JP4266235B2 - 傾動式自動注湯方法および取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、一般には鋳造技術に関するものであり、特に、溶解された鉄、アルミニウムなどの金属溶湯を取鍋に所定量保持し、取鍋を傾動することにより鋳型へと注湯する傾動式自動注湯方法に関するものである。

従来、傾動式自動注湯方法は、（１）注湯位置へと搬送する際に、金属溶湯の振動を抑制するもの（特許文献１参照）、（２）注湯終了時の後傾動作によって生じる金属溶湯の振動を抑制するもの（特許文献２参照）、（３）一定注湯流量を維持するように取鍋傾動速度を制御するもの（特許文献３参照）、（４）短時間で規定重量へ鋳込む注湯方法（特許文献４参照）、（５）所望の注湯流量パターンを実現するように取鍋傾動速度を制御するもの、（６）取鍋の金属溶湯の出湯口を昇降させ、鋳込時初期の取鍋から流出する金属溶湯の流量を増大させる注湯方法（非特許文献１参照）、（７）ファジィ制御を用いた傾動式自動注湯方法（非特許文献２参照）、（８）線形パラメータ変動モデルを用いた傾動式自動注湯方法（非特許文献３参照）などが知られている。

従来、（１）と（２）では、取鍋搬送、傾動時に生じる溶湯面の振動抑制装置であり、注湯時に所望する流量を実現することに関しては触れていない。また、（３）と（５）は、単位時間当たりに注がれる金属溶湯重量を制御するものであり、（４）、（６）、（７）は、正確に規定重量へ鋳込むものである。（６）では、鋳込み時間を短縮するために、取鍋の出湯口を下降させて、取鍋からの金属溶湯の流出流量を増大させる注湯方法である。これらは注湯流量や鋳込み重量を高精度に制御する注湯方法であり、傾動式注湯方法における注湯される金属溶湯の落下位置は制御されておらず、鋳型内湯口から注湯される金属溶湯が外れることが問題となる。

特開平９−１０９２４号公報 特開平９−２８５８６０号公報 特開平９−２３９５２５号公報 特開平１０−５８１２０号公報 "自動注湯機の傾動軸２段昇降装置による初期流量増大化の試み"，鋳造工学，ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．７，４４５−４４８，１９９９ "自動注湯機の開発"，自動車技術，ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１１，７９−８６，１９９２ "Ｂｅｔｔｅｒｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓによる円筒取鍋型自動注湯ロボットの注湯流量制御"，日本機械学会論文集Ｃ編，ｖｏｌ．７０，Ｎｏ．６９４，２０６−２１３，２００４

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口へ落下させる注湯方法および取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明における傾動式自動注湯方法は、傾動前後動及び上下動を可能とする３つのサーボモータを備えた傾動式自動注湯装置の金属溶湯を保持した取鍋を傾動することによって、鋳型へと注湯するに当たり、取鍋を傾動させるサーボモータ、取鍋を前後動させるサーボモータおよび取鍋を上下動させるサーボモータへ印加する入力電圧をコンピュータを用いて制御することで、取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口へ落下させる方法であって、取鍋から流出する金属溶湯の落下軌跡の数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆モデルを解き、かつ注湯流速推定部および落下位置推定部により金属溶湯の落下位置を推定し、その落下位置データをコンピュータで処理し、これにより、前記取鍋を傾動させるサーボモータ、前記取鍋を前後動させるサーボモータおよび前記取鍋を上下動させるサーボモータへの入力電圧を獲得し、この獲得した入力電圧に基づき、前記３つのサーボモータを制御して、金属溶湯の落下位置が鋳型内湯口に収まるように取鍋を移動させることによって、正確に湯口内へ落下する金属溶湯を注ぐことを特徴とする。

なお、本発明に利用する数理モデル法とは、プロセスの熱収支・物質収支・化学反応・制限条件などの式を解いて、利益・コストなどコンピュータ制御の目的とする関数をだし、その最大・最小を求めてそれが達成できるように制御を行う方法である。
またなお、本発明において取鍋としては、矩形出湯口を持つ円筒形のものや、矩形出湯口を持つ縦断面形状が扇形のものを使用している。そして、取鍋は重心付近で支持してある。

