KR102491705B1 - 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속도 센서를 사출성형금형에 볼트로 부착하여 사출성형 중 금형의 진동 신호의 진폭 변화를 측정하여 사출시간과 보압시간을 산출하고, 마그네틱 홀 센서를 이용하여 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하고 사이클 타임과 냉각시간을 측정하여 사출성형공정을 모니터링함으로써 설치 및 유지보수가 간단하고 설치비용을 절감할 수 있는 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법{Injection molding processing monitoring system and method}

본 발명은 가속도 센서, 온도 센서, 마그네틱 홀 센서를 사용하여 사출성형 중 금형의 진동 신호와 금형 표면의 온도를 측정하여 공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법이며, 보다 상세하게는, 가속도 센서를 사출성형금형에 부착하여 사출성형 중 금형의 진동 신호의 진폭 변화를 측정하여 사출시간과 보압시간을 산출하고, 마그네틱 홀 센서를 이용하여 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하고 사이클 타임과 냉각시간을 측정 분석하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 플라스틱 사출성형 공정은 다른 제조 공정과 비교하여 보다 짧은 생산 시간을 가지며 대량 생산이 용이하다는 장점을 가진 공정으로 플라스틱을 용융점 이상의 온도로 가열하여 높은 속도와 압력으로 금형 내의 형상으로 사출하는 공정을 모니터링하는 것이다.

그러나 성형제품의 형상이 복잡해지고 고정밀 제품의 수요가 높아지면서 해당 장점들이 단점으로 작용할 수 있고, 공정 특성 상 성형온도, 금형온도, 사출속도, 보압 등의 공정변수가 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소들로 작용하기 때문에 해당 변수들과 관련한 인자들을 모니터링하여 양질의 제품을 균일하게 생산하는 것은 매우 중요하다.

대표적으로는 사출성형 중에 금형 내로 충전되는 용융 수지의 압력이나 온도를 측정하여 거동을 모니터링하는 방법들이 연구되고 있다.

이러한 방법들은 금형 내로 충전되는 용융 수지의 정보를 센서를 통해 직접 측정하기 때문에 정확한 공정 정보를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 측정 센서와 시스템이 용융 수지의 고온 및 고압 상태를 견딜 수 있어야 하고, 복잡한 금형 내에 센서를 설치하는 부가적인 구조의 설계가 필요하고, 센서의 소형화가 구현되어야하기 때문에 기술의 도입 비용이 높다는 문제점이 있어 일반 산업 현장에 적용하기에는 많은 어려움이 있다.

대안적인 방법으로 샷 카운터를 이용하여 금형의 형폐와 형개 신호를 획득하여 전체 생산 제품의 수량과 사이클 타임의 측정으로 공정과 제품의 품질을 모니터링하는 방법이 산업 현장에서 사용되고 있다.

이러한 방법의 경우에는 금형 표면에 기기를 탈부착하는 방식으로 구조의 제약이 없으며 저비용의 장점이 있는 반면, 단순하게 금형의 형폐와 형개 신호만을 측정하기 때문에 사출성형공정과 제품의 품질을 평가하기 위한 정보가 부족하여 정확한 공정 정보를 얻을 수 없는 문제점이 있다.

또한, 다양한 형상과 크기를 가진 부품 또는 제품을 제 시간에 항상 균일한 품질로 공급받기 위하여서는 복수의 국가에 복수의 생산기지를 둘 수 있으며, 각각의 생산기지에서 공급하는 제품의 품질 및 생산량을 효율적으로 관리하는 것은 매우 중요하다.

복수의 국가에 생산기지를 둘 경우에는 생산 비용을 줄이기 위하여 수지를 금형에 주입하는 주입속도를 설정된 속도보다 높이거나, 금형의 온도 변화를 설정된 값과 다르게 적용하거나, 또는 하나의 수지 주입구로 다수의 금형에 주입하는 등의 설정된 규칙과 수치를 서로 다르게 변형 적용함에 의하여 제품의 균일성 및 품질을 떨어뜨려 제품의 신뢰성 및 내구성 등을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 다양한 문제점을 효율적으로 해결하기 위하여 기존 또는 새로운 금형에 용이하게 적용할 수 있으며, 사출성형되는 제품의 품질 및 생산량을 효율적으로 관리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

