(57)【要約】【課題】指示した値に対して遅れやオーバーシュートを生じることなく制御することができ、金型内での溶湯の挙動を適正にする。【解決手段】加熱炉１１内で溶湯Ｍを加圧してストーク１５に送り出し、キャビティ１４に鋳造する鋳造機１０の制御装置である。モデル予測コントローラ２１は、現在から所定時間経過した時点における溶湯Ｍの湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように比例弁１７を制御する【選択図】図１
2010227974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を加圧して送り出しモールドに鋳造する鋳造機の制御装置であって、溶湯を加圧する加圧手段と、この加圧手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが前記所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように前記加圧手段を制御することを特徴とする鋳造機の制御装置。
【請求項２】
前記鋳造機は、溶湯を加圧するガスを供給する空気供給手段を備え、前記制御手段は、ガスの流量を調整する流量調整弁と、ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、前記制御手段は、前記流量調整弁におけるガスの流量と前記圧力検出手段の検出結果とに基づき、現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さを予測することを特徴とする請求項１に記載の鋳造機の制御装置。
【請求項３】
前記鋳造機は、溶湯を保持する保持部と、この保持部から前記モールドに溶湯を送るストークとを備え、前記制御手段は、下記［数１］および［数２］により現在から所定時間経過した時点における送り出された前記溶湯の湯面の高さ（ｈ１）を予測することを特徴とする請求項２に記載の鋳造機の制御装置。
【数１】
2010227974.tif 000005
Ｐ１：予測ガス圧力、Ａ：ストーク内部の水平断面積、Ｐｉ：溶湯の湯面にかかる背圧、
ｍＡ：ストーク内部の溶湯の質量、ｇ：重力加速度、Ｐ１：予測ガス圧力、
ｈ１：送り出された溶湯の湯面の高さ、μ（ｈ）：溶湯の粘性係数
【数２】
2010227974.tif 000006
Ｐ１：予測ガス圧力、Ｐ：実測ガス圧力、Ｐ：実測ガス圧力、Ｖ：ガス体積、
Ｒ：気体定数、Ｔ：鋳造機内ガス温度、Ｇ：ガス流量
【請求項４】
前記制御手段は、前記ストークおよび前記モールドの水平断面積を記憶し、前記溶湯の湯面の面積に対応して前記流量調整弁の制御を補正することを特徴とする請求項３に記載の鋳造機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低圧鋳造機の圧力を制御する制御装置に係り、特に、溶湯の状況を予測することにより溶湯の脈動を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、低圧鋳造機としては、坩堝内の湯面の上の空間に高圧空気を供給し、溶湯に浸漬したストークを介して溶湯を金型に鋳造する構造のものが知られている。このような低圧鋳造機では、高圧空気の供給量を制御して金型内での溶湯の挙動を適正にする必要がある。たとえば、特許文献１や特許文献２には、低圧鋳造機において高圧空気の指定圧力に対する測定圧力の差異に応じて比例制御弁の開度をフィードバック制御（ＰＩＤ制御）する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２７６０３１号公報
【特許文献２】特開平８−０９０２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような低圧鋳造機では、圧縮性のある空気によって溶湯という慣性流体を加圧するため、フィードバック制御では指示した空気圧力に対して実際の圧力上昇に遅れが生じる。そして、その遅れがフィードバック制御に反映されて次は指示した圧力よりも実際の圧力が高くなるオーバーシュートが生じる。このため、空気圧力が大きく変動し、溶湯に脈動が発生する。その結果、金型内で湯面が波立ったり溶湯が逆流したりし、湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどが生じて鋳造不良となる。
【０００５】
したがって、本発明は、指示した値に対して遅れやオーバーシュートを生じることなく制御することができ、金型内での溶湯の挙動を適正にすることができる低圧鋳造機の制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、溶湯を加圧して送り出しモールドに鋳造する鋳造機の制御装置であって、溶湯を加圧する加圧手段と、この加圧手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測し、この予測された湯面の高さが所定時間経過した時点における湯面の指定高さに近似するように加圧手段を制御することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測しながら加圧手段を制御するから、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができる。したがって、溶湯への脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる。
