Gebruiksvriendelijke en efficiënte CNC afkantpers

Gebruiksvriendelijke en efficiënte CNC afkantpers. Valentin Bejenar

Promotor: Olivier Rysman Begeleider: dhr. José Coopman Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: industrieel ontwerpen

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

Inhoud Projectfiche ............................................................................................................................................. 2 Haco ......................................................................................................................................................... 3 Wat is een plooibank? ............................................................................................................................. 3 State of the art en Marktonderzoek........................................................................................................ 6 Gebruikersanalyse ................................................................................................................................... 8 Exploratie............................................................................................................................................... 11 Ideeselectie ........................................................................................................................................... 28 Gekozen concept ................................................................................................................................... 32 Gebruikersonderzoek ............................................................................................................................ 33 I.

INTRODUCTION .............................................................................................................................. 33

II.

PRODUCTION PROCESS................................................................................................................... 35 A.

Overview.................................................................................................................................... 35

B.

Efficiency and effectiveness ....................................................................................................... 35

III.

FOCUS ON THE INTERACTION WITH THE CONTROLLER DURING BENDING OPERATIONS ............ 35

A.

First test..................................................................................................................................... 36

B.

Second test ................................................................................................................................. 40

IV.

CONCLUSIONS............................................................................................................................ 42

Technische uitwerking ........................................................................................................................... 44 Kostprijsberekening............................................................................................................................... 79 Marketing .............................................................................................................................................. 80 Besluit .................................................................................................................................................... 81

Projectfiche Projecttitel Gebruiksvriendelijke en efficiënte CNC afkantpers. Projecttype conceptontwikkelling, gebruikersonderzoek, markstudie Projecteigenaar Haco nv Projectleider Valentin Bejenar Interne promotor Olivier Rysman Externe promotor José Coopman Onderzoeksvraag Hoe kan gebruiksvriendelijkheid en efficiëntie van een Haco CNC plooibank verbeterd worden? Doelstellingen •

Huidige functies, elementen en het gebruiksproces van een Haco CNC plooibank in kaart brengen.

•

Op zoek gaan naar mogelijke verbeteringen op vlak van gebruiksvriendlelijkheid en efficiëntie

•

Onderzoeken hoe de andere fabrikanten hiervoor al dan niet een oplossing hebben

•

Uitwerken van een concept van een machine(deel) dat de gekozen aanpassingen bevat

Belangrijke prestatie-indicatoren bij conceptkeuze • • • • • • •

Vernieuwend in de markt van plooibanken? Technisch haalbaar? Prijs Altijd bruikbaar of in sommige gevallen of type stukken? Nuttig voor het bedrijf? Bespaart tijd? Vergroot het gebruiksgemak?

2

Haco De Haco groep is een internationaal gekende fabrikant en handelaar van verschillende soorten CNC machines. Het moederbedrijf Haco produceert plooibanken al sinds de jaren 60 van de vorige eeuw en sindsdien hebben ze een reputatie opgebouwd als een producent die de beste prijs/kwaliteit verhouding levert.

Wat is een plooibank? Een plooibank, afka tpers of ee press rake is een industriële machine voor plaatbewerking. De functie van een plooibank is het buigen van al dan niet voorbewerkt plaatmateriaal; meestal staal, maar minder vaak ook andere metalen zoals aluminium en kunststoffen zoals PMMA.

Bij een hydraulische plooibank wordt de plooikracht met behulp van hydraulische cilinders op de doorzetbalk uitgeoefend die het o e gereeds hap het es op ee plaat drukke die op het o dergereeds hap de atrijs is gepositio eerd. De positie van een plooi wordt bepaald door een achteraanslag (backgauge). Zo krijgt de plaat de vorm van de matrijs (bottoming) of wordt ze onder een bepaalde hoek geplooid die afhankelijk is van hoe ver het mes wordt ingedrukt. (air bending)

3

Er bestaan zeer veel verschillende tools afhankelijk van de plaatdikte, materiaal, vorm van de plooi, vorm van het geplooid stuk enz. Dit zorgt er voor dat een plooibank een veelzijdige machine is. Er zijn echter ook beperkingen op vlak van vormen, hoeken e.a.

4

Ander plaatbuigmachines, zoals vouwbanken (panel bending machines), zijn minder veelzijdig en zijn meer geschikt voor massaproductie van één bepaald type product. Hun voordeel is dan echter dat ze heel snel en geautomatiseerd plooien.

5

State of the art en Marktonderzoek Er bestaan veel verschillende soorten plooibanken; ze kunnen verschillen in vorm, grootte, drukkracht, aandrijving, sturing, gereedschappen (messen en V-matrijzen) enz. De kracht (tonnage) kan gaan van enkele tonnen drukkracht tot 1000 ton of meer. Vanzelfsprekend e e de af eti ge a zo a hi e toe aar ate de to age stijgt. De o stru tie oet i ers zwaarder worden uitgevoerd om die toenemende krachten te kunnen weerstaan. De tonnage bepaalt ook de maximale plaatdikte die kan worden geplooid over de volledige lengte van de machine.

De afmetingen worden ook bepaald door de maximale plooilengte van een machine. Bvb een 100t 3m machine, kan maximaal 100 ton drukken op een plaat die 3m lang is in de richting van de plooi. Er bestaan duizenden soorten tools: stempels (messen) en (V-) matrijzen en de opnames (table en clamping) ervan wat van een plooibank een zeer veelzijdige machine maakt die veel vormvrijheid toelaat bij het ontwerpen van een geplooid metaalplaat product.

6

De hoofdspecificaties van een plooibank zijn:         

Daglichtopening: maximale afstand tussen doorzetbalk en tafel als de cilinders in de bovenste positie staan Uitlading: dat is de vorm van de C-frame, dit bepaalt de diepste plooi over de volledige plooilengte van de machine Koers: koers van de hydraulische cilinder Snelheid: valsnelheid, terugkeersnelheid, plooisnelheid Kracht: tonnage van de hydraulische cilinders, bepaalt de grootste plaatdikte die met de machine kan worden geplooid over de volledige plooilengte Maximale plooilengte Afstand tussen zijstaanders: bepaalt de breedste plaat die dieper kan geplooid worden dan de uitlading Werkhoogte: positie van de tafel waarop de v-matrijzen worden gepositioneerd Type achteraanslag

Beursbezoek Ik heb de beurs TOLEXPO voor plaatbewerkingsmachines bezocht om eens te zien hoe de machines van de concurrenten er uitzien, hoe ze verschillen met de machines van HACO.

Wat mij opviel is dat er praktisch geen verschil zit in de werkingsprincipe en gebruikersinterface tussen alle fabrikanten. De verschillen zijn vaak technisch op vlak van aandrijving en specificaties kra ht, au keurigheid, s elheid… e op lak a styli g e af erki gskwaliteit.

7

Als je de websites van de fabrikanten bezoekt, zie je ook meteen dat iedereen gelijkaardige producten aanbieden met weinig grote verschillen naar de gebruiker toe.

Gebruikersanalyse Ik heb het gebruikersanalyse begonnen met enkele mensen een vragenlijst te laten beantwoorden. Ik heb mensen die verschillende functies uitoefenen gekozen omdat ze de plooibank vanuit andere standpunten zien. De ondervraagde mensen waren: • • •

Een operator van een plooibank (en andere machines) in een bedrijf dat silo s veevoederbedrijven Chef Atelier van dat bedrijf Service engineer van Haco

aakt oor

Operator:

          

Bent u tevreden over de machine en de manier van werken? Ja Werkt de machine juist? Ja, een oudere machine werkt soms minder goed, vermoedelijk door slijtage. Hoe wordt het plooistuk gecontroleerd? Met een gradenboog, elke dag bij opstarten van de machine en wanneer platen worden gebruikt van een nieuwe stapel. Nauwkeurigheid geschat ±1° Wat voor stukken worden geproduceerd? (kleine stukken met veel plooien, profielen, panelen) Meestal u-profielen Met hoeveel mensen wordt een stuk geplooid? Alleen tot een lengte van ±2m in 5mm dik staal, bij grotere platen is een 2de persoon nodig om de plaat te helpen draaien. Bent u tevreden over de snelheid van de machine? De doorzetbalk beweegt iets aan te traag voor de operator. Hoe wordt het materiaal aan- en afgevoerd? Aanvoer: met de hand, zware stukken met de rolbrug Afvoer: op paletten of karren (heftruck). Hoe ontvangt u de plooiopdrachten? De operator ontvangt een stuktekening, op basis daarvan maakt hij zelf het programma ter plaatste op het scherm (2D stukken) Wie maakt de programma's en hoelang duurt het om een programma te maken? De operator zelf. Enkele minuten nodig om simpele stukken te programmeren (2-7 minuten max. door de operator geschat) Waar plaatst u de stuktekening naast een machine? Met een magneet op de doorzetbalk. Wat zijn de ergonomische vereisten aan de machine?( kleur, lawaai, hoogte) Kleur niet belangrijk, machine is niet te luid (de rest van het atelier maakt veel meer lawaai), werkhoogte is OK.

8

    

Wat zijn de moeilijkheden tijdens het plooien? (ook fysiek) Manipuleren van langwerpige stukken, er is ook voldoende plaats rond de machine nodig daarvoor. Hoe wordt het gereedschap geplaatst, verwisseld? Rechtstreeks in een rek geplaatst na gebruik. Hoe vaak worden stukken met de zijdeuren open geplooid? Zelden, omdat het eigenlijk niet mag, de machine is met 4m lengte toch meestal lang genoeg. Welke handelingen worden het vaakst herhaald? Geen nuttig antwoord. Welke handelingen vereisen planning? Enkel kijken wanneer de machine beschikbaar is om zelf dan te kunnen plooien.

Chef atelier



   

   

Hoe wordt de productiviteit bekeken, bepaald? 70% van de tijd wordt seriewerk geplooid; veel kleine stukken. Daarbij is de snelheid van de productie van al die stukken belangrijk. Hij denkt dat een kleinere plooibank daarvoor meer geschikt zou zijn, eventueel elektrisch. (sneller) De plooibank wordt gemiddeld ±1uur per dag gebruikt, daarbij wordt er 5 keer gewisseld van gereedschap en 20 keer de hoek ingesteld. Hoe belangrijk is de initiële machinekostprijs? Altijd belangrijk, vooral bij de eerste machine, na jaren gebruik besef je wel dat de aankoopprijs ook niet alles is. Snelheid en nauwkeurigheid zijn ook zeer belangrijk. Hoe belangrijk is de snelheid om een machine in te stellen? Moet eenvoudig zijn, niet te hightech, tenzij je een vaste operator voor de plooibank aanstelt. (Nu is dit niet zo; elke arbeider plooit zijn eigen stukken) Hoe belangrijk is de oppervlakte dat een machine inneemt? Het bedrijf heeft veel plaats, niet zo belangrijk, komt niet op een meter meer of minder. Hoe belangrijk is de veelzijdigheid van de machine? Hoe vaak gebruik je de volledige plooilengte van de machine? Minder belangrijk omdat ze stukken uittekenen volgens beschikbare gereedschap. Voor bedrijven die toelevering doen is dit wel belangrijk omdat ze op voorhand niet weten wat voor stukken ze zullen moeten maken. Hoe belangrijk is de productienauwkeurigheid? Hoe vermijd je fouten? Belangrijk, want dit zorgt voor tijdverlies. Fouten kan je moeilijk vermijden. Wordt de machine onderhouden? Enkel als een gebrek wordt waargenomen, of heel zelden ook eens beetje afgekuist en geolied. Welke eisen stellen de klanten? (Prijs, snelheid) Kwaliteit en goede prijs, soms onrealistische eisen door gebrek aan kennis over het plooiproces en de beperkingen ervan. Hoe moet de volgende machine er uitzien? Lichtere, snellere machine (elektrisch): minder problemen met bombering (crowning); 90% van de stukken zijn toch in 2-4mm geplooid en de huidige totale plooilengte van 4m wordt zelden benut.