대한민국 등록특허공보 제10-2266747호 대한민국 등록특허공보 제10-1183283호 미국특허 제8,899,955호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 금형의 진동 신호가 가진 진폭의 변화를 감지하는 가속도 센서와, 금형 표면의 온도를 측정하는 온도 센서를 탑재한 센서 모듈을 금형 일측에 부착하여 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 사출성형공정에서 각 공정단계의 전환 시에 발생하는 진동 신호를 측정하고, 시간의 흐름에 따른 진동 신호에 포함된 진폭의 변화를 이용하여 진폭변화가 발생하는 신호들사이의 시간 간격을 분석하여 공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링용 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 추가적으로 금형 표면의 온도 변화를 측정하기 위하여 온도 센서를 센서 모듈에 함께 설치하여 편의성과 저비용의 장점을 가지면서 기존의 공정 정보 부족 문제를 개선하여 보다 정확하게 사출성형공정 상태를 모니터링할 수 있는 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 가속도 센서와 온도 센서가 실제 금형의 정보를 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 금속 재질로 설계 제작하고 볼트로 견고하게 체결 고정하여 진동 신호의 왜곡 및 감쇠를 최소화하도록 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 센서 모듈의 가속도 센서에서 감지된 진동신호의 진폭변화로부터 진폭 변화가 생기는 시점을 획득하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점의 시간을 측정하여 공정 모니터링 정보를 산출하여 적용하여 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 금형의 일측에 설치되어 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동 신호를 측정하기 위한 센서 모듈과, 센서 모듈에서 측정한 금형의 진동신호를 수신하고, 센서 모듈의 센서를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 센서 모듈에서 측정된 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하여 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 센서 모듈에는 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서와, 금형의 표면 온도를 측정하는 온도 센서와 마그네틱 홀 센서가 함께 내장된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 사출성형공정을 모니터링하기 위하여 금형의 진동 신호에서 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송되도록 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하고, '보압절환' 시간과 '사출시작' 시간의 차이를 '사출시간'으로, '보압종료' 시간과 '보압절환' 시간의 차이를 '보압시간'으로 정의하여 사출성형공정을 모니터링하도록 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화를 모니터링하는 구성이 부가된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 마그네틱 홀 센서는 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하며, 감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록하고, 각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 비교 분석하는 구성이 부가된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡 없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 가동측 금형 표면에 자석이 설치되고, 설치된 자석이 고정측 금형 표면에 설치된 마그네틱 홀 센서에 접근하여 형폐가 되면, 홀 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하고, 홀 센서로부터 멀어져 형개가 되면, 마그네틱 홀 센서에서 'OFF'의 의미로 '0' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 신호를 전송하도록 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 신속한 데이터 처리를 위하여, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 소정의 규칙에 따라 데이터 배열로 전송 처리하여 신속하면서 정확하게 사출성형공정을 모니터링하도록 구성된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 제어부는 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상으로 전송하기 위하여 블루투스를 포함하는 무선 통신부를 구비한 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 사출성형공정에서 발생하는 진동 신호의 감쇠를 방지하기 위하여 사출성형 시 용융 수지의 압력과 스크류 동작에 의한 진동 신호를 정확하게 측정할 수 있도록 금형의 고정측 베이스에 센서 모듈이 설치된 사출성형공정 모니터링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 금형의 일측에 센서 모듈을 설치하여 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동 신호를 측정하는 단계와, 센서 모듈에서 측정한 금형의 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 센서 모듈에 내장된 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서에서 측정한 진동신호와, 센서 모듈에 내장된 온도 센서로 금형의 표면 온도를 측정하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 사출성형공정을 모니터링하기 위하여 금형의 진동 신호에서 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하는 단계와, '보압절환' 시간과 '사출시작' 시간의 차이를 '사출시간'으로, '보압종료' 시간과 '보압절환' 시간의 차이를 '보압시간'으로 정의하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 마그네틱 홀 센서로 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하는 단계와, 감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록하는 단계와, 각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 계산하여 비교하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡 없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 제작하는 단계를 포함하는 사출성형공정 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 가속도 센서와, 금형 표면의 온도를 측정하는 온도 센서를 탑재한 센서 모듈을 기 설치된 금형 또는 새로이 설치되는 금형 일측에 부착하여 금형의 진동 신호가 가진 진폭의 변화를 감지하고, 금형의 온도를 감지하여 사출성형공정을 모니터링함으로써 생산 제품 품질의 균일성 및 신뢰성을 향상시키는 상승된 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 가속도 센서가 내장된 센서 모듈을 금형 일측에 부착하여 사출성형공정에서 각 공정단계의 전환 시에 발생하는 시간의 흐름에 따른 진동 신호에 포함된 진폭의 변화를 이용하여 진폭변화가 발생하는 신호들사이의 시간 간격을 분석하여 사출성형공정을 모니터링함으로써 센서 모듈을 포함하는 사출성형공정 모니터링 시스템의 설치비용을 줄이고 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 센서 모듈에 추가적으로 금형 표면의 온도 변화도 측정하기 위하여 온도센서를 함께 설치하여 편의성과 저비용의 장점을 가지면서 기존의 공정 정보 부족 문제를 개선하여 보다 정확하게 사출성형공정의 상태를 모니터링할 수 있는 상승된 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 금속 재질로 설계 제작하고, 볼트로 견고하게 체결 고정함으로써 센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서가 실제 금형의 정보를 정확하게 전달받을 수 있고 진동 신호의 왜곡 및 감쇠를 최소화할 수 있는 상승된 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 상기 센서 모듈의 가속도 센서에서 감지되는 진동신호에서 시간의 흐름에 따라 발생하는 진폭변화로부터 진폭 변화가 생기는 시점의 데이터를 획득하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점사이의 시간을 측정하는 알고리즘을 이용하여 사출성형공정 모니터링 정보를 산출 적용함으로써 사출성형공정 모니터링의 정확성 및 신뢰성을 높이는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가속도 센서가 내장된 센서 모듈, 자석부 및 제어부가 금형 일측에 부착된 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 구현을 위하여 채용된 가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)을 나타낸 것이다.
도 3은 가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)의 사양을 나타낸 것이다.
도 4는 세로축이 진동 신호의 진폭(크기)으로 가속도(g)를 나타내고, 가로축은 사출성형이 진행되는 시간을 나타내는 시간(sec)축이며, 측정시간은 0 ∼ 25 초사이의 금형의 진동신호이다.
도 5는 도 4의 진동신호에서 세로축은 도 4와 동일하고, 사출성형이 진행되는 시간을 나타내는 시간(sec)축을 2 ∼ 5초사이에 발생한 금형의 진동신호부분만으로 확대한 것이다.
도 6은 본 발명에 채택된 온도 센서 DFR0024 module의 사양을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 채택된 ATmega328 마이크로칩이 내장된 아두이노 나노 보드의 사양을 나타낸 것이다.
도 8은 센서 모듈과 모니터링 장치사이의 통신 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 제작된 자석부, 가속도 센서 및 온도 센서로부터 획득된 사출성형공정을 분석 평가할 수 있는 데이터의 배열을 나타낸 것이다.
도 10은 모니터링 데이터의 신뢰성과 정확성을 평가하기 위하여 복수의 서로 다른 성형조건을 적용한 예를 나타낸 것이다.
도 11은 수지의 주입속도 변화에 따른 사출시작, 보압시작 및 보압종료 시간(sec)의 변화를 측정한 진동신호이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다.

본 발명은 가속도 센서, 온도 센서, 마그네틱 홀 센서를 사용하여 사출성형 중 금형의 진동 신호와 금형 표면의 온도를 측정하여 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 구체적인 실시 예를 살펴본다.

<실시 예>

본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다.

도 1은 본 발명에 따른 가속도 센서가 내장된 센서 모듈, 자석부 및 제어부가 금형 일측에 부착된 모습을 나타낸 것이다.

본 발명 구현을 위하여 채용된 가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)을 나타낸 것이다.

도 3는 가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)의 사양을 나타낸 것이다.

본 발명 명세서 상에서, '가속도 센서 모듈(도2 참조)'은 본 발명 구현을 위하여 채용된 가속도 센서 모듈(도2, Accelerometer MPU-6050 module)을 표현한 것이고, '센서 모듈(도1의 13)'은 가속도 센서 또는 가속도 센서 모듈, 온도 센서 및 마그네틱 홀 센서가 함께 내장되어 있는 센서 모듈을 의미한다.

본 발명을 구현하기 위하여, 사출성형 중 공정 조건에 따른 금형의 진동 신호 분석을 이용한 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법에 대하여 사전 연구 개발을 진행하였고, 다양한 연구에 기반하여 센서 모듈에서 사출성형공정을 모니터링하기 위한 신호로 가속도 센서를 이용한 금형의 진동 신호의 변화를 분석하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법을 구현한다.

본 발명의 구현을 위하여, 가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)을 채택 적용하였으며, 가속도 센서 또는 가속도 센서 모듈의 선정은 가속도 센서에서 감지된 진동신호의 진폭변화를 검출 획득하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점의 시간을 측정할 수 있으면 족하다.

물론, 가속도 센서 또는 가속도 센서 모듈은 사출성형 중 금형의 진동신호를 감지하는 성능이 우수하고 반응 속도가 빠를수록 더욱 바람직하다.

가속도 센서 모듈(Accelerometer MPU-6050 module)을 내장한 센서 모듈(도1의 13)을 도 1에서와 같이 볼트로 부착 설치하여 얻은 진동신호에 기초하여 획득한 데이터(정보)를 바탕으로 본 발명의 내용을 기술한다.

