毛海軍，馬藝濤，黨開(kāi)放，王新銘，謝鵬程，，3*

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.北京化工大學(xué)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.北京化學(xué)大學(xué)人工智能跨學(xué)科研究中心，北京 100029）

0 前言

注射成型是一種將熔融塑料通過(guò)高壓注射入模具中，經(jīng)冷卻凝固后獲得塑料制品的加工方法，具有生產(chǎn)效率高、制品精度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子和醫(yī)療等領(lǐng)域，在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要地位。在注射成型過(guò)程中，模具是生產(chǎn)注塑制品的關(guān)鍵工具，模具型腔直接決定制品的三維結(jié)構(gòu)。塑料在加熱和冷卻的過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變化，模具溫度的控制可以有效地避免產(chǎn)品縮水、翹曲、氣泡等問(wèn)題的出現(xiàn)。因此，模溫調(diào)節(jié)對(duì)注射成型品質(zhì)控制具有十分重要的意義。隨著注塑制品應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，模具結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，模具體積、型腔結(jié)構(gòu)等都會(huì)對(duì)模溫控制帶來(lái)困難。模具溫度過(guò)低會(huì)使得熔體黏度增大、流速緩慢，造成制品欠注；模具溫度過(guò)高會(huì)使得熔體黏度降低、收縮率增大，甚至造成制品飛邊；模具型腔各部位溫度不均也會(huì)造成制品應(yīng)力殘余，產(chǎn)品尺寸精度下降。

針對(duì)模溫控制對(duì)于制品成型品質(zhì)的重要意義，研究人員在模具加熱冷卻系統(tǒng)和控制方法等方面進(jìn)行了深入研究。本文就模具溫控技術(shù)所涉及到的冷卻系統(tǒng)、加熱方法和控制方式進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，并對(duì)模溫控制的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 注塑模具冷卻系統(tǒng)

模具降溫冷卻功能是由模具型腔或型芯部位的冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。合理的冷卻系統(tǒng)可以保證模具各部位溫度均勻，塑件冷卻速度一致，減少制品變形。模具冷卻時(shí)間占制品成型周期的2/3以上，決定模具冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)主要包括管道孔徑、管道與塑件的距離、管道連接形式和管道布局［1］。

（1）管道孔徑選型。管道孔徑大小與塑件壁厚有關(guān)。一般根據(jù)塑件的平均壁厚確定，對(duì)于平均壁厚為2 mm 的塑件，其管道直徑取8～10 mm。由于管道孔徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致冷卻水層流效應(yīng)，降低傳熱效率，因此管道孔徑最大不超過(guò)15 mm。

（2）管道與塑件的距離。模具冷卻管道與塑件的距離應(yīng)根據(jù)塑件壁厚的分布來(lái)設(shè)計(jì)，以保證冷卻均勻。通常情況下，壁厚較大的部位需要更靠近冷卻管道，促進(jìn)塑件中心的快速冷卻，避免形成縮孔和內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大。

（3）管道連接形式。目前主要分為串聯(lián)冷卻管道和并聯(lián)冷卻管道。由于并聯(lián)冷卻管道間存在不均勻的冷卻效應(yīng)，所以主要是以串聯(lián)冷卻管道為主。大型模具通常采用多組串聯(lián)冷卻管道來(lái)確保均勻的冷卻水溫度和均勻的模具冷卻。

（4）管道布局。其主要由塑件的形狀及其所需冷卻溫度要求而定，通常包括直通式水道、圓周式水道、螺旋式水道、循環(huán)式水道、噴流式水道和擋板式水道［2］。對(duì)于一些成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的注塑模具，其內(nèi)部可能由多個(gè)類(lèi)型的水道組合而成。比如張維合等［3］在對(duì)智能定位器面蓋雙色注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用“直通式冷卻水管+隔片式冷卻水井”的組合溫度控制系統(tǒng)，成功保證了塑件的成型品質(zhì)，并且模具的勞動(dòng)生產(chǎn)率也提高了約10 %。