9

Voor langere stukken zou dan misschien een vouwbank aangeschaft worden. Uitzicht niet belangrijk, zolang het een degelijke machine is. Service Engineer Wat is volgens jou belangrijk bij keuze van een plooibank? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Sturing + software: gemakkelijk te programmeren, bedienen + offline mogelijkheid Tooling systeem: type, gemakkelijke positiebepaling, gemakkelijke klemming Achteraanslag (Backgauge): aantal assen, vinger type Beveiligingssysteem: kwaliteit, reactiesnelheid, gebruiksvriendelijkheid, zit niet in de weg Hydraulica: stabiliteit, snelheid, tiltbaarheid van de doorzetbalk Vormgeving Gadgets oor ge ruiksge ak: oplegtafel ooraa , oplegtafel i de a hi e Energieverbruik Ergonomie:  Bereikbaarheid van alle knoppen  Positionering van alle veiligheidsonderdelen  Tafelhoogte  Makkelijke bediening mechaniek  Voetpedaal 10. Plooinauwkeurigheid: database, hoekmeetsysteem

Ik heb ook zelf eens gewerkt met de machine Conclusies: • •

•

• •

Manueel programmeren: enkel 2d stukken (profielen), redelijk intuïtief. 3D stukken manueel is heel moeilijk. -> iges model inlezen Hoeken en afstanden controleren en parameters bijstellen is redelijk omslachtig en moet per plooi(hoek) gebeuren. Hoe moeilijker het stuk, hoe moeilijk het wordt. (Met gradenboog en schuifmaat) Iedere keer dat je informatie wilt aflezen of invoeren (b.v.b. plooivolgorde) op het scherm moet men zijn hoofd van voorkant van de machine wegdraaien. Dit neemt tijd in en is niet echt comfortabel. Ook worden simultane handelingen op het scherm en de machine op die manier bemoeilijkt. de meest intuïtieve aspecten zijn diegene die visueel voorgesteld zijn. Geen feedback van de achteraanslag over de juistheid van de positionering van de plaat; je moet de posities op het scherm zien en zelf goed tegen de aanslag duwen.

Mogelijke onderzoekrichtingen op vlak van gebruiksvriendelijkheid • • • • •

Controleren en instellen van hoeken verbeteren (cfr. hoekmeetsysteem) Manipulatie van grote stukken verbeteren (cfr. plaatvolgsysteem) Relevante plooi informatieweergave + feedback verbeteren en meer ergonomisch maken. Feedback positioneren van de plaat Toolpositionering

10

Opmerkingen: •

Een plooibank is een veelzijdige machine, dit brengt met zich mee dat een verbetering niet noodzakelijk voor alle types stukken nuttig zal zijn

Exploratie Idee 1 Hulpmiddel voor manipulatie van grote platen Context Er bestaan plaatvolgsystemen die dienen om grote (en zware) platen te ondersteunen tijdens het plooien. Zo voorkom je dat de plaat niet buigt, wat de kwaliteit van de plooi zou kunnen beïnvloeden. Ze zorgen er ook voor dat de plaat niet naar beneden valt als de plooi gedaan is en de plaat dus niet eer ast ordt gekle d tusse het es e de V-matrijs. Deze worden dus meestal gebruikt om grote, platte stukken met plooien aan de randen te maken (panelen).

Het idee bestaat erin om een plaatvolgsysteem te hebben die daarnaast ook toelaat om de plaat op vast te klemmen en makkelijk en percies te manipuleren tussen de plooien door, zijnde, roteren rond zijn as, links, rechts, vooruit achteruit te bewegen.

Het idee gaat over een plaatvolgsysteem waarop je de plaat kan klemmen d.m.v. zuignappen of magneten waarna de klemtafel zelf kan gemanipuleerd worden in alle richtingen. Dit zou beter zijn dan de plaat zelf te moeten manipuleren omdat de beweging dan gelagerd is en daarom minder

11

fysieke inspanning vergt. Daarnaast zou het roteren van het stuk preciezer en sneller gaan omdat de hoeken zich per 45° zich vast zouden klikken.

Conclusies: • • • • •

Heel ingewikkelde mechaniek voor een simpele taak Potentieel duur Beperkte bruikbaarheid (slechts 1 type stukken) Extra veiligheidsvoorzieningen? Voor plooien aan beide kanten ga je de plaat toch manueel moeten draaien

Idee 2 Hoekmeting op de achteraanslag Context Vandaag bestaan er meerdere manieren om de hoekjuistheid van een plooi te meten; met de hand d.m.v. een analoge of digitale gradenboog die men gebruikt nadat een plooi is gemaakt of een ingebouwde CNC gestuurde mechanische of optische hoekmeetsystemen.

12

Het idee gaat over een manier om de hoek te verifiëren onmiddellijk na de plooi (niet tijdens de plooi zoals bij de gesofisticeerde en dure hoekmeetsystemen) maar zonder het stuk er echt te moeten uithalen. Dit zou gebeuren op de vingers van de achteraanslag zelf. Werkvolgorde: plaat aanslaan -> plooien -> plaat iets doorschuiven tegen de hoekmeet probe op de vinger van de achteraanslag -> hoek wordt gemeten->hoek wordt vergeleken met de tekening en het verschil wordt automatisch gecompenseerd waardoor de volgende plooi wel juist zou moeten zijn. T.o.v. het gebruik van een gradenboog • • •

Tijdsbesparing, door de plaat er niet volledig te moeten uitschuiven Tijdsbesparing doordat het langer duurt om de hoek zelf af te lezen en dan in de sturing in te typen Minder kans op fouten door dat men op een analoge gradenboog de hoek verkeerd kan aflezen (dit is geen probleem bij een digitale gradenboog)

De goede werking van het systeem zal afhangen van de verschillende parameters die een plaat of een geplooid stuk kan hebben.

13

• • • • •

Plaatdikte en plooiradius Hoek: scherp, loodrecht of stomp Rotatie-as van de plaat t.o.v. de rotatie-as van probe in het zijaanzicht Grootte van het stuk Eerder gevormde plooien voor de plooi die je wil meten

14

Tests De eerste prototypes geven het werkingsprincipe weer. Prototype uit hout

15

Prototype uit staal

Conclusies: • •

De veer mag niet te sterk zijn want die bemoeilijkt het meten van stompe hoeken: de plaat wordt omhooggeduwd en de hoek en de hoeken komen niet meer overeen. De veer mag ook niet te zwak zijn want je zou de probe ook kunnen wegduwen bij scherpe hoeken zodat de hoeken weer niet overeenkomen

Idee 3 Printen van plooi informatie op het stuk Context Sommige platen zijn bedekt met folie om ze te beschermen tegen krassen (Inox en Al), op die folie zou je de plooilijnen met de plooivolgorde kunnen graveren. Zo heb je de informatie recht voor je i.p.v op het scherm naast je Legende: • • •

Volle lijn = plooi Stippellijn = plooi op de andere kant van de plaat Nummers geven de plooivolgorde weer

16

Conclusies: • • • • •

Niet alle platen zijn bedekt met folie De volgorde moet je in zelf onthouden Je kan enkel op het scherm zien of je echt juist bezig bent Als je met de laser graveert kan je door de folie branden en de plaat beschadigen Aan de machine zelf wordt er niks verbeterd

Idee 4 Projectie plooi informatie op het stuk Context Een projector zou plooi informatie kunnen projecteren op het stuk zelf.

Conclusies: • • • • •

Informatie recht voor u op het stuk Hoe ga je de plaat volgen met de projector? Gesofisticeerde beeldherkenning Handen kunnen in de weg zitten Projecteren voor de tooling en achter de tooling (in de machine?)

17

• • •

Prijs Robuustheid Zichtbaarheid afhankelijk van het omgevingslicht

Idee 5 Betere en gebruiksvriendelijkere weergave van de informatie van de monitor van de CNC sturing Context Nu bevindt de CNC sturing met het scherm zich op de zwaaiarm links of rechts van de machine en is in een radius beperkt verplaatsbaar. Als je de informatie wilt aflezen moet je altijd uw kijk van het stuk en je handen wegdraaien naar het scherm en dit voor iedere plooi. Als je de knoppen of de touchscreen wilt bedienen, dan moet je naar het scherm wandelen. Dit allemaal is niet heel aangenaam en kan voor tijdsverlies en onnodige fysieke inspanningen zorgen. De bedoeling is om het scherm ergens vooraan de machine te hebben en altijd voor je.

18

19

Na het overwegen van een aantal mogelijkheden is het uiteindelijke idee om een tweede, kleiner scherm te hebben dat zich altijd dichtbij en recht voor je bevindt en dat enkel de informatie weergeeft die nodig is tijdens het plooien zelf; zijnde de grafische voorstelling van de plooi, tools, a hteraa slag… dit zorgt oor etere ge ruik a de screen reelestate. Aangezien het scherm altijd voor u moet bevinden, moet het verplaatsbaar zijn, manueel of automatisch Tests Print-outs op papier op verschillende plaatsen op de doorzetbalk

20

Photoshop simulatie van een bewegend scherm op een track

Uitgebreidere test Testopstelling • • • •

“ her : 7 Android tablet met de grafische voorstelling van de plooistappen in een PowerPoint file Verplaatsing: manueel met een gordijnenrail en een docking station voor de tablet (=gesimuleerde automatische verplaatsing) Interface: swipen op de touch screen om naar de volgende stap te gaan. Filmen: videocamera op een statief

21

22

23

24

25

Observaties   





Zichtbaarheid van de grafische weergave op het bestaande scherm op de zwaaiarm is minder goed dan op het kleinere scherm, maar voldoende voor de meeste stukken De tijd die nodig was om het volledig stuk te plooien (een gekend stuk) was ± 10% minder met het kleiner, bewegend scherm dan met het bestaande scherm Fysieke inspanning: het hoofd moet niet meer na iedere plooi 90° gedraaid worden met dit concept, wat op zijn minst leuker of aangenamer is. Na een lange periode zou dit ook mogelijk vermoeidheid en nekpijn kunnen verminderen of vermijden. Weergegeven informatie: als het enkel het plooien zelf betreft, dan is de grafische weergave en oriëntatie van het stuk, tools en de achteraanslag, voldoende. Ik kreeg geen commentaar dat er iets niet duidelijk was en zelf ondervond ik ook geen problemen. Wat er niet verandert qua ongemak met dit concept, is dat je nog altijd een statief, met de voetpedalen tussen de plooiposities manueel moet versleept worden en dat zorgt ook voor tijdsverlies.

