intelligent control system – injection molding machines as an example
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Intelligent Control System – Injection molding Machines as an Example. Sheng-Jye Hwang 黃聖杰 Department of Mechanical Engineering National Cheng Kung University Tainan, Taiwan June 28, 2013. Contents. Definition of Intelligent Control Current Status of Industry in Taiwan - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Intelligent Control System – Injection molding Machines as an Example
Sheng-Jye Hwang
黃聖杰
Department of Mechanical Engineering
National Cheng Kung University
Tainan, Taiwan
June 28, 2013
Contents
Definition of Intelligent Control Current Status of Industry in Taiwan Strategy to Compete in the World Examples of Intelligent Control Summary
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智慧自動化系統定義利用先進的智慧技術 ( 如：專家系統、類神經網路、模糊邏輯、進化優化演算法、…等 ) 和知識庫來建立具有智慧或自我決策能力的自動化系統，以便能更有智慧且更貼切地服務各種不同產業與應用。
範疇智慧製造系統光機電系統與檢測技術智慧機器人技術智慧醫療與健康照護系統
智慧製造系統重點發展技術 (I) 智慧單元生產技術
建立智慧具有自我決策能力和可重組能力的製造單元系統，可適應多樣少量及少樣多量的製造型態。亦即，可將數個智慧製造單元組成一條生產線，並進而組成一個生產工廠。
智慧製造單元必須能與人互動，共同完成製造、加工、或組裝的工作。
智慧製造系統重點發展技術 (II)
具有雲端方式為基礎之機台監控與傳統機台監控方法，使工廠端使用者進入前瞻應用服務之門檻降低，增加擴散能力。
具有 3D即時線上模擬之功能。 (grinder, 5-axis machining).
能與實際製造單元系統整合，並完成雛型系統功能測試，以能符合國內產業使用。
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智慧製造系統重點發展技術 (III)
預測技術 生產自動化系統所須之智慧暨預測技術如：虛擬量測、良率預測、預測保養、產能預估、…等等。
以微觀的角色來看，即應用具預測能力的嵌入式裝置及無線網路等技術來將各式智慧佈署到生產線上的各個單機或設備上，使之形成一個具有分散式智慧的單元，進而致使各個單元均具備預測能力，且具有自我品管，及自我失常診斷與功能恢復的免疫能力。
以宏觀的角度來看，即在雲端與 E化的基礎建設上建構一個具有總體性智慧的完整生產自動化系統，進而致使協同設計、智慧共享、產能預估、精實生產、…等等之功能與任務能有效率地實現。
在具有分散式智慧與總體性智慧能力的自動化生產系統之運作下，將能有效率地達成提高生產設備的使用效率、降低營運成本、縮短產品上市時間與交期等目標。
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智慧製造系統重點發展技術 (IV)
智慧製造系統重點發展技術 (V)
整合機器人之智慧製造系統整合多軸產業機器人、視覺系統、與控制技術之智慧製造系統，可應用在少量多樣 3C產品彈性製造生產線之自動組裝、製造與檢測，以及自動化噴塗、精度機械生產系統等方面，可有效提高產線作業效率，使產線調度更為靈活，也能協助台灣產業提昇產品品質，提高國內機器人系統整合之附加價值。 (Total solution)
光機電系統與檢測技術重點發展技術 (I)
多自由度長度角度量測技術，在長度或角度量測中參考訊號之取得，在光機電整合系統中扮演能滿足系統需求 (1)高精度 (2)高自由度 (3)高頻寬 (4)能簡易快速與系統介面整合等特點。
因應奈米精度需求之長度或角度光學編碼器技術及相關應用，如超長超高精直線光學尺之製造與複製、超高精度旋轉雷射光學尺偏心問題的解決方法等。
其他各種智慧非長度感測技術，能滿足(1)傳輸高速 (2)高精度 (3)小體積 (4)易與系統整合運用等特點。
微米或次微米精度的快速原型製造系統。上述四項技術必須能與系統整合，並能完成雛型機及功能測試，以能符合國內產業使用為優先。
光機電系統與檢測技術重點發展技術 (II)
智慧機器人技術重點發展技術 (I) 智慧自動化與產業機器人整合研究開發新等級的靈巧機器人，讓機器人成為彈性且靈活的助手，並使人和機器人在工作區域內安全共同工作，促進工作效能，並減少系統整合之成本，增進整體生產力和競爭力。所需之前瞻核心技術包括：學習功能和適應性技術、先進控制和規劃技術、三維感知技術、人機互動技術、與系統架構與表達方式等。
其他包括智慧服務機器人及人機互動與安全之相關技術。
智慧醫療與健康照護系統重點發展技術 (I)
醫療自動化包含在新時代手術前的規劃與模型建立，以及病人資料庫匯整、病人特定模型分析、電腦輔助手術規劃等。其前瞻核心科技包括：先進控制和規劃技術、 3D立體影像轉換技術、機器人安全性技術、人機界面操作技術、直覺式人機互動介面技術、能自動理解人類行為與情緒之相關技術、使用多種感測器之自動健康資訊擷取技術等。
智慧醫療與健康照護系統重點發展技術 (II)
健康照護自動化台灣步入高齡化社會，國內需長期被看護之人口每年新增 30萬人，勢必加重醫療養護機構之醫護人員的負擔。據調查，醫療衛材、藥品、檢體之取放、運送、分類等庶務工作約占醫護人員 30%工作時間。因此，需要研究開發智慧服務機器人、與智慧自動化設備，來 (1)協助藥品運送，減少物品運送庶務工作，增加醫護人員照護病患時間，提升醫療照護服務品質； (2)協助檢體運送，減少接觸檢體機會，降低醫護人員遭受感染風險； (3)協助衛材取放，減少重複性物品取放動作，增加醫護人員照護病患時間 ,並降低職業傷害發生。
Current Status of Industry in Taiwan (I)
Economy: 悶 Low in salary Industry:
Level: middle Behind Taiwan: China(?), … Leaders: German, Japan
No new valuable products to sell Industry: Ceiling Phenomena
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Current Status of Industry in Taiwan (II)
No new valuable products to sell: Lack new innovation Didn’t get on the right track. OEM Electronic > mechanical > … Lack key components. Survive only. Excellency ?