본 발명은 가속도 센서, 진동센서 또는 가속도 센서 모듈을 내장한 센서 모듈(도1의 13)을 금형에 부착 설치하여 획득한 진동신호에서 시간의 흐름에 따라 발생하는 진폭변화로부터 진폭 변화가 생기는 시점을 획득하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점사이의 시간을 측정하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법이고, 이러한 기술적 구성과 방법은 본 발명의 보호범위에 속한다.

도 3의 사양을 가진 가속도 센서 모듈을 내장한 센서 모듈은 도 1에서와 같이 볼트를 이용하여 금형 일측에 고정하고, 사출성형공정에서의 금형의 진동 신호를 측정하여 모니터링 요소를 선별한다.

가속도 센서 또는 가속도 센서 모듈을 내장한 센서 모듈(도1의 13)은 설치 편의성을 고려하여 도 1과 같이 금형 표면에 부착 설치하였으며, 사출성형 시 용융 수지의 압력과 스크류 동작에 의한 진동 신호를 정확하게 측정할 수 있도록 금형의 고정측 베이스에 설치한다.

금형의 가동측 베이스에 부착 설치할 경우에는 형체력을 가하기 위한 토글 구조로부터 전달되는 진동으로 인해 실제 성형공정에서 발생하는 진동 신호가 감쇠되거나 변화가 미미하게 측정될 수 있으므로 금형의 가동측 베이스는 센서 모듈의 설치 대상에서 제외하는 것이 바람직하다.

본 발명의 명세서에 기재된 금형의 진동을 측정하기 위한 가속도 센서 또는 가속도 센서 모듈은 금형의 진동을 측정할 수 있는 진동센서로 대체 가능하다.

가속도 센서, 가속도 센서 모듈 또는 센서 모듈은 아두이노 우노 보드(arduino uno board)와 서로 연결하여 사출성형 중 금형의 진동 신호를 획득한다.

아두이노 우노 보드는 하나의 구체적인 예에 해당하며, 오실로스코프 또는 유사한 진동신호 측정기를 이용하되, 감지한 신호(획득된 신호)를 바탕으로 실시간으로 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점사이의 시간을 측정할 수 있도록 구성할 수 있으면 족하다.

보다 구체적으로, 도 4의 신호는 5인치 도광판 금형을 사용하였으며, 폴리프로필렌(HOPLENE J-150, LOTTE chemical) 수지를 스크루로 금형 내부로 주입하여 사출성형을 진행하면서 시간 흐름에 따른 진동신호의 변화를 획득한 것이다.

획득한 도 4의 진동 신호에서 진폭의 변화에서, 금형의 형폐, 사출시작, 보압절환, 보압종료, 금형의 형개 시점에서 진폭 변화를 획득하고, 이러한 진폭 변화를 이용하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점의 신호를 이용하여 사출성형공정을 모니터링한다.

도 4에서, 세로축은 진동 신호의 진폭(크기)으로 가속도(g)를 나타내고, 가로축은 사출성형이 진행되는 시간을 나타내는 시간(sec)축이며, 측정시간은 0 ∼ 25 초사이에서의 금형의 진동신호이다.

도 5는 도 4의 진동신호에서 세로축은 도 4와 동일하고, 사출성형이 진행되는 시간을 나타내는 시간(sec)축을 2 ∼ 5초사이에 발생한 금형의 진동신호부분만으로 확대한 것이다.

도 5에서, 본 발명의 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법에서 주요 구성요소인 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점사이의 시간을 진동신호의 진폭 변화를 이용하여 측정할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5에서, 진동 신호의 진폭이 설정된 값(specific value, 도 5에서 파랑색)보다 큰 진폭 값을 검출하고, 검출된 각각의 신호사이의 시간을 측정하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점을 측정 획득한다.

도 5에서, 진동 신호의 진폭의 크기를 이용할 때, 마이너스 값으로 설정된 값(절대값 기준)보다 큰 진폭 값을 검출하고, 검출된 각각의 신호사이의 시간을 측정하여 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점을 측정하여 앞서 설명한 플러스 신호와 동일하게 이용할 수도 있다.

다음은 본 발명의 금형의 진동 신호를 통한 사출공정의 정보 산출에 대하여 살펴본다.

본 발명은 사출성형 중 측정된 금형의 진동 신호에서 진폭 변화가 생기는 시점 중 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점의 시간을 본 발명의 제어 프로그램에 탑재된 제어 알고리즘을 이용하여 사출성형공정의 모니터링 정보를 산출한다.

'보압절환'시점과 '사출시작'시점의 시간 차이를 계산하여 공정의 '사출시간'을 산출하고, '보압종료'시점과 '보압절환'시점의 시간 차이를 이용하여 공정의 '보압시간'을 산출 획득하는 수단 및 방법을 센서 모듈에 적용한다.

상기 '사출시간'과 '보압시간'을 확인하기 위해서 사출성형 중 전체 금형의 진동 신호가 필요하지 않으므로, 도 5와 같이 '사출시작', '보압절환', '보압종료'시점에서의 진폭 변화를 감지할 수 있는 설정된 값(도 5의 specific value)을 설정하고, 설정된 값(specific value) 이상의 신호만을 획득하고, 이를 이용하여 사출성형공정 정보를 산출하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법을 제공한다.

다음은 본 발명의 금형의 표면 온도 측정에 대하여 살펴본다.

센서 모듈에는 금형의 표면 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 내장되어 있다.

사출성형공정에서 금형의 온도는 온조기의 냉각수 온도와 사출되는 용융 수지의 온도에 의해서 편차가 발생하며, 외부적으로는 대기 온도 등에 따라서도 변화가 발생한다.

이를 고려하여 본 발명의 센서 모듈에는 금형의 진동 신호 이외에 금형 표면의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 내장 탑재시켜 사출성형공정의 온도 조건과 변화를 모니터링할 수 있도록 구성되어 있다.

센서 모듈의 전력 소모를 고려하여 금형 표면의 온도를 측정하기 위한 온도 센서는 데이터 송수신 시의 편의성도 고려하여 디지털 타입으로 선정함이 바람직하다. 상기 온도 센서는 다양한 온도 센서 중에서 사양을 고려하여 선택 사용할 수 있다.

본 발명의 구현을 위하여, 온도 센서는 DFR0024 모듈(module)를 사용하여 센서 모듈을 구성한다. 도 6는 온도 센서 DFR0024 모듈(module)의 사양을 나타낸 것이다.

금형 표면의 온도를 측정하는 온도 센서는 금형의 온도에 견딜 수 있으면서 성형공정의 온도 조건과 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있으면 족하다.

다음은 본 발명의 금형의 형폐 및 형개 신호 측정에 대하여 살펴본다.