Reacties van de testpersonen:  



Het concept is duidelijk, gebruiksvriendelijk e tof Een service engineer vindt wel dat er wat meer functionaliteit in mag gestopt worden dan enkel een monitor die verrijdt: o eventueel een touch interface om instellingen ter plaatse te moeten doen zonder naar de sturing te moeten wandelen o het automatisch verrijden van het scherm kan misschien gebruikt worden om te helpen bij toolpositionering o Eventueel de mogelijkheid onderzoeken om het bestaande scherm volledig te vervangen door dit concept Er moet iets voorzien zijn dat verhindert dat een plaat, tijdens de plooibeweging, het scherm beschadigt. (Dit is in feite geen probleem want de sturing weet waar de plaat eventueel zou kunnen botsen en kan het scherm preventief verplaatsen)

Belangrijke/handige info tijdens het plooien zelf:     

Plooivolgorde, positionering va het stuk; beweging die je moet maken om het stuk te positioneren> 3d visualisatie Aantal plooien gedaan, resterend Waar aanslaan(op de vingers van de achteraanslag) Waar plooien op de plooibank (met welke tools) Andere info?

26

Idee 6 Betere en gebruiksvriendelijkere weergave van de informatie van de CNC sturing door projectie op de doorzetbalk Context Dezelfde bedoeling om het beeld voor u te hebben, als in idee 5, maar dan d.m.v. projectie op de doorzetbalk Simulatie in Photoshop:

Conclusie: Het heeft dezelfde voordelen als het vorige idee, maar heeft een aantal nieuwe nadelen: • • •

De doorzetbalk wordt, afhankelijk van soort productie en type bedrijf, vaak beschadigd aan de verflaag, wat de projectie zou verhinderen Ook speelt het omgevingslicht een grote rol in het al dan niet zichtbaar zijn van het beeld Bediening van functies is ook niet voor de hand liggend met een projectie

27

Ideeselectie Plusses potentials & concerns IDEA 1

Hulpmiddel voor manipulatie van grote platen

Plusses

• Fysiek makkelijker voor de operator • minder kans op kwetsuren • snellere cyclustijd

Potentials

•kan mogelijk verkocht worden aan klanten die al een HACO machine hebben en geretrofit worden

Concerns

•werkt enkel/is nuttig bij een één type stukken (panelen met plooien aan één kant) •ingewikkelde mechaniek •duur in verhouding tot de toegevoegde waarde •vereist mogelijk extra veiligheidsvoorzieningen

IDEA 2

Hoekmeting op de vingers

Plusses

•tijdbesparing •nauwkeuriger dan een analoge gradenboog •veel goedkoper dan een volledige CNC hoekmeetsysteem

Potentials

•retrofit op bestaande verkochte Haco machines

Concerns

•niet bruikbaar voor alle plaatdiktes •duurder dan een analoge gradenboog •kleine stukken/korte plooien en heel grote stukken/plooien kunnen een probleem zijn naar het ontwerp toe •moeilijk om te integreren in de vingers, zonder de functionaliteit ervan aan te passen (verminderen) • plooien die niet aan de randen van een plaat liggen, zijn niet meetbaar •er bestaan veel types hoekmeetsystemen op de markt: veel concurrentie •Zal niet veel gebruikt worden: enkel bij het instellen van het proces

28

IDEA 3

Projectie van de plooi-informatie op het de plaat

Plusses

•je moet niet naar het scherm kijken links om de plooivolgorde te zien

Potentials

•iets compleet nieuws in de markt van plooibanken: HACO zou als eerste op de markt zijn

Concerns

•je moet toch naar het scherm kijken als je andere informatie wilt zien •je moet toch naar het scherm wandelen om inputs te geven •potentieel duur •HACO heeft 0 ervaring met deze technologie (beeldherkenning) •sommige vormen van platen kunnen duidelijke projectie verhinderen •sommige oppervlakken kunnen projectie moeilijk maken (bvb reflecterend) •de handen die de plaat vasthouden kunnen beeldherkenning moeilijk maken

IDEA 4

Printen van plooi-informatie op de plaat

Plusses

•plooi-informatie is recht voor u op de plaat •mogelijk tijdsbesparend

Potentials

•potentieel nuttig voor een lasermachine

Concerns

•niet interactief •de meeste platen zijn niet bedekt met folie •dit is geen toepassing voor de plooibank zelf, maar eerde voor een lasersnij/graveermachine •je moet toch naar het scherm kijken om de vorm te verifiëren bij twijfel

29

IDEA 5

Bewegende monitor op de doorzetbalk

Plusses

•bespaart tijd •fysiek aangenamer •leuker in gebruik •een plooibank is een oud concept en dit geeft een modern en hight tech uitstraling aan de machine

Potentials

•Bestaat niet op de markt van plooibanken: HACO zou de eerste zijn •zou potentieel het volledig scherm + zwaaiam van de sturing kunnen vervangen •zou een mobiel en uitwisselbaar systeem kunnen zijn: geeft nieuwe mogelijkheden naar programmatie en productieplanning

Concerns

•prijs •robuustheid

IDEA 6

Projectie van de sturing op de doorzetbalk

Plusses

•Het beeld is altijd recht voor u •Heel grote weergave is mogelijk

Potentials

•iets compleet nieuws in de markt van plooibanken •door de grote weergave kunnen anderen van ver zien wat je aan het plooien bent (dat is misschien nuttig) •kan geretrofit worden op bestaande verkochte machines

Concerns

•kostprijs •duurzaamheid •weergave wordt slechter zelfs bij teveel omgevingslicht •weergave wordt slechter als de verflaag op de doorzetbalk vuil of beschadigd wordt •niet interactief (geen inputs mogelijk)

30

Idee 1 3 1 -4

Idee 2 3 1 -7

Idee 3 1 1 -7

Idee 4 2 1 -4

som (=Pl+Po+Co)

0

-3

-5

-1

5

0

rangorde

2

4

5

3

1

2

Plusses Potentials Concerns

Idee 5 4 3 -2

Idee 6 2 3 -5

Top 3 1. Idee5 2. Idee1, Idee6 3. Idee4 PREFER MATRIX Potential 1 2 Idee1 V Idee2 V Idee3 V Idee4 Idee5 Idee6

3

Risk 4 1 V

2

3

V V

V V

V

Effort 4 1 2 V V V V

V V

V

Feeling 3 4 1 2 V V V V V V V

score rangorde 3

4

V

5 8 10 7 13 10

5 3 2 4 1 2

Top 3 1. Idee5 2. Idee3, Idee6 3. Idee2

31

Gekozen concept Idee 5 komt in beide ideeselecties als beste uit

Samenvatting van het gekozen concept • • • • • •

•

Kleiner scherm op de doorzetbalk Gemotoriseerd en automatisch verplaatsbaar door de sturing, intelligent om botsingen te vermijden en de optimale kijkhoek aan de gebruiker weer te geven. Touchscreen met ingebouwde functies voor plooi settings Dockingstation waaruit het scherm kan verwijderd worden Scherm (tablet) kan los van de machine gebruikt worden om off-line stukken te programmeren Mogelijkheid o et ers hille de ta let odules op éé plooi a k te erke : één tablet los van de machine om offline te programmeren, ondertussen een andere op de machine om te plooien. Eventueel bruikbaar voor toolpositionering

Naast de eerder vermeld prestatie indicatoren, zal de gebruisvriendelijkheid en de efficiëntie van het uitgewerkte concept vooral bepaald worden door de volgende criteria, met als benchmark, het bestaande scherm met CNC sturing.     

Tijdsbesparing Aantal handelingen Kans op fouten Fysieke inspanning Aangenaamheid van de interface

32

Gebruikersonderzoek Het gekozen concept was veelbelovend, daarom werd er nog een uitgebreidere user test gedaan. Dit gebruikersonderzoek is beschreven in een wetenschappelijke paper (in het Engels). Zie hieronder: Enkele ideo s ku

e

ekeke

orde

ia de olge de li k:

https://www.dropbox.com/sh/ce1lad50qzzxur4/AAAF7KAO_LxYy0x_LdBqpolQa Abstract— For many companies, the migration of production of sheet metal parts overseas [1] and an increasing competition on the market of industrial metal forming machines due to cheap labor costs in China, necessitates other ways for manufacturers to compete compared to those in the past. Leading in pricing, delivery times and basic functionality of machines is becoming ever more difficult. Today, manufacturers concentrate more on quality over quantity, versatility, automation, labor and material efficiency of their machines to cope with increasing demands for shorter lead-times and smaller inventories in sheet metal production [1]. Skilled labor has become increasingly less available so it is important that it is employed as efficiently as possible [1]. Not to be overlooked are the social evolutions in the labor force; in many western countries, the pension age is steadily increasing which means that it’s more important than ever that companies focus on making the work of their employees as pleasant and sustainable as possible, especially when that work involves manual labor. On the market of CNC press brakes, many machine manufacturers offer similar capabilities in terms of speed and bending accuracy and with most new improvements they concentrate on reducing the setup times and making a sheet metal part correctly from the first try, thus improving efficiency [1]. In this paper another area is examined and improved; the operator-machine interaction during the bending operation itself. After observing several machine operators, the focus was placed more on how the information to the user is being communicated and much less on the exact layout of the software. A solution is proposed consisting of a small touchscreen that is mounted on the ram of a press brake and automatically moves along the length of the ram to the correct location for each bend to be performed. This way the user always has access to the necessary information during the actual bending process right in front of him. This concept was tested in several setups and the conclusions point towards a reduced amount of time per bending operation i.e. faster cycle time, improved usability due to a reduction of physical strain and the likelihood of improved safety. Keywords-component; press brake, efficiency, safety, ergonomics, sheet metal, user interface, controller, CNC, mobile screen, operator, usability, user-friendly

I.

INTRODUCTION

A press brake uses hydraulic or electric power to bend sheet metal blanks of various sizes and thicknesses into shapes. This is done by pressing down a metal beam on which one or several punches are fixed that in turn press the sheet metal into a die (usually V-shaped). Thus it is possible to achieve bends of different angles with a single V-die, determined by how far down the punch is pressed. This is called air bending [2]. Alternatively only one specific angle per die can be achieved by pressing the punch all the way to the bottom of the V-die [2]. This is called bottoming. The height of the bend is determined by the back gauge i.e. how far the sheet metal plate is slid into the machine. Air bending is the most versatile and very complex 3D sheet metal structures can be achieved this way [2, 3]. Some of the machine parameters are tonnage, bending length, speed, stroke length and the number of axes on the back gauge.

Figure 1. A hydraulic 150 ton 3.1 meter CNC press brake

33

Figure 2. An example of a complex 3D sheet metal part

A press brake differs from other metal forming machines, like a punching machine or a laser cutter, in that after the programming of the part and the tool setup, it requires extensive manual input from the operator [4] while at the same time it must provide him with all the necessary information for each bend. During the actual bending process, the operator interacts with the machine in two ways. Firstly, the sheet metal part has to be manually manipulated into the correct position and location; this is determined by the location of the appropriate tool for the bend on the machine and the position of the back gauge [2]. The operator must take care with the placement of the hands, even though most modern press brakes are equipped with an optical light barrier that should be able to detect a finger or a hand between the punch and the die, thus stopping the downward movement of the punch. This protection stops working if the beam is interrupted in which case the downward movement of the punch stops. It is possible to continue the bending operation but in a slower, safer speed [2]. Operator safety should be the number one concern when operating a press brake. Because the operator moves his fingers close to the punch and die, the injuries can be severe, even lethal [4, 5].

