KR20140050225A - 금형 상태 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형 상태 표시 장치에 관한 것으로서, 금형의 운전 상태 정보인 압력이나 초음파 신호 획득하여 상태 표시할 수 있는 금형 상태 표시 장치에 관한 것이다.

Description

금형 상태 표시 장치{Mold Status display Device}

발명은 금형 상태 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금형에 가해지는 압력 또는 금형의 개폐시 발생하는 초음파 마찰음이나 초음파 충격음 등을 측정함과 동시에 표시장치로 즉시 디스플레이해 주는 금형 상태 표시 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 플라스틱 사출금형에서는 초정밀 금형 사출 생산품인 휴대폰, 3DTV, 스마트폰 등 금형제작과 사출 생산 조건에 따라 플라스틱 사출품의 품질 조건이 변화된다.

금형에 가해지는 압력은 사출기에서 조작되고 가해지는데 반해, 실제 금형에 가해지는 압력과 차이가 난다.

그런데 지금까지 금형에 직접적으로 가해지는 압력을 알 수 없었고, 사출 조작 전문가의 경험에 의해 금형에 가해지는 사출압력이나 금형의 형틀 개, 폐시에 운전을 조작하고 있어서 여러 번의 시행착오와 함께 경험에 의한 조건 설정은 높은 품질을 요구하는 설정에 한계가 있었고, 금형이 이동되어 다른 사출기에 적용될 경우엔, 더욱 정밀도가 떨어지고 실제 금형에 가해야 하는 정확한 압력의 값을 판단할 수 없는 현실이며, 기계별 오차를 갖는 사출기의 조건에 의해 최종 제품의 품질이 떨어지는 문제와 이를 해결하는데 많은 불편한 문제점이 있었다.

또한, 프레스 금형일 경우엔, 기온차나 프레스 모재(형상으로 가공되는 철판 등)의 재질 상황에 따라 품질 만족을 위해 가해야 하는 압력 조절이 필요하고 불량 성형시 신속한 후속조치 요구되어 관리자는 이물질 제거나 수정 프레스 설비 조작을 하게 된다. 이때,

가압력을 높이면 프레스 금형 수명이 단축되고, 가압력이 낮으면 품질 불량률 발생이 증가하는 등 해당 프레스 금형에 대해 가압 조건이나 시간 등 수정할 자료나 데이터 확보가 필요하였다.

사출성형에서는 이용되는 금형 제작의 목적은 수지를 용융시켜 스프루(sprue), 러너(runner) 및 게이트(gate)를 따라 사출금형 내에 형성된 캐비티(cavity) 내로 주입시키고, 이를 고화시킴으로써 원하는 형태의 성형품을 만드는 제조기술이다. 사출성형에 사용되는 사출금형은 제품 배치 및 방식에 따라 싱글 캐비티(Single Cavity) 방식, 멀티 캐비티(Multi Cavity)방식, 패밀리(family) 방식 등으로 나뉘는데, 이들 방식 중 멀티 캐비티 방식이나 패밀리 방식은 하나의 금형에 복수의 캐비티가 형성되어 있어 대량생산에 적합하므로 널리 사용되고 있다.

한편, 복수의 캐비티가 형성된 금형을 이용하여 제품을 사출성형하는 경우 각 캐비티 내에서 용융 수지의 거동이 완전히 동일하기는 어렵다. 수지의 온도, 유동도 또는 압력, 금형의 온도나 캐비티의 형상 등 여러 가지 요인이 수지의 거동에 영향을 주기 때문이다. 예컨대 캐비티들이 연직방향으로 나뉘어 배치된 경우 동일한 공급원에서 사출된 용융 수지일지라도 중력의 영향을 받아 위쪽의 캐비티와 아래쪽의 캐비티에 각각 진입하는 수지의 양이나 압력이 달라질 수 있다. 이와 같이 복수의 캐비티에 대한 용융수지 거동의 차이는 사출성형 제품의 치수 또는 중량변화, 잔류 응력에 의한 변형, 플래쉬(flash), 금형 수명 단축, 제품의 미충전 등의 불량을 초래하게 된다.

이와 같은 문제는 사출성형의 일종인 사출-압축 성형에서도 마찬가지이다. 사출-압축 성형 공정에는 각 캐비티를 압축하는 과정이 포함되는데, 각 캐비티를 압축하는 시점이 모두 동일한바, 용융수지의 거동이 캐비티마다 상이한 상태에서 각 캐비티를 모두 압축하게 되면 역시 제품 불량을 초래하게 된다.

