本发明涉及塑料体的曲面成型技术，提供一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统及其工作方法，该控制系统通过温度检测和控制单元、水冷却单元、压模位置检测单元、压模单元等实现快速加热和快速冷却的动态模具温度控制，实现注塑模具位置的动态、高效、稳定和准确的控制。
1.一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统的工作方法，所述模具采用金属陶瓷发热材料制成，所述控制系统包括压模位置检测单元、水冷却单元、温度检测与控制单元、压模单元、边界检测单元、单片机处理单元、主机，所述单片机处理单元与主机相连，所述模具为形状契合的一对公模和母模，公模和母模上分别均布有注水通孔，所述水冷却单元由控制注水的水泵和与注水通孔联通的出水管组成，水泵的控制端与单片机处理单元相连，所述压模单元由与公模相连的步进电机和齿轮机构组成，步进电机的驱动电路与单片机处理单元相连，所述压模位置检测单元由设置于公模工作面的光纤光栅压力传感器组成，所述光纤光栅压力传感器的输出端通过解调仪与主机相连，所述温度检测与控制单元由设置于公模和母模背面的光纤光栅温度传感器和用于模具加热的电源电路组成，光纤光栅温度传感器的输出端通过解调仪与主机相连，所述电源电路与单片机处理单元相连，所述边界检测单元是在公模的四个边缘的中心位置分别设置一组光纤光栅传感器，每组包含三根呈扇形分布的垂下的光纤光栅传感器，扇形的圆心在公模的边缘的中心位置，扇形的直径为公模的边缘的边长，光纤光栅传感器的输出端通过解调仪与主机相连；
（1）解调仪将光纤光栅温度传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
（2）主机读入波长数据λn，并通过Tcn=0.615λn得到实时温度Tcn，n代表第n个测量时刻的数据；
（3）通过经验公式Te= Ty-ke得到加热的终止温度Te，其中Ty为预先设定的模具工作温度，ke为经验修正系数，在加热元件断电后，因为加热元件的温度大于模具温度，模具温度会继续上升，所以通过电加热的终止温度必须修正；主机控制单片机处理单元给加热元件通电，同时不断对比当前温度Tcn与Te，当|Te-Tcn|<2 时，主机控制电源电路断开；
（4）通过经验公式Ts=Ty-ks得到保温的加热温度Ts，ks为经验修正系数；主机不断对比当前温度Tcn与Ts，当| Ts - Tcn |>3 时，主机控制电源电路导通；当|Tcn - Te|<2 时，主机控制电源电路断开；
（5）解调仪将光纤光栅压力传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
得到各点的压强，n代表第n个测量时刻的数据，主机不断比较Pn和预先设定的物料成型时的压强P0，如果 则令状态量S=1，表示压模到位，否则令S=0，表示需要继续压；
（7）当模具被加热后，温度保持在Tv±△T， △T =Td - Tv一定时间后，其中Tv为维卡软化温度，Td为熔融温度，主机控制单片机处理单元向步进电机输入ωn频率的脉冲信号，控制步进电机以一定的速率ν1，带动公模下压；
（8）当测量的压强Pn增大到Ph后，其中Ph为设定的最适压模压强，在每次测量出Pn后，通过公式 调节ωn的值，Ky为一系数，其与被加工物料的弹性模量有关，从而不断的调节步进电机的速度，使被加工物料所受压强增大速率不断减小，使被加工物料缓慢压延成型；
（9）主机不断的检查S的状态，当S=1时，停止向步进电机输送脉冲信号；
（10）当S=1时，主机控制单片机处理单元打开水泵，使冷却水通过管道流入模具上的注水通孔使模具迅速降温；
（11）主机不断比较当前温度Tcn与预先设定的模具冷却终止温度Tl；当Tc
（12）主机控制单片机处理单元，向上抬起公模，使模具分开；
（13）主机读取边界检测单元中的光纤光栅传感器的测量值，并与允许的测量范围进行比较，当测量值不在允许的范围时，马上产生中断信号，使压模单元控制公模退回到复位的位置。
基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统
的工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及塑料体的曲面成型技术，具体的说是一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统的工作方法。