Figure 3.A schematic of bending with a press brake[6]

Figure 4. Operator’s hands are close to the moving parts

34

Secondly, the operator must look at the 3D visual representation of the part placement on the screen of the control panel, which is mounted on the left or right side of the vast majority of press brakes on an (adjustable) swing arm, to make sure that the part is positioned correctly [7]. Only then, a footswitch must be pressed to execute the bend. Both these interactions are equally important to prevent physical harm to the operator, damage to the machine and ultimately to ensure that the part is bent correctly.

II.

PRODUCTION PROCESS

A. Overview The process of creating a sheet metal part with a CNC press brake usually consists of the following steps [2]: 1.

CAD: drawing the sheet metal part in a 3D CAD program.

2.

CAM unfolding: generating a flat pattern for a sheet metal cutting machine, material selection, tool allocation and positioning, automatic generation of the bending sequence.

3.

CAM bending: visual representation of the sheet metal part and the machine. The operator can change certain production parameters here like angle compensation, delay etc.

4.

Press Brake: physically bending the actual sheet metal part.

Some controllers allow for simple 2D parts to be drawn directly on the press brake controller.

B. Efficiency and effectiveness All press brakes are manufactured for the same basic purpose i.e. giving form to flat, pre-cut sheet metal blanks. There are, however, several differences in how they actually achieve that goal. Machines vary in terms of what type of forms can be achieved, how good the resulting product is and how fast a part can be produced. Several factors contribute to the efficiency and effectiveness of a press brake. On one hand, there are the purely technical parameters like speed, precision and tool types but axis speeds can’t be improved indefinitely due to safety regulations, making it difficult to make the machine actually bend faster [8]. So manufacturers tend to focus on reducing the setup time and first time accuracy to improve efficiency and effectiveness [8]. These are determined, in large part, by the CAM software, the use of quick change tool clamping systems and precision ground tools [1, 7, 8]. There are, likely, some operator interactions whose influence on the efficiency and effectiveness of a press brake is overlooked. This would be less than ideal because, as mentioned earlier, the operator is an integral part in the sheet metal bending process. Constant actions and inputs are required, not only during setup (programming, tool positioning etc.), but during the bending process itself. The controller is one thing that the operator is in constant interaction with and could therefore, potentially, impact greatly on the efficiency and effectiveness of the bending process as well as on the ease of use (ergonomics) and safety. Some of the relatively recent improvements in interaction with a CNC controller are things like 3D graphics representation, touchscreen interface and LEDs to show tool positions, all of which have reduced the level of experience and skill needed from the operator [1, 7]. III.

FOCUS ON THE INTERACTION WITH THE CONTROLLER DURING BENDING OPERATIONS

Usually, the only interaction with the controller during bending operations, is looking at the monitor that shows a 3D graphics representation of the press brake or a part thereof with the tools, the sheet metal part and the correct way to position that part against the back gauge.

Figure 5. An example of a 3D representation of a bending step, displayed on a CNC controller

35

The objective was to study where the user-machine interaction could be improved and during observation of several machine operators it was immediately apparent that the information wasn’t being transmitted in an ideal way. The operator is constantly moving around while the controller hangs at the side of the machine and although its position can be adjusted somewhat using an articulated arm, he still has to look 90 degrees to the side to observe the screen while the actual manual positioning of the part has to happen in front of the him. This back and forth head movement often happens several times per bend until the user feels he understand what he must do. The apparent drawbacks are: The perceived size of the 3D image depends on the operator’s location, which, potentially, reduces visibility and increases time needed to understand the image.  It is physically more inconvenient to turn your neck and head back and forth to the side all the time  It is potentially dangerous to look in a completely different location from the bending area so often, especially while positioning the part. By analyzing this problem a concept for a moving monitor, mounted directly on the ram of the machine, was imagined. The monitor would move automatically to the correct location for each particular bending step and provide the needed information right in front of the user, close to the eye level and move to the next bending location after the previous bend is completed. 

Several tests were conducted in order to evaluate the feasibility and usefulness of this concept.

A. First test 1) Test setup: The purpose of this test was to assess the use of a small ram-mounted monitor first and foremost. The tests were filmed with the permission of the test subjects. The conventional way of bending was also filmed to make a comparison between the two. The test was conducted on a 150 ton, 3.1 meter CNC press brake with a 4-axis back gauge. The part contained eight bending steps for which four tool location were needed. There were three (two people + the author) test subjects, each bending between two and five pieces. The part required the user to change location four times after the first bend. The prototype consisted of a seven inch computer tablet that was mounted on a rail which in turn was mounted directly on the ram of the press brake. The screen displayed a slideshow of screen captures of the 3D representations of all the bending steps, taken form the press brake’s CAM software. The images displayed the part and the required orientation for each bending operation. The screen could be manually slid right in front of the bending location on the machine and the next screen capture could be selected by tapping the tablet’s touchscreen. This way the operator had all the necessary information right in front of him at a distance of 30 to 50cm from the eyes when he was making the bend. By contrast, on existing machines, the images are displayed on the left or right side of the user up to several meters away, depending on the where the bend is being performed.

Figure 7. The operator looks to the side for information on the existing controller

36

Figure 8. The tablet showing a screen capture from the controller of a bending operation

Figure 8. The operator looks at the prototype screen

Figure 9. The operator manipulates the part to match the orientation on the screen

Figure 10. The operator performs the bending operation

37

2) Observations: Visual angle The visibility on the smaller tablet screen is at the least as good as with the larger controller and gets better the farther the operator has to stand from the side of the machine, where the control panel is located. This has to do with the visual angle.

Figure 11. Visual angle-target size relationship[9, 10]

Figure 12 A schematic of the press brake and the user location.

The closer an object is to the eye, the bigger the visual target size. This is expressed by the visual angle α (in degrees) in equation (1) [9]. α = 2×Arctan(0.5×L×D-1)

(1)

The two things that influence the visual angle are distance D from the eye to the target and the linear length L of the target. The same visual angle can be attained with a smaller screen when viewed from a closer distance. The visual angle is therefore one of the measures that determines how well an image can be seen at a distance.

Conventional controller Visual angle α(in degrees)

Mobile screen mounted on the ram 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0

0.0 0

200

400

600

Distance D (in meters)

38

Figure. 13 Comparison of visual angles in relation to the location of the operator (distance from the screen)

Fig.13 shows a comparison of the new screen (L=7”) mounted in front of the operator and the current screen (L=15”) of the control panel mounted on the side of the machine. Even though the current controller can be moved closer to the middle on some machines, in a limited way, it’s not always useful to do so if the entire length of the machine is being used because it requires the user to pivot and move the screen between some bending operations, which requires time and effort. This particular case shows that the visual angle of the smaller screen is bigger as soon as the operator moves farther than around 80 cm away from the side of the machine, where the conventional controller is located. When the operator uses the entire length of the machine, which can be 5m and more, when bending parts that require several different tools and positions, this appears to be a big improvement on the current system. Even, for example, in the middle of a 5m machine, the viewing angle is already about 3 times bigger with the new approach. User comfort When positioning for a bend, it appears to be much easier and faster to glance up to the screen, which is always at the same distance to the eyes, and down to the part, compared to looking to the side and back, repeatedly, by turning the head, neck and torso. Some studies even suggest that twisting the head and neck excessively increases the risk of long term shoulder and neck symptoms [11, 12]. Time gains The flow charts in Fig. 14 and Fig. 15 represent the bending process with the current and the proposed way. The possible increase in efficiency would result from needing less time to glance up and down as opposed to turning the head to the side and back and possibly needing less time to focus on the image that’s located a constant, closer distance away. However, this test is not well suited for determining any time gains in a precise manner as some of the would-be automatic actions have to be performed by the test subject. Still, some limited conclusions can be drawn, by subtracting the manual actions of moving the tablet and changing the displayed image, by observing the time code on the video recording. The time needed to bend the part was reduced by at least 10% for all the users.

Figure 14. Flowchart of the current bending process

39

Figure 15. Flowchart of the bending process using the concept screen

Sometimes, the user has to deviate from the flowcharts shown in Fig. 14 and Fig. 15. It’s possible, with some complex parts, that one perspective view of the setup is not sufficient to understand how a part should be positioned. In that case, the user has to rotate the view on the screen using the touch interface to get a better understanding of the bending step. Naturally, that’s easier and faster to do if a screen is located within an arm’s reach in front of the user and near the area of operation as opposed to sever meters away from it. Several other parameters could need adjusting during the bending process, all of which require the operator to move away from the bending location and towards the screen to make the changes. After making a test bend, the operator can chose to correct the program [13], by adjusting the bending speed, positions of the back gauge, crowning etc. The most important being the angle corrections that are required after each bend, usually for the first part in a series, in case the press brake is not fitted with an automatic angle measuring system. Lastly, if the operator decides to redo the step, he also has to do so on the screen, therefore walk towards it, make the adjustment and return to the bending location. In all of the above cases, additional convenience and time savings are ensured with the new approach. Other observations The test subjects also gave subjective comments on this new way of interacting. They said it was more “fun”. They also worried about the possibility of the screen being hit by the sheet metal part in certain cases. This would not pose a problem in the finished product as the CAM software would know about any possible collisions and move the screen to the side accordingly before a bend is performed [14]. The possibility of completely replacing the current controller with a ram-mounted one was also brought up, but this would require some additional tests and would possibly have other, not yet foreseen implications on the screen size, height adjustability, weight etc. B. Second test 1) Test setup: The second test was intended to get a better understanding of any possible time gains by creating a more realistic and complete simulation for the user. This test uses the same machine as the first, but an “invisible” human being can move the screen with strings attached to it and change the image to the next bending step wirelessly with a Smartphone tethered to the tablet via Bluetooth. This way the test subject who does the bending, experiences a simulation of a fully automated moving controller screen. This is sometimes referred to as a “Wizard of Oz experiment.” It allows for testing a prototype with a close to full functionality of the final product using a relatively easy to build and inexpensive prototype[10, 15]. The part being bent also has a more complex shape than the first one and has 10 bends, four tool locations and requires the user to move between locations five times after the first bend. Three users were filmed (two people + the author), each bending between two and three parts.

40

Figure 16. Second test setup

Figure 17. The “invisible” person, simulating the automation of the prototype.

2) Observations: Like in the first test, after this one, all the subjects claimed that the new system was easy to use and made no remarks about any problems they experienced or could potentially foresee. The numbers allow a few conclusions to be made; the actual time needed to bend the part differs between subjects. User 1 was the most experienced, he was also the one who did the programming for this part. Naturally he was the fastest, by far, with the old system as well as with the new, compared to the other test subjects. He knew the bending sequence almost by heart and, therefore, didn’t improve his time significantly for this particular part, using the new screen. Users 2 and 3, however, did see a significant improvement, ranging from 13,7% to 19,7%, see Table I. The number of head movements to the side and back with the old system ranged from 18 to 34 times during the entire bending process. With the new system the number of glances up and down was sometimes more, sometimes less than with that. The difference is however that the glances with the new screen all happened much faster. TABLE I.