특히, 사출할 때의 압력은 유압에 의해 밀착 고정된 금형에 수십에서 수천 톤 이상의 압력을 가하는데, 실제 가해지는 압력의 미묘한 변화는 있게 마련이다. 지금까지 산업현장에서는 경험자에 의해 사출기의 조작 패널에 의해 정해진 압력 설정으로 여러 번 사출 과정을 거치면서 최종적으로 원하는 각각의 압력이나 고장에 따른 설정을 하고 있어 왔다. 그러나 이와 같은 여러 번의 수정 방식은 많은 시간과 비용이 소모된다.

이와는 별도로 프레스 금형은, 복수의 금속판 사이에 모재를 넣고 압축력을 가하여 소성 변형시켜 여러 모양을 대량으로 만들어 낼 수 있는 금형으로 컴퓨터 케이스, 카메라 정밀부품에서부터 자동차 차체에 이르기까지 광범위한 제품을 생산 할 수 있고, 플라스틱 금형처럼 원료나 모재를 가열하지 않고 상온에서 짧은 시간에 정확한 치수 모양으로 가공할 수 있는 대량 생산 기계이다.

플라스틱 사출금형이나 프레스 금형을 이용한 생산 작업의 특성상, 반복 제품을 생산하는 도구이며 이때, 똑같은 패턴의 반복으로 비슷한 유형의 음파가 반복적으로 발생하게 된다.

그리고 금형 현장의 전문 기술자들은 금형을 이용한 생산현장에서 기계의 작업 소리를 듣는 것만으로도 정상 작업 중인지, 비정상 작업 중인지 판단이 빠르며, 이상하면 점검하여 오동작의 원인을 발견해 내고 있다.

본 발명에서는 금형과 접촉된 진동 초음파 신호를 획득할 수 있으면서, 압력정보도 동시에 얻어 금형의 운전 상태를 감시할 수 있는 방법을 제시하는 발명에 관한 것이다.

이러한 금형은 짧은 시간에 대량으로 제품을 생산하기 때문에 불량품이 발생하기 시작할 경우 신속하게 대응하지 못하면 많은 불량품을 생산하는 과정으로 경제적으로 막대한 손실이 발생하게 된다.

또한, 지속적인 금형의 형 개폐와 모재 사이에 작용하는 미세한 차이에 의해 시간이 갈수록 금형의 특정부위는 마모가 발생하기 쉽고 미세한 이러한 차이는 동일한 제품을 완성해 내기 위해서는 초기 압력보다 더 높은 압력이 요구될 수 있었다.

그러나 프레스 금형일 경우, 오퍼레이터에 입력된 초기 입력 또는 설정 값으로 세팅되어 생산되고 있어 시간 진행에 따른 고른 품질을 만족하기 위한 별도의 조치에는 한계가 있었던 문제점이 있었고, 아직까지 불량품 발생에 대해서는 여러 가지 근접센서나 프로그램에 의해 제어되어 생산기계의 정지로 안전사고 예방에는 도움이 되지만, 그 불량의 원인에 대한 판단은 현장 기술자의 관리 능력이 크게 의존하고 있기 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 실제 금형에 가해지는 실시간 압력의 상태나 운전중 발생하는 초음파 신호(충돌, 마찰음 등)나 정보를 획득하여 외부변화(기후나 날씨에 따른 외부 변화)에 따른 금형의 운전 조건의 상태 변화 정보나 모재 상태에 따른 금형 충동 초음파 음 그리고 이러한 정보를 바탕으로 조작자에게 품질 만족에 필요한 수정이나 보정에 필요한 실질적인 금형 내부 동작 상태 정보를 제공해 주어 보다 신속한 후속조치와 판단에 도움을 줄 다양한 정보를 확보할 필요가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 실제 금형에 가해지는 압력이나 초음파 발생음이나 모재의 파열음 등을 획득하여 금형(프레스, 사출)의 생산 과정 중 압력변화나 상태 또는 초음파 발생 음을 수신하여 그래프로나 숫자로 보여주어 생산관리 또는 품질만족을 위해 필요한 정보를 제공하여 프레스, 사출기 등 조작에 판단할 수 있는 금형 상태 정보를 제공하여준다.

