KR100462338B1

KR100462338B1 - 열변위식자동티다이의제어방법

Info

Publication number: KR100462338B1
Application number: KR10-1998-0004479A
Authority: KR
Inventors: 사또루 니따; 고지 미즈누마
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-02-14
Publication date: 2005-02-28
Also published as: KR19980071361A; JPH10225973A; US6039904A; TW372216B

Abstract

온도 제어 루프와 두께 피드백 제어 루프로 이루어지는 열 변위식 자동 T 다이의 캐스케이드 제어 방법에 있어서, 온도 제어 루프를 과거의 히터 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 다이 볼트의 온도 즉 히터 제어 출력치를 예측하는 가상 온도 제어 루프로서 구성하고, 간편하고 또 적절히 플라스틱 시트 등의 프로파일 제어를 행할 수 있는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법을 제공한다.

T 다이 립의 간극을 각각 히터를 부착한 다이 볼트의 열 팽창 및 수축에 의해 조정하여 플라스틱 시트 등을 미리 설정한 목표 프로파일로 이루어지도록 성형하는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 있어서, 성형품의 두께 데이터를 프로파일 처리하여 목표 프로파일을 수정하여 적절한 립 간극을 얻는 다이 볼트의 온도 설정 및 변경을 행하고 연산 처리를 행하는 두께 피드백 제어 루프에 대해 다이 볼트에 부착한 히터의 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 적절한 다이 볼트의 온도가 되는 히터 제어 출력치를 예측 연산하는 가상 온도 제어 루프를 설치하여 캐스케이드 제어한다.

Description

열 변위식 자동 티 다이의 제어 방법 {A METHOD OF ADJUSTING A HEAT-DISPLACING T-DIE}

본 발명은 플라스틱 시트 또는 플라스틱 필름을 성형하는 열 변위식 자동 티(T) 다이의 제어 방법에 관한 것으로, 특히 상기 자동 T 다이의 립 조정량을 열 변위식 작동기의 제어 데이터를 기초로 하여 예측하는 가상 온도 제어 루프와, 성형품의 두께 데이터로부터 산출하는 두께 피드백 제어 루프의 캐스케이드 제어에 의해 간편하고도 적절히 플라스틱 시트 등의 프로파일 제어를 행할 수 있는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 플라스틱 시트 또는 플라스틱 필름(이하, 간단히 시트 등이라 한다)의 성형시에는 도4에 도시한 바와 같이 구성된 자동 T 다이가 사용되고 있다. 즉, 이 자동 T 다이는 도4에 있어서, 참조 부호 10은 자동 T 다이의 본체를 나타내고, 이 T 다이 본체(10)의 일부에 용융 수지를 시트형으로 압출 성형하는 립 간극(12)을 형성한 T 다이 립(14)을 구비하는 동시에, 이 T 다이 립(14)에 대해 그 폭 방향으로 다수의 다이 볼트(16)를 맞닿게 배치하고, 상기 다이 볼트(16)에 각각 온도 조정 가능한 히터(18)를 부착한 구성으로 이루어진다. 그리고, 도4에 있어서, 참조 부호 20은 히터 제어용 전류를 공급하기 위한 리드선을 나타내는 동시에, 22는 T 다이 본체(10)의 온도 제어를 행하기 위한 히터를 나타낸다. 그리고, 참조 부호 14a는 T 다이 립(14)과 T 다이 본체(10)에 구비한 가요부를 나타낸다.

이와 같이 구성된 자동 T 다이는 히터(18)를 가열한 때의 다이 볼트(16)의 열 팽창에 의한 신축 작용에 의해 T 다이 립(14)의 간극(12)을 조정하는 열 변위식 자동 T 다이로서 제어된다.

그런데, 이러한 종류의 열 변위식 자동 T 다이로서는, 예를 들면 도5에 도시한 열 직동식과 도6에 도시한 열 차동식이 알려져 있다.