본 발명의 금형의 진동 신호 분석에서 획득한 '사출시작', '보압절환', '보압종료'의 사출성형공정정보 이외에 전체 사출성형공정 시간을 산출하고 금형의 형폐와 형개 시점에서 센서 모듈의 트리거 신호로 작용할 수 있도록 도 7의 사양을 가진 마그네틱 홀 센서(magnetic hall sensor)를 선택 사용한다.

본 발명 구현을 위한 마그네틱 홀 센서는 DFR0033 모듈(module)이며, 금형이 형폐될 때와 형개될 때, 가동측 금형에 장착된 자석이 고정측 금형에 장착된 마그네틱 홀 센서에 접근하고, 멀어지는 것을 자기장의 변화로 감지하여 형개와 형폐 시점을 파악할 수 있도록 구성되어 있다.

마그네틱 홀 센서를 이용하여 획득된 형폐 시점의 신호는 공정 모니터링 센서들의 트리거 신호로 작용하여 관련된 측정들을 시작하고, 형개 시점의 신호는 센서들의 종료 신호로 작용하여 공정 신호를 측정하여 하나의 제품이 사출성형됨을 인지하도록 구성된다.

추가적으로, 마그네틱 홀 센서를 이용하여 각 공정에서 측정된 금형의 형폐 시점에서의 시간 차이를 이용하여 기준(표준) 시간을 벗어난 정도의 차이로 각각 공정의 전체 사이클 타임(cycle time)을 평가하는 방법을 적용하여 공정을 모니터링의 정확성을 높일 수 있다.

다음은 본 발명에 따른 진동 신호, 온도 및 홀 센서의 신호를 측정하고, 이를 제어하기 위한 제어부에 대하여 살펴본다.

센서 모듈에서 검출한 진동 신호 및 온도의 측정과, 측정된 신호(데이터)의 처리 및 시스템 제어를 위해 ATmega328 마이크로칩이 내장된 아두이노 나노 보드(arduino nano board, Interaction Design Institutelvera)를 사용하였으며, 도 7은 상기 아두이노 나노 보드의 사양을 나타낸다.

아두이노 나노 보드에 본 발명에 따라 제작된 제어 프로그램을 업로드하여 전체 공정을 제어하고, 각 센서들은 아두이노 나노 보드와 연결되어 측정된 신호를 제어부로 전달하며, 측정시작과 중단의 명령을 전달받는 구조로 설계되어 있다.

그리고 추가적으로 아두이노 나노 보드로 전송된 공정 정보를 컴퓨터, 서버 및 스마트 폰 등을 포함하는 모니터링 가능한 타 기기로 전송하여 관리하기 위해서 블루투스 4.0 통신모듈을 사용한다.

ATmega328 마이크로칩이 내장된 아두이노 나노 보드는 본 발명의 구현을 위해 사용된 하나의 구체적인 실시 예이고, 다양한 원칩 마이크로프로세서가 내장된 칩 중에서 선택 사용하여 시스템 제어에 필요한 제어 프로그램을 탑재시켜 사용할 수 있다.

도 7은 ATmega328 마이크로칩이 내장된 아두이노 나노 보드의 사양을 나타낸 것이다.

본 발명의 공정 모니터링에 대해 구체적으로 살펴본다.

센서 모듈로 사출성형공정의 모니터링 신호 측정은 금형이 형폐될 때의 신호를 기점으로 시작하도록 구성되어 있다.

가동측 금형 표면에 설치된 자석이 고정측 금형 표면의 마그네틱 홀 센서에 근접하여 형폐가 되면, 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 전송한다.

'1' 신호를 전송받은 센서 모듈은 가속도 센서와 온도 센서에 전달받은 '1' 신호를 제어부로 전달하여 사출성형공정의 모니터링을 시작한다.

센서 모듈에 내장된 가속도 센서의 경우에는 사출성형공정 정보 평가에 필요한 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 시점의 진폭 변화 신호만을 회득할 수 있도록 설정된 값 이상의 진폭을 가진 진동신호만을 검출하여 제어부로 전송하도록 구성되어 있다.

가속도 센서로 진동 신호를 측정하면서 금형의 표면 온도 신호를 측정하여 제어부로 전송하도록 구성되어 있다.

가속도 센서로 진동 신호를 측정하고, 동시에 금형의 표면 온도 신호를 측정을 수행할 수 있도록 제어 프로그램을 구성하여 사출성형공정의 모니터링 정확도를 높일 수 있다.

사출성형공정이 종료된 후, 금형이 형개되면 마그네틱 홀 센서는 'OFF'의 의미인 '0' 신호를 제어부로 전달하고, 사출성형 제품 하나에 대한 센서 모듈의 전체 공정 모니터링을 종료한다.

본 발명은 앞서 설명한 진동신호, 온도 및 마그네틱 홀 센서에서 감지한 자기장 신호의 측정은 실시간으로 연속적으로 수행하고, 모니터링하도록 구성되어 있다.

도 8은 센서 모듈과 모니터링 장치사이의 통신을 개략적으로 도시한 것이다.

즉, 본 발명은 가속도 센서에서 측정한 금형의 진동신호와, 온도센서에서 측정한 금형의 온도 및 홀 센서에서 감지한 자기장 신호를 제어부의 무선통신으로 전송할 경우에 수많은 금형의 사출성형공정을 모니터링하고 관리할 수 있는 시스템을 구현할 수 있다.

금형의 형폐와 형개 사이에 측정된 공정 모니터링 신호들은 배열의 형태로 시스템 제어부에 입력되어서 금형의 형개 시 무선 통신을 통해서 모니터링 컴퓨터, 서버 또는 스마트 폰 등의 타 기기로 전송되도록 구성할 수 있다.

본 발명에서는 블루투스 통신 방법을 적용하여 센서 모듈에서 측정된 진동 신호, 온도 및 홀 센서에서 감지된 자기장 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트 폰 등을 포함하는 모니터링 가능한 시스템으로 전송되도록 구현되었으나, 이러한 신호들의 처리방법은 다양한 변형이 가능하다.

상기 센서 모듈에서 측정된 진동 신호, 온도 및 홀 센서에서 감지된 자기장 신호들은 통상의 무선 또는 유선 통신을 이용하여 사출성형공정의 모니터링을 관리 제어하는 시스템 또는 장치로 전송되도록 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 사출성형공정 모니터링 시스템의 구성에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 사출성형공정 모니터링 시스템은 자석부, 센서 모듈, 제어부 및 모니터링부의 4개 파트로 구성되어 있으며, 자석부는 금형의 가동측 베이스 표면에 설치하고, 센서 모듈과 제어부는 고정측 베이스 표면에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자석부와 센서 모듈은 서로 연동하도록 고정 설치되며, 센서 모듈에 내장된 마그네틱 홀 센서가 자석부와 연동하여 금형의 형폐와 형개 동작에 ??추어 신호를 생성하고, 생성된 신호에 의하여 센서 모듈 내의 가속도 센서와 온도 센서가 진동 신호 및 온도를 감지할 수 있도록 해당 금형에 일측에 고정 설치하면 된다.

