ervan onder verschillende omstandigheden bepaalt.

Fase 3: (Deel)uitwerkingen bedenken

Voorbeelden van eigenschappen zijn de kleur van het voorwerp, de afmetingen van het voorwerp, het gewicht van het voorwerp, de gebruikersvriendelijkheid, etc. 

Maak in deze fase gebruik van een 

ideeëntabel. Dat is een tabel waarin 

je voor elke taak en elke eigenschap 

minstens drie verschillende ideeën 

voor (deel)uitwerkingen noteert. Een 

voorbeeld van zo'n ideeëntabel staat 

hiernaast.

Fase 4: Ontwerpvoorstel realiseren

Een ontwerpvoorstel formuleren betekent dat je met behulp van tekeningen en tekst laat zien hoe het product er precies uit komt te zien, waar het van gemaakt is, etc.

Om dit te bereiken heb je de optimale (= best haalbare) combinatie van deeloplossingen gekozen uit de ideeëntabel. Let op: dit betekent niet dat per taak/eigenschap de beste deeloplossing is gekozen. Het gaat erom dat alle gekozen deeloplossingen het best bij elkaar passen (om de eisen uit het Programma van Eisen te realiseren)!

Fase 5: Ontwerp realiseren (prototype)

Een prototype is een handgemaakte eerste versie van het product, een soort proefproduct. In deze fase wordt het ontwerp dus echt uitgevoerd (gerealiseerd) op zowel het systeembord als in LEGO.

Fase 6: Ontwerp testen en evalueren

Als het prototype klaar is, kan het getest worden. Bij het evalueren van de testresultaten wordt bekeken in hoeverre het product voldoet aan de gestelde eisen (uit het programma van eisen!). Wordt aan sommige eisen onvoldoende voldaan, dan wordt bekeken waar dat aan ligt. 

Je bent het probleem dan opnieuw aan het analyseren. Om voorstellen voor verbetering te doen moet de ontwerpcyclus (gedeeltelijk) opnieuw doorlopen worden.

Mogelijke projecten

Wind(richtings)meter
Automatische brug
Energiedak
Glastuinbouw
Flitspaal
Hightech kluis
Hartbewaking

Eigen keuze....?
Ff bij docent laten checken!

Wind(richtings)meter

Probleem

Op Nederlandse weerstations wordt op ongeveer 10 meter hoogte de windsnelheid gemeten. Op een modern weerstation wil men de windrichting en snelheid elk moment kunnen aflezen en vastleggen. Daarom wordt de windrichting tegenwoordig, net als andere meteorologische grootheden, automatisch geregistreerd.

Opdracht

Ontwerp een weerstation op papier en een elektrische schakeling op het systeembord om de windsnelheid en richting digitaal te meten.

Automatische brug

Probleem
Tegenwoordig kan 1 brugwachter vanaf een centrale plek met behulp van een videosysteem en radiocontact met schippers meerdere bruggen bedienen. Op minder druk bevaren routes is het te duur om een brugwachter full-time in te zetten. Rijkswaterstaat besluit in sommige gevallen zo'n brug volledig te automatiseren.

Opdracht

Ontwerp een brug op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat er voor zorgt dat zowel het vaarverkeer als het wegverkeer op een voorgeschreven wijze automatisch wordt geregeld.

Energiedak

Probleem
Een architect wil op een energiezuinige woning een energiedak aanbrengen. Zij denkt aan een constructie met zonnecellen die voor de energie zorgen. De zonnecellen  produceren de meeste energie als de lichtinval optimaal is. Daarom lijkt een draaibare installatie voor de hand te liggen.

Opdracht

Ontwerp een technisch systeem met zonnecellen op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat voor optimale lichtinval op de zonnecellen zorgt.

Glastuinbouw

Probleem
Maasland en omgeving is een tuinbouw-/kassengebied bij uitstek. Er zijn niet alleen vele kassen, maar rondom de kassen spelen tevens bedrijven als kassenbouwers, procestechnologen en klimaatbeheersers nadrukkelijk een rol. In de glastuinbouw/kasteelt heeft een enorme automatisering plaatsgevonden. De computer vervult een rol als bestuurder/regelaar van het groeiproces in combinatie met klimaatbeheersing, gewasbescherming en procestechnologie. Voor tuinders is het niet mogelijk zonder computer te concurreren met vakgenoten.
Tuinder Janssen heeft tot op heden de stap naar de automatisering nog niet gemaakt.

Opdracht

Ontwerp een kas op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat voor de automatische functies van een (onderdeel van een) kas zorgt.

Snelheidscontrole

Probleem
Op wegen binnen de bebouwde kom mag soms maar 30 km/u of 50 km/u worden gereden. De politie kan niet overal bij aanwezig zijn, dus soms laat de politie automatische systemen neerzetten. Op sommige plekken langs de weg staan die systemen om van de boosdoeners meteen een foto van het kenteken te maken.

Opdracht

Ontwerp zo'n systeem op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat snelheidsduivels detecteert en fotografeert.

Hightech kluis

Probleem
Om kostbare spullen te bewaren in een kluis, moet de kluis zeer goed beveiligd zijn wanneer de deur gesloten is. Verschillende relevante (!) sensoren kunnen in de kluis aanwezig zijn om de veiligheid van de kluis te waarborgen.

Opdracht

Ontwerp een kluis op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat optimaal beveiligd is van mogelijke inbrekers.

Hartbewaking

Probleem
In elk ziekenhuis kan een patient door middel van een alarmknop om hulp vragen. Als een patient evenwel zo hulpeloos is dat zelfs het indrukken van een knop onmogelijk is, dan moet de patient bewaakt worden door een systeem dat automatisch alarmeert als de lichamelijke toestand, bepaald door de bloeddruk, de ademhalingsfrequentie of het hartritme plotseling verandert.

Opdracht

Ontwerp een hartbewakingssysteem op papier en een elektrische schakeling op het systeembord van een automatisch syteem dat automatisch alarmeert als er iets mis is met de functie van het hart.