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Example of Ceiling Phenomena (I)
Barriers for all electrical injection molding machines- Motors
Servo motor- Driver
DD motor Driver
Sensors Control algorithm
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Example of Ceiling Phenomena (II)
Barriers for Hydraulic injection molding machines Energy economic system
Servo motor- Driver
Pump High efficiency
Sensors Control algorithm
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Strategies to Compete in the World
Innovation Mechanical first, then control and electronics 師匠合一
Know the standards and work with the standards. Use CAE extensively. Spend more efforts in key components. Use more intelligent control. …
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From “Cost Down” to “Value Added”
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財訊 , p. 20, 06/20/2013
Value Added Research
Value Goal of your business Core value Core technology
Value added research Only champion can survive. The devils are hidden in the details. …
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Examples of Intelligent Control (I)
Temperature control of induction heated thermotherapy needle system
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Arduino Temperature Feedback Control (1/4)
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• Max6675: Convert analog to digital signal. Increase the captured voltage.
• Temperature control (voltage of IGBT):Use PWM control to adjust voltage.Use PID control law.
Arduino Temperature Feedback Control (2/4)
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Arduino Temperature Feedback Control (2/4)
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Temperature Control User Interface
Temperature Control Module by Arduino
Arduino Temperature Feedback Control (3/4)
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The Voltage of IGBT_20 Test
The Voltage of IGBT_20 V The Voltage of IGBT_22 V
Voltage of IGBT
20 V 22 V
Total of heating time
180 s 180 s
Time of power on
25 s 25 s
Time of power off
5 s 5 s
The Voltage of IGBT_20 V The Voltage of IGBT_22 V
Arduino Temperature Feedback Control (4/4)
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First and Second PID Parameter Design
First PID Parameter Design Second PID Parameter Design
KP 2 agg KP: 2 cons KP: 0.5
KI 5 agg KI: 5 cons KI: 0.05
KD 1 agg KD: 1 cons KD: 0.25
Self-turning No No
First PID Parameter Design Second PID Parameter Design
Examples of Intelligent Control (II)
油壓式射出機成型節能策略
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油壓式射出機成型耗能歷程
能耗(%)
週期
關模射膠保壓 熔膠 冷卻 開模 頂出
油壓式射出機成型節能策略
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射出成型過程中，機台運轉並非全速運轉，需求功率並非一致。
射出機節能策略：節能射出成形技術節能的執行機構節能的動力驅動系統
傳統油壓式射出機能耗來源
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採用定轉速感應馬達於射出過程中高速恆定持續運轉，油泵100%輸出，多餘液壓油通過溢流閥排回油箱，能源嚴重浪費。
PQ比例閥
PQcontroller
壓力流量
命令
Motor
感應馬達 +定量泵系統
伺服油泵架構說明
採用伺服馬達 + 驅動器取代傳統的定轉速感應馬達
根據控制器指令和壓力、速度回饋訊號來調節伺服馬達轉速，以達到用多少給多少的流量與壓力需求。
避免造成多餘流量浪費。可達到節能目的。
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M PG編碼器
伺服馬達
壓力傳感器
驅動器
泵浦
伺服馬達 +定量泵系統
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射出成型伺服油泵系統整合技術： 射出成型過程中工作壓力流量呈現急劇反覆變化，國內射出機廠商常未經系統整合常以混搭系統型式匹配，衍生控制與匹配性的問題。
伺服油泵系統涵蓋油、電與射出成型多屬性領域作業，市售系統關鍵組件皆來自國外。
油電節能關鍵技術
油電節能關鍵技術 射出機專用伺服油泵控制系統
射出成型過程中工作壓力流量呈現急劇反覆變化，伺服馬達驅動器需具備高控制精度與快速的響應速度。
伺服馬達具有轉速精確穩定、加速和減速響應快、小型質輕、效率高等優點。
射出機油壓動作屬於高度非線性系統，目前伺服油泵系統並無專屬射出成型產業應用，需開發具非線性控制機能之伺服油泵系統以強化產品競爭力。
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>40%
同一組 PID高壓控制 overshoot量可控制於 5%以內，低壓控制則高於 40%以上，此種控制模式對於低壓保護、初始低壓射出需求或低保壓控制等動作會影響成形品質。
<5%
Summary
Value added research Increase your core capability will
make you win in the competition. Intelligent control is one of the
possible solution to make your product different from your competitors.
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