본 발명에 따른 하나의 실시 예로, 자석부는 금형의 가동측 베이스 표면에 설치하며, 내부에 센서 모듈에 내장된 마그네틱 홀 센서와 상호작용할 수 있는 자석을 고정시킬 수 있는 구조로 구성되어 있다. 자석부와 금형의 표면은 볼트로 체결 고정하도록 구성되어 있다.

센서 모듈은 금형의 고정측 베이스 표면에 설치하여 가동측 베이스 표면의 자석부와 서로 상호작용할 수 있도록 구성하고, 내부에 가속도 센서, 온도 센서, 마그네틱 홀 센서가 장착되어 사출성형공정 정보를 측정하여 모니터링할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 센서 모듈에서 각 센서들이 고정되는 부분을 플라스틱으로 제작할 경우에는 금형에서 전달되는 진동 신호와 금형의 표면 온도가 정확하게 측정되지 않는 문제점이 있다.

금형의 진동 신호는 플라스틱으로 인해 감쇠 또는 흡수되어 센서로 전달되고, 금형 표면 온도는 금형의 재질인 금속과 플라스틱의 열전도율 차이로 인해 정확한 온도가 센서에서 측정되지 않는다.

이러한 문제점을 고려하여, 센서 모듈에 내장된 가속도 센서와 온도 센서가 실제 금형의 진동 및 온도 정보를 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금속 커버와 함께 금형과 동일한 재질로 설계 제작하여 볼트로 체결하여 신호의 왜곡을 최소화하도록 구성한다.

센서 모듈을 금형 일측에 설치할 때 금형의 진동 신호가 왜곡없이 가속도 센서에 전달되도록 복수의 볼트로 견고하게 체결하는 것이 바람직하나, 금형의 진동 신호를 왜곡없이 가속도 센서가 감지할 수 있는 부착 수단이면 족하다.

또한 플라스틱 케이스와 금속 커버의 접촉으로 인한 신호의 감쇠, 혹은 왜곡을 최소하기 위해 금속 커버와 플라스틱 케이스 사이의 볼트 체결 부위만 접촉하도록 갭(gap) 설계로 제작하고, 이는 센서 모듈와 금형의 표면 사이의 접촉에도 반영되어 금속 커버만 금형에 접촉할 수 있도록 플라스틱 케이스는 갭(gap) 설계를 적용함이 바람직하다.

본 발명의 시스템 제어부에 대하여 살펴본다.

본 발명의 시스템 제어부는 금형의 고정측 베이스 표면에 설치하여 측정부와 케이블로 연결되어 상호 측정 신호와 제어 신호를 전달받을 수 있도록 구성되어 있다. 제어부 내부에는 아두이노 나노 보드(arduino nano board)를 설치하여 측정부의 전달 신호를 전달받고 전체 모니터링 과정을 분석 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 시스템 구현에 필요한 사출성형공정의 모니터링을 위하여 블루투스 4.0 모듈은 제어부 내부에 탑재하고, 측정 완료된 사출성형공정 신호를 직접 또는 중계기를 거쳐서 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 등의 외부의 모니터링 기기로 전송할 수 있도록 구성한다.

또한, 설치와 측정의 편의성을 고려하여 제어부의 내부에 9V 베터리를 장착할 수 있도록 설계 제작되어 있다.

제어부(도1의 14)와 센서 모듈(도1의 13)은 D-SUB 9핀 케이블을 이용하여 상호 신호를 전달받을 수 있도록 설계 제작할 수 있다.

상기 제어부(도1의 14)와 센서 모듈(도1의 13)는 일체형으로 동일한 박스에 함께 내장시켜 구성할 수도 있다.

이러한 구성은 하나의 구체적인 실시 예이고, 본 발명의 구현시 채용한 부품들과 성능 및 사양에서 균등 내지 우수한 대체 제품을 선택 이용하여 변형 설계하여 구성할 수 있으며, 이러한 변형 역시 본 발명의 보호범위에 속한다.

본 발명의 구현 시 채용한 구체적인 실시 예로, 센서 모듈의 제어는 아두이노 나노 보드에 본 발명 수행을 위하여 설계된 제어 프로그램이 탑재된다.

금형의 형폐 시 마그네틱 홀 센서의 '1' 신호를 획득하기 위해 while(소스 프로그램에 사용되는 용어) 구분을 사용하여 프로그램을 실행하고, 상기 '1' 신호가 측정된 후 해당 시간을 기록하도록 구성되어 있다.

상기 제어부에 탑재된 제어 프로그램은 가속도 센서에서 측정한 진동 신호의 진폭 크기가 설정된 값 이상의 금형 진동 신호에 대한 값과 시간을 기록하도록 설계되어 있다.

동시에 센서 모듈 내의 온도 센서는 금형 표면의 온도를 측정하여 시간 순서대로 배열하여 저장하도록 설계되어 있다.

하나의 사출성형 제품이 완성되어 금형이 형개될 때, 마그네틱 홀 센서가 '0' 신호를 측정하고, 제어부에 저장된 사출성형공정 신호는 블루투스 모듈을 통해 컴퓨터, 서버, 노트북 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상의 타 기기로 전송되도록 제어 프로그램이 설계 제작되어 있다.

앞서 언급된 사출성형공정의 모니터링된 데이터 분석에 대하여 살펴본다.

상기 기술한 센서 모듈을 이용하여 신호를 검출하고, 검출된 신호를 제어부로 전송하여 데이터 분석을 수행하고, 도 9에서와 같이 구체적 예로 사출성형공정을 분석 평가할 수 있는 데이터를 획득할 수 있다.

도 9은 본 발명에 따라 제작된 자석부, 센서 모듈 및 온도 센서로부터 획득된 사출성형공정을 분석 평가할 수 있는 데이터 배열을 나타낸 것이다.

보다 구체적으로, 도 9에 나열된 데이터 배열에서, 1번 항목은 금형의 형폐 신호로 '1' 로 표시되며 센서 모듈의 모니터링 시작을 표시한다.

2번 항목은 금형 형폐 시의 시간을 나타낸다.

2번 항목의 금형 형폐 시간을 이용하여 전체 사이클 타임을 평가할 수 있으며, 각 샷(공정)에서 금형의 형폐 시간의 차이를 사이클 타임으로 정의한다.

3번 항목은 가속도 신호이며, 설정된 값 이상의 가속도 값들이 측정되며, 측정시의 시간도 함께 기록된다.

3번 항목의 가속도 신호는 '사출시작', '보압절환', '보압종료'의 3가지로 구분되며, 각각의 신호에서의 중앙값(median value)으로 해당 시점의 시간을 평가(계산)한다.