본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치는 실제 시간변화에 따라 금형에 가압 되면서 발생하는 원인과 현상 등 상태정보를 압력의 상태를 숫자로 표시할 수 있는 모니터가 구비되어 있고 이들 가압 되거나 초음파 수신 정보의 음량이나 시간변화 정보는 금형 운전 상태인 가압정보뿐만 아니라 초음파 충격음의 시간적 변화에 따른 운전상태를 조작자에게 정보를 제공할 수 있으므로 최적의 금형 운전 조건의 정보를 예측하고 판단하여 수정하여 실시간 최적 금형 개, 폐 운전 상태를 유지할 수 있게 되므로 최적의 품질을 상태조건을 만족할 수 있으며 시간변화에 따른 금형 마모 환경에서도 품질만족 조건을 확보해 가면서 생산하므로 질 좋은 제품을 생산 및 납품할 수 있게 된다. 또한, 초음파 신호로 진단하면서 운전하게 되므로 미리 불량 조건을 예측 및 불량제품 선별에도 유용하고 또, 운전 조작에 따른 안전 사고 예방에도 도움을 주게 되며 제품 생산 과정에 대해 제품 불량 현상이나 사고를 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치는 각 금형 내부의 초음파 진단 상태로 미리 측정하여 충전 상황에 따라 변화하는 압력 현상을 숫자 정보를 얻게 되어 여러 번의 사출 조작에 따른 프로그램을 사전에 예측하여 조정 및 세팅할 수 있으므로 사출금형을 조작하기 위해 추가적인 반복 과정이 필요 없고 이에 따른 시간 및 비용의 소모를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시 예인 금형 상태 표시 장치의 외관 사시도
도 2는 도1의 측면도
도 3은 본 발명에 따른 일 실시 금형 상태 표시 장치가 금형에 부착된 모습을 보인 사시도
도4는 본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치 블록도

이하에서는 본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치의 실시 예들을 설명한다.

금형을 구성하는 금형 속에서 발생하거나 전달되는 철 속의 음(音)이나 동작음을 비롯하여 잡음, 충격음, 마찰을 초음파 신호를 수신하여 모니터링으로 운전 상태가 초음파 검사를 통해 정상적인 상태인지의 여부를 확인하기 위해 사용된다. 또 압력 정보를 동시에 획득하기 위해서도 사용될 수 있는 발명이며,

이러한 목적을 위한 실시 예를 설명하는 것이므로, 본 발명을 기술된 내용에 한정되게 해석해서는 안 되며, 다양한 응용 및 활용도 본 발명의 청구 취지에 포함된다 하겠다. 따라서 본 발명의 금형 상태 표시 장치에서의 금형은 프레스 금형이나 사출금형 등 모두에 적용 가능하다. 상세하게 첨부된 도면에 의해 본 발명을 설명하면,

도 1은 본 발명에 따른 금형 압력 표시장치의 일 실시 예의 사시도이며,

도 2는 도1의 절단면도이고,

도 3은 일 실시 예로 금형(프레스금형, 사출금형 등)에 설치 및 고정된 상태를 보인 사시도이다.

도4는 본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치 블록도

도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 금형 상태 표시 장치의 구성은

플라스틱 사출 금형이나 프레스 금형(3)에 맞대거나 고정되는 구성이나 구조를 갖는 몸체(11)와 금형(3)과 연결 및 분해될 수 있는 연결 홈(7) 그리고 금형(3)의 운전 상태정보를 획득할 수 있는 압력이나 초음파 등 다양한 센서(13)와 몸체(11) 일부분에 표시장치(15) 및 전자회로(18)로 구성된 특징이 있다.

금형(3)의 고정 측(미표시)에 금형(3)과 함께 하나의 사출금형을 형성할 수 있도록 하는 게 바람직하다. 이를 위해 금형(3)의 고정 측에 고정될 홈(7)이 형성되어 금형(3)에 조립 및 설치된다.

그리고 금형 상태 표시 장치와 금형이 맞닿는 부분에서 압력이나 초음파 신호음을 획득할 수 있는 로드셀이나 초음파 수신 장치인 센서(13)가 부착 및 고정 설치되고 전기배선(19)으로 몸체(11) 일부분에 수용된 전자회로(18)로 연결된다.

전자회로(18)는 상기 센서들로부터 획득되거나 측정된 정보를 프로그램으로 해석하거나 처리된 정보를 표시할 수 있는 표시창(15)과 스위치 조작패널(17)이 몸체(11) 외주면 한 부분에 고정되어 외부에서 금형(3)의 운전상 여러 가지 상태 정보를 읽고 조작할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 금형 압력 표시장치의 구성을 도시한 블록도로서, 본 발명의 금형 상태 표시 장치는 금형 상태 신호를 전기적 신호로 획득할 수 있는 초음파, 압력 등 여러 가지 센서들(13)과, 증폭부(23), 필터부(25), 아날로그 디지털 변환기(ADC:27), 마이크로 프로세서(MCU: 31)(무선통신기능 포함), 조작패널(17),표시부(LED 또는 LCD)(15), 전원부(50), 메모리부(33)로 구성된다.