【０００８】
本発明は、空気などのガスで加圧する方式の鋳造機に適用することができる。すなわち、鋳造機は、溶湯を加圧するガスを供給するガス供給手段を備え、制御手段は、ガスの流量を調整する流量調整弁と、ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備えることができる。そして、制御手段は、流量調整弁におけるガスの流量と圧力検出手段の検出結果とに基づき、現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測する。なお、本発明は、上記のように、溶湯をガスで加圧する方式の鋳造機だけでなく、溶湯をフロートやピストンあるいは電磁力で加圧する方式の鋳造機にも適用することができる。  
【０００９】
鋳造機は、溶湯を保持する保持部と、この保持部からモールドに溶湯を送るストークとを備えることができる。そして制御手段は、下記［数１］および［数２］により現在から所定時間経過した時点における送り出された溶湯の湯面の高さを予測する
【００１０】
【数１】
2010227974.tif 000003
Ｐ１：予測ガス圧力、Ａ：ストーク内部の水平断面積、Ｐｉ：溶湯の湯面にかかる背圧、
ｍＡ：ストーク内部の溶湯の質量、ｇ：重力加速度、Ｐ１：予測ガス圧力、
ｈ１：送り出された溶湯の湯面の高さ、μ（ｈ）：溶湯の粘性係数
【数２】
2010227974.tif 000004
Ｐ１：予測ガス圧力、Ｐ：実測ガス圧力、Ｖ：ガス体積、Ｒ：気体定数、
Ｔ：鋳造機内空気温度、Ｇ：ガス流量
【００１１】
ここで、Ｇは、流量調整弁の開度に比例するものであるが、電磁式の流量調整弁の種類によっては、操作電圧が下のしきい値を超えるまで流路が開かず、流路が開いてからは操作電圧に対して流量が線形に変化するものがある。また、このような流量調整弁では、流量調整弁を全開にした状態から絞る場合にも、操作電圧が上のしきい値を下回るまで流路が絞られず、流路が絞られ始めてからは操作電圧に対して流量が線形に変化する。したがって、操作電圧から流量を求める場合には、上記のような作動ヒステリシスを加味する必要がある。また、［数２］の右辺の第１項は鋳造機に流入するガスによる圧力増加分であり、第２項は、鋳造機に流入したガスにより溶湯が押し下げられる結果、容積が増加することによる圧力減少分である。
【００１２】
現在の時刻ｔ１からｔ秒後のガス圧力Ｐは、［数２］をｔ１から（ｔ１＋ｔ）まで積分することで求めることができる。この場合、鋳造機内ガス温度Ｔは一定とすることができ、ガス流量Ｇは、時刻（ｔ１＋ｔ）のものとして予め設定されている。また、時刻（ｔ１＋ｔ）のときのガス体積Ｖは、時刻ｔ１のときのガス体積（既に求められている）にＡｈ１を加えることで求めることができる。
【００１３】
［数１］において背圧Ｐｉは大気圧とすることができる。また、ストーク内溶湯の質量ｍＡは、時刻ｔ１のときのものであり、過去の計算で既に求められている。さらに、粘性係数μ（ｈ）は溶湯の材質および温度から既知である。そして、それらの値と［数２］で求めたガス圧力Ｐを［数１］に代入して積分を２回行うと、送り出された溶湯の時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が求められる。この場合において、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が指定した高さよりも高い場合には、流量調整弁の操作電圧を下げる。一方、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の高さｈ１が指定した高さよりも低い場合には、流量調整弁の操作電圧を上げる。これにより、時刻（ｔ１＋ｔ）における湯面の実際の高さｈ１を指定した高さに近似させることができる。操作電圧の下げ幅は、湯面の高さｈ１と指定した高さとの差に比例させることができる。
【００１４】
以上の態様は、溶湯の湯面がストーク内に存在するときの制御であり、ストーク内での湯面の波立ちを抑制するだけでもモールド内での溶湯の波立ちを抑制することができる。本発明では、さらに、モールド内での湯面の波立ちを確実に抑制するように制御することができる。具体的には、制御手段は、ストークおよびモールドの水平断面積を記憶し、溶湯の湯面の面積に対応して流量調整弁の制御を補正する。たとえば、ストークおよびモールドの水平断面積の情報を外乱として制御系に取り込み、水平断面積から時刻（ｔ１＋ｔ）までの溶湯の体積増加分を算出する。そして、流量調整弁における流量を溶湯の体積増加分に見合った値とする。なお、ストークの水平断面積に対するモールドの水平断面積の比を乗算して流量を決定すると簡便である。