背景技术
[0002] 注塑成型工艺具有成形精度高、自动化程度高、生产效率高、加工柔性化程度高、可成型复杂形状产品等一系列优点，已成为一种应用最为广泛的塑料材料加工方法，广泛应用于家用电器、汽车、通讯工程、医疗卫生、航空航天、日用品等领域，具有巨大的市场需求和广阔的发展前景。尽管在过去数十年里，注塑工业取得了巨大发展和进步，但随着相关产业的发展，传统注塑成型工艺正面临越来越严峻的挑战。这主要体现在以下三个方面：
[0003] (1)使用传统注塑工艺的塑件易产生流痕、喷射痕、银纹、低光泽、熔接痕、浮纤等表面缺陷，很难直接满足使用要求。为此,塑件一般需要经过打磨、喷涂、罩光等二次加工工序,以掩饰塑件的表面缺陷,提高塑件的外观质量。这种后续加工工序将极大地延长塑料制品的生产流程，导致生产成本增加和废品率升高。此外，打磨和喷涂还会对环境造成污染，危害操作人员的身体健康。
[0004] (2)随着注塑工业不断向微型化和精密化方向发展,塑件的精密程度越来越高，这对传统工艺的注射压力、注射速率及注射精度均提出了更高的要求，使得传统工艺对高速、高压和高精密注塑机的依赖愈加严重，这也将显著增加生产成本和能耗。
[0005] (3)随着塑件在光学产品领域的日益广泛应用，塑件的光学性能显得愈加重要。但传统注塑工艺塑件内部一般存在较大残余应力，这导致塑件存在严重的双折射现象而降低了其光学性能。另外，较大的残余应力还会加剧塑件翘曲变形,降低塑件形状尺寸精度。
[0006] 最新的金属陶瓷发热材料(Metal Ceramics Heater，MCH)是将钨等金属浆料按照设计的发热电路印刷于92%～96%的氧化铝流延陶瓷生坯上，加入4%～8%的烧结助剂，多层叠合，在1500～1600℃的高温下共烧成一体，形成模具电加热装置，输入额定的电压，模具即可发热。但其缺少配套的控制系统。
发明内容
[0007] 本发明就是针对上述现有技术中的不足之处，而提供一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统的工作方法，以实现对塑料板多部位、多型腔的曲体成形的精确控制。
[0008] 本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。
[0009] 一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统的工作方法，所述模具采用金属陶瓷发热材料制成，所述控制系统包括压模位置检测单元、水冷却单元、温度检测与控制单元、压模单元、边界检测单元、单片机处理单元、主机，所述单片机处理单元与主机相连，所述模具为形状契合的一对公模和母模，公模和母模上分别均布有注水通孔，所述水冷却单元由控制注水的水泵和与注水通孔联通的出水管组成，水泵的控制端与单片机处理单元相连，所述压模单元由与公模相连的步进电机和齿轮机构组成，步进电机的驱动电路与单片机处理单元相连，所述压模位置检测单元由设置于公模工作面的光纤光栅压力传感器组成，所述光纤光栅压力传感器的输出端通过解调仪与主机相连，所述温度检测与控制单元由设置于公模和母模背面的光纤光栅温度传感器和用于模具加热的电源电路组成，光纤光栅温度传感器的输出端通过解调仪与主机相连，所述电源电路与单片机处理单元相连，所述边界检测单元是在公模的四个边缘的中心位置分别设置一组光纤光栅传感器，每组包含三根呈扇形分布的垂下的光纤光栅传感器，扇形的圆心在公模的边缘的中心位置，扇形的直径为公模的边缘的边长，光纤光栅传感器的输出端通过解调仪与主机相连；
[0010] 该工作方法包括以下步骤：
[0011] （1）解调仪将光纤光栅温度传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
[0012] （2）主机读入波长数据λn，并通过Tcn=0.615λn得到实时温度Tcn，n代表第n个测量时刻的数据；
[0013] （3）通过经验公式Te= Ty-ke得到加热的终止温度Te，其中Ty为预先设定的模具工作温度，ke为经验修正系数，在加热元件断电后，因为加热元件的温度大于模具温度，模具温度会继续上升，所以通过电加热的终止温度必须修正；主机控制单片机处理单元给加热元件通电，同时不断对比当前温度Tcn与Te，当|Te-Tcn|<2 时，主机控制电源电路断开；