도 4를 참조하면, 센서(13)들 중 로드셀은 무게 측정소자인데, 압력이나 힘과 같은 물리적인 양을 직접적으로 전기적인 신호로 변환시키는 물리적인 현상이 없으므로 압력이 탄성체의 변형으로 변환되고 이러한 변형을 전기적인 신호로 변환시켜주는 기능을 한다. 즉, 로드셀은 외부의 압력을 받았을 때 생기는 로드셀 감지부의 탄성 변형을 감지부 표면에 부착된 스트레인 게이지의 저항변화를 측정함으로써 외부의 압력(힘)의 크기를 전기적인 신호로 검출한다. 여기에 사용되는 압력센서방식에는 피에조 현상을 응용한 자가 발진형 또는 동적 변환기와, 스트레인 게이지와 같은 비자가 발진형이 있는데 가장 널리 사용되는 방식이 스트레인 게이지식 로드셀이다. 스트레인 게이지식 로드셀은 스트레인 게이지 4개로 브리지 회로를 구성한 후 전압을 인가하여 압력에 따른 저항의 변화를 전압으로 감지하여 출력한다.

또한, 센서(13)들 중 초음파 수신은 금형이 개폐되면서 발생하는 초음파 신호 예를 들면 20~80Khz대 신호를 수신하여 미세한 신호의 진폭이나 충격음을 감지하여 증폭부(23)로 보낸다.

증폭부(23)는 연산증폭기를 이용하여 구현되며, 로드셀이나 초음파 수신부 의 센서들(13)이 전송하는 신호를 증폭하고, 필터부(25)는 신호에 포함된 잡음을 제거한다. 증폭 및 잡음이 제거된 아날로그 압력신호는 아날로그 디지털 변환기(27)에서 디지털 압력 데이터로 변환된 후 마이크로 프로세서(31)로 입력된다.

그리고 마이크로 프로세서(31)에서는 내장된 프로그램으로 신호 처리하거나 각각의 기능부를 제어한다.

조작패널(17)은 사용자가 조작할 수 있는 입력장치로서 0에서 9까지의 키패드와, 입력키 각종 값을 입력하기 위한 엔터키 등 마이크로 프로세서(31)에 입력하기 위한 입력장치이다.

마이크로 프로세서(31)는 전원이 켜지면 초기화를 수행하고

금형에 압력이 가해지는 압력센서인 로드셀, 금형이 운전중 발생하는 초음파 신호를 수신하는 센서(13)에서 신호를 획득하여 전자회로(18)로부터 수신된 데이터를 프로그램으로 처리하여 표시창(15)에 표시하도록 프로그램 제어하고, 사용자가 입력한 입력정보에 따라 미리 저장된 표준압력정보와 대비하여 각종 압력차나 시간상태, 초음파 진폭, 초음파 발생 시간 등 정보를 처리 및 산출하여 표시창(15) 화면에 표시하면서 기억하도록 제어한다.

메모리부(33)은 표준 금형 사이즈나 캐비티 안료 종류별 정보를 저장하고 있다가 각종 지수를 산출하는데 사용할 수 있게 하는데, 통해 교체 가능하도록 실장 되어 정보가 변경되면 이를 갱신할 수 있도록 되어 있다.

메모리부(33)는 수신된 초음파 신호 20~80Khz 보다 3배수인 주파수 즉,

60~240Khz 샘플링 및 제어하여 양자화처리 또는 A/D를 통한 디지털 자료롤 변환 단계를 거처 별도의 기록영역에 상기의 디지털 정보를 기록한다.

기록된 정보는 프로그램 제어부에 의해 데이터 마이닝 및 통계적으로 처리하여 설정된 값이나 임계값 이상 또는 이하일 경우 연산처리로 모니터링 및 사전 예방 이상 음을 송출하게 할 수도 있다.

또한, 마이크로 프로세서(31)에서는 도면에 첨부되지 않았지만, 무선 통신기능까지 수행하는 특징이 있다.

본 발명에서 설명되는 마이크로 프로세서(31)에서 도면에 첨부되지 않는 발명의 하나인 무선통신이라 함은, 플라스틱 사출금형이나 프레스 금형을 구성하는 철 속에서 발생하는 초음파 신호를 획득한 정보를 처리하면서 이동단말기로 데이터 전송 기능을 의미한다.