【００１５】
本発明では、送り出された溶湯の湯面の高さを予測する際の因子として種々の条件を取り入れて予測の精度を高めることができる。前述した流量調整弁の作動の遅れもその一つであるが、他には、鋳造機からのガスの漏洩などの外乱がある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができ、溶湯の脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の鋳造機の制御装置を示す制御ブロック図である
【図２】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートである。
【図３】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートである。
【図４】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図３に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。
【図５】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図４に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。
【図６】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図５に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。
【図７】実施形態のモデル予測制御を説明するためのタイムチャートであって、図６に示す状態から１ステップ進んだ状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１〜図７を参照して本発明の実施形態を説明する。図１において符号１０は低圧鋳造機である。低圧鋳造機１０は、加熱炉１１を備えている。加熱炉１１の上には、下型１２とこの下型１２に対して上下方向に接近離間可能な上型１３とが配置され、下型１２および上型１３によってキャビティ１４が形成されている。
【００１９】
加熱炉１１の頂部には、軸線を上下方向に向けたストーク１５が貫通して配置され、ストーク１５の上端部は下型１２を貫通してキャビティ１４に臨んでいる。加熱炉１１の側壁の上部には、図示しない空気圧縮装置に接続された配管１６が比例弁（流量調整弁）１７を介して接続され、内部に保持された溶湯Ｍの上部空間に空気を流入させるようになっている。また、加熱炉１１には、溶湯Ｍの上部空間の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１８が設けられている。この鋳造機１０では、溶湯Ｍの上部空間の圧力（炉内圧力）を高めることにより、溶湯Ｍがストーク１５に送り出され、キャビティ１４に充填される。
【００２０】
図１において符号２０は制御部であり、符号２１はモデル予測コントローラ（制御手段）である。制御部２０は、低圧鋳造機１０の動作を制御するとともに、モデル予測コントローラ２１に、溶湯の湯面位置を指示する情報を出力する。モデル予測コントローラ２１は、圧力センサ１８から入力される圧力情報に基づき、現在から３ステップ先までの湯面位置と炉内圧力を予測するともに、予測された湯面位置と指示された湯面位置とを比較し、予測された湯面位置が指示された湯面位置に近似するように比例弁を制御する。なお、図示は省略するが比例弁１７には流量検出センサが設けられ、その検出結果はモデル予測コントローラ２１に入力される。以下、このモデル予測制御について図２〜図７を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態では現在から３ステップ先まで予測するが、何ステップ先まで予測するかは適宜決定することができるので、この実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
図２はモデル予測制御を説明するためのタイミングチャートであり、横軸はモデル予測制御が行われる各ステップにおける時刻を示す。なお、図２では、１ステップの間隔を０．１の目盛で示している。現在時刻は時刻ｔで示され、この時刻ｔのときにコントローラ２０からモデル予測コントローラ２１に湯面位置を指示する情報が入力される。
【００２２】