隨著注射成型技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多制品要求更高的成型精度，上述傳統(tǒng)的冷卻水路設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足要求。因此一些新型的冷卻技術(shù)如隨形冷卻技術(shù)、脈沖冷卻技術(shù)、CO2氣體冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［4］。隨形冷卻技術(shù)是指其水路設(shè)計(jì)隨著塑件的形狀變化而發(fā)生變化，按照設(shè)計(jì)好的距離均布在型腔或者型芯內(nèi)部［5］，采用這種設(shè)計(jì)方式可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)水路無(wú)法冷卻制品狹窄區(qū)域的缺陷，能夠大大提升制品的冷卻均勻性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用隨形水路對(duì)注塑模具進(jìn)行冷卻已經(jīng)取得了許多成果。如馬一桓等［6］針對(duì)凈水器濾瓶蓋內(nèi)部空間狹小無(wú)法設(shè)計(jì)傳統(tǒng)冷卻水路的問(wèn)題，采用3D 打印隨形水路的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷卻，結(jié)果表明，隨形水路可以使模具的冷卻效率和溫度分布均勻性都有很大提高。王靜等［7］針對(duì)注塑模具隨形水路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的復(fù)雜耗時(shí)且易出錯(cuò)的問(wèn)題，結(jié)合地貌學(xué)中等高線的形成原理，提出了一種隨形水路自動(dòng)化生成方法，大大節(jié)省了隨形水路設(shè)計(jì)時(shí)間，并且取得了良好的冷卻效果。汪祥等［8］基于選擇性激光熔融法（SLM）對(duì)汽車(chē)電路板外殼產(chǎn)品注塑模具進(jìn)行了隨形水路設(shè)計(jì)，大大提高了注塑效率，減少了產(chǎn)品變形，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮SLM 工藝成型性。Abelardo 等［9］針對(duì)傳統(tǒng)注塑工藝無(wú)法制造滿(mǎn)足當(dāng)前工業(yè)的精度和尺寸要求的大長(zhǎng)度、高厚度比零件的問(wèn)題，提出了一種創(chuàng)新的綠色隨形冷卻系統(tǒng)，采用該隨形冷卻布局可大大降低循環(huán)時(shí)間和溫度梯度，解決了具有細(xì)長(zhǎng)幾何形狀的部件易翹曲的問(wèn)題。Kanbur等［10］總結(jié)了目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化隨形冷卻水路的方法，為設(shè)計(jì)人員在現(xiàn)場(chǎng)制造隨形冷卻水路之前獲得更清晰有效的有限元仿真分析（CAE）步驟。Chen等［11］研究提出了一種結(jié)合52.6 %鋁粉、5.3 %石墨粉和42.1 %液體硅橡膠的配方，用于制造具有出色冷卻效率的硅橡膠模具，并實(shí)現(xiàn)了采用熔融沉積建模技術(shù)制備的隨形冷卻通道高冷卻效率低壓注塑模具的最優(yōu)配方，這種添加混合填料的方式顯著提高了隨形冷卻通道注塑模具的冷卻性能。 從這些隨形水路研究中可以看出，隨形水路設(shè)計(jì)技術(shù)趨于成熟，當(dāng)前學(xué)者正朝著實(shí)現(xiàn)隨形水路的快速設(shè)計(jì)以及采取與其他技術(shù)方法相結(jié)合的方式提升冷卻效果的方向不斷努力。

