(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、かつ縮流の影響を考慮して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。
【請求項２】
前記落下位置を推定する際に、縮流の影響に加えて前記取鍋の出湯口に設けられたガイド部の影響を考慮して推定することを特徴とする請求項１記載の傾動式自動注湯方法。
【請求項３】
前記取鍋の側方に設置される撮像装置により前記取鍋から流出する金属溶湯の落下位置を計測し、該計測された落下位置と、前記推定された落下位置とに誤差が生じた場合に、この誤差を抑制して、目標位置に正確に金属溶湯を落下させることを特徴とする請求項２記載の傾動式自動注湯方法。
【請求項４】
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、かつ縮流の影響を考慮して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。
【請求項５】
前記落下位置を推定する際に、縮流の影響に加えて前記取鍋の出湯口に設けられたガイド部の影響を考慮して推定することを特徴とする請求項４記載の取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体。
【請求項６】
前記取鍋の側方に設置される撮像装置により前記取鍋から流出する金属溶湯の落下位置を計測し、該計測された落下位置と、前記推定された落下位置とに誤差が生じた場合に、この誤差を抑制して、目標位置に正確に金属溶湯を落下させることを特徴とする請求項５記載の取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
これらの問題を解消するため、フィードフォワード制御で取鍋から流出する液体の落下位置を制御する方法（特許文献５参照）が知られている。特許文献５に記載の方法は有効な方法であるが、更に精度良く落下位置を制御することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１０９２４号公報
【特許文献２】特開平９−２８５８６０号公報
【特許文献３】特開平９−２３９５２５号公報
【特許文献４】特開平１０−５８１２０号公報
【特許文献５】特開２００８−２７２８０２号公報
【非特許文献１】“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
【非特許文献２】“自動注湯機の開発”，自動車技術，ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１１，７９−８６，１９９２
【非特許文献３】“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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、かつ縮流の影響を考慮して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。
また、本発明における取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体は、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、かつ縮流の影響を考慮して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。
【０００７】
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、円筒形のものや、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。また、縮流とは、出湯口先端の流れ場において、重力の影響により、越流水深が減少することである。
【発明の効果】
【０００８】
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、注湯中に鋳型内湯口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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に先立ち説明する先行例において使用した傾動式自動注湯装置の概要を示す図である。
【図２】図１の自動注湯装置における取鍋の縦断面図である。
【図３】図２における要部拡大詳細図である。
【図４】出湯口先端を示した図である。
【図５】先行例の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。
【図６】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。
【図７】先行例の注湯プロセスを示した図である。
【図８】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。
【図９】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１０】本発明の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。
【図１１】出湯口ガイド部へ侵入する際の流速を示す断面図である。
【図１２】本発明と先行例のシミュレーション及び実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、先ずそれに先立ち図１〜図８を用いてフィードフォワード制御を用いた先行例について説明し、その後に図９〜図１１を用いて本発明を適用した傾動式自動注湯装置について説明する。
〔１．先行例の傾動式自動注湯装置について〕
図１に示す装置は先行例の傾動式自動注湯装置の概要図である。先行例の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。
【００１１】
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）［ｍ３］、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）［ｍ３］、出湯口より上部の溶湯体積（薄い網掛け部）をＶｒ［ｍ３］、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［ｍ３／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）