상기의 무선통신으로는 RF(무선통신), 블루투스, 지그비 등 휴대폰 3G,4G등 이동 노드 모두를 포함하는 특징이 있다.

무선통신부분을 상세하게 설명하면, 프레스 및 사출 금형을 구성하는 금속(철)에 부착되는 초음파 수신센서로 금형 내부로부터 발생하는 초음파 음을 획득하는 초음파 음 수신단계로 금형 내부의 금형 철에서 발생하는 초음파 대역 아날로그신호를 초음파 센서로 초음파 정보를 획득하고,

상기 획득된 초음파 수신센서의 신호를 증폭 및 60~240Khz 주파수로 샘플링 단계나 상기 증폭된 신호를 A/D변환 또는 상기 샘플링된 정보를 양자화로 디지털화 자료 생성 단계로 디지털 자료로 변환하고,

상기 생성된 디지털 자료를 저장 및 통계 처리하는 연산처리단계 및

연산처리 결과나 정보를 무선통신으로 이동 노드로 정보를 송출하는 단계로

프로그램 처리할 수 있는 특징의 금형 상태 표시 장치.

그리고 전원부(50)는 각부에 전원을 공급하며 내부의 건전지 또는 외부 전원으로 동작할 수 있게 전원을 공급하는 한다.

즉, 프레스금형이나 사출금형에 부착되어 금형의 운전중 실시간 상태정보를 획득할 수 있는 금형 상태 표시 장치에 있어서,

금형 일부분에 부착되는 몸체와;

상기 몸체 일부분에 초음파센서, 압력센서 등으로 금형 금속구조물에서 발생하는 초음파신호음으로 운전 상태 정보 및 가압 되는 금형의 압력정보 획들 할 수 있는 센서가 고정 또는 수용되고;

초음파신호 및 압력 신호를 증폭 및 프로그램으로 처리할 수 있는 제어부;

제어부에 의해 처리된 정보를 표시할 수 있는 모니터 및 경보음을 호출할 수 있는 출력장치가 있는 특징의 금형 상태 표시 장치이다.

상기 초음파센서는 20Khz~80Khz 주파수 범위의 금형 운전중, 발생하는 충격이나 마찰음 정보를 획득할 수 있는 특징의 금형 상태 표시 장치에 관한 발명이다.

11:몸체 13:센서(로드셀,초음파수신센서)
15:표시창 17:조작패널
18:전자회로

Claims (4)

1. 프레스금형이나 사출금형에 부착되어 금형의 운전중 실시간 상태정보를 획득할 수 있는 금형 상태 표시 장치에 있어서,
   금형 일부분에 부착되는 몸체와;
   상기 몸체 일부분에 초음파센서, 압력센서 등으로 금형 금속구조물에서 발생하는 초음파신호음으로 운전 상태 정보 및 가압 되는 금형의 압력정보 획들 할 수 있는 센서가 고정 또는 수용되고;
   초음파신호 및 압력 신호를 증폭 및 프로그램으로 처리할 수 있는 제어부;
   제어부에 의해 처리된 정보를 표시할 수 있는 모니터 및 경보음을 호출할 수 있는 출력장치가 있는 특징의 금형 상태 표시 장치.
   
   
2. 프레스 및 사출 금형을 구성하는 금속(철)에 부착되는 초음파 수신센서로 금형 내부로부터 발생하는 초음파 음을 획득하는 초음파 음 수신단계;
   상기 초음파 수신센서의 신호를 증폭 및 60~240Khz 주파수로 샘플링 단계;
   상기 증폭된 신호를 A/D변환 또는 상기 샘플링된 정보를 양자화로 디지털화 자료 생성 단계:
   상기 생성된 디지털 자료를 저장 및 통계를 바탕으로 처리하는 연산처리단계;
   연산처리 결과나 정보를 무선통신으로 이동 노드로 정보를 송출하는 단계; 로
   기능이 특징인 금형 상태 표시 장치.
   
   
3. 청구항 2항에 있어서,
   상기 이동 노드는 이동통신에서 사용되는 휴대폰, 블루투스, 지그비 등 휴대용 단말에 해당되는 무선장비를 의미하며, 네트워크를 포함하는 특징의 금형 상태표시장치.
   
4. 청구항 1항에 있어서,
   상기 초음파센서는 20Khz~80Khz 범위의 금형 운전중, 발생하는 충격이나 마찰음 정보를 획득할 수 있는 특징의 금형 상태 표시 장치
   

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