脈沖冷卻技術(shù)相比于隨形冷卻技術(shù)，其不是通過(guò)改變水路結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到冷卻效果，而是以脈沖輸入方式調(diào)控冷卻液流量對(duì)模具溫度進(jìn)行調(diào)控。采用脈沖冷卻技術(shù)，可以改善產(chǎn)品品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，但成本相對(duì)較高［12］。現(xiàn)在脈沖冷卻技術(shù)大都是通過(guò)熱電偶監(jiān)測(cè)模具溫度來(lái)調(diào)節(jié)冷卻液流量，對(duì)于一些大型模具需要使用多個(gè)熱電偶對(duì)模具溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后進(jìn)行分區(qū)冷卻，這也是這項(xiàng)技術(shù)成本高的原因。目前針對(duì)脈沖冷卻技術(shù)的研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，Minh 等［13］將常規(guī)冷卻和脈沖冷卻技術(shù)在不同的模具溫度、冷卻劑溫度、熔體溫度和流速下進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖冷卻相比于常規(guī)冷卻，其冷卻速率可由0.552 ℃/s 提高到0.755 ℃/s，翹曲量可降低20 %。劉瓊等［14］在對(duì)乳液泵弧向出液按頭旋轉(zhuǎn)側(cè)抽芯注塑模設(shè)計(jì)時(shí)采用了脈沖式冷卻系統(tǒng)，其能夠使模具達(dá)到快速均勻的冷卻效果，極大地提高了生產(chǎn)效率。Bianchi等［15］針對(duì)陶瓷構(gòu)件璧薄處過(guò)早凝固的問(wèn)題，提出了一種基于局部模溫的新型熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Peltier 熱電模塊實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同型腔的厚度對(duì)不同型腔特征進(jìn)行局部獨(dú)立的加熱和冷卻，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)成型部件的均勻冷卻速率。脈沖冷卻技術(shù)雖然能夠提升注塑模具的冷卻效果，提高生產(chǎn)效率，但其較高的成本某種程度上抵消了生產(chǎn)效率提高所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)脈沖冷卻技術(shù)的發(fā)展很大程度上會(huì)取決于熱電偶等電子元器件的發(fā)展，其檢測(cè)精度的提升，反饋信號(hào)速度加快，賦予熱電偶更多的功能都可以極大提升脈沖冷卻技術(shù)的冷卻效果，例如上述所說(shuō)的Peltier熱電模塊就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)加熱與冷卻，無(wú)需通過(guò)冷卻液來(lái)對(duì)模具進(jìn)行冷卻。

CO2氣體冷卻技術(shù)是將低溫CO2經(jīng)模具外部氣孔通入模具內(nèi)部，對(duì)模具進(jìn)行冷卻。采用這種技術(shù)需要許多輔助設(shè)備，比如制冷器、空壓機(jī)等用于CO2氣體的制冷與輸送，因此采用此種技術(shù)需要很高的成本。氣體冷卻最大的好處是其流動(dòng)性好，能夠?qū)λ芗恍┘?xì)微區(qū)域進(jìn)行冷卻，減少塑件的翹曲變形。但CO2氣體冷卻技術(shù)的控制難度較高，多被用于微注射成型模具中［16］。除此之外，一些研究人員利用仿生學(xué)原理，將某些動(dòng)物的快速散熱機(jī)制運(yùn)用到模具冷卻系統(tǒng)中去，比如鱷魚(yú)可以通過(guò)打開(kāi)嘴巴散熱，是因?yàn)樗鼈冏彀偷撞坑泻芏嘌?，可以幫助將熱量從身體中釋放出來(lái)。Berger 等［17］就在優(yōu)化汽車(chē)機(jī)油濾清器外殼的注射成型工藝中模擬采用了仿生（血管）通道，發(fā)現(xiàn)其比隨形通道和傳統(tǒng)通道更加有效地冷卻主要熱點(diǎn)。

2 注塑模具加熱方式

在注射成型過(guò)程中，一些黏度較大的聚合物熔體注射入模具型腔后，其流動(dòng)十分緩慢，容易造成塑料在模具型腔中出現(xiàn)流動(dòng)受阻情況，可能會(huì)出現(xiàn)填充不均勻、氣泡等缺陷。對(duì)模具進(jìn)行加熱的目的就是確保塑料熔體能夠在型腔內(nèi)部充分熔化和流動(dòng)，使得最終產(chǎn)品能夠具有良好的表面品質(zhì)和尺寸穩(wěn)定性。目前使用最多、應(yīng)用最廣泛的模具加熱方法是模溫機(jī)加熱。模溫機(jī)根據(jù)使用的導(dǎo)熱介質(zhì)可分為水溫機(jī)和油溫機(jī)，水溫機(jī)通常最高加熱溫度為95 ℃，油溫機(jī)最高加熱溫度為150 ℃［18］。模溫機(jī)的工作原理是借助一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，將液體溫度調(diào)節(jié)到需要的溫度，然后將其流過(guò)模具來(lái)控制模具表面的溫度。在模溫機(jī)運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)模溫機(jī)顯示的實(shí)際溫度會(huì)在設(shè)定溫度上來(lái)回波動(dòng)，這很大程度上是因?yàn)槠湎到y(tǒng)控制采用的是傳統(tǒng)的PID控制，控制精度較低，反饋信號(hào)速度慢。

