JP2007275934A - 自動注湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】熟練技能者の注湯挙動から自動注湯機のパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができる自動注湯システムとする。
【解決手段】取鍋棒３の取鍋２付け根近傍に設けたゲージ取付部７の周囲に、等間隔で少なくとも４個のひずみゲージ８を固定してブリッジ回路９を構成し、このブリッジ回路９の信号により取鍋２の角度変化と、取鍋２内の溶湯４の重量変化により、パソコン１１は注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する。また、各ひずみゲージ８の感度差、ひずみゲージ８装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの補正を行う。更に、このようにして得られた注湯パラメータにより自動注湯機が注湯を行い、注湯速度変化を計測して注湯パラメータの調整を行い、最適パラメータを得る。この最適パラメータにより自動注湯機は量産用の注湯を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、取鍋により鋳型に注湯するに際して、技術者の手を用いることなく自動的に注湯を行うことができるようにした自動注湯システムに関し、特にそのような自動注湯システムにおいて最適に注湯するための制御データとして、熟練技能者の手注ぎの技術を制御パラメータとすることにより、最適な自動注湯を行うことができるようにした自動注湯システムに関する。

鋳造は、溶けた金属を型に流し込み（注湯）、凝固させ、成型品（鋳物）を得る技術である。ここでは、注湯技術の良否がその品物の欠陥発生率を決める大きな要因になっている。例えば溶融金属の温度を高く設定して注湯すれば、充填性が良くなるものの、ガスの吸収が過大になり、ポロシティの発生による引け巣欠陥などが発生する。逆に温度を低下させると充填性が低下し湯回り不良と呼ばれる欠陥が発生する。また注湯作業により溶湯の流動に乱れが生ずると表面酸化物の巻き込みにより欠陥が発生する。このように、鋳物の歩止まりは注湯技能者の技能に大きく依存しており、注湯技能者はできるだけ低温の溶湯を俗に言う「早く静かに」注湯する技術が求められる。熟練した注湯技能を持つ技能者は、経験から材料組成、鋳物の細部、湯道の方案を勘案して注ぎによる作業を最適化している。

一方、注湯作業は危険が伴い、作業者が人手で行うためばらつきも大きい。そのため注湯作業の自動化は安定生産への流れであり、種々の自動注湯装置が開発されている。しかしながら、多くは注湯速度の微妙な変化をコントロールできない装置であり、方案設計に時間をかけて最適化できる大ロットの大量生産には適するが、少量生産には不向きな装置である。

従来型自動注湯装置のもう一つの問題点として、湯口（注湯口）位置が固定されているという点である。通常、手作業による注湯作業を行う企業では、方案上の最適化を優先して湯口位置は自由に設定している。湯口位置の固定した自動注湯機を導入するためには、それまで蓄積してきた方案を全て破棄して１から設計し直す必要がある。

上記の自動注湯機の問題点をふまえ、鋳造工程における鋳型の位置制御（ｘ軸）と取鍋の位置制御（ｙ軸）とを組み合わせて、鋳型の湯口の位置を自由に設定できるようにすることにより、任意の湯口位置の鋳型への自動注湯を可能にする自動注湯方法が本発明者等により開発され、特許出願している（「鋳型への自動注湯方法とその装置」：特開平１１−３４２４６３号公報）。

この自動注湯装置によると、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯するタイプの装置であるが、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる。この装置を実用化し、多品種・少量生産に対応できる中小企業向けの生産システムを構築し、１９９７年より実際に生産を行っており、この手法は国内鋳造作業に適した現状では唯一の注湯設備として展開が期待される。
特開平１１−３４２４６３号公報