【００１２】
式（１）を溶湯体積Ｖｒ［ｍ３］についてまとめ、Δｔ→０とすると下記の式（２）となる。
【００１３】
【数１】
0005408793.tif 000002
【００１４】
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。 
【００１５】
【数２】
0005408793.tif 000003
【００１６】
また、出湯口より上部の溶湯体積Ｖｒ［ｍ３］は下記の式（５）で表すことができる。
【００１７】
【数３】
0005408793.tif 000004
ここで、面積Ａｓ［ｍ２］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。
【００１８】
また、面積Ａｓ［ｍ２］を出湯口水平面の面積Ａ［ｍ２］と面積Ａ［ｍ２］に対する面積変化量ΔＡｓ［ｍ２］に分割すると、溶湯体積Ｖｒ［ｍ３］は下記の式（６）となる。
【００１９】
【数４】
0005408793.tif 000005
【００２０】
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［ｍ２］は出湯口水平面の面積Ａ［ｍ２］に対して微小であるから、下記の式（７）が得られる。
【００２１】
【数５】
0005408793.tif 000006
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） 
【００２２】
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［ｍ３／ｓ］までを下記の式（１０）で示す。
【００２３】
【数６】
0005408793.tif 000007
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。
【００２４】
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。
【００２５】
【数７】
0005408793.tif 000008
【００２６】
【数８】
0005408793.tif 000009
【００２７】
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［ｍ３／ｓ］は式（１０）より下記の式（１３）となる。
【００２８】
【数９】
0005408793.tif 000010
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。
【００２９】
【数１０】
0005408793.tif 000011
【００３０】
【数１１】
0005408793.tif 000012
【００３１】
図５に落下位置制御システムのブロック線図を示す。
ｑｒｅｆ［ｍ３／ｓ］は目標流量曲線、ｕ［Ｖ］はモータへの入力電圧、Ｐｍ、Ｐｆはモータ、および注湯プロセスの動特性を示す。
【００３２】
Ｐｆ−１とＰｍ−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。
【００３３】
図６は、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ３／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示す。ここで、サーボモータ３，３の逆モデルＰｍ−１は下記の式（１６）により示される。
【００３４】
【数１２】
0005408793.tif 000013
【００３５】
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［ｍ３／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）
【００３６】
この式（１８）は式（１７）をルックアップテーブルで表現し、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［ｍ３／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。
【００３７】
所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ３／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）
【００３８】
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［ｍ３］は、式（９）を用い下記の式（２０）で示す。
Ｖｒｅｆ（ｔ）＝Ａ（（θ（ｔ））ｈｒｅｆ（ｔ） ・・・（２０）
【００３９】
次に、式（２０）で得られた出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ３］と所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ３／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。
【００４０】
【数１３】
0005408793.tif 000014
【００４１】
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。
【００４２】
また、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ３／ｓ］を実現する出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ３］は、式（１５）を用い下記の式（２２）で示すことができる。
【００４３】
【数１４】
0005408793.tif 000015
【００４４】
式（２２）より得られた出湯口上部の溶湯体積Ｖｒｅｆ［ｍ３］と所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ３／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。
【００４５】
図５において、Ｐ０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。
【００４６】
図７において、Ｓｗ［ｍ］は取鍋出湯口４から鋳型湯口５までの高さを示し、Ｓｖ［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。Ａｐ［ｍ２］は、取鍋出湯口４先端での液体断面積を示し、Ａｃ［ｍ２］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νｆ［ｍ／ｓ］は式（２３）となる。