각각의 신호에서의 중앙값(median value)들의 차이로 사출시간과 보압 시간을 평가할 수 있다.

4번 항목은 금형의 표면 온도 항목으로 해당 시점의 금형 표면 온도가 표시된다.

5번 항목은 금형의 형개 신호로 '0' 으로 표시되고, 6번 항목에 형개 시점의 시간이 기록된다.

도 9에 나열된 데이터 배열은 소정의 규칙(도 9을 참조)을 가지고 제어부에서 측정 데이터를 처리하도록 프로그램되어 신속 정확하게 사출성형공정을 모니터링할 수 있도록 구성되어 있다.

도 11은 금형 내부로 수지를 주입할 때 주입속도 변화에 따른 사출시작, 보압시작 및 보압종료 시간(sec)의 변화를 측정한 진동신호이다.

이 때 수지 주입속도는 20㎜/s, 40 ㎜/s 및 60㎜/s 로 각각 서로 다르게 하여 사출시작, 보압시작 및 보압종료 시간(sec)의 변화를 측정한 것이다. 측정 결과 주입속도의 변화와 무관하게 오차가 매우 작게 발생함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 사출성형공정 모니터링용 센서 모듈은 앞서 설명한 분석 수단 및 방법을 통해 사이클 타임, 사출시간, 보압시간, 금형 표면 온도, 냉각 시간들을 측정하여 분석 평가할 수 있다.

본 발명에 따른 금형의 온도 변화를 모니터링 평가하는 수단 및 방법을 살펴본다.

앞서 설명한 5인치 도광판 금형의 사출성형공정을 모니터링하기 위하여 센서 모듈을 장착한 후, 150톤 고속사출성형기(LGE150-Ⅲ-DHS, LSMtron)을 이용하여 공정 모니터링 평가를 수행한다.

금형의 온도 변화를 모니터링하기 위해, 사출성형기는 실제 사출성형은 진행하지 않으면서 기계만 작동하는 드라이 사이클(dry cycle)로 구동하고 온조기의 냉각수 온도를 45℃로 설정한 후 금형의 온도가 상온에서 상승하는 과정을 센서 모듈을 통해 모니터링한다.

센서 모듈에서 측정한 신호는 제어부의 블루투스를 통해 전송되어 데스크탑 컴퓨터의 화면에 표시되는 데이터를 획득 및 저장하고, 금형 표면의 온도 변화에 대한 모니터링 결과는 온도 게이지를 통해서 데스크탑 컴퓨터 화면에 그래프로 나타낸다.

실험 결과, 센서 모듈을 통해 모니터링한 금형의 온도는 온조기로 설정한 냉각수 온도로 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 접촉식 온도계로 금형 표면의 온도를 직접 측정한 결과, 센서 모듈에서 모니터링한 온도와 유사한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

부착된 센서 모듈이 작업자 또는 관리자들에 의해 제거되었는지를 감지할 수 있도록 센서 모듈 일측에 금형에 떨어질 경우에 동작하는 근접 센서 또는 접촉여부를 감지하는 접촉센서를 센서 모듈 일측 또는 양측에 설치할 수 있다. 양측은 금형의 고정측과 가동측을 의미한다.

다음은 본 발명에 따른 사출성형공정 시간 모니터링 시스템 및 방법에 대한 평가에 대해 살펴본다.

사출성형공정 모니터링용 센서 모듈의 사출성형공정 시간 모니터링 평가를 수행하기 위하여, 도 10의 성형조건을 적용하여 5가지 조건의 사출성형을 진행하고, 센서 모듈의 모니터링 데이터와 사출성형기 상에 기록된 샷(공정) 데이터를 서로 비교한다.

도 10는 모니터링 데이터의 신뢰성과 정확성을 평가하기 위하여 복수의 서로 다른 성형조건을 적용한 예이다. 이는 앞서 설명한 5인치 도광판 금형에 적용한 것이다.

각 성형조건들은 사출시간, 보압시간, 냉각시간, 사이클 타임을 각기 다르게 구현한 조건들이며, 이를 통해 본 발명의 센서 모듈을 이용한 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법을 평가한다.

상기 센서 모듈에서 측정된 모니터링 데이터와 사출성형기 상의 샷(공정) 데이터를 비교한 결과는 사이클 타임 항목에서는 1번 조건이 평균 0.59±0.02%이고, 2번 조건이 0.23±0.01%이며, 3번 조건이 0.76±0.46%이고, 4번 조건이 1.03±0.26%이며, 5번 조건이 0.91±0.21% 오차를 나타내며, 실제 사출성형기에서 측정되는 사이클 타임과 유사한 수준의 값이 센서 모듈에서 측정됨을 알 수 있다.

사출시간 항목에서는 각각 0.51±0.57%, 0.97±0.55%, 1.83±1.17%, 2.03±1.24%, 1.65±1.32% 의 오차를 보이며, 전체적으로 5% 미만의 작은 수준의 편차를 나타낸다.

이는 보압 시간 항목에서도 확인되며 각각 0.23±0.30%, 0.85±1.29%, 1.25±0.84%, 0.63±0.43%, 0.48±0.39% 의 오차로 설정된 보압 시간과 유사한 수준을 나타낸다.

따라서, 본 발명은 사출성형공정 모니터링용 센서 모듈은 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링과 사이클 타임, 사출시간, 보압시간의 모니터링 데이터를 사출성형공정에 함께 적용할 때 모니터링 정확성과 신뢰성을 높일 수 있음을 알 수 있다.

반면, 냉각시간의 경우에는 동일한 공정에서 일정한 수준의 냉각 시간 값을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 공정의 변화를 감지하고 평가하는 지표로 사용 가능하다.

앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 사출성형공정 모니터링용 센서 모듈을 이용하여 사출성형 중 금형의 진동 신호와 금형 표면의 온도를 측정하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법이다.

센서 모듈은 기존 또는 새로운 금형 표면에 부착 설치할 수 있는 구조이며, 가속도 센서, 온도 센서 및 마그네틱 홀 센서를 내장하여 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법이다.

가속도 센서를 이용하여 사출성형 중 금형의 진동 신호를 측정하여 사출시간과 보압시간을 획득하고, 마그네틱 홀 센서를 이용하여 금형의 형폐, 형개 신호를 감지하며, 사이클 타임과 냉각시간을 측정한 다음 사출성형기 상에 기록되는 샷(공정) 데이터와 서로 비교하여 사출성형공정을 모니터링함으로써 정확성과 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 모니터링 시스템의 구현하여 실시한 결과, 사출성형공정 모니터링용 센서 모듈을 통해 측정한 금형의 진동 신호는 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간으로 구분할 수 있으며, 해당 구간의 중앙값(medina)을 대표 시간(대표 데이터 값)으로 정하여 '보압절환' 시간과 '사출시작' 시간의 차이는 '사출시간'이며, '보압종료' 시간과 '보압절환' 시간의 차이는 '사출시간' 으로 정의하여 사출성형공정 모니터링에 사용한다.