CYCLE TIMES

41

User User 1 (D)

completion time (s) current screen

124

new screen

120

time gain

User 2 (V)

4

percentage gain

3,23%

current screen

228

new screen

183

time gain

45

percentage gain new screen

19,7% 192

time gain

User 2 (B)

36

percentage gain

18.8%

current screen

202

new screen

171

time gain

31

percentage gain

15,3%

new screen

175

time gain

27

percentage gain

13,4%

The limited number of test subjects and parts bent doesn’t imply that that the test results have any less significance. While it’s likely that the time gains for each part would diminish in large lot sizes, the recent trend dictates that a press brake is a machine that is used for high variance, low volume manufacturing (batch sizes often go from a few to a few dozen parts)[7, 16], especially with high-end press brakes, meant for complex 3D sheet metal parts. This makes any conclusions on any time gains with the new screen realistic. IV.

CONCLUSIONS

Considering that the CNC press brake is a machine that requires constant interaction with the operator, the objective at the beginning of this research was to improve that interaction without knowing exactly what and how big those improvements were going to be. The concept of using the new ram-mounted mobile screen makes working with a press brake easier and better in multiple ways. The better visibility, closer proximity and always the same location of the screen relative to the user has concrete benefits in terms of ease of use while at the same time reducing strain and fatigue as a likely long term benefit. A coincidental but an important benefit is safety because : 

the operator is less prone to making mistakes if he is more sure of the next action, because he has a better view of the screen



the operator doesn’t have to do any additional physical actions, repeatedly, that force him to look away from where the danger is.

Although different types of safety devices, like light curtains and camera systems, exist, they don’t guarantee absolute safety because they don’t work with all types of bends. There’s also the possibility of them not being set up properly or, in some cases, the safety devices are turned off entirely because some types tend to slow production down [4]. A third improvement is speed. Because of the easier and quicker interaction, the bending cycle times were reduced, especially with less experienced operators, which is useful as skilled operators are becoming increasingly harder to find [1]. Speed is a benefit in most types of machines, but even more so with a press brake as it is often the bottleneck in sheet metal production [16] as it takes much more time to bend a part than to cut it with a laser cutting machine. This suggests that this is indeed a useful way of increasing efficiency and effectiveness of a press brake outside of the areas where those improvements are usually achieved i.e. reducing setup time and improving accuracy.

42

In cases where the press brake is being used mostly to bend panels over the entire length of the machine, this concept becomes less useful because the user doesn’t employ as many tool positions and therefore doesn’t have to move a lot as he is usually positioned close to the middle of the machine where the control panel is located. ACKNOWLEDGMENT Haco n.v. provided the press brake and test subjects necessary for this research and is hereby gratefully acknowledged. Specials thanks go out to Olivier Rysman and José Coopman for their advice and support in this research. REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5]

[6] [7] [8]

[9] [10] [11]

[12]

[13] [14] [15] [16]

L. Brunner. (2003, May 19). Press brakes: the quest for a happy ending. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/press-brakes--the-quest-for-a-happy-ending W. Serruys, Plaatbewerking : stand van de techniek. Gullegem: LVD company, 2006, pp. 10, 102-106, 73-74, 80, 90, 95 L. Stanley, "Smart bending technology," FFJournal, May 2011 2011. T. Heston. (2008, May 15). Getting close, bending safe. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/getting-close-bending-safe (May 22). Accident search result page. Available: https://www.osha.gov/pls/imis/AccidentSearch.search?acc_keyword=%22Press%20Brake%22&keywor d_list=on Wizard191, "A schematic of a press brake with a back gauge. ," Press_brake_schematic.svg, Ed., ed, 2010. S. Ottens. (2011, May 2011) Digitizing the Press-Brake Bending Process. MetalForming Magazine, p. 32 R. Smyslo. ( 2011 May 27). Shrinking Volumes Focus Cost-Cutting on Press Brakes. Available: http://www.cimindustry.com/article/formingfabricating/shrinking-volumes-focus-cost-cutting-on-pressbrakes H. B. Kroemer and K. Kroemer-Elbert, Ergonomics, 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002, pp. 169-170 A. J. Dix, Human-computer interaction, 3rd ed. Harlow: Prentice-Hall, 2004, p. 17, 246 M. L. Thomas Lund, Karl Bang Christensen, Ute Bültmann, Ebbe Villadsen, "Physical work environment risk factors for long term sickness absence: prospective findings among a cohort of 5357 employees in Denmark," BMJ, vol. 332, 2006. R. H. Tola S, Videman T, Viikari-Juntura E, Hanninen K, "Neck and shoulder symptoms among men in machine operating, dynamic physical work and sedentary work.," Scand Journal Work Environ Health, vol. 14, pp. 299-305, 1988. B. Butchart. (2002, May 10). Using proper press brake setup procedures. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/using-proper-press-brake-setup-procedures R. Olexa, "Smart bending technology," FFJournal, Sep 2011 2010. (May 10). Wizard of Oz. Available: http://www.usabilitybok.org/wizard-of-oz J. V. M. Ollikainen, "Analysis of bending processes of sheet metal parts and improving themwith new investments - a Finnish case study " MECHANIKA, 2005.

43

Technische uitwerking Tablet De gebruikerstesten hebben aangetoond dat de gebruikte 7 s her zeer geschikt is voor deze toepassing. Dit is ook ongeveer de meest voorkomende grootte van gunstig geprijsde, doch performante tablets zoals Nexus 7 (2013 ), Kindle Fire HDX 7 en Ipad Mini. Er werd daarom gekozen om niet te experimenteren met grotere displays. Het grafisch vermogen van compacte en mobiele toestellen is in de recente jaren enorm toegenomen omwille van de populariteit van smartphones en tablets. Hierdoor is het mogelijk om zonder problemen de 3D CAM software van de controller op een tablet te kunnen draaien. De multi-touch interface is hierbij ook enorm geschikt om het 3D aanzicht te manipuleren.

Een ander aspect van compacte multimediatoestellen, dat enorm verbeterd is de laatste jaren, is de k aliteit a de display; op ee o pa te 7 display is een FullHD resolutie (1920px*1080px) met prachtige kleurweergave geen uitzondering meer, wat ervoor zorgt dat de visuele kwaliteit niet meer moet onderdoen voor grotere displays. Er bestaan verschillende touch screen technologieën, sommige functioneren minder goed indien er met handschoenen, vuil en vingers wordt gewerkt of indien er olie op het scherm komt. Ze hebben elk hun voor- en nadelen. De apa iti e ulti-tou h zoals i ele s her e ge ruikt voor consumentenelektronica zijn niet volledig ongevoelig aan stof en vuil, maar zouden goed genoeg moeten zijn voor deze toepassing (plooien van kleinere, complexe 3D stukken uit

44

propere staal plate . Er bestaat zelfs de mogelijkheid om met (speciale) handschoenen of met een stylus te werken. De IP (international protection) rating, moet wel hoger zijn dan die van de doorsnee consumenten elektronica indien de tablet veiligheidsfuncties moet kunnen bedienen. Een beschermingsgraad van IP54, zoals op de controller van de afkantpers zelf, lijkt dan aangeraden. Zo niet, dan zijn de meeste tablet voldoende beschermd. IP54:  

Aanrakingsveilig doordat de behuizing geheel dicht is. Geen volledige bescherming tegen stof maar wel voldoende om de goede werking niet te hinderen. Geen schade indien besproeid (10 l/min) onder eender welke hoek

Er moet een laadstation voorzien zijn waar de tablet zich kan opladen wanneer de machine niet in gebruik is. Dit heeft als voordeel dat er geen kabels en kabelrupsen moeten gebruikt worden die met het scherm mee moeten bewegen. Dit is gunstig voor de prijs en zorgt voor een compactere, eenvoudigere en mooiere constructie.

De beste manier is om draadloos laden toe te passen. Dit gebeurt d.m.v. inductie waardoor een spoel in het laadstation een elektromagnetisch veld opwekt in een andere spoel die zich in het toestel bevindt. Hierdoor wordt er stroom opgewekt waarmee de batterij opgeladen kan worden. Zo zal men nooit problemen ervaren met de connectoren die niet meer functioneren omwille van stof of vuil en zit alle elektronica volledig verborgen. Veel mobiele toestellen, in het prototype gebruikte ASUS NEXUS 7 incluis, gebruiken de QI standaard die een afstand van minstens 40mm tussen de twee spoelen en 5W kan leveren.

Qi compatible

45

Geleiding Vaak worden er in de machinebouw precisie lineaire geleidingen toegepast, gemaakt uit geslepen en gehard staal. De slede is gelagerd met kogellagers. Ze verzekeren precieze bewegingen, grote sterkte en nauwe toleranties. Ze worden daarom meestal in CNC toepassingen toegepast. In dit concept zijn zij echter overkill op vlak van nauwkeurigheid, sterkte, grootte en uiteindelijk de kostprijs. Een ander nadeel is dat ze regelmatig gesmeerd moeten zijn.

De vereisten die in deze toepassing worden gesteld zijn:  goede geleiding (laag wrijvingscoëfficiënt)  hoge levensduur  onderhoudsvrij  beperkt lawaai tijdens de werking  compacte bouw  lage prijs Er erd daaro gekoze oor ee droge geleidi g aar ee slede d. . . kuststoffe glijlagers o er een geanodiseerd aluminium extrusieprofiel kan glijden. IGUS is een fabrikant die gekend is voor zijn kunststoftechnologie, de keuze viel daarom op een compacte DryLin® W lineaire geleiding met een daarbij horende slede. Volgens de fabrikant gaat het om een geleiding die onderhoudsvrij, vuilbestendig en stil is en een hoge levensduur heeft. De prijs is, bovendien, een stuk lager dan bij eerder genoemde precisiegeleidingen. De constructie van deze geleiding, laat toe om de (6mm brede) riem tussen de slede en het profiel in te bouwen. Dit helpt weeral in het streven naar compacte inbouwafmetingen.

46

Aandrijving De doorgaans gebruikte aandrijvingen voor een lineaire beweging zijn:  rack and pinion (tandwiel en tandheugel)  kogelspindel  tandriem  ketting  lineaire (inductie)motor  pneumatisch

Lineaire (inductie)motoren vallen door de hoge prijs al meteen weg. Een ra k & pi io aandrijving valt ook weg omdat deze vereist dat de motor op de slede zou geplaatst worden. Dit is voor deze toepassing niet optimaal omdat:  het bewegend gedeelte zou van stroom moeten voorzien zijn d.m.v. kabels en daarbij horende kabelrupsen  de motor zijn eigen gewicht zou moeten aandrijven (eventueel een zwaardere motor nodig)  dit te veel plaats inneemt Een kogelspil is ook niet bruikbaar omdat de koers (±3 meter) veel te lang is t.o.v. de diameter, wat voor trillingen en een groot traagheidsmoment zorgt. Het vereist ook een complexere, minder compacte en duurdere constructie. Het is bovendien niet onderhoudsvrij. Een kettingaandrijving is goedkoop en compact, maar is ook niet onderhoudsvrij. Pneumatische positionering vereist persluchtvoorziening, is duur, vereist een complex regelalgoritme en is niet zo compact. Zo blijft er maar de tandriem aandrijving over. Deze is licht, relatief goedkoop, compact, onderhoudsvrij, stil en snel. Er werd gekozen voor een riem met een T2.5 profiel en 6mm breedte. Deze is gemaakt uit polyurethaan versterkt met staaldraden. Na de vereiste overbrengingsverhouding te hebben uitgerekend, werd er gekozen voor daarbij horende tandriemschijven van 16 tanden.