隨著人們對(duì)塑料制品高精度、高力學(xué)性能和高表面品質(zhì)的要求，注塑模具快速加熱技術(shù)不斷發(fā)展起來(lái)。目前注塑模具快速加熱方式有火焰加熱、蒸汽加熱、電加熱、感應(yīng)加熱和紅外加熱等方式［19］。依據(jù)不同加熱方式所形成的模具結(jié)構(gòu)差異可分為模內(nèi)加熱和模腔表面加熱，蒸汽加熱、電加熱屬于模內(nèi)加熱，火焰加熱、紅外線加熱屬于模腔表面加熱。蒸汽加熱方式加熱溫度能達(dá)到190 ℃，工作原理類(lèi)似于CO2氣體冷卻技術(shù)，其需要鍋爐或蒸汽發(fā)生器用于生成熱蒸汽，蒸汽經(jīng)模具上的氣孔通入模具內(nèi)部，對(duì)模具進(jìn)行加熱，然后流經(jīng)模具后的蒸汽還需要進(jìn)行回收，因此蒸汽加熱成本較高，存在安全隱患，但其傳熱效果好。張嘯天等［20］就利用蒸汽傳遞熱量比水均勻和蒸汽冷熱對(duì)流效果比水要好的特性，發(fā)明了一種能夠?qū)δ＞邔?shí)現(xiàn)均勻加熱的節(jié)能型加熱裝置，避免了現(xiàn)有模具通過(guò)水加熱模具溫度不均勻，產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力向已加熱部分集中而導(dǎo)致變形的缺陷。謝玲珍［21］利用蒸汽加熱的快速熱循環(huán)注塑模具有效提高了熔體填充型腔時(shí)的流動(dòng)性能，消除了制品表面的熔接痕，并大大提升了制品的光潔度。電加熱是通過(guò)加熱元件對(duì)模具進(jìn)行加熱，其加熱溫度高、成本低，但存在加熱元件裝配和拆卸困難、冷卻效率低等問(wèn)題［22］。加熱元件目前使用最多的是加熱棒，許多有關(guān)電加熱棒加熱的研究都聚焦于加熱棒在模具的空間布置以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)上。如謝知音等［23］就研究了電加熱棒功率、組間距離以及縱向距離等因素對(duì)型腔表面溫度響應(yīng)速率及表面溫度均勻性的影響規(guī)律；李泰棟等［24］研究了電加熱棒熱流密度與模具溫度均勻性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高邊緣加熱棒的熱流密度能改善了模具溫度的均勻性；王小新等［25］針對(duì)電加熱棒在模具中安裝和拆卸困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形間隙安裝結(jié)構(gòu)，給加熱棒的安裝與拆卸帶來(lái)了極大的便利。上述2 種蒸汽加熱和電加熱方式主要用于高光注塑模具，可以有效消除傳統(tǒng)注射成型過(guò)程中塑件的熔接痕、浮纖、銀紋等缺陷。感應(yīng)加熱應(yīng)用的是電磁感應(yīng)原理，使得金屬模具產(chǎn)生渦流來(lái)對(duì)模具加熱升溫，加熱速度快，能耗低，但模具型腔表面溫度均勻性較差。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于電磁感應(yīng)加熱方式的研究較少，主要聚焦于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化方面。如王金蓮［26］在對(duì)圓形外殼件注塑模型腔電磁感應(yīng)加熱進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)電流大小是影響加熱效率和模腔分布均勻性的最主要因素；王祖明［27］以電磁感應(yīng)的集膚效應(yīng)為理論依據(jù)設(shè)計(jì)制造了外置組合式感應(yīng)加熱線圈，研究了組合式線圈感應(yīng)加熱的溫度變化規(guī)律，為局部感應(yīng)加熱最終溫度的控制提供了依據(jù)；Chen 等［28］利用電磁感應(yīng)加熱與水冷卻相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了模具表面溫度的快速變化，從而提高了微觀特征部件的復(fù)制精度，但是不會(huì)明顯地增加周期時(shí)間。紅外加熱方式僅對(duì)模具的型腔表面進(jìn)行加熱，因?yàn)榧t外線是電磁波，其對(duì)金屬的穿透深度十分有限，加熱升溫快但降溫也快，在微注塑模具上存在應(yīng)用。有關(guān)紅外加熱方面的研究主要集中在紅外加熱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，一種是紅外裝置嵌入在模具內(nèi)部，如Berlin 等［29］設(shè)計(jì)了一種基于紅外輻射變溫注塑模具，其紅外輻射管嵌在模具體內(nèi)，熱量從附件的后面?zhèn)鬏數(shù)叫颓槐砻妫鉀Q了一般紅外加熱系統(tǒng)表面沒(méi)有三維熱交換和溫度場(chǎng)不均勻的問(wèn)題；另一種是裝配在模具外面，通過(guò)紅外裝置的上下移動(dòng)或反射罩照射模具型腔表面進(jìn)行加熱，如Chang 等［30］設(shè)計(jì)并研究了一種低成本、實(shí)用的注射成型紅外快速表面加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝配在模具上并使用一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)操作燈座的上下運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)模具型腔表面進(jìn)行加熱。除此之外，還有一些新型技術(shù)如等離子噴涂技術(shù)、隨形加熱技術(shù)應(yīng)用到模具加熱上，Bobzin 等［31］采用常壓等離子噴涂方法在模具型腔表面噴涂TiOx/Cr2O3加熱涂層，該涂層可以通過(guò)接通電源將電能轉(zhuǎn)換為熱能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模具型腔表面的加熱；You 等［32］提出了一種節(jié)能的模具加熱和冷卻技術(shù)，制備了碳納米管（CNT）薄膜加熱器以實(shí)現(xiàn)模具表面的隨形溫度控制。

