基于滑模控制的低压铸造模具冷却控制系统设计

胡才权，倪志江

基于滑模控制的低压铸造模具冷却控制系统设计

胡才权1，倪志江2

（1. 常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164；2. 常州大学，江苏 常州 213164）

为了准确控制模具的温度，提高铸件品质和效率。设计基于滑模控制的模具冷却控制系统。首先，以低压铸造模具冷却工艺为基础，分析不同模具温度对铸件品质的影响，明确模具温度控制的重要性。基于浇注温度、冷却水温度以及模具温度，对模具冷却过程进行建模，获取冷却水和模具的热传递函数。然后，采用三向（左、右、底部）冷却方法，建立冷水循环系统框架，并以比例阀为控制对象，设计模具冷却控制系统的架构。最后，选用STM32F103T6控制器作为核心，设计模具冷却控制系统的硬件架构，并引入滑模控制方法，利用温度控制的误差建立滑模面函数，进而构造控制律，以实现对模具冷却温度的控制。此模具冷却控制系统对模具温度的控制准确度较高，且控制过程较为平稳。此模具冷却控制系统可提升铸件品质和效率。

模具温度；模具冷却控制系统；STM32F103T6控制器；滑膜控制；滑模面；控制律

随着铸造技术的不断发展以及人们对铸件要求的不断提升，低压铸造已被用于汽车零部件生产、航空航天等多个领域，成为了当下使用较为广泛的铸造工艺[1-3]。低压铸造不仅便于使用智能化控制，且铸造效率较高。在低压铸造过程中，模具的冷却温度控制不当会导致铸件出现破裂、气泡等缺陷，因此，模具的冷却温度控制关系到铸件的优良率[4-5]。

为了提升控制模具冷却温度的准确性，专家学者提出了诸多方法。宋秀玲[6]等在G2智能专家系统的基础上，联合PLC控制器设计了低压铸造智能控制系统，以根据低压铸造的需求，对模具温度进行控制，实现了低压铸造工艺的优化；刘楚生等[7]以模具和金属型芯的特点为依据，分析模具温度的控制要求，采用PLC作为控制器，联合模温机及冷却系统，设计了一套模具冷却控制系统，用以对低压铸造时的模具温度进行控制；夏洪永等[8]在分析低压铸造成型原理的基础上，根据低压铸造的要求，利用PLC设计了温度控制系统，对低压铸造过程的温度进行控制。虽然上述方法均采用PLC作为控制器，设计了控制模具温度的系统，使得系统的稳定性得以提升，但由于PLC的计算精度不高，使其对模具温度控制的准确度不高。

文中拟分析模具冷却工艺，并对其进行建模。接着根据模具冷却过程，设计冷水循环系统框架。利用STM32F103T6处理器，搭载触摸显示屏等外围电路，构建模具冷却控制系统的硬件控制电路。利用温度误差向量构建滑模面函数，并在此基础上，利用温度误差调节因子和滑模面函数建立模具温度的控制律，以获取滑模控制算法，配合硬件控制电路，对模具温度进行控制。通过对比实验，对文中方法的模具温度控制性能进行验证。

1 低压铸造模具冷却工艺分析与建模

在低压铸造时，充型和凝固是2个重要的过程。在充型时，金属液会将大量的热量传递给模具，使得模具处于高温状态[9-10]。模具的温度控制不仅是影响模具使用寿命的关键因素，且对铸件凝固也有重要的影响。在浇注时，铸件通过模具的热传递，使其温度降低。若模具温度过低，铸件就易出现破裂和欠铸等缺陷，若模具温度过高，铸件就易出现气泡和收缩等不足。一般情况下，模具温度对铸件的影响，可通过图1表示[11]。

从图1可见，只有将模具温度控制在较为理想的C区域内，才能得到质量可靠的铸件。

在模具冷却时，一般采用水冷的方式对模具进行温度控制。模具的热量主要来源于浇注温度C，其计算过程为[12-13]：