[0014] （4）通过经验公式Ts=Ty-ks得到保温的加热温度Ts，ks为经验修正系数；主机不断对比当前温度Tcn与Ts，当| Ts - Tcn |>3 时，主机控制电源电路导通；当|Tcn - Te|<2时，主机控制电源电路断开；
[0015] （5）解调仪将光纤光栅压力传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
[0016] （6）主机读入波长数据λm，并通过得到各点的压强，n代表第n个测量时刻的数据，主机不断比较Pn和预先设定的物料成型时的压强P0，如果 则令状态量S=1，表示压模到位，否则令S=
0，表示需要继续压；
[0017] （7）当模具被加热后，温度保持在Tv±△T， △T =Td - Tv一定时间后，其中Tv为维卡软化温度，Td为熔融温度，主机控制单片机处理单元向步进电机输入ωn频率的脉冲信号，控制步进电机以一定的速率ν1，带动公模下压；
[0018] （8）当测量的压强Pn增大到Ph后，其中Ph为设定的最适压模压强，在每次测量出Pn后，通过公式 调节ωn的值，Ky为一系数，其与被加工物料的弹性模量有关，从而不断的调节步进电机的速度，使被加工物料所受压强增大速率不断减小，使被加工物料缓慢压延成型；
[0019] （9）主机不断的检查S的状态，当S=1时，停止向步进电机输送脉冲信号；
[0020] （10）当S=1时，主机控制单片机处理单元打开水泵，使冷却水通过管道流入模具上的注水通孔使模具迅速降温；
[0021] （11）主机不断比较当前温度Tcn与预先设定的模具冷却终止温度Tl；当Tc
[0022] （12）主机控制单片机处理单元，向上抬起公模，使模具分开；
[0023] （13）主机读取边界检测单元中的光纤光栅传感器的测量值，并与允许的测量范围进行比较，当测量值不在允许的范围时，马上产生中断信号，使压模单元控制公模退回到复位的位置。
[0024] 本发明采用温度检测和控制单元、水冷却单元、压模位置检测单元、压模单元等实现快速加热和快速冷却的动态模具温度控制，实现注塑模具位置的动态、高效、稳定和准确的控制。
附图说明
[0025] 图1 是本发明实施例的结构示意图。
[0026] 图2是本发明实施例的工作示意图。
[0027] 图3是本发明控制系统的示意图。
[0028] 其中：1公模、2母模、3注水通孔、4发热元件、5光纤光栅温度传感器、6光纤光栅压力传感器。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
[0030] 如图1、2、3所示，本实施例提供一种基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的控制系统，所述模具采用金属陶瓷发热材料制成，该控制系统包括压模位置检测单元、水冷却单元、温度检测与控制单元、压模单元、边界检测单元、单片机处理单元、主机，所述单片机处理单元与主机相连，所述模具为形状契合的一对公模1和母模2，公模1和母模2上分别均布有注水通孔3，所述水冷却单元由控制注水的水泵和与注水通孔3联通的出水管组成，水泵的控制端与单片机处理单元相连，所述压模单元由与公模1相连的步进电机和齿轮机构组成，步进电机的驱动电路与单片机处理单元相连，所述压模位置检测单元由设置于公模工作面的光纤光栅压力传感器6组成，所述光纤光栅压力传感器6的输出端通过解调仪与主机相连，所述温度检测与控制单元由设置于公模和母模背面的光纤光栅温度传感器5和用于模具加热的电源电路组成，光纤光栅温度传感器5的输出端通过解调仪与主机相连，所述电源电路与单片机处理单元相连。
[0031] 所述边界检测单元是在公模的四个边缘的中心位置分别设置一组光纤光栅传感器，每组包含三根呈扇形分布的垂下的光纤光栅传感器，扇形的圆心在公模的边缘的中心位置，扇形的直径为公模的边缘的边长，光纤光栅传感器的输出端通过解调仪与主机相连。边界检测单元的功能为实现边界的检测，防止在压模的过程中人手或外物进入公模和母模之间，而引起不必要的损伤。因为光纤的灵敏度很高，而上述的排列方式能保证在人手和外物进入公模和母模的间隙中必须触碰到光纤。单有外物触碰到光纤时，将被传感器感知，并通过控制压模单元反转，避免压模单元在运行时对人的伤害。
[0032] 在上述技术方案中，单片机处理单元以51单片机作为MCU，它与主机通过UART保持通信，接受主机的命令，并将相应的命令提取并转化成相应为GPIO口的电平，来控制各个单元的工作：
[0033] MCU通过控制GPIO1的输出电平控制与模具加热元件相连的电源电路的开关，当GPIO1的输出为高电平时，电源电路导通，而GPIO1为低电平时电源电路断开。