現(xiàn)在模具加熱研究大都放在如何把各種加熱技術(shù)組合到模具來(lái)達(dá)到加熱目的，而在這項(xiàng)加熱技術(shù)產(chǎn)生的能耗、加熱效率等數(shù)值評(píng)估上以及是否對(duì)其他類(lèi)型注塑模具的普適性方面缺少研究。同時(shí)對(duì)于一些復(fù)雜的制品結(jié)構(gòu)，可能需要采用分區(qū)控制或局部控制方式來(lái)達(dá)到制品加熱要求，如何實(shí)現(xiàn)上述部分加熱技術(shù)的分區(qū)控制或局部控制也是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。在選擇模具加熱技術(shù)時(shí)，需要考慮模具的材質(zhì)和形狀，以及產(chǎn)品的要求和加工工藝，綜合考慮選用最適合的加熱技術(shù)。在實(shí)際使用中還需要注意加熱控制和維護(hù)保養(yǎng)，以保證模具的穩(wěn)定性和壽命。

3 模具控制方式

上述冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加熱方法是實(shí)現(xiàn)模具冷卻和升溫的手段，而如何實(shí)現(xiàn)模溫的精確控制是由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前PID 控制模具溫度在注塑領(lǐng)域是比較常見(jiàn)的，PID 控制是通過(guò)測(cè)量注塑模具溫度信號(hào)，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算，控制加熱或冷卻設(shè)備輸出的功率來(lái)維持模具溫度在設(shè)定范圍內(nèi)的控制方法。PID 控制器根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的誤差大小，通過(guò)比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)的加權(quán)運(yùn)算來(lái)自動(dòng)調(diào)整水或油流量，從而保證模具溫度的穩(wěn)定性和一致性，這也是模溫機(jī)的控制原理。但在注塑機(jī)連續(xù)工作時(shí)，模具是處于一種反復(fù)開(kāi)合的狀態(tài)，模具溫度會(huì)受環(huán)境因素影響產(chǎn)生波動(dòng)，因此對(duì)于這種注塑工藝的非線性和時(shí)變特性，傳統(tǒng)PID 控制難以提供良好的模溫控制性能。在模溫機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，往往也可以發(fā)現(xiàn)模溫機(jī)的實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度有出入。針對(duì)這種問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的PID 控制進(jìn)行了改善，提出了一些新型控制算法來(lái)提升控制器對(duì)模具溫度控制的魯棒性和跟蹤性能。