본 발명에 따라 정의된 '사출시간'및 '사출시간' 각각을 실제 사출성형기에 기록되어 있는 시간과 비교하여 오차%로 사출성형공정의 정확성을 판단한다.

본 발명이 적용된 실제 사출성형기에 기록되는 시간과 비교하였을 때, '사출시간'은 1.40±1.17% 이며, '보압시간' 은 0.69±0.82% 의 오차를 가지며, 이러한 수치는 매우 정확한 공정 시간을 모니터링할 수 있음을 알 수 있다.

마그네틱 홀 센서에 측정되는 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈에 인접한 제어부에 전송 기록하고, 각 공정에서의 형폐 시점 간의 차이를 이용하여 사이클 타임을 평가한다.

센서 모듈에서 모니터링한 사이클 타임과 실제 사출성형기 상의 사이클 타임을 비교한 결과, 0.70±0.38% 의 매우 작은 오차로 실제와 유사한 사이클 타임을 획득할 수 있다.

반면, 센서 모듈에서 측정되는 사이클 타임과 사출시간, 보압시간을 이용하여 산출한 냉각 시간의 경우에는 실제 사출성형기 상에 설정한 냉각시간과 비교하여 7.05±1.99% 의 오차를 나타내었으며, 이 값은 다른 공정 시간과 비교하여 다소 큰 수준이다.

그러나 해당 편차는 사출성형기 구동과 센서 모듈의 측정 방식에 따른 기계적인 편차로 동일한 공정에서 일정한 수준의 동일한 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었기 때문에 공정의 변화를 감지하고 평가하는 지표로써 사용가능하다.

본 발명에 따른 사출성형공정 모니터링용 센서 모듈은 사출성형공정에 대한 단계별 공정시간과 금형의 온도를 정확하게 모니터링할 수 있어 기존 모니터링 방식 대비 보다 효율적이고 정확한 공정 관리와 제품의 품질 관리를 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있는 상승된 효과가 있다.

또한, 금형에 추가적인 구조 가공 없이 표면에 볼트 또는 다양한 체결수단으로 부착하는 방식으로 기존 또는 새로운 금형에 설치할 수 있는 설치 편의성이 우수하고, 저비용의 가속도 센서, 온도 센서, 마그네틱 홀 센서를 적용하여 시스템 구현시 비용을 절감할 수 있는 유리한 효과가 있다.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명은 센서 모듈과 자석부 및 제어부로 구성되고, 블루투스 통신으로 외부의 모니터링 시스템과 연결되어 사출성형공정 모니터링하는 시스템 및 방법이다.

주요한 기술적 구성은 센서 모듈을 통해 측정한 금형의 진동 신호는 '사출시작', '보압절환', '보압종료' 구간으로 구분하고, 각각의 발생 시간을 서로 비교 분석하여 사출성형공정이 잘 수행되고 있는지를 정확하게 모니터링하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

센서 모듈에 내장되어 금형의 진동을 감지하는 센서는 금형의 진동을 감지할 수 있는 가속도 센서 또는 진동 센서들 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 제어부와 통신하는 통신 수단 역시 블루투스를 포함하는 통상의 무선 또는 유선 통신을 포함할 수 있다.

도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 센서 모듈(가속도 센서, 온도 센서 및 홀센서)과 자석부를 금형 일측에 부착하고, 사출성형공정 중에 발생한 신호를 감지하여 제어부를 통해서 도 8에서와 같이 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 등으로 전송되어 선택적으로 사출성형공정이 잘 수행되고 있는지를 정확하게 모니터링할 수 있다.

앞서 기술한 내용을 바탕으로 본 발명에 따른 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템의 보호 범위를 살펴본다.

본 발명의 하나의 실시 예로, 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템은 금형의 일측에 설치되어 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동 신호를 측정하기 위한 센서 모듈과, 센서 모듈에서 측정한 금형의 진동신호를 수신하고, 센서 모듈의 센서를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 센서 모듈에서 측정된 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하여 사출성형공정을 모니터링한다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 센서 모듈에는 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서와, 금형의 표면 온도를 측정하는 온도 센서 및 마그네틱 홀 센서가 포함되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 사출성형공정을 모니터링하기 위하여 금형의 진동 신호에서 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송되도록 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하고, 보압절환 시간과 사출시작 시간의 차이를 사출시간으로 정의하며, 보압종료 시간과 보압절환 시간의 차이를 보압시간으로 정의하여 사출성형공정을 모니터링하도록 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링하는 구성을 부가할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 마그네틱 홀 센서는 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하며, 감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록하고, 각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 비교 평가하는 구성을 부가적으로 사용하여 보다 정확하게 사출성형공정을 모니터링할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 센서 모듈내의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 가동측 금형 표면에 자석이 설치되고, 설치된 자석이 고정측 금형 표면에 설치된 마그네틱 홀 센서에 접근하여 형폐가 되면, 홀 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하고, 홀 센서로부터 멀어져 형개가 되면, 마그네틱 홀 센서에서 'OFF'의 의미로 '0' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 신호를 전송하도록 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 신속한 데이터 처리를 위하여, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 소정의 규칙에 따라 데이터를 배열 처리하여 신속하면서 정확하게 사출성형공정을 모니터링하도록 구성되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 제어부는 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상으로 전송하기 위하여 블루투스를 포함하는 무선 통신부를 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 센서 모듈은 성형공정에서 발생하는 진동 신호의 감쇠를 방지하기 위하여 사출성형 시 용융 수지의 압력과 스크류 동작에 의한 진동 신호를 정확하게 측정할 수 있도록 금형의 고정측 베이스에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 금형에 부착된 센서 모듈이 금형에 떨어질 경우에 동작하는 근접센서 또는 접촉여부를 감지하는 접촉센서가 센서 모듈 일측 또는 내부에 설치되어 있다. 금형과 센서 모듈 양측에 설치할 수도 있다.

다음은 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 방법의 보호범위에 대하여 살펴본다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 방법은 금형의 일측에 센서 모듈을 설치하여 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동 신호를 측정하는 단계와, 센서 모듈에서 측정한 금형의 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 센서 모듈에 내장된 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서에서 측정한 진동신호와, 센서 모듈에 내장된 온도 센서로 금형의 표면 온도를 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 사출성형공정을 모니터링하기 위하여 금형의 진동 신호에서 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하는 단계와, 보압절환 시간과 사출시작 시간의 차이를 사출시간으로, 보압종료 시간과 보압절환 시간의 차이를 보압시간으로 정의하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 마그네틱 홀 센서로 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하는 단계와, 감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록하는 단계와, 각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 계산하여 비교하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡 없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 제작하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 가동측 금형 표면에 설치된 자석이 고정측 금형 표면에 설치된 마그네틱 홀 센서에 접근하여 형폐가 되면, 홀 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하는 단계와, 홀 센서로부터 멀어져 형개가 되면, 마그네틱 홀 센서에서 'OFF'의 의미로 '0' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 신호를 전송하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 신속한 데이터 처리를 위하여, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 소정의 규칙에 따라 데이터를 배열 처리하여 신속하면서 정확하게 사출성형공정을 모니터링하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예로, 제어부는 블루투스를 포함하는 무선 통신부를 구비하고, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상으로 전송하는 단계를 포함한다.