그래서, 전자의 열 직동식 자동 T 다이는 도5에 도시한 바와 같이, 다이 볼트(16)에 대해, T 다이 립(14)측의 선단부(16a)에 있어서, 히터(18)를 유지하는 히터 홀더(18a)의 일부와 다이 볼트(16)를 결합한 구성으로 이루어진다. 따라서, 이 경우 히터(18)의 온도를 상승시키면 다이 볼트(16)는 선단부(16a) 방향으로 연장되고 립 간극(12)을 폐쇄하는 방향으로 T 다이 립(14)을 압박 변위시킬 수 있다.

그리고, 후자의 열 차동식 자동 T 다이는 도6에 도시한 바와 같이, 다이 볼트(16)에 대해, T 다이 립(14)과는 반대의 후단측(16b)에 있어서, 히터(18)를 유지하는 히터 홀더(18a)의 일부와 다이 볼트(16)를 결합한 구성으로 이루어진다. 따라서, 이 경우 히터(18)의 온도를 상승시키면 다이 볼트(16)는 후단측(16b) 방향으로 연장되고 립 간극(12)을 개방하는 방향으로 T 다이 립(14)을 압박 변위시킬 수 있다.

한편, 이와 같은 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법으로서는 종래부터 도7에 도시한 직접 피드백 제어 방식과, 제8에 도시한 캐스케이드 제어 방식이 알려져 있다.

그래서, 전자의 직접 피드백 제어 방식은 도7에 도시한 바와 같이, 목표 프로파일을 프로파일 제어부(30), 다이 볼트·히터 가열 제어 장치(32), 다이 볼트 - 립 시스템(34), 성형 프로세스(36)를 차례로 지나서 시트의 프로파일 제어가 이루어지는 동시에, 이 프로파일 제어 결과를 프로파일 처리부(38)에서 처리하여 프로파일 제어부(30)로 피드백하는 제어 연산이 일정 주기로 행해지고, 각 다이 볼트의 히터에 대한 공급 전력이 단계적으로 갱신된다. 그 결과, 대응 위치의 시트 두께는 지수 함수적으로 서서히 상승을 계속하고, 이어 평형 상태에 달하지만 이 동안에 시정수의 수배 정도의 시간이 소비된다. 상기 변화가 검지되는 것은 낭비 시간(L)이 경과하고 나서 이루어지므로, 오버 슈트에 의해 프로파일에는 톱니 모양의 진동이 발생하기 쉽다. 또 외란의 영향은 모두 두께 측정기로밖에는 캐치되지 않으므로 D1 내지 D4 외란의 수정 동작이 미루어지고, 제어 정밀도에 일정한 한계가 초래된다.

그리고, 후자의 캐스케이드 제어 방식은 도8에 도시한 바와 같이, 목표 프로파일을 프로파일 제어부(40), 온도 제어부(41), 다이 볼트·히터 가열 제어 장치(42), 다이 볼트 - 립 시스템(44), 성형 프로세스(46)를 차례로 지나서 시트의 프로파일 제어가 이루어진다. 이 경우, 다이 볼트에 부착한 히터의 온도를 검출하여 이 검출치를 상기 온도 제어부(41)로 피드백하는 제어 연산과, 상기 성형 프로세스(46)에 의한 프로파일 제어 결과를 프로파일 처리부(48)에서 처리하여 프로파일 제어부(40)로 피드백하는 제어 연산의 캐스케이드 제어가 행해지고, 각 다이 볼트의 온도 설정이 단계적으로 갱신되고, 각 히터에 대한 공급 전력이 조정된다.