47

Motor en Drive Omwille van hun compacte afmetingen en het gemak van aansturen, zijn 3 types motoren geschikt voor deze toepassing:  DC servomotor,  (AC) servomotor  stappenmotor De AC servomotoren zijn vaak 3-fasige synchrone motoren, met en ingebouwde encoder. Ze zijn uiterst geschikt voor dynamische toepassingen met een hoge positioneernauwkeurigheid. Stappenmotoren zijn minder dynamisch, het koppel begint sterk af te nemen na 1000rpm en is minder nauwkeurig. Het voordeel is dat ze compact en goedkoper zijn omdat ze in een open kring werken. Voor deze toepassingen, echter, is een encoder toch vereist omdat het scherm tegengehouden zou kunnen worden door de operator, zonder dat de sturing dit weet. Dit zou de positionering verstoren. Daardoor valt het prijsvoordeel t.o.v. de AC servomotor gedeeltelijk weg. DC servomotoren worden vandaag minder gebruikt door de evolutie in de AC stuurelektronica. Er is uiteindelijk voor een AC servomotor gekozen omdat het eindwerkbedrijf dit verkiest om aan te sturen omwille van het gemak van snelheidsregeling. Specificaties: De snelheid van het scherm moet ongeveer gelijk zijn aan die van de z-as van de achteraanslag (back gauge) =1 m/s zodat de operator nooit op het scherm moet wachten.

Geg:   

snelheid v=1m/s tandriemschijf 1 en 2: z=16 tanden => overbrenging 1:1 stap p tandriem=2,5mm

Toerental n? 

48

  

⁄

⁄

⁄

Koppel M (Nm) en vermogen P(W)?    

Rendement η oor ee ta drie o er re gi g≈ .9 Straal r van de tandriemschijf=6.35mm Ges hatte assa a de last≤ kg



    

⁄

⁄

 Zelfs de kleinste AC servomotoren kunnen dit met gemak aan. Als er stof of vuil op de geleidingen komt, is het best om een motor te vinden die iets overgedimensioneerd is. Voor het eindproduct zou men met een motor van 50W @ 1500 rpm zeker voldoende moeten hebben. In het prototype werd een AC servomotor van 200 W gebruikt omwille van de beschikbaarheid.

Er zijn ook twee limitswitches vereist zodat de motor, bij het opstarten van de machine, referentie kan nemen in het geval dat het scherm manueel verplaatst zou zijn wanneer de machine niet aan lag.

49

Constructie Behuizing EISEN EN WENSEN De belangrijkste eisen voor een goede werking zijn:   

Scherm mag niet in de weg zitten tijdens het plooien: de constructie van de aandrijving moet zo compact mogelijk zijn Robuust: de constructie moet beschermd worden tegen stoten, stof en vuil Modulair: het concept moet toepasbaar zijn op alle lengtes van de machine

De belangrijkste wensen zijn:   

Een geïntegreerde, cleane, hightech look: liefst geen zichtbare mechaniek. Makkelijke assemblage Niet te duur

Er zijn twee manieren om deze eisen en wensen te verwezenlijken: 1. In de ram Door de volledige constructie volledig weg te werken, zodat ze zo vlak mogelijk met de voorkant van de ram komt en enkel het scherm er uitsteekt. Dit kan worden gedaan door de nodige inbouwruimte in de ram weg te frezen. Dit is uiteraard alleen maar mogelijk bij een compacte constructie zodat de hoeveelheid verwijderd staal beperkt blijft en de sterkte van de ram nauwelijks wordt verzwakt. In het zijaanzicht, als men de breedte van de basis van de stempel naar boven doortrekt, krijgt men een gebied waarin er niet gefreesd mag worden, tenzij heel plaatselijk en ver van het midden. Het frezen is op zich een dure bewerking, maar de ram moet sowieso gefreesd worden en die extra bewerkingen gebeuren dus in dezelfde setup (klemming en uitlijning van het te frezen stuk), wat de extra kost en productietijd enorm beperkt. Door alles in te bouwen, heeft men ook minder onderdelen nodig wat de assemblage enorm vereenvoudigt. Dit compenseert grotendeels ook de kost van het freeswerk.

50

Om zeker te zijn dat de doorbuiging niet teveel wordt beïnvloed door het wegfrezen van het materiaal, werden er een aantal eindige elementen sterkteanalyses uitgevoerd van een gewone ram en van het concept. De normale doorbuiging bij een gelijkmatig verdeelde belasting van 1500kN over een lengte van 3.1m is 0.2881mm. De doorbuiging na wegfrezen van extra materiaal bedraagt 0.2998. Het verschil is 0.0117mm. Dit is miniem en zal geen invloed hebben op het eindresultaat en zal opgevangen worden door de bombering (crowning). Normaal:

51

Concept:

2. Op de ram Door het systeem op de ram te monteren, heeft men slechts één echt voordeel: het is akkelijker o a hi es et zo systee te retrofitte . Dit weegt echter niet op tegen de nadelen, daarom werd er gekozen voor de oplossing 1. Modulariteit Dit concept is ook modulair in de zin dat de meeste onderdelen onafhankelijk van de lengte van de ram zijn. Bij een langere ram moet er een langere kamer uitgefreesd worden om de grotere koers te accommoderen. Daarnaast zal de riem en de lineaire geleiding ook langer moeten zijn. Opmerking: tijdens deze masterproef werd er altijd gewerkt met een plooibank van 150t 3.1m. Deze heeft een ram van 80mm dikte. Er bestaan echter ook lagere tonnages en kortere lengtes waar de ram dunner is (50mm). In die gevallen zal men het systeem niet volledig in de ram inbouwen, dit zou de ram te veel verzwakken.

52

VISUEEL ONTWERP

53

54

55

56

De bedoeling was om het ontwerp fysiek zo volledig mogelijk weg te werken, zodat enkel het scherm er uitsteekt, maar ook zodat men door middel van kleur of materiaalkeuze toch een verschil zou kunnen zien met een gewone ram. Enkel de afdekplaten zijn zichtbaar, dus die moeten zich onderscheiden van de machinekleur (licht grijs en blauw). Voor de grote afdekplaat is er gekozen voor een zilverkleurige verf of poederlak. De kleine plaat op de zijkant is in een felblauwe kleur geverfd om aan te tonen dat dit de locatie is waar de tablet zich draadloos kan opladen. Daar is ook ee logo a ireless hargi g aa ge ra ht. Zoals b.v.b deze (afkomstig van de ASUS website):

57

3D ONTWERP Verschillende constructiemogelijkheden werden getest in CAD om een realistisch beeld te krijgen van de afmetingen en het eindresultaat. Daarna werd er voor de eerder vermelde oplossing gekozen.

58

FINAAL PRODUCT Het produ t krijgt de aa

“y Vie

e wordt, samen met het HACO logo, op de ram geprint.

59

SAMENSTELLING

60

FINAAL PROTOTYPE Uit allerlei praktische overwegingen is het functioneel prototype niet in de machine zelf ingebouwd. Dit zou teveel geld en tijd kosten. Het zou ook niet mogelijk zijn om het prototype voor de jury te kunnen presenteren. Om dezelfde redenen is het prototype ook ingekort t.o.v. het productiemodel ±2m i.p.v. 3.1m. Het prototype wordt aangedreven door een AC servomotor en aangestuurd door een sturing, gekoppeld aan een AC servo drive. De positie wordt periodisch veranderd met behulp van een timer. Op de tablet wordt een PowerPoint met de plooivolgorde in automatische modus afgespeeld met dezelfde tijdsspanne tussen de slides als die van de timer. Op deze manier kan men een realistisch beeld krijgen van de uiteindelijke werking: het scherm gaat naar de juiste positie, daarna verandert het beeld naar de volgende stap. Dit wordt steeds opnieuw herhaald. Technische Tekeningen:

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

Video s De olge de li k er ijst aar ideo s a het finale prototype. https://www.dropbox.com/sh/v9gbn2no0ze6946/AACl6wMeXeiEky-7P0_kSRevaµ Computer render

77

Foto s

78

Kostprijsberekening Aankoop

Productie

Extra bewerking Verf/graphics Elektisch

Assemblage Totale prijs Prijs machine Meerprijs t.o.v. de verkoopsprijs Verkoopprijs SyncView Meerprijs

stuk lineair geleding wagen tandriem tandriemschijf klemblokje glijlagers dock/cover bevestigningartikels part01 part02 part03 part04 part05 part06 part07 part08 part09 Freeswerk

type/materiaal WSQ-06-30-3000 WW-06-30-06 T 2,5 B=6 T 2,5 z=16 Al JSM-06-06 Al of Kunststof Staal (Ck45) Staal (St37) 4mm Aluminium Staal (St 37) 4mm Staal (St 37) 2mm Staal (St 37) 2mm Staal (St 37) 2mm Staal (St 37) 2mm Aluminium in St 37

Motor Drive overige Tablet+lader werkuren

beschrijving aantal ee heidsprijs € su totaal € Productiemethode DryLin® W 1 100,59 100,59 DryLin® W 1 23,88 23,88 Tandriem PU 6mm breed 6 13,575 81,45 Tandriemschijf, geboord op maat 2 15 30 Klemblok T2,5 2 12 24 Kunststof glijlager 2 2,5 5 afscherming/docking station 1 20 20 bouten, sluitringen etc 5 As voor tandriemschijf 1 20 20 Draaien Wagenplaat 1 5 5 Laseren + boren + tappen Afstandsstuk 1 10 10 zagen + boren + tappen Schermbevestiging 1 5 5 Laseren + boren + tappen klemplaat voor riem 2 2 4 laseren + plooien Ashouder/riemspanner 1 2 2 laseren + plooien Grote afdekplaat 1 15 15 laseren + plooien kleine afdekplaat 1 5 5 laseren + plooien Beschermkader voor de tablet 1 200 200 CNC Frezen Extra freeswerk in ram 1 300 CNC frezen poederlakken, stickers etc. 1 100 100 AC servo ±50W @1500rpm 1 250 250 AC servo drive 1 300 300 kabels/limitswitches 1 30 1 300 300 totale loonkost per uur 8 45 360 2196 130000 1,69% 4392 3,38%

Voor ee a hi e et ee erkoopprijs a €, zal de meerprijs 3,4% of 5% zijn indien men deze optie wil verkopen aan twee respectievelijk drie keer de kostprijs. Met als argument dat men tot 25% rapper zou kunnen plooien, klinkt dit zeer aannemelijk. Het feit dat het product ergonomisch, veilig en innovatief is, is ook een sterk verkoopargument. Niet alleen kan dit ervoor zorgen dat er meer machines verkocht worden, maar de hoeveelheid winst op deze optie alleen is zeldzaam in de machinebouw en vooral in het segment van CNC plooibanken. Meestal kan men maximum 30% winst verwachten.