ここで問題として、自動注湯装置の作動に際しては、取鍋の制御のために角度の関数として傾動速度を注湯パラメータとして設定する必要がある。一般的な考え方として注湯速度として最初は早く、途中はゆっくりと、最後にまた速く、と変化させる必要がある。現状では手注ぎによる熟練技能者の注湯挙動を参考にしてトライアンドエラーで設定を行っており、設定値が定まるまでには技術者の経験と、微妙な手直しを入れるという難しいもので、１０?２０回程度と数多くの試行が必要である。そこで、設定値の最適化を助け、試行を減らすシステムを開発して、技術シーズである自動注湯装置の技術改良が求められている。

したがって本発明は、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯する自動注湯装置において、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる装置をより実用化するため、熟練技能者の注湯挙動から注湯機へのパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができるようにすることを主たる目的とし、特に、従来は熟練技能者が注湯挙動を１０−２０回程度行ってデータを取る必要があったものを、３−５回程度の、より少ない試行で設定値が求まるシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る自動注湯システムは上記課題を解決するため、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する演算手段を備え、前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とからなることを特徴とする。

本発明に係る他の自動注湯システムは、前記自動注湯システムにおいて、前記演算手段は、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い注湯パラメータを演算することを特徴とする。

本発明に係る他の自動注湯システムは、前記自動注湯システムにおいて、前記演算手段は、前記演算した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、注湯時の注湯速度変化と前記熟練作業者による注湯速度変化とを比較して注湯パラメータを調整して、最適注湯パラメータを演算することを特徴とする。

本発明によると、従来は熟練技能者が注湯挙動を１０−２０回程度行ってデータを取る必要があったものを、３−５回程度のより少ない試行で、熟練技能者の注湯挙動に基づく取鍋の傾動速度関数を求めることができるようになり、それにより取鍋の傾動角度毎に傾動速度を調節できる、多品種少量生産に適した自動注湯システムを容易に使用することができる。

本発明は、熟練技能者の注湯挙動から注湯機へのパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができるようにする課題を、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する演算手段を備え、前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とから構成したものである。

図１は本発明のシステムの概要図であり、同図（ａ）に示すように鋳込み作業者１が取鍋２の取鍋棒３を持ち、取鍋２を傾けて取鍋２内の溶湯４を鋳型５の湯口６に流し込むとき、この取鍋棒３の取鍋２に対する付け根部分にゲージ固定部７を設けておき、このゲージ固定部７に互いに９０度の等間隔で少なくとも４個のひずみゲージ８を取り付けている例を示している。図示の例においては、４個のひずみゲージ８は図１（ｂ）及び図２に示すようにブリッジ回路９となし、その信号をデータロガー１０によって信号処理し、パソコン１１に出力している。パソコン１１では、作業者１による取鍋の傾き角毎の傾斜速度、取鍋の重量検出による溶湯の重量変化を演算し、必要なデータを記憶し、適宜のデータをモニタ画面１２に表示し、またプリントアウトする。

実際の計測に当たっては、ひずみゲージの感度補正、貼付位置補正、回転角補正等を行うことにより、取鍋の重量変化から注湯速度変化が正確に測定できるだけでなく、取鍋の角度変化も測定でき、得られたデータの解析より即時に注湯量・注湯時間も評価可能である。上記のような補正を行うに際し、個々のひずみゲージ１−４が図３のように取り付けられているとき、各ひずみゲージの感度差を補正するときには下記の数式（１）の補正式により補正を行うことができる。

また、図３に示すように各ひずみゲージ１〜４が取り付けられているとき、個々の歪ゲージの貼り付け位置の誤差に伴う補正を行う際には、下記の数式（２）の補正式により補正を行うことができる。

本発明による自動注湯システムは、上記のような計測手段を用いることにより、例えば図４に示すように、熟練者による試験注湯１５を行うとき、その際の注湯速度変化を精密に測定することができ、その値により自動注湯機１８のためのパラメータ最適モジュール１７を求め、その注湯パラメータによって取鍋の傾動速度関数の補正を行って、自動注湯機１８で鋳込み作業を行う。そのときの注湯速度変化を、注湯速度変化測定装置１９で測定し、その測定結果を先の最適モジュールのパラメータにフィードバックし、注湯パラメータをより適正なものとすることができる。この計測手段で試験注湯作業を実際に行って得られた測定データを図６に示す。