그래서, 예를 들면 전술한 바와 같이 상호 간섭 효과의 처리 연산을 행하고 각 다이 볼트의 새로운 설정 온도가 산출된 때 미리 재료에 온도적인 악영향을 부여하지 않는 초기 다이 볼트 온도를 설정해 두고, 이와 상기 산출된 새로운 다이 볼트 설정 온도의 전체 평균치를 비교하고, 이 다이 볼트 설정 온도의 전체 평균치를 상기 초기 다이 볼트 온도와 일치하도록 온도 제어하고, T 다이 립 간극이 재료의 성형에 적절한 온도 부근에서 조정되도록 구성한 캐스케이드 제어 방법이 제안되어 있다(일본 특허 공고 평1-22140호 공보).

이와 같은 캐스케이드 제어 방식은 프로파일을 대상으로 하는 마스터 루프 내에 다이 볼트 온도를 대상으로 하는 슬레이브 루프가 구비된다(도8 참조). 이로 인해, 마스터 루프의 지령에 의해 다이 볼트 온도의 설정치가 단계적으로 갱신되면 PID 동작이 작용하고, 빠르게 수정이 행해진다. 또 외란 중, D1, D2는 슬레이브 루프 내에서 거의 완전히 처리되므로 응답성과 안정성이 대폭 개선된다.

그러나, 상기 종래의 직접 피드백 제어 방식에 있어서는 자동 T 다이에 있어서의 히터 온도는 검출하지 않고, 히터로의 제어 출력은 두께 편차로부터 직접 결정하기 위해 다음과 같은 이점과 결점을 갖고 있다.

즉, 온도 센서를 설치하지 않으므로 히터의 구성이 단순해지는 동시에 제어 유닛도 1 루프이기 때문에 단순해지는 이점이 있다. 그러나, 자동 T 다이로부터 성형되는 시트가 두께 측정기까지 이동하는 동안의 지연 시간이 길어지며, T 다이 립의 변위는 히터의 온도 변화에 의한 다이 볼트의 열 팽창 또는 수축에 의해 발생하는데, 히터로의 제어 출력을 일정하게 해도 온도는 일정해지지 않는다는 결점이 있다.

그리고, 상기 종래의 캐스케이드 제어 방식에 있어서는 상기 직접 피드백 제어 방식의 결점을 개선하기 위해 히터를 부착한 다이 볼트 1개 1개에 대해 온도 센서를 설치하고, 다이 볼트 1개마다 온도 제어를 행하는 것이며, 다음과 같은 이점과 결점을 갖고 있다.

즉, 자동 T 다이로부터 두께 측정기까지의 낭비 시간에 관계없이 온도 제어 루프를 일정 시간으로 구성할 수 있는 동시에, 히터의 온도를 검출하고 관리하기 위해 T 다이 립의 변위를 직접 예측할 수 있고, 게다가 주위 환경(주위 온도나 전원 변동)의 변화가 있어도 온도 제어하고 있으므로 히터 온도는 변하지 않고 T 다이 립이 변화하지 않는 이점이 있다. 그러나, 다이 볼트 1개 1개에 대해 온도 센서를 구비하고 있으므로 구조가 복잡해지는 동시에 히터와 온도 센서에 대한 리드선의 배선도 번잡해지며 구조 비용도 증대하는 결점이 있다.

그래서, 본 발명의 목적은 온도 제어 루프와 두께 피드백 제어 루프로 이루어지는 열 변위식 자동 T 다이의 캐스케이드 제어 방법에 있어서, 온도 제어 루프를 과거의 히터 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 다이 볼트의 온도 즉 히터 제어 출력치를 예측하는 가상 온도 제어 루프를 구성하고, 간편하고도 적절히 시트의 프로파일 제어를 행할 수 있는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법은 T 다이 립의 간극을 각각 히터를 부착한 다이 볼트의 열 팽창 및 수축에 의해 조정하고 플라스틱 시트 등을 미리 설정한 목표 프로파일로 이루어지도록 성형하는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 있어서,

성형품의 두께 데이터를 프로파일 처리하여 목표 프로파일을 수정하여 적절한 립 간극을 얻는 다이 볼트의 온도 설정 및 변경을 행하고 연산 처리를 행하는 두께 피드백 제어 루프에 대해 다이 볼트에 부착한 히터의 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 적절한 다이 볼트의 온도가 되는 히터 제어 출력치를 예측 연산하는 가상 온도 제어 루프를 구비하여 캐스케이드 제어하는 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명에 관한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법의 실시예를 기초로 하여 첨부한 도면을 참조하면서 이하 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 관한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법의 일실시예를 도시한 제어 계통도이다.