本発明によれば、取鍋を前後動させ、金属溶湯落下位置を制御することにより、取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口へ注ぐことができる。これにより、注湯中に鋳型から金属溶湯が外れることがなくなり、安全に無駄なく注湯できるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１に示す装置は本発明を適用した傾動式自動注湯装置の概要図である。傾動式自動注湯装置１には取鍋２が設置され、該傾動式自動注湯装置１の各所に設置されたサーボモータ３，３によって、取鍋２は傾動、前後動、上下動を可能にする。また、該サーボモータ３，３にはロータリーエンコーダが取り付けられており、取鍋２の位置や傾斜角度を計測することができる。さらに、サーボモータ３，３には、コンピュータによって制御指令信号が与えられるようになっている。

なお、前記コンピュータとは、パソコン、マイコン、プログラマルロジックコントローラ（ＰＬＣ）及びデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などのモーションコントローラを言う。

取鍋２の注湯時の縦断面図である図２において、取鍋２の傾動角度をθ［ｄｅｇ］、取鍋２の傾動中心である出湯口より下部の溶湯体積（濃い網掛け部）をＶｓ（θ）［ｍ^３］、出湯口に対する水平面の面積（濃い網掛け部と薄い網掛け部の境界上の面積）をＡ（θ）［ｍ^３］、出湯口より上部の溶湯体積（薄い網掛け部）をＶｒ［ｍ^３］、上部溶湯の高さをｈ［ｍ］、取鍋２から流出する溶湯の流量をｑ［ｍ^３／ｓ］とすると、注湯時における時刻ｔ［ｓ］からΔｔ［ｓ］後の取鍋内溶湯の収支式は下記の式（１）のようになる。
Ｖｒ（ｔ）＋Ｖｓ（θ（ｔ））
＝Ｖｒ（ｔ＋Δｔ）＋Ｖｓ（θ（ｔ＋Δｔ））＋ｑ（ｔ）Δｔ ・・・（１）

式（１）を溶湯体積Ｖｒ［ｍ^３］についてまとめ、Δｔ→０とすると下記の式（２）となる。

また、取鍋２の傾動角速度ω［ｄｅｇ／ｓ］を下記の式（３）とする。
ω（ｔ）＝ｄθ（ｔ）／ｄｔ ・・・（３）
よって、式（３）を式（２）に代入すると、下記の式（４）が得られる。

また、出湯口より上部の溶湯体積Ｖｒ［ｍ^３］は下記の式（５）で表すことができる。

ここで、面積Ａｓ［ｍ^２］は、図３に示す出湯口水平面からの高さｈｓ［ｍ］における溶湯水平面積を示す。

また、面積Ａｓ［ｍ^２］を出湯口水平面の面積Ａ［ｍ^２］と面積Ａ［ｍ^２］に対する面積変化量ΔＡｓ［ｍ^２］に分割すると、溶湯体積Ｖｒ［ｍ^３］は下記の式（６）となる。

また、取鍋２を含む一般的な取鍋においては、面積変化量ΔＡｓ［ｍ^２］は出湯口水平面
の面積Ａ［ｍ^２］に対して微小であるから、下記の式（７）が得られる。

したがって、式（６）は下記の式（８）と示すことができる。
Ｖｒ（ｔ）≒Ａ（θ（ｔ））ｈ（ｔ） ・・・（８）
よって、式（８）より下記の式（９）が得られる。
ｈ（ｔ）≒Ｖｒ（ｔ）／Ａ（θ（ｔ）） ・・・（９）

また、ベルヌーイの定理を用いて、出湯口より上部の溶湯高さｈ［ｍ］から溶湯流量ｑ［ｍ^３／ｓ］までを下記の式（１０）で示す。

ここで、ｈｂ［ｍ］は図４に示すように取鍋２の内溶湯の上面からの溶湯深さ、Ｌｆ［ｍ
］は溶湯深さｈｂ［ｍ］における出湯口の幅、ｃは流量係数、ｇは重力加速度をそれぞれ示す。