一是模型預(yù)測(cè)控制（MPC）。MPC 可以通過(guò)最小化成本函數(shù)和顯式使用預(yù)測(cè)模型來(lái)優(yōu)化未來(lái)行為獲得控制信號(hào)。它可以預(yù)測(cè)特定時(shí)間段內(nèi)未來(lái)時(shí)間的過(guò)程輸出，通過(guò)最小化成本函數(shù)來(lái)計(jì)算某些步驟的一組未來(lái)輸入，以便預(yù)測(cè)輸出以最佳方式達(dá)到設(shè)定點(diǎn)［33］。它能直接處理帶有純滯后的對(duì)象，對(duì)大慣性有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，從而有較好的跟蹤性能和較強(qiáng)的魯棒性［34］。Dubay 等［35］就提出了一種采用模型預(yù)測(cè)控制策略對(duì)模具進(jìn)行分區(qū)溫度控制的新方法，控制系統(tǒng)由多個(gè)單輸入-單輸出模型預(yù)測(cè)控制器組成，每個(gè)控制器與一個(gè)特定的溫度區(qū)域相關(guān)聯(lián)，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好效果。雖然MPC 控制具有比PID 控制更好的跟蹤性能和魯棒性，但它的抗干擾性能卻不如傳統(tǒng)PID 控制，應(yīng)對(duì)一些突發(fā)的隨機(jī)干擾難以及時(shí)控制。對(duì)此許多研究已經(jīng)開(kāi)始把MPC 與PID 控制聯(lián)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但這種雙控制方式在模具溫度方面的應(yīng)用目前還沒(méi)有報(bào)道。吳高峰等［36］將MPC 算法和PID 串級(jí)控制應(yīng)用在焦?fàn)t加熱系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)這種方案對(duì)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性及良好的調(diào)節(jié)性能，提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)。從這可以看出，MPC-PID 用于溫度控制是一種可行的方法，鑒于此如果把這種MPCPID 串級(jí)控制方式應(yīng)用于模溫機(jī)控制系統(tǒng)預(yù)計(jì)會(huì)起到好的效果。

二是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制依照人類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)而建立［37］，其可以通過(guò)監(jiān)測(cè)注塑模具的溫度和相關(guān)參數(shù)，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的溫度值，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整注塑模具溫度控制器的輸出，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制注塑模具溫度的目的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以說(shuō)是預(yù)測(cè)控制的一種。注塑模具溫度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、控制器調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5個(gè)步驟。其中數(shù)據(jù)采集最為重要，采集的數(shù)據(jù)能夠反映注塑模具的溫度變化規(guī)律，以便神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。目前采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式用于溫度控制的研究已有很多，如Ding 等［38］將深度PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PIDNN）控制器應(yīng)用于非線性熱調(diào)節(jié)控制問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)與PID 控制結(jié)果相比，深度PIDNN 控制器減少了超調(diào)量，有效降低了功耗，提高了控制性能，穩(wěn)定狀態(tài)下溫度波動(dòng)范圍為±0.2 ℃；Juang等［39］在2006年基于Takagi-Sugeno-Kang（TSK）型遞歸模糊網(wǎng)絡(luò)（TRFN）研究了橡膠注塑機(jī)模溫控制問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單的直接逆組態(tài)控制器設(shè)計(jì)方案，該方案即使在不同于原始訓(xùn)練采樣間隔的情況下也具有良好的性能；龔健虎［40］利用模糊自適應(yīng)PID技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯（PP）模具溫度的控制中，設(shè)計(jì)了PP 模具成型溫度模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)能夠有效地控制PP 塑料模具溫度，極大地提高了PP 制品的質(zhì)量；Shu 等［41］對(duì)注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，提出了PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，還將反向傳播算法的 VB 程序引入其中并對(duì)其進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的解耦和自學(xué)習(xí)控制性能；宋澤云等［42］采用改進(jìn)的小腦神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CMAC）控制算法，以89C51 單片機(jī)為控制器，利用高溫導(dǎo)熱油的循環(huán)實(shí)現(xiàn)模具溫度的控制，通過(guò)對(duì)PP 塑料件注射模溫度的實(shí)際控制表明，模具溫度控制精度優(yōu)于±0.1 ℃。需要注意的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖然可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制注塑模具溫度，提高注射成型的品質(zhì)和效率，但前提是必須獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)集，而注塑模具在往復(fù)開(kāi)合過(guò)程中，其溫度是很難精準(zhǔn)檢測(cè)的，停機(jī)或開(kāi)閉模時(shí)間等因素都會(huì)干擾到溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，耗時(shí)長(zhǎng)，這也導(dǎo)致了該方法在商業(yè)應(yīng)用中存在實(shí)際阻礙。