79

Marketing Dit product moet vooral op de markt van high-end machines aangeboden worden aan klanten die een lange machine (>2.5m) willen om complexe 3D stukken met veel plooien en uit dunnere plaatdiktes (tot ±6mm) te kunnen plooien. De troeven die moeten worden aangehaald zijn: toegenomen plooisnelheid, meer veiligheid en ergonomie: FAST, SAFE, ERGONOMIC. Dit concept moet in beweging gezien worden om de meerwaarde ervan te volle te kunnen appreciëren, het zal daarom vooral de opdracht zijn om op vakbeurzen de sho te stele et li e de o s, alsook splits ree ideo s te ge ruike o de huidige manier en het concept naast elkaar te kunnen vergelijken.

80

Besluit De onderzoeksvraag luidt Hoe kan gebruiksvriendelijkheid en efficiëntie van een Haco CNC plooibank verbeterd worden? Het was van groot belang om de werkingsprincipes en state of the art van een moderne CNC plooibank goed te begrijpen om iets aan de machine te kunnen verbeteren. Tijdens de onderzoekfase leek het nuttig om zich toe te spitsen op iets wat veel producenten minder aandacht aan besteden; de interactie tussen de operator en de machine. Het probleem dat de nodige plooi-informatie niet op een optimale manier werd weergegeven, werd opgelost met een scherm dat zicht altijd automatisch voor de operator positioneert. Zo moet hij geen onnodige fysieke handelingen uitoefenen. Dit heeft als gevolg, bevestigd door de gebruikerstesten, dat het plooien rapper gebeurt, zonder ook maar iets aan de huidige machineparameters (snelheid, kracht, etc.) te veranderen. Een extra voordeel is dat de veiligheid ook hoogstwaarschijnlijk is toegenomen door dat de operator in dezelfde richting kijkt als waar hij plooit. De kostprijs van het eindresultaat is relatief laag t.o.v. verkoopprijs van de machine, wat er voor zorgt dat dit, economisch gezien, ook haalbaar is. Sterker nog, men zou het concept met meer winst kunnen verkopen dan gebruikelijk is binnen deze sector.

81

Human Machine Interaction in a CNC Press Brake Higher efficiency, usability and safety of bending operations through improvement of the interaction between the machine and the machine operator

Valentin Bejenar Student Master of Science in Engineering: Industrial Design UGent, campus Graaf Karel De Goedelaan Kortrijk, Belgium [email protected] Abstract— For many companies, the migration of production of sheet metal parts overseas [1] and an increasing competition on the market of industrial metal forming machines due to cheap labor costs in China, necessitates other ways for manufacturers to compete compared to those in the past. Leading in pricing, delivery times and basic functionality of machines is becoming ever more difficult. Today, manufacturers concentrate more on quality over quantity, versatility, automation, labor and material efficiency of their machines to cope with increasing demands for shorter lead-times and smaller inventories in sheet metal production [1]. Skilled labor has become increasingly less available so it is important that it is employed as efficiently as possible [1]. Not to be overlooked are the social evolutions in the labor force; in many western countries, the pension age is steadily increasing which means that it’s more important than ever that companies focus on making the work of their employees as pleasant and sustainable as possible, especially when that work involves manual labor. On the market of CNC press brakes, many machine manufacturers offer similar capabilities in terms of speed and bending accuracy and with most new improvements they concentrate on reducing the setup times and making a sheet metal part correctly from the first try, thus improving efficiency [1]. In this paper another area is examined and improved; the operator-machine interaction during the bending operation itself. After observing several machine operators, the focus was placed more on how the information to the user is being communicated and much less on the exact layout of the software. A solution is proposed consisting of a small touchscreen that is mounted on the ram of a press brake and automatically moves along the length of the ram to the correct location for each bend to be performed. This way the user always has access to the necessary information during the actual bending process right in front of him. This concept was tested in several setups and the conclusions point towards a reduced amount of time per bending operation i.e. faster cycle time, improved usability due to a reduction of physical strain and the likelihood of improved safety. Keywords-component; press brake, efficiency, safety, ergonomics, sheet metal, user interface, controller, CNC, mobile screen, operator, usability, user-friendly

I.

INTRODUCTION

A press brake uses hydraulic or electric power to bend sheet metal blanks of various sizes and thicknesses into shapes. This is done by pressing down a metal beam on which one or several punches are fixed that in turn press the sheet metal into a die (usually V-shaped). Thus it is possible to achieve bends of different angles with a single V-die, determined by how far down the punch is pressed. This is called air bending [2]. Alternatively only one specific angle per die can be achieved by pressing the punch all the way to

Olivier Rysman University of Ghent, campus Kortrijk Ugent, departement Industrial Design Center Kortrijk, Belgium [email protected] the bottom of the V-die [2]. This is called bottoming. The height of the bend is determined by the back gauge i.e. how far the sheet metal plate is slid into the machine. Air bending is the most versatile and very complex 3D sheet metal structures can be achieved this way [2, 3]. Some of the machine parameters are tonnage, bending length, speed, stroke length and the number of axes on the back gauge.

Figure 1. A hydraulic 150 ton 3.1 meter CNC press brake

Figure 2. An example of a complex 3D sheet metal part

A press brake differs from other metal forming machines, like a punching machine or a laser cutter, in that after the programming of the part and the tool setup, it requires extensive manual input from the operator [4] while at the same time it must provide him with all the necessary information for each bend. During the actual bending process, the operator interacts with the machine in two ways. Firstly, the sheet metal part has to be manually manipulated into the correct position and location; this is determined by the location of the appropriate tool for the bend on the machine and the position

of the back gauge [2]. The operator must take care with the placement of the hands, even though most modern press brakes are equipped with an optical light barrier that should be able to detect a finger or a hand between the punch and the die, thus stopping the downward movement of the punch. This protection stops working if the beam is interrupted in which case the downward movement of the punch stops. It is possible to continue the bending operation but in a slower, safer speed [2]. Operator safety should be the number one concern when operating a press brake. Because the operator moves his fingers close to the punch and die, the injuries can be severe, even lethal [4, 5].

II.

PRODUCTION PROCESS

A. Overview The process of creating a sheet metal part with a CNC press brake usually consists of the following steps [2]: 1.

CAD: drawing the sheet metal part in a 3D CAD program.

2.

CAM unfolding: generating a flat pattern for a sheet metal cutting machine, material selection, tool allocation and positioning, automatic generation of the bending sequence.

3.

CAM bending: visual representation of the sheet metal part and the machine. The operator can change certain production parameters here like angle compensation, delay etc.

4.

Press Brake: physically bending the actual sheet metal part.

Some controllers allow for simple 2D parts to be drawn directly on the press brake controller.

Figure 3.A schematic of bending with a press brake[6]

Figure 4. Operator’s hands are close to the moving parts

Secondly, the operator must look at the 3D visual representation of the part placement on the screen of the control panel, which is mounted on the left or right side of the vast majority of press brakes on an (adjustable) swing arm, to make sure that the part is positioned correctly [7]. Only then, a footswitch must be pressed to execute the bend. Both these interactions are equally important to prevent physical harm to the operator, damage to the machine and ultimately to ensure that the part is bent correctly.

B. Efficiency and effectiveness All press brakes are manufactured for the same basic purpose i.e. giving form to flat, pre-cut sheet metal blanks. There are, however, several differences in how they actually achieve that goal. Machines vary in terms of what type of forms can be achieved, how good the resulting product is and how fast a part can be produced. Several factors contribute to the efficiency and effectiveness of a press brake. On one hand, there are the purely technical parameters like speed, precision and tool types but axis speeds can’t be improved indefinitely due to safety regulations, making it difficult to make the machine actually bend faster [8]. So manufacturers tend to focus on reducing the setup time and first time accuracy to improve efficiency and effectiveness [8]. These are determined, in large part, by the CAM software, the use of quick change tool clamping systems and precision ground tools [1, 7, 8]. There are, likely, some operator interactions whose influence on the efficiency and effectiveness of a press brake is overlooked. This would be less than ideal because, as mentioned earlier, the operator is an integral part in the sheet metal bending process. Constant actions and inputs are required, not only during setup (programming, tool positioning etc.), but during the bending process itself. The controller is one thing that the operator is in constant interaction with and could therefore, potentially, impact greatly on the efficiency and effectiveness of the bending process as well as on the ease of use (ergonomics) and safety. Some of the relatively recent improvements in interaction with a CNC controller are things like 3D graphics representation, touchscreen interface and LEDs to show tool positions, all of which have reduced the level of experience and skill needed from the operator [1, 7]. III.

FOCUS ON THE INTERACTION WITH THE CONTROLLER DURING BENDING OPERATIONS

Usually, the only interaction with the controller during bending operations, is looking at the monitor that shows a 3D graphics representation of the press brake or a part thereof with the tools, the sheet metal part and the correct way to position that part against the back gauge.

subjects, each bending between two and five pieces. The part required the user to change location four times after the first bend.

Figure 5. An example of a 3D representation of a bending step, displayed on a CNC controller

The objective was to study where the user-machine interaction could be improved and during observation of several machine operators it was immediately apparent that the information wasn’t being transmitted in an ideal way. The operator is constantly moving around while the controller hangs at the side of the machine and although its position can be adjusted somewhat using an articulated arm, he still has to look 90 degrees to the side to observe the screen while the actual manual positioning of the part has to happen in front of the him. This back and forth head movement often happens several times per bend until the user feels he understand what he must do. The apparent drawbacks are:

The prototype consisted of a seven inch computer tablet that was mounted on a rail which in turn was mounted directly on the ram of the press brake. The screen displayed a slideshow of screen captures of the 3D representations of all the bending steps, taken form the press brake’s CAM software. The images displayed the part and the required orientation for each bending operation. The screen could be manually slid right in front of the bending location on the machine and the next screen capture could be selected by tapping the tablet’s touchscreen. This way the operator had all the necessary information right in front of him at a distance of 30 to 50cm from the eyes when he was making the bend. By contrast, on existing machines, the images are displayed on the left or right side of the user up to several meters away, depending on the where the bend is being performed.

•

The perceived size of the 3D image depends on the operator’s location, which, potentially, reduces visibility and increases time needed to understand the image. • It is physically more inconvenient to turn your neck and head back and forth to the side all the time • It is potentially dangerous to look in a completely different location from the bending area so often, especially while positioning the part. By analyzing this problem a concept for a moving monitor, mounted directly on the ram of the machine, was imagined. The monitor would move automatically to the correct location for each particular bending step and provide the needed information right in front of the user, close to the eye level and move to the next bending location after the previous bend is completed.

Figure 7. The operator looks to the side for information on the existing controller

Several tests were conducted in order to evaluate the feasibility and usefulness of this concept.