즉, 도1에 있어서, 목표 프로파일을 프로파일 제어부(50), 다이 볼트·히터 온도 제어부(52), SSR(고체 상태 릴레이) 등을 이용한 히터 제어 출력 장치(53), 다이 볼트 - 립 시스템(54), 성형 프로세스(56)를 차례로 지나서 시트의 프로파일 제어가 이루어진다. 그리고, 본 발명의 제어 방법을 실시하는 열 변위식 자동 T 다이는 전술한 도4 내지 도6에 도시한 바와 같이 구성된다.

그래서, 본 실시예에 있어서는 다이 볼트에 부착한 히터의 온도를 검출하지는 않으며, 히터 제어 출력 장치(53)에 있어서 출력된 히터 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 다이 볼트·히터 온도 예측 연산부(55)를 거쳐서 다이 볼트의 온도 즉 히터 제어 출력치를 예측하고, 상기 다이 볼트·히터 온도 제어부(52)로 피드백하는 제어 연산을 행하는 가상 온도 제어 루프를 구비한다.

그리고, 종래의 캐스케이드 제어와 마찬가지로, 상기 성형 프로세스(56)에 의한 프로파일 제어 결과를 두께 프로파일 처리부(58)에서 처리하고, 프로파일 제어부(50)로 피드백하는 제어 연산을 행하는 두께 피드백 제어 루프가 설치된다.

그래서, 우선 상기 프로파일 제어부(50) 및 두께 프로파일 처리부(58)에 의한 두께 피드백 제어에 있어서의 조작에 대해서 도2의 (a)에 도시한 제어 흐름도를 참조하여 설명한다.

최초에 프로파일 제어부(50)에 대해, 목표 프로파일의 설정을 행한다(스텝 1). 이어서, 두께 프로파일 처리부(58)에서 처리된 두께 프로파일을 피드백 입력한다(스텝 2).

그래서, 소요의 제어 타이밍이 되는 것을 기다려(스텝 3) 상기 설정된 목표 프로파일과 피드백 입력된 두께 프로파일과의 편차로부터 다이 볼트 조작량을 연산한다(스텝 4). 이어서, 상기 다이 볼트 조작량을 기초로 하여 새로운 설정 온도를 산출하고, 이 검출치에 의해 상기 다이 볼트·히터 온도 제어부(52)에 대한 설정 온도 변경을 위한 지령 신호가 출력된다(스텝 5). 그 후, 상기 프로파일 제어부(50)는 다음 제어 타이밍이 되기까지 제어 동작을 대기하고 다시 상기 제어 동작이 반복 행해진다.

다음에, 상기 다이 볼트·히트 온도 제어부(52), 히터 제어 출력 장치(53) 및 다이 볼트·히터 온도 예측 연산부(55)에 의한 가상 온도 제어 루프에 있어서의 조작에 대해서 도2의 (b)에 도시한 제어 흐름도를 참조하여 설명한다.

우선, 다이 볼트·히터 온도 제어부(52)에 대해 다이 볼트의 초기 설정 온도가 입력 설정된다(스텝 6). 그래서, 전술한 바와 같이, 소요의 타이밍으로 설정 온도의 변경이 상기 프로파일 제어부(50)로부터 지령되면(스텝 7) 설정 온도의 변경이 행해지고(스텝 8), 히터 제어 출력 장치(53)에 의해 히터를 제어하여 각 다이 볼트의 온도 제어를 행한다.