三是遺傳算法優(yōu)化控制技術(shù)。遺傳算法是眾多進(jìn)化算法中應(yīng)用最廣泛的，它通過(guò)模擬生物進(jìn)化的優(yōu)勝劣汰規(guī)則與染色體的交換機(jī)制，使用選擇、交叉和變異3種基本操作尋求最優(yōu)個(gè)體，具有極高的魯棒性和廣泛的適應(yīng)性［43］。在注塑模具溫度控制中，可以將遺傳算法應(yīng)用于優(yōu)化控制參數(shù)，解決多變量復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)不斷迭代求解最優(yōu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)注塑模具溫度的自動(dòng)控制。遺傳算法優(yōu)化控制在模溫控制上的應(yīng)用主要包括參數(shù)優(yōu)化、溫度曲線預(yù)測(cè)和多目標(biāo)優(yōu)化3 個(gè)方面。參數(shù)優(yōu)化通過(guò)優(yōu)化溫度控制器的參數(shù)設(shè)置，迭代計(jì)算找到最優(yōu)的控制參數(shù)組合，使模具溫度能夠快速穩(wěn)定在設(shè)定值附近；溫度曲線預(yù)測(cè)通過(guò)學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系，建立模具溫度預(yù)測(cè)模型，提前預(yù)測(cè)模具溫度的變化趨勢(shì)，從而采取合適的控制策略，避免溫度偏差和不穩(wěn)定性；多目標(biāo)優(yōu)化通常考慮多個(gè)目標(biāo)指標(biāo)，如溫度均勻性、能耗、生產(chǎn)速度等，尋找到一個(gè)平衡的解決方案，使各個(gè)目標(biāo)盡可能達(dá)到最優(yōu)。國(guó)內(nèi)將遺傳算法應(yīng)用于模溫控制已在很早就已進(jìn)行，祁東霞等［44］在2005年就已將有限元仿真技術(shù)與遺傳算法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)注射模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使模具內(nèi)的溫度場(chǎng)得到了較好的控制；劉東雷等［45］在研究快速熱循環(huán)成型技術(shù)優(yōu)化過(guò)程中提出改進(jìn)遺傳算法，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)預(yù)測(cè)模型的尋優(yōu)過(guò)程，并經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證該優(yōu)化技術(shù)具有很好的適用性。盡管遺傳算法在注塑模溫控制領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景，但其計(jì)算復(fù)雜度、解的收斂性、問(wèn)題建模和初始解的依賴(lài)性等缺點(diǎn)也限制了其進(jìn)一步的發(fā)展，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇和應(yīng)用。

無(wú)論哪種模溫控制方式，都離不開(kāi)傳感器元件對(duì)模溫?cái)?shù)據(jù)的檢測(cè)，檢測(cè)位置正確與否才是影響模溫控制的關(guān)鍵。對(duì)于目前普遍使用的模溫機(jī)來(lái)說(shuō)，其控制面板顯示的溫度是模溫機(jī)熱出水口的溫度，以這代表模具型腔內(nèi)部溫度是不合理的。因?yàn)槟貦C(jī)熱出水口需要通過(guò)一段水管流入模具進(jìn)行加熱，在此過(guò)程中經(jīng)過(guò)熱量耗散，實(shí)際模具型腔內(nèi)部溫度是達(dá)不到模溫機(jī)顯示的溫度，這就導(dǎo)致無(wú)論控制算法多么精確都是無(wú)用的。在注塑模具往復(fù)開(kāi)合的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)模具型腔內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此溫度來(lái)代表模具實(shí)際溫度進(jìn)行控制才更能指導(dǎo)實(shí)際注塑生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）隨著塑料制品性能的不斷改善，越來(lái)越多的金屬制品逐步被塑料制品取代，塑料制品種類(lèi)增加使得模具設(shè)計(jì)越來(lái)越繁雜，未來(lái)需要實(shí)現(xiàn)各種模具冷卻技術(shù)水道的自動(dòng)化生成來(lái)減少設(shè)計(jì)時(shí)間；

（2）面對(duì)眾多的模具加熱方式，需要包括能耗、加熱效果、成本等內(nèi)容在內(nèi)的評(píng)估體系來(lái)應(yīng)對(duì)各種制品工藝要求以輔助選擇合適的加熱方式；

（3）隨著未來(lái)成型制品更高的要求，需要更高精度的溫控方式來(lái)滿(mǎn)足各種復(fù)雜的注塑工藝，同時(shí)如何對(duì)模具型腔內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)也是未來(lái)需要解決的難題。