また、式（４）、式（９）および式（１０）より注湯流量モデルの基礎式は下記の式（１１）および式（１２）となる。

また、取鍋２の矩形出湯口の幅Ｌｆ［ｍ］は取鍋１内の溶湯上面からの深さｈｂ［ｍ］に対して一定であるから、溶湯流量ｑ［ｍ^３／ｓ］は式（１０）より下記の式（１３）となる。

したがって、式（１３）を注湯流量モデルの基礎式（１１）および（１２）にそれぞれ代入すると、取鍋２の注湯流量モデルは下記の式（１４）および式（１５）となる。

図５に落下位置制御システムのブロック線図を示す。
ｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］は目標流量曲線、ｕ［Ｖ］はモータへの入力電圧、Ｐ_ｍ、Ｐ_ｆはモータ、および注湯プロセスの動特性を示す。

Ｐ_ｆ ^−１とＰ_ｍ ^−１は注湯流量逆モデルとモータ逆モデルをそれぞれ示す。目標流量パターンｑｒｅｆに実際の注湯流量が、追従するようにこの注湯プロセスの逆モデルを用いたフィードフォワード注湯流量制御システムを適用する。
なお、フィードフォワード制御とは、制御対象に加える操作量を予め決められた値に調節することにより、出力が目標値になるようにする制御法であって、制御対象の入出力関係や外乱の影響などが明確な場合には性能の良い制御を行うことができる。

図６は、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現するためサーボモータ３，３へ印加する制御入力ｕ［Ｖ］を導出するシステムにおける制御系のブロック線図をに示す。ここで、サーボモータ３，３の逆モデルＰ_ｍ ^−１は下記の式（１６）により示される。

式（１１）および式（１２）に示す注湯流量モデルの基礎式に対する逆モデルを導出する。ベルヌーイの定理である式（１０）より出湯口上部の溶湯高さｈ［ｍ］に対する注湯流量ｑ［ｍ^３／ｓ］を求めることができる。取鍋２の形状から考えられる出湯口上部の最大溶湯高さｈｍａｘ［ｍ］をｎ分割したときの分割幅をΔｈ［ｍ］とし、各々の溶湯高さをｈｉ＝ｉΔｈ（ｉ＝０、…ｎ）で示す。したがって、溶湯高さｈ＝［ｈ０ｈ１…ｈｎ］Ｔに対する注湯流量ｑ＝［ｑ０ｑ１…ｑｎ］Ｔを下記の式（１７）に示す。
ｑ＝ｆ（ｈ） ・・・（１７）
ここで、関数ｆ（ｈ）は式（１０）に示すベルヌーイの定理である。したがって、式（１７）の逆関数は下記の式（１８）となる。
ｈ＝ｆ^−１（ｑ） ・・・（１８）

この式（１８）は式（１７）をＬｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅで表現し、入出力関係を逆にすることで表すことができる。
ここで、分割間隔ｑｉ→ｑｉ＋１ 、ｈｉ→ｈｉ＋１ は線形補間により近似する。分割幅が小さいほど、高精度に注湯流量ｑ［ｍ^３／ｓ］と出湯口上部の溶湯高さｈ［ｍ］の関係を表現できる。実装可能な範囲で分割幅を小さくすることが望まれる。

所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現する出湯口上部の溶湯高さｈｒｅｆ［ｍ］は式（１８）より下記の式（１９）となる。
ｈｒｅｆ（ｔ）＝ｆ^−１（ｑｒｅｆ（ｔ）） ・・・（１９）

また、出湯口上部の溶湯高さｈｒｅｆ［ｍ］における出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ^３］は、式（９）を用い下記の式（２０）で示す。
Ｖｒｅｆ（ｔ）＝Ａ（（θ（ｔ））ｈｒｅｆ（ｔ） ・・・（２０）

次に、式（２０）で得られた出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ^３］と所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を、式（１１）の注湯流量モデルの基礎式に代入して、下記の式（２１）に示す所望の注湯流量パターンを実現する取鍋２の傾動角速度ωｒｅｆ［ｄｅｇ／ｓ］を導出する。

まず、式（１７）から式（２１）を順に解き、得られた取鍋２の傾動角速度ωｒｅｆ［ｄｅｇ／ｓ］を式（１６）に代入することにより、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆを実現すべくサーボモータ３，３へ印加する制御入力ｕ［Ｖ］を得ることができる。