그리고, 상기 설정 온도의 변경이 행해진 경우, 혹은 설정 온도의 변경이 행해지지 않는 경우에 있어서도, 상기 히터 제어 출력 장치(53)의 히터 제어 출력치를 기초로 하여 다이 볼트·히터 온도 예측 연산부(55)에 있어서, 다이 볼트 온도의 예측 연산이 행해진다(스텝 9). 이어서, 산출된 예측 온도와 설정 온도의 차로부터 PID 연산에 의해 히터 제어 출력치를 연산한다(스텝 10).

이와 같이 하여 산출된 히터 제어 출력치는 다이 볼트·히터 온도 제어부(52)를 거쳐서 히터 제어 출력 장치(53)로부터 출력되고(스텝 11), 히터를 제어하여 각 다이 볼트의 온도 제어를 행한다.

그리고, 상기 히터 제어 출력치를 연산하는 온도 제어 타이밍이 적절히 설정되고(스텝 12), 다시 상기 제어 동작이 반복 행해진다.

그래서, 다음에 전술한 다이 볼트·히터 온도 예측 연산부(55)에 있어서의 히터 제어 출력치의 예측 연산에 대해서 상세하게 설명한다.

다이 볼트의 온도는 히터의 발열량(Q1)과 주위로의 발열량(Q0)에 의해 결정된다. 이 경우, 다이 볼트는 다수 병렬 배치되므로 근접하는 다이 볼트로부터의 열(QB)도 전달된다.

히터의 발열량(Qi)은 다음 식에서 구할 수 있다.

Qi = C1 (θh - θ) (1)

단, C1 : 전열에 관한 콘덕턴스

θh : 히터 자체의 온도

θ : 다이 볼트의 온도

한편, 근접하는 다이 볼트로부터의 열(QB)은 다음 식에서 구할 수 있다.

QB = C2i(θ(i - 1) - θi) + C2i(θ(i + 1) - θi) (2)

단, C2 : 전열에 관한 콘덕턴스

θi : 해당하는 다이 볼트의 온도

θ(i + 1), (i - 1) : 근접하는 다이 볼트의 온도

그리고, 히터 주위로의 방열량(Q0)은 다음 식에서 구할 수 있다.

Q0 = C3(θi - θa) (3)

단, C3 : 전열에 관한 콘덕턴스

θa : 히터로 가열하는 다이 볼트 부근의 주위 온도

(해석을 용이하게 하기 위해 θa = 0으로 한다)

따라서, 정상 열전도에 있어서 상기 방열량(Q0)은 다음 식에서 구할 수 있다.

Q0 = Qi + QB (4)

그래서, 상기 식(4)에 상기 식(1), (2), (3)을 대입하여 정리하면 다음 식을 얻을 수 있다.

(수1)

상기 식(5)를 간략화하면 다음 식을 얻을 수 있다.

θi = G1·θh + G2〔θ(i + 1) + θ(i - 1)〕 (6)

상기 정수 G1, G2는 실험에 의해 동일하게 정하고, 수직화할 수 있다.

이와 같이 하여 해당하는 다이 볼트의 온도를 예측하고, 설정 온도와의 편차로부터 PID 제어에 의해 새로운 히터로의 제어 출력치를 연산하고, 히터 제어 출력 장치(53)에 출력함으로써 다이 볼트의 온도 제어를 적절히 행할 수 있다.

이와 같은 히터 제어 출력치의 예측 연산을 행하는 가상 온도 제어 루프는, 예를 들면 10 내지 30초의 일정 주기에 의해 피드백 회로를 구성하는 동시에, 각 다이 볼트의 설정 온도는 두께 측정기로부터의 신호를 기초로 하여 두께 피드백 제어 루프에 의해, 예를 들면 2 내지 5분의 제어 타이밍에 의해 각각 적절한 온도 제어치의 설정과 변경을 행할 수 있다.