上記のようなシステムは、本発明者等によって開発された従来の注湯速度変化可能な自動注湯システムに対して図５に示すように適用される。即ち、従来のプロセス２１においては、鋳造方案の設定２２を行い、それに基づいて造型２３を行い、熟練技能者による試験注湯２４を行う。そのときの注湯速度変化の注湯挙動を観察し、またそのときの注湯結果を検査２５して適切に注湯できているときには、適宜の注湯パラメータ設定２７を行う。

その注湯パラメータを用いて自動注湯機２８により実際に注湯を行い、そのときの注湯挙動を観察して注湯挙動が未だ不適切の時にはパラメータを再設定し、再設定した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、更に注湯挙動を観察する。また、必要とするときに再度熟練技能者による試験注湯を行い、前記作動を繰り返すことにより、トライアンドエラーによるパラメータの設定作業が行われ、最終的に適切と思われる注湯パラメータを得て、それにより自動注湯機２８による量産が行われる。

このような従来の自動注湯機のシステムに対して、本発明によるシステム２９は、前記試験注湯２４と同様に熟練者による試験注湯３０を行うものであるが、従来は１０−２０回行わなければならなかった試験注湯は３回程度行えば良い。そのときの注湯速度変化を前記のような計測手法により精密に測定し、それにより自動注湯パラメータの最適化システム３１によってパラメータを設定し、自動注湯機３２により自動注湯を行い、そのときの注湯速度変化を測定する。その際の注湯速度変化は、取鍋が支持機構に支持されているので、広く用いられるロードセル等の各種計測機を用いて容易に、且つ精密に測定することができ、そのデータを解析することにより注湯速度変化の測定を行うことができる。この注湯速度変化の精密な測定結果により自動注湯パラメータの調整を行い、そのパラメータによって自動注湯機による注湯を行い、注湯速度変化を更にフィードバックすることにより最適な自動注湯パラメータを得ることができる。

上記のようにパラメータ最適化モジュールからなる自動注湯パラメータ最適化システムを構築し、熟練技能者による試験注湯データと自動注湯機の注湯測定データを比較し、上記特性評価データから注湯パラメータ補正量を計算させている。図７は、ある鋳造法案における試行回数３回での熟練技能者の試験注湯、自動注湯機の注湯データ、数値シミュレーションによるモデル計算結果を示す。自動注湯機のデータは試験注湯データと良く一致しており、また、数値シミュレーションでも良く再現できていることが分かる。

本発明における計測システムの説明図である。 同計測システムの計測信号処理説明図である。 ゲージ固定部におけるゲージ取り付け態様を示す図である。 本発明において最適化モジュールパラメータを得るシステムのブロック図である。 本発明を従来のプロセスに適用する例を示す図である。 本測定システムによる試験注湯作業により得られた測定データの例である。 熟練技能者試行回数３回での熟練技能者の試験注湯、自動注湯機の注湯データ、数値シミュレーションによるモデル計算結果を示す図である。

符号の説明

１ 技能者
２ 取鍋
３ 取鍋棒
４ 溶湯
５ 鋳型
６ 湯口
７ ゲージ固定部
８ ひずみゲージ
９ ブリッジ回路
１０ データロガー
１１ パソコン

Claims (3)

1. 取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する演算手段を備え、
   前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とからなることを特徴とする自動注湯システム。
2. 前記演算手段は、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い注湯パラメータを演算することを特徴とする請求項１記載の自動注湯システム。
3. 前記演算手段は、前記演算した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、注湯時の注湯速度変化と前記熟練作業者による注湯速度変化とを比較して注湯パラメータを調整して、最適注湯パラメータを演算することを特徴とする請求項１または２に記載の自動注湯システム。

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