基于滑模控制的低壓鑄造模具冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡才權(quán)，倪志江

基于滑?？刂频牡蛪鸿T造模具冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡才權(quán)1，倪志江2

（1. 常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2. 常州大學(xué)，江蘇 常州 213164）

為了準(zhǔn)確控制模具的溫度，提高鑄件品質(zhì)和效率。設(shè)計(jì)基于滑?？刂频哪＞呃鋮s控制系統(tǒng)。首先，以低壓鑄造模具冷卻工藝為基礎(chǔ)，分析不同模具溫度對(duì)鑄件品質(zhì)的影響，明確模具溫度控制的重要性?；跐沧囟?、冷卻水溫度以及模具溫度，對(duì)模具冷卻過(guò)程進(jìn)行建模，獲取冷卻水和模具的熱傳遞函數(shù)。然后，采用三向（左、右、底部）冷卻方法，建立冷水循環(huán)系統(tǒng)框架，并以比例閥為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)模具冷卻控制系統(tǒng)的架構(gòu)。最后，選用STM32F103T6控制器作為核心，設(shè)計(jì)模具冷卻控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，并引入滑?？刂品椒?，利用溫度控制的誤差建立滑模面函數(shù)，進(jìn)而構(gòu)造控制律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模具冷卻溫度的控制。此模具冷卻控制系統(tǒng)對(duì)模具溫度的控制準(zhǔn)確度較高，且控制過(guò)程較為平穩(wěn)。此模具冷卻控制系統(tǒng)可提升鑄件品質(zhì)和效率。

模具溫度；模具冷卻控制系統(tǒng)；STM32F103T6控制器；滑膜控制；滑模面；控制律

隨著鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)鑄件要求的不斷提升，低壓鑄造已被用于汽車(chē)零部件生產(chǎn)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，成為了當(dāng)下使用較為廣泛的鑄造工藝[1-3]。低壓鑄造不僅便于使用智能化控制，且鑄造效率較高。在低壓鑄造過(guò)程中，模具的冷卻溫度控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)破裂、氣泡等缺陷，因此，模具的冷卻溫度控制關(guān)系到鑄件的優(yōu)良率[4-5]。

為了提升控制模具冷卻溫度的準(zhǔn)確性，專(zhuān)家學(xué)者提出了諸多方法。宋秀玲[6]等在G2智能專(zhuān)家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合PLC控制器設(shè)計(jì)了低壓鑄造智能控制系統(tǒng)，以根據(jù)低壓鑄造的需求，對(duì)模具溫度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了低壓鑄造工藝的優(yōu)化；劉楚生等[7]以模具和金屬型芯的特點(diǎn)為依據(jù)，分析模具溫度的控制要求，采用PLC作為控制器，聯(lián)合模溫機(jī)及冷卻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套模具冷卻控制系統(tǒng)，用以對(duì)低壓鑄造時(shí)的模具溫度進(jìn)行控制；夏洪永等[8]在分析低壓鑄造成型原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)低壓鑄造的要求，利用PLC設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)，對(duì)低壓鑄造過(guò)程的溫度進(jìn)行控制。雖然上述方法均采用PLC作為控制器，設(shè)計(jì)了控制模具溫度的系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提升，但由于PLC的計(jì)算精度不高，使其對(duì)模具溫度控制的準(zhǔn)確度不高。

文中擬分析模具冷卻工藝，并對(duì)其進(jìn)行建模。接著根據(jù)模具冷卻過(guò)程，設(shè)計(jì)冷水循環(huán)系統(tǒng)框架。利用STM32F103T6處理器，搭載觸摸顯示屏等外圍電路，構(gòu)建模具冷卻控制系統(tǒng)的硬件控制電路。利用溫度誤差向量構(gòu)建滑模面函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，利用溫度誤差調(diào)節(jié)因子和滑模面函數(shù)建立模具溫度的控制律，以獲取滑?？刂扑惴ǎ浜嫌布刂齐娐?，對(duì)模具溫度進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)文中方法的模具溫度控制性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 低壓鑄造模具冷卻工藝分析與建模

在低壓鑄造時(shí)，充型和凝固是2個(gè)重要的過(guò)程。在充型時(shí)，金屬液會(huì)將大量的熱量傳遞給模具，使得模具處于高溫狀態(tài)[9-10]。模具的溫度控制不僅是影響模具使用壽命的關(guān)鍵因素，且對(duì)鑄件凝固也有重要的影響。在澆注時(shí)，鑄件通過(guò)模具的熱傳遞，使其溫度降低。若模具溫度過(guò)低，鑄件就易出現(xiàn)破裂和欠鑄等缺陷，若模具溫度過(guò)高，鑄件就易出現(xiàn)氣泡和收縮等不足。一般情況下，模具溫度對(duì)鑄件的影響，可通過(guò)圖1表示[11]。

從圖1可見(jiàn)，只有將模具溫度控制在較為理想的C區(qū)域內(nèi)，才能得到質(zhì)量可靠的鑄件。

在模具冷卻時(shí)，一般采用水冷的方式對(duì)模具進(jìn)行溫度控制。模具的熱量主要來(lái)源于澆注溫度C，其計(jì)算過(guò)程為[12-13]：