A. First test 1) Test setup: The purpose of this test was to assess the use of a small ram-mounted monitor first and foremost. The tests were filmed with the permission of the test subjects. The conventional way of bending was also filmed to make a comparison between the two. The test was conducted on a 150 ton, 3.1 meter CNC press brake with a 4-axis back gauge. The part contained eight bending steps for which four tool location were needed. There were three (two people + the author) test

Figure 8. The tablet showing a screen capture from the controller of a bending operation

Figure 8. The operator looks at the prototype screen

Figure 12 A schematic of the press brake and the user location.

The closer an object is to the eye, the bigger the visual target size. This is expressed by the visual angle α (in degrees) in equation (1) [9]. α = 2×Arctan(0.5×L×D-1) Figure 9. The operator manipulates the part to match the orientation on the screen

(1)

The two things that influence the visual angle are distance D from the eye to the target and the linear length L of the target. The same visual angle can be attained with a smaller screen when viewed from a closer distance. The visual angle is therefore one of the measures that determines how well an image can be seen at a distance.

Figure 10. The operator performs the bending operation

2) Observations: Visual angle The visibility on the smaller tablet screen is at the least as good as with the larger controller and gets better the farther the operator has to stand from the side of the machine, where the control panel is located. This has to do with the visual angle. Figure. 13 Comparison of visual angles in relation to the location of the operator (distance from the screen)

Figure 11. Visual angle-target size relationship[9, 10]

Fig.13 shows a comparison of the new screen (L=7”) mounted in front of the operator and the current screen (L=15”) of the control panel mounted on the side of the machine. Even though the current controller can be moved closer to the middle on some machines, in a limited way, it’s not always useful to do so if the entire length of the machine is being used because

it requires the user to pivot and move the screen between some bending operations, which requires time and effort. This particular case shows that the visual angle of the smaller screen is bigger as soon as the operator moves farther than around 80 cm away from the side of the machine, where the conventional controller is located. When the operator uses the entire length of the machine, which can be 5m and more, when bending parts that require several different tools and positions, this appears to be a big improvement on the current system. Even, for example, in the middle of a 5m machine, the viewing angle is already about 3 times bigger with the new approach. User comfort When positioning for a bend, it appears to be much easier and faster to glance up to the screen, which is always at the same distance to the eyes, and down to the part, compared to looking to the side and back, repeatedly, by turning the head, neck and torso. Some studies even suggest that twisting the head and neck excessively increases the risk of long term shoulder and neck symptoms [11, 12]. Time gains The flow charts in Fig. 14 and Fig. 15 represent the bending process with the current and the proposed way. The possible increase in efficiency would result from needing less time to glance up and down as opposed to turning the head to the side and back and possibly needing less time to focus on the image that’s located a constant, closer distance away. However, this test is not well suited for determining any time gains in a precise manner as some of the would-be automatic actions have to be performed by the test subject. Still, some limited conclusions can be drawn, by subtracting the manual actions of moving the tablet and changing the displayed image, by observing the time code on the video recording. The time needed to bend the part was reduced by at least 10% for all the users.

Figure 14. Flowchart of the current bending process

Figure 15. Flowchart of the bending process using the concept screen

Sometimes, the user has to deviate from the flowcharts shown in Fig. 14 and Fig. 15. It’s possible, with some complex

parts, that one perspective view of the setup is not sufficient to understand how a part should be positioned. In that case, the user has to rotate the view on the screen using the touch interface to get a better understanding of the bending step. Naturally, that’s easier and faster to do if a screen is located within an arm’s reach in front of the user and near the area of operation as opposed to sever meters away from it. Several other parameters could need adjusting during the bending process, all of which require the operator to move away from the bending location and towards the screen to make the changes. After making a test bend, the operator can chose to correct the program [13], by adjusting the bending speed, positions of the back gauge, crowning etc. The most important being the angle corrections that are required after each bend, usually for the first part in a series, in case the press brake is not fitted with an automatic angle measuring system. Lastly, if the operator decides to redo the step, he also has to do so on the screen, therefore walk towards it, make the adjustment and return to the bending location. In all of the above cases, additional convenience and time savings are ensured with the new approach. Other observations The test subjects also gave subjective comments on this new way of interacting. They said it was more “fun”. They also worried about the possibility of the screen being hit by the sheet metal part in certain cases. This would not pose a problem in the finished product as the CAM software would know about any possible collisions and move the screen to the side accordingly before a bend is performed [14].

Figure 16. Second test setup

The possibility of completely replacing the current controller with a ram-mounted one was also brought up, but this would require some additional tests and would possibly have other, not yet foreseen implications on the screen size, height adjustability, weight etc. B. Second test 1) Test setup: The second test was intended to get a better understanding of any possible time gains by creating a more realistic and complete simulation for the user. This test uses the same machine as the first, but an “invisible” human being can move the screen with strings attached to it and change the image to the next bending step wirelessly with a Smartphone tethered to the tablet via Bluetooth. This way the test subject who does the bending, experiences a simulation of a fully automated moving controller screen. This is sometimes referred to as a “Wizard of Oz experiment.” It allows for testing a prototype with a close to full functionality of the final product using a relatively easy to build and inexpensive prototype[10, 15]. The part being bent also has a more complex shape than the first one and has 10 bends, four tool locations and requires the user to move between locations five times after the first bend. Three users were filmed (two people + the author), each bending between two and three parts.

Figure 17. The “invisible” person, simulating the automation of the prototype.

2) Observations: Like in the first test, after this one, all the subjects claimed that the new system was easy to use and made no remarks about any problems they experienced or could potentially foresee. The numbers allow a few conclusions to be made; the actual time needed to bend the part differs between subjects. User 1 was the most experienced, he was also the one who did the programming for this part. Naturally he was the fastest, by far, with the old system as well as with the new,

compared to the other test subjects. He knew the bending sequence almost by heart and, therefore, didn’t improve his time significantly for this particular part, using the new screen. Users 2 and 3, however, did see a significant improvement, ranging from 13,7% to 19,7%, see Table I. The number of head movements to the side and back with the old system ranged from 18 to 34 times during the entire bending process. With the new system the number of glances up and down was sometimes more, sometimes less than with that. The difference is however that the glances with the new screen all happened much faster. TABLE I.

CYCLE TIMES

User User 1 (D)

completion time (s) current screen

124

new screen

120

time gain

User 2 (V)

3,23%

current screen

228

new screen

183

time gain

45

percentage gain

User 2 (B)

4

percentage gain

19,7%

new screen

192

time gain

36

percentage gain

18.8%

current screen

202

new screen

171

time gain percentage gain

31 15,3%

new screen

175

time gain

27

percentage gain

A coincidental but an important benefit is safety because :

CONCLUSIONS

Considering that the CNC press brake is a machine that requires constant interaction with the operator, the objective at the beginning of this research was to improve that interaction without knowing exactly what and how big those improvements were going to be. The concept of using the new ram-mounted mobile screen makes working with a press brake easier and better in multiple ways. The better visibility, closer proximity and always the

•

the operator is less prone to making mistakes if he is more sure of the next action, because he has a better view of the screen

•

the operator doesn’t have to do any additional physical actions, repeatedly, that force him to look away from where the danger is.

Although different types of safety devices, like light curtains and camera systems, exist, they don’t guarantee absolute safety because they don’t work with all types of bends. There’s also the possibility of them not being set up properly or, in some cases, the safety devices are turned off entirely because some types tend to slow production down [4]. A third improvement is speed. Because of the easier and quicker interaction, the bending cycle times were reduced, especially with less experienced operators, which is useful as skilled operators are becoming increasingly harder to find [1]. Speed is a benefit in most types of machines, but even more so with a press brake as it is often the bottleneck in sheet metal production [16] as it takes much more time to bend a part than to cut it with a laser cutting machine. This suggests that this is indeed a useful way of increasing efficiency and effectiveness of a press brake outside of the areas where those improvements are usually achieved i.e. reducing setup time and improving accuracy. In cases where the press brake is being used mostly to bend panels over the entire length of the machine, this concept becomes less useful because the user doesn’t employ as many tool positions and therefore doesn’t have to move a lot as he is usually positioned close to the middle of the machine where the control panel is located. ACKNOWLEDGMENT

13,4%

The limited number of test subjects and parts bent doesn’t imply that that the test results have any less significance. While it’s likely that the time gains for each part would diminish in large lot sizes, the recent trend dictates that a press brake is a machine that is used for high variance, low volume manufacturing (batch sizes often go from a few to a few dozen parts)[7, 16], especially with high-end press brakes, meant for complex 3D sheet metal parts. This makes any conclusions on any time gains with the new screen realistic. IV.

same location of the screen relative to the user has concrete benefits in terms of ease of use while at the same time reducing strain and fatigue as a likely long term benefit.

Haco n.v. provided the press brake and test subjects necessary for this research and is hereby gratefully acknowledged. Specials thanks go out to Olivier Rysman and José Coopman for their advice and support in this research. REFERENCES [1]

[2]

[3] [4]

L. Brunner. (2003, May 19). Press brakes: the quest for a happy ending. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/pressbrakes--the-quest-for-a-happy-ending W. Serruys, Plaatbewerking : stand van de techniek. Gullegem: LVD company, 2006, pp. 10, 102-106, 73-74, 80, 90, 95 L. Stanley, "Smart bending technology," FFJournal, May 2011 2011. T. Heston. (2008, May 15). Getting close, bending safe. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/gettingclose-bending-safe

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10] [11]

[12]

[13]

[14] [15] [16]

(May 22). Accident search result page. Available: https://www.osha.gov/pls/imis/AccidentSearch.searc h?acc_keyword=%22Press%20Brake%22&keyword _list=on Wizard191, "A schematic of a press brake with a back gauge. ," Press_brake_schematic.svg, Ed., ed, 2010. S. Ottens. (2011, May 2011) Digitizing the PressBrake Bending Process. MetalForming Magazine, p. 32 R. Smyslo. ( 2011 May 27). Shrinking Volumes Focus Cost-Cutting on Press Brakes. Available: http://www.cimindustry.com/article/formingfabricati ng/shrinking-volumes-focus-cost-cutting-on-pressbrakes H. B. Kroemer and K. Kroemer-Elbert, Ergonomics, 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002, pp. 169-170 A. J. Dix, Human-computer interaction, 3rd ed. Harlow: Prentice-Hall, 2004, p. 17, 246 M. L. Thomas Lund, Karl Bang Christensen, Ute Bültmann, Ebbe Villadsen, "Physical work environment risk factors for long term sickness absence: prospective findings among a cohort of 5357 employees in Denmark," BMJ, vol. 332, 2006. R. H. Tola S, Videman T, Viikari-Juntura E, Hanninen K, "Neck and shoulder symptoms among men in machine operating, dynamic physical work and sedentary work.," Scand Journal Work Environ Health, vol. 14, pp. 299-305, 1988. B. Butchart. (2002, May 10). Using proper press brake setup procedures. Available: http://www.thefabricator.com/article/bending/usingproper-press-brake-setup-procedures R. Olexa, "Smart bending technology," FFJournal, Sep 2011 2010. (May 10). Wizard of Oz. Available: http://www.usabilitybok.org/wizard-of-oz J. V. M. Ollikainen, "Analysis of bending processes of sheet metal parts and improving themwith new investments - a Finnish case study " MECHANIKA, 2005.