그리고, 도3은 전술한 본 발명의 제어 방법에 의해 시트를 성형하는 경우에 있어서의 시트의 프로파일 처리〔도3a, 도3b 참조〕와, 다이 볼트의 설정 온도〔도3c 참조〕의 관계를 도시한 모니터 표시예이다. 즉, 도3a는 시트 두께를 나타내고, 도3b는 이 때의 각 다이 볼트에서의 시트 두께 편차를 나타내고, 도3c는 다이 볼트 히터의 설정 온도를 흰색 막대 그래프, 예상 온도를 검정 막대 그래프로 표시하고 있다. 그리고, 이 경우, 상기 흰색 막대와 검정 막대의 레벨이 일치한 상태가 외란이 없는 이상 상태이다.

이상, 본 발명의 적절한 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지는 않으며, 그 정신을 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 많은 설계 변경이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법은 T 다이 립 간극을 각각 히터를 부착한 다이 볼트의 열 팽창 및 수축에 의해 조정하여 플라스틱 시트 등을 미리 설정한 목표 프로파일로 이루어지도록 성형하는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 있어서, 성형품의 두께 데이터를 프로파일 처리하여 목표 프로파일을 수정하여 적절한 립 간극을 얻는 다이 볼트의 온도 설정 및 변경을 행하고 연산 처리를 행하는 두께 피드백 제어 루프에 대해 다이 볼트에 부착한 히터의 제어 출력치와 이를 기초로 하여 주위로의 방열 온도로부터 적절한 다이 볼트의 온도가 되는 히터 제어 출력치를 예측 연산하는 가상 온도 제어 루프를 설치하여 캐스케이드 제어하도록 구성함으로써, 간편하면서 적절하게 플라스틱 시트 등의 프로파일 제어를 행할 수 있다.

도1은 본 발명에 관한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법의 일실시예를 도시한 제어 계통도.

도2는 도1에 도시한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법을 실시하기 위한 제어 흐름도에 있어서, (a)는 두께의 프로파일 제어를 위한 흐름도이며, (b)는 다이 볼트 온도 제어를 위한 흐름도.

도3a 내지 도3c는 도1에 도시한 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 있어서의 플라스틱 시트의 프로파일 처리 및 다이 볼트 설정 온도의 관계를 도시한 모니터 표시예의 설명도.

도4는 종래의 열 변위식 자동 T 다이의 개략 구성을 도시한 요부 단면도.

도5는 종래의 열 직동식 자동 T 다이의 구성을 도시한 요부 단면도.

도6은 종래의 열 차동식 자동 T 다이의 구성을 도시한 요부 단면도.

도7은 종래의 열 변위식 자동 T 다이에 있어서의 직접 피드백 제어 방식을 도시한 제어 계통도.

도8은 종래의 열 변위식 자동 T 다이에 있어서의 캐스케이드 제어 방식을 도시한 제어 계통도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 프로파일 제어부

52 : 다이 볼트·히터 온도 제어부

53 : 히터 제어 출력 장치(SSR)

54 : 다이 볼트 - 립시스템

55 : 다이 볼트·히터 온도 예측 연산부

56 : 성형 프로세스

58 : 두께 프로파일 처리부

Claims

T 다이 립의 간극을 각각 히터를 부착한 다이 볼트의 열 팽창 및 수축에 의해 조정하여 플라스틱 시트 등을 미리 설정한 목표 프로파일이 되도록 성형하는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법에 있어서,

성형품의 두께 데이터를 프로파일 처리하여 목표 프로파일을 수정하여 적절한 립 간극을 얻는 다이 볼트의 온도 설정 및 변경을 행하는 연산 처리를 하는 두께 피드백 제어 루프에 대해, 다이 볼트에 부착한 히터의 제어 출력치와 이를 기초로 하는 주위로의 방열 온도로부터 적절한 다이 볼트의 온도가 되는 히터 제어 출력치를 예측 연산하는 가상 온도 제어 루프를 구비하여 캐스케이드 제어하는 것을 특징으로 하는 열 변위식 자동 T 다이의 제어 방법.