앞서 기술한 내용을 바탕으로, 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템 및 방법에 대한 보호범위는 다양하게 기재할 수 있다.

본 발명은 가속도 센서를 사출성형금형에 볼트로 부착하여 사출성형 중 금형의 진동 신호의 진폭 변화를 측정하여 사출시간과 보압시간을 산출하고, 마그네틱 홀 센서를 이용하여 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하고 사이클 타임과 냉각시간을 측정하여 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정을 모니터링하는 시스템 및 방법을 제공하므로 설치 및 유지보수가 간단하고 설치비용을 절감할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

11; 금형 12; 자석부
13; 센서 모듈 14; 제어부

Claims (22)

1. 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 시스템에 있어서,
   금형의 일측에 설치되어 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동신호를 측정하기 위한 센서 모듈과,
   센서 모듈에서 측정한 금형의 진동신호를 수신하고, 센서 모듈 내의 센서들을 제어하는 제어부를 포함하며,
   센서 모듈 내의 센서에서 측정된 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하되,
   사출성형공정 중 금형에서 발생하는 상기 센서 모듈 내의 센서에서 측정된 진동신호에서 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송하여 사출성형공정을 모니터링함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   센서 모듈에는 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서와,
   금형의 표면 온도를 측정하는 온도 센서 및 마그네틱 홀 센서가 포함됨을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   사출시작, 보압절환, 보압종료 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하고,
   보압절환 시간과 사출시작 시간의 차이가 사출시간이며,
   보압종료 시간과 보압절환 시간의 차이를 보압시간으로 정의하여 사출성형공정을 모니터링함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링하는 구성을 부가하여 사출성형공정을 모니터링함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   마그네틱 홀 센서는 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하며,
   감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록 저장하고,
   각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 비교하는 구성을 부가적으로 사용하여 사출성형공정을 모니터링함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡 없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 구성함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   가동측 금형 표면에 자석이 설치되고,
   설치된 자석이 고정측 금형 표면에 설치된 마그네틱 홀 센서에 접근하여 형폐가 되면, 홀 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하고,
   멀어져 형개가 되면, 마그네틱 홀 센서에서 'OFF'의 의미로 '0' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 신호를 전송함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
9. 제6항에 있어서,
   신속한 데이터 처리를 위하여, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서 및 온도 센서로부터 획득한 신호를 소정의 규칙에 따라 데이터를 배열 처리하여 신속하면서 정확하게 사출성형공정을 모니터링함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    제어부는 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서 및 온도 센서로부터 획득한 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상으로 전송하기 위하여 블루투스를 포함하는 무선 통신부를 구비함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    센서 모듈은 성형공정에서 발생하는 진동 신호의 감쇠를 방지하기 위하여 사출성형 시 용융 수지의 압력과 스크류 동작에 의한 진동 신호를 정확하게 측정할 수 있도록 금형의 고정측 베이스에 설치하고,
    센서 모듈이 금형에서 분리될 경우에 동작하는 근접센서 또는 접촉여부를 감지하는 접촉센서가 센서 모듈 일측에 설치됨을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 시스템.
12. 삭제
13. 사출성형공정을 모니터링하는 사출성형공정 모니터링 방법에 있어서,
    금형의 일측에 센서가 내장된 센서 모듈을 설치하여 사출성형 중 금형에서 발생하는 진동신호를 측정하는 단계와,
    센서 모듈 내의 센서에서 측정한 금형의 진동신호에서 진폭의 크기가 설정된 값 이상인 신호를 획득하고, 획득한 신호사이의 시간을 산출하는 단계와,
    사출성형공정 중 금형에서 발생하는 상기 센서 모듈 내의 센서에서 측정된 금형의 진동신호에서 사출시작, 보압절환, 보압종료 구간으로 구분하여 신호를 검출하여 제어부로 전송하여 사출성형공정을 모니터링하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
14. 제13항에 있어서,
    센서 모듈에 내장된 금형의 진동신호를 측정하는 가속도 센서 또는 진동센서에서 측정한 진동신호와, 센서 모듈에 내장된 온도 센서로 금형의 표면 온도를 측정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
15. 삭제
16. 제13항에 있어서,
    사출시작, 보압절환, 보압종료 구간에서의 각각의 데이터는 각각의 구간에서의 중앙값을 대표값으로 정의하는 단계와,
    보압절환 시간과 사출시작 시간의 차이를 사출시간으로, 보압종료 시간과 보압절환 시간의 차이를 보압시간으로 정의하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
17. 제13항에 있어서,
    사출성형공정 모니터링의 정확성과 신뢰성을 높이기 위하여 센서 모듈에 내장된 온도 센서를 이용하여 사출성형공정 중에 금형의 온도 변화 모니터링하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
18. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    마그네틱 홀 센서로 금형의 형폐 및 형개 신호를 감지하는 단계와,
    감지된 금형의 형폐 신호를 이용하여 형폐 시점을 센서 모듈 제어부에 기록 저장하는 단계와,
    각각의 공정에서의 형폐 시점 간의 시간 차이를 이용하여 제품 생산 사이클 타임을 계산하여 비교하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
19. 제14항에 있어서,
    센서 모듈의 가속도 센서와 온도 센서는 금형의 진동 및 온도 정보를 왜곡 없이 정확하게 전달받을 수 있도록 센서와 금형 표면 사이의 전달 매개체를 금형과 동일한 재질로 제작하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
20. 제13항에 있어서,
    가동측 금형 표면에 설치된 자석이 고정측 금형 표면에 설치된 마그네틱 홀 센서에 접근하여 형폐가 되면, 홀 센서에서 'ON'의 의미로 '1' 신호를 감지하는 단계와,
    홀 센서로부터 멀어져 형개가 되면, 마그네틱 홀 센서에서 'OFF'의 의미로 '0' 신호를 감지하여 시스템의 제어부로 신호를 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
21. 제18항에 있어서,
    신속한 데이터 처리를 위하여, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 소정의 규칙에 따라 데이터를 배열 처리하여 신속하면서 정확하게 사출성형공정을 모니터링하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
22. 제21항에 있어서,
    제어부는 블루투스를 포함하는 무선 통신부를 구비하고, 마그네틱 홀 센서, 가속도 센서, 온도 센서로부터 획득한 신호를 컴퓨터, 서버 및 스마트폰 중 적어도 하나 이상으로 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 사출성형공정 모니터링 방법.
    
    
    

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