また、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現する出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ^３］は、式（１５）を用い下記の式（２２）で示すことができる。

式（２２）より得られた出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ^３］と所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を式（２１）に代入すると、所望の注湯流量パターンを実現する取鍋２の傾動角速度ωｒｅｆ［ｄｅｇ／ｓ］が得られる。そして、得られた取鍋取鍋２の傾動角速度ωｒｅｆ［ｄｅｇ／ｓ］を、式（１６）のサーボモータ３，３の逆モデルに代入すると、サーボモータ３，３へ印加する制御入力ｕ［Ｖ］を得ることができる。

図５において、Ｐ_０は取鍋から流出する液体の流量から鋳型内湯口カップでの溶湯落下位置までの伝達特性を示す。また、図７に取鍋から液体が流出して、鋳型内へ流入する過程を示す。

図７において、Ｓ_ｗ［ｍ］は取鍋出湯口４から鋳型湯口５までの高さを示し、Ｓ_ｖ［ｍ］ は、取鍋出湯口４から鋳型湯口５上面での液体落下位置までの水平方向長さを示す。Ａ_ｐ［ｍ^２］は、取鍋出湯口４先端での液体断面積を示し、Ａ_ｃ［ｍ^２］は、鋳型湯口５上面での落下液体断面積を示す。出湯口先端における流出液体Ｒの平均流速ν_ｆ［ｍ／ｓ］は式（２３）となる。

ここで、ν_ｆ（ｈ（ｔ））［ｍ／ｓ］は出湯口上の液体高さｈ（ｔ）［ｍ］に依存する。そして、溶湯流出過程において、溶湯断面積は一定と仮定すると、断面積Ａ_ｐ［ｍ^２］とＡ_ｃ［ｍ^２］は、式（２４）となる。

ここで、Ｔ_ｆ［ｓ］は、落下液体が取鍋出湯口先端から湯口上面へ到達するまでの時間を示す。
液体の落下位置Ｓ_ｗ［ｍ］とＳ_ｖ［ｍ］は、式（２５）と式（２６）で表現される。

ｔ_０［ｓ］は流出液体が取鍋出湯口先端を通過した時間を示す。
取鍋傾動用サーボモータが出湯口先端に取り付けられている場合は、取鍋傾動中に出湯口先端の位置は変化しない。しかし、取鍋傾動サーボモータが図１に示すような取鍋重心位置に取り付けられている場合は、取鍋を傾動することにより、出湯口先端の位置がサーボモータ回転軸を中心に円弧を描くことになる。そこで、取鍋傾動サーボモータと連動して、取鍋上下動用サーボモータおよび前後動用サーボモータを駆動させ、出湯口先端の位置が移動しないように制御システムを構築する。これにより、取鍋出湯口先端の高さが一定になる。それゆえ、式（２６）により、取鍋出湯口先端から鋳型湯口上面までの溶湯落下時間は式（２７）となる。

ここで，Ｓ_ｗ［ｍ］は、取鍋上下動サーボモータと前後動サーボモータが取鍋傾動サーボモータに連動して、取鍋出湯口先端位置を取鍋傾動中も一定となるような制御システムを適用した際の出湯口先端から鋳型湯口上面までの高さを示す。また、ｔ_１［ｓ］は落下液体が湯口ヘ到達する時間を示す。式（２５）および式（２７）より、鋳型内湯口上面における水平方向での流出液体落下位置は式（２８）となる。

注湯流速推定部Ｅ_ｆにおいて、式（２９）を用いて推定流速バーν_ｆ（ｔ）［ｍ／ｓ］を求める。

断面積Ａ_ｐ［ｍ^２］は、出湯口先端の形状と出湯口先端における液体高さｈ［ｍ］から得られる。そこで、目標流量に対する推定液体高さバーｈ（ｔ）［ｍ］は、式（３０）に示すベルヌーイの定理に対して、流量から液体高さが得られるように式（３１）に示す逆問題で表現することで得ることができる。

式（３０）において，Ｌ_ｆは図４に示す出湯口先端上にある液体の深さｈ_ｂ［ｍ］における出湯口の幅である。式（３１）は、順問題である式（３０）を用いて、入出力テーブルを作成し、その入出力を入れ替えることで構成することができる。また、断面積は、出湯口形状より式（３２）を用いて得ることができる。

