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
2
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, 5axis 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。
6
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。
智慧製造系統
重點發展技術(IV)


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。
8
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。
光機電系統與檢測技術
重點發展技術(II)
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。

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
15
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 ?
16
Example of Ceiling Phenomena (I)

Barriers for all electrical injection
molding machines
Motors

Servo motor

DD motor



Driver
Driver
Sensors
Control algorithm
17
Example of Ceiling Phenomena (II)

Barriers for Hydraulic injection molding
machines

Energy economic system

Servo motor

Pump



Driver
High efficiency
Sensors
Control algorithm
18
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.
…
19
From “Cost Down” to “Value
Added”
財訊, p. 20, 06/20/2013
20
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.
…
21
Examples of Intelligent Control (I)

Temperature control of induction
heated thermotherapy needle
system
22
Arduino Temperature Feedback
Control (1/4)
• 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.
23
Arduino Temperature Feedback
Control (2/4)
24
Arduino Temperature Feedback
Control (2/4)
Temperature Control Module by Arduino
Temperature Control User Interface
25
Arduino Temperature Feedback
Control (3/4)
The Voltage of IGBT_20 V
The Voltage of IGBT_22 V
The Voltage of IGBT_20 Test
Voltage of
IGBT
Total of heating
time
Time of power
on
Time of power
off
The Voltage of IGBT_20 V
The Voltage of IGBT_22 V
20 V
22 V
180 s
180 s
25 s
25 s
5s
5s
26
Arduino Temperature Feedback
Control (4/4)
First PID Parameter Design
Second PID Parameter Design
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
27
Examples of Intelligent Control (II)

油壓式射出機成型節能策略
28
油壓式射出機成型耗能歷程
能耗 關模 射膠 保壓
(%)
熔膠
冷卻
開模
頂出
週期
油壓式射出機成型節能策略
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

30
傳統油壓式射出機能耗來源
PQ比例閥
壓力流量
感應馬達+定量泵系統
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。
命令
PQ
controller
Motor
31
伺服油泵架構說明
伺服馬達+定量泵系統



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。
壓力傳感器
編碼器
M
泵浦
PG
伺服馬達
驅動器
32
油電節能關鍵技術

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。
33
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。
34
>40%
<5%
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。
35
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.
36