[0034] MCU通过控制GPIO2的输出电平控制水冷却单元的水泵的开关，当GPIO2的输出为高电平时，水泵打开，水进入模具使模具冷却，而GPIO2为低电平使水泵关闭。
[0035] 压模单元采用2项4线步进电机，MCU通过GPIO3 7这4个输出端与步进电机的驱动~电路相连，通过控制GPIO3 7的输出电平，来控制电机的转动。
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[0036] 本实施例中的基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具的主要工作流程为如下：
[0037] （1）使模具快速加热到维卡软化温度Tv附近而低于熔融温度Td (在此状态下，塑料的延展性能好不易别压破)；
[0038] （2）保持模具的温度Tcn在Tv±△T内（ △T = Td - Tv），同时通过步进电机和齿轮机构组成的压模单元,缓慢的使塑料热延压成型，保证模具的压强小于塑料的抗拉强度Rm；
[0039] （3）在塑料膜热延压成型后，马上通过水冷却单元使模具冷却，并通过压模单元使模具分开。
[0040] 本实施例还提供一种与上述的基于光纤光栅传感器的金属陶瓷热压延成型模具配套的控制系统的工作方法，包括以下步骤：
[0041] （1）解调仪将光纤光栅温度传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
[0042] （2）主机读入波长数据λn，并通过Tcn=0.615λn得到实时温度Tcn，n代表第n个测量时刻的数据；
[0043] （3）通过经验公式Te= Ty-ke得到加热的终止温度Te，其中Ty为预先设定的模具工作温度，ke为经验修正系数，在加热元件断电后，因为加热元件的温度大于模具温度，模具温度会继续上升，所以通过电加热的终止温度必须修正；主机控制单片机处理单元给加热元件通电，同时不断对比当前温度Tcn与Te，当|Te-Tcn|<2 时，主机控制电源电路断开；
[0044] （4）通过经验公式Ts=Ty-ks得到保温的加热温度Ts，ks为经验修正系数；主机不断对比当前温度Tcn与Ts，当| 时，主机控制电源电路导通；当|Tcn - Te|<2时，主机控制电源电路断开；
[0045] （5）解调仪将光纤光栅压力传感器的输入信号解调成波长信号，传送到主机；
[0046] （6）主机读入波长数据λm，并通过得到各点的压强，n代表第n个测量时刻的数据，主机不断比较Pn和预先设定的物料成型时的压强P0，如果 则令状态量S=1，表示压模到位，否则令S
=0，表示需要继续压；
[0047] （7）当模具被加热后，温度保持在Tv±△T， △T =Td - Tv一定时间后，其中Tv为维卡软化温度，Td为熔融温度，主机控制单片机处理单元向步进电机输入ωn频率的脉冲信号，控制步进电机以一定的速率ν1，带动公模下压；
[0048] （8）当测量的压强Pn增大到Ph后，其中Ph为设定的最适压模压强，在每次测量出Pn后，通过公式 调节ωn的值，Ky为一系数，其与被加工物料的弹性模量有关，从而不断的调节步进电机的速度，使被加工物料所受压强增大速率不断减小，使被加工物料缓慢压延成型；
[0049] （9）主机不断的检查S的状态，当S=1时，停止向步进电机输送脉冲信号；
[0050] （10）当S=1时，主机控制单片机处理单元打开水泵，使冷却水通过管道流入模具上的注水通孔使模具迅速降温；
[0051] （11）主机不断比较当前温度Tcn与预先设定的模具冷却终止温度Tl；当Tc
[0052] （12）主机控制单片机处理单元，向上抬起公模，使模具分开；
[0053] （13）主机读取边界检测单元中的光纤光栅传感器的测量值，并与允许的测量范围进行比较，当测量值不在允许的范围时，马上产生中断信号，使压模单元控制公模退回到复位的位置。
[0054] 在上述技术方案中，预先设定的模具工作温度Ty、预先设定的物料成型时的压强P0、设定的最适压模压强Ph、预先设定的模具冷却终止温度Tl、步进电机的运动速率ν1等都是根据待成型物料的不同而依经验设定的，普通技术人员可以经过多次试验设定出最优值。
[0055] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不局限于该实施例和附图所公开的内容。