したがって、式（２９）、式（３１）、式（３２）を用いることで、流速推定が可能となる。
落下位置推定部Ｅ。において、推定落下位置バーＳ_ｖ（ｔ）［ｍ］は式（２８）に式（２９）で得られた推定流速を代入することで求められる。
位置制御部Ｇｙは、推定落下位置と目標落下位置との偏差を０へ収束させるための取鍋前後動に対する位置制御システムを示す。推定落下位置を位置制御システムに与えることにより、正確に目標の鋳型内湯口位置へ液体を注ぐことができる。

落下位置制御システムの有用性を示すために、シミュレーションを用いて落下位置軌跡を描いた結果を図８に示す。図８は、注湯システムを上面から投影した図である。(a)は落下位置制御を適用した結果であり、(b)は適用しない場合の結果である。細線は湯ロカップを示し、太線は湯口カップ中心から最も遠い流出範囲（流径）、破線は落下液体の中心と湯ロカップ中心の関係がもっとも遠距離にある場合を示す。これらの結果より、落下位置制御システムを適用した場合には、高速注湯を実施しても湯ロカップ内に液体が落下していることが確認された。

本発明における傾動式自動注湯方法は、従来の傾動式自動注湯装置に前後動作用のサーボモータを含む搬送装置を設置し、自動注湯装置、および搬送装置にコンピュータによる制御システムを構築することで実現できるため、産業に利用できる可能性は高い。

本発明に使用した傾動式自動注湯装置の概要を示す図である。 図１の自動注湯装置における取鍋の縦断面図である。 図２における要部拡大詳細図である。 出湯口先端を示した図である。 落下位置制御システムのシステムを示したブロック線図である。 注湯流量フィードフォワード制御系のブロック図である。 本発明の注湯プロセスを示した図である。 注湯落下位置軌跡のシミュレーション結果を示した図である。

符号の説明

１ 傾動式自動注湯装置
２ 取鍋
３ サーボモータ
４ 取鍋出湯口
５ 鋳型湯口
Ｒ 液体

Claims (2)

1. 傾動前後動及び上下動を可能とする３つのサーボモータを備えた傾動式自動注湯装置の金属溶湯を保持した取鍋を傾動することによって、鋳型へと注湯するに当たり、取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口へ落下させるべく取鍋を傾動させるサーボモータ、取鍋を前後動させるサーボモータおよび取鍋を上下動させるサーボモータへ印加する入力電圧をコンピュータを用いて制御する方法であって、
   取鍋から流出する金属溶湯の落下軌跡の数理モデルを作成し、
   この作成した数理モデルの逆モデルを解き、かつ注湯流速推定部および落下位置推定部により金属溶湯の落下位置を推定し、
   その落下位置データをコンピュータで処理し、
   これにより、前記取鍋を傾動させるサーボモータ、前記取鍋を前後動させるサーボモータおよび前記取鍋を上下動させるサーボモータへの入力電圧を獲得し、
   この獲得した入力電圧に基づき、前記３つのサーボモータを制御することを特徴とする傾動式自動注湯方法。
2. 傾動前後動及び上下動を可能とする３つのサーボモータを備えた傾動式自動注湯装置の金属溶湯を保持した取鍋を傾動することによって、鋳型へと注湯するに当たり、取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口へ落下させるべく取鍋を傾動させるサーボモータ、取鍋を前後動させるサーボモータおよび取鍋を上下動させるサーボモータへ印加する入力電圧をコンピュータを用いて制御するための制御プログラムを記憶した記憶媒体であって、
   取鍋から流出する金属溶湯の落下軌跡の数理モデルを作成し、
   この作成した数理モデルの逆モデルを解き、かつ注湯流速推定部および落下位置推定部により金属溶湯の落下位置を推定し、
   その落下位置データをコンピュータで処理し、
   これにより、前記取鍋を傾動させるサーボモータ、前記取鍋を前後動させるサーボモータおよび前記取鍋を上下動させるサーボモータへの入力電圧を獲得し、
   この獲得した入力電圧に基づき、前記３つのサーボモータを制御することを特徴とする取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体。