すると、モデル予測コントローラ２１は、図３に示すように、比例弁１７に対する操作電圧を上げて比例弁１７を全開となるように作動させる。比例弁１７は、前述したような作動ヒステリシスを有するため、時刻（ｔ＋１）から流路を開き始め、時刻（ｔ＋１）から空気が流れ始める。また、モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力を前述の［数２］に代入し、時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測炉内圧力を得るとともに、得られた予測炉内圧力を［数１］に代入して時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。なお、図３には、説明の便宜のために予測炉内圧力と予測湯面位置を時刻（ｔ＋３）よりも将来の時刻のものまで示しているが、実際には時刻（ｔ＋３）までの予測しかしていない。これについては図４以降の図面も同様である。
【００２３】
図４は、図３に示す状態から次のステップ（１．１）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１による予測では、現在の時刻ｔと時刻（ｔ＋１）の中間から炉内圧力が上がり始め、その結果、加熱炉１１内の溶湯Ｍの湯面が押され、時刻（ｔ＋１）の少し手前からストーク１５内に溶湯Ｍが押し込まれて湯面が上がり始める。モデル予測コントローラ２１は、予測湯面位置が指示湯面位置よりも大幅に低いことから、比例弁１７に印加する操作電圧を現状維持する。
【００２４】
図５は、図４に示す状態から次のステップ（１．２）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１による予測では、時刻（ｔ＋２）で予測湯面位置が指示湯面位置に近くなるので、時刻（ｔ＋１）で比例弁１７に印加する操作電圧を下げる必要があるが、時刻ｔでは制御電圧を現状維持する。
【００２５】
図６は、図５に示す状態から次のステップ（１．３）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１の予測では、時刻（ｔ＋１）で予測湯面位置が指示湯面位置に近くなるので、時刻ｔで比例弁１７に印加する操作電圧を下げる。
【００２６】
図７は、図６に示す状態から次のステップ（１．４）に進んだ状態を示している。モデル予測コントローラ２１は、現在の時刻ｔの時点で圧力センサ１８から入力された炉内圧力と前述の［数２］および［数１］から時刻（ｔ＋１）、時刻（ｔ＋２）、時刻（ｔ＋３）の時の予測湯面位置を得る。モデル予測コントローラ２１の予測では、時刻ｔ以降では予測湯面位置が指示湯面位置に近似するが、時刻（ｔ＋２）で予測湯面位置が指示湯面位置よりも少し下がる。そこで、モデル予測コントローラ２１は、時刻ｔで比例弁１７の操作電圧を少し上げる。これにより時刻（ｔ＋３）以降は予測湯面位置が指示湯面位置とほぼ一致した安定した状態となる。
【００２７】
以上のようなモデル予測制御により、ストーク１５内で溶湯Ｍの湯面は安定する。したがって、ストーク１５内での湯面の上昇速度を速くすることができるので、鋳造時間を短縮することができる。また、溶湯がキャビティ１４に充填されるときも安定状態がほぼ維持されるので、ＰＩＤ制御のように遅れやオーバーシュートの発生を抑制することができ、溶湯の脈動の発生とそれに起因する湯境や未充填、あるいは空気の巻き込みなどの発生を未然に防止することができる。
【００２８】
ところで、溶湯がストーク１５内を通過した後も比例弁１７の操作電圧を一定にしておくと、湯口やキャビティ１４内で水平断面積が大きく変化する場合に、湯面の上昇速度が変動して湯面が乱れることが想定される。そこで、この実施形態では、モデル予測コントローラ２１がストーク１５およびキャビティ１４の水平断面積情報を記憶し、これを外乱として操作電圧を補正する。
【００２９】
具体的には、ストーク１５の水平断面積をＡとし、湯口やキャビティ１４の水平断面積をＳとしたときに、操作電圧にＳ／Ａを乗算して補正する。これにより、湯口やキャビティ１４内で湯面の上昇速度は一定となり、湯面の乱れが防止される。
【００３０】
本発明は、上記のように溶湯を空気で加圧する方式の鋳造機１０だけでなく、溶湯をフロートやピストンあるいは電磁力で加圧する方式の鋳造機にも適用することができる。たとえば、溶湯をフロートやピストンで加圧する鋳造機では、フロートやピストンが受ける反力を圧力情報としてモデル予測コントローラ２１に出力すれば、上記と同様の制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、モデル予測制御の鋳造機への適用を初めて可能としたもので、生産性や歩留まりに優れ、鋳造の分野に適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  鋳造機
１１  加熱炉
１２  下型（モールド）
１３  上型（モールド）
１４  キャビティ
１５  ストーク
１７  比例弁（加圧手段、圧力調整弁）
１８  圧力センサ（圧力検出手段）
２０  制御部
２１  モデル予測コントローラ（制御手段）
【図１】
2010227974.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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