【００４７】
【数１５】
0005408793.tif 000016
【００４８】
ここで、νｆ（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Ａｐ［ｍ２］とＡｃ［ｍ２］は、式（２４）となる。
【００４９】
【数１６】
0005408793.tif 000017
【００５０】
ここで、Ｔｆ［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Ｓｗ［ｍ］とＳｖ［ｍ］は、式（２５）と式（２６）で表現される。
【００５１】
【数１７】
0005408793.tif 000018
【００５２】
【数１８】
0005408793.tif 000019
【００５３】
ｔ０［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。
【００５４】
【数１９】
0005408793.tif 000020
【００５５】
ここで，Ｓｗ［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、ｔ１［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。
【００５６】
【数２０】
0005408793.tif 000021
【００５７】
注湯流速推定部Ｅｆにおいて、式（２９）を用いて推定流速バーνｆ（ｔ）［ｍ／ｓ］を求める。
【００５８】
【数２１】
0005408793.tif 000022
【００５９】
断面積Ａｐ［ｍ２］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。
【００６０】
【数２２】
0005408793.tif 000023
【００６１】
【数２３】
0005408793.tif 000024
【００６２】
式（３０）において，Ｌｆは図４に示す出湯口先端上にある液体の深さｈｂ［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。
【００６３】
【数２４】
0005408793.tif 000025
【００６４】
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Ｅｏにおいて、推定落下位置バーＳｖ（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。
【００６５】
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。
【００６６】
以上では図１〜図８を用いて、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するという方法を用いて取鍋から流出する金属溶湯を正確に鋳型内湯口に注ぐ先行例について説明した。次に、図９〜図１１を用いて、さらに正確に、金属溶湯を鋳型内湯口へ落下させることを実現する本発明を適用した傾動式自動注湯装置及び方法について説明する。尚、図５及び図１０に示すように先行例と本発明を適用した傾動式自動注湯装置及び方法には、重複部分があり、この重複部分については以下では必要な場合を除いて詳細な説明は省略するものとする。
尚、この本発明を適用した装置及び方法は、先行例のようなフィードフォワード制御による方法では解決できない「推定された落下位置に誤差が生じた場合に、精度良く落下位置を制御することができず、また、出湯口のガイドの影響や縮流の影響が考慮されていないため、落下位置に誤差が生じる」といった問題を解決するものである。以下で説明する本発明を適用した装置及び方法は、先行例の問題に鑑みたものであり、ビデオカメラにより取鍋から流出する液体の落下位置を計測し、推定落下位置に誤差が生じた場合においても、補償するように取鍋が移動し、高精度に注湯することができる。また、落下位置を推定する際に、注湯口のガイドの影響や縮流の影響も考慮されているため、精度良く落下位置を推定でき、高精度に目標位置へ落下位置を合致させることができる傾動式自動注湯方法である。換言すると、以下で詳細に説明するが、図１０に示す本発明の方法においては、縮流の影響とガイド部の影響を考慮して流量等を決定しており、これにより落下位置の誤差自体を少なくすることを実現するとともに、誤差が発生した場合にもビデオカメラによる落下位置計測を用いたフィードバックにより、注湯位置を高精度に制御することを実現する。
〔２．本発明の傾動式自動注湯装置について〕
図９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１１には取鍋１２が設置され、該傾動式自動注湯装置１１の各所に設置されたサーボモータ１３，１３によって、取鍋１２は傾動、前後動、上下動を可能にする。ここで前後動は、図９中Ｙ軸方向に搬送されることによりなされ、上下動は、図９中Ｚ軸方向に搬送されることによりなされ、傾動は、図９中Θ軸を軸とした軸回り方向に回動されることによりなされる。Θ軸は、Ｙ軸及びＺ軸に略直交する。取鍋１２は傾動、前後動、上下動することにより、出湯口１４からの金属溶湯を鋳型湯口１５に落下させる。また、該サーボモータにはロータリーエンコーダが取り付けられており、取鍋１２の位置や傾斜角度を計測することができる。そして、自動注湯装置１１の側方には、撮像装置としてのビデオカメラ１６が設置され、取鍋１２の出湯口１４に設けられたガイド部から流出する液体の落下位置を計測することが可能である。さらに、サーボモータ１３，１３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）等のモーションコントローラをいう。
【００６７】
図９に示す傾動式自動注湯装置に対して、図１０に示す落下位置制御システムを構築する。図１０において、Ｐｍは、取鍋を傾動させるモータの動特性であり、次式で表現できる。
【００６８】
【数２５】
0005408793.tif 000026
【００６９】
ただし、ω［ｄｅｇ／ｓ］は傾動角速度、ｕ［Ｖ］は入力電圧、Ｔ［ｓ］は時定数、Ｋ［ｄｅｇ／ｓ／Ｖ］はゲイン定数である。θ［ｄｅｇ］は傾動角速度である。また、図１０において、Ｐｆは取鍋が傾動することで、取鍋から流出する液体の注湯プロセスであり、次式で表現される。
【００７０】
【数２６】
0005408793.tif 000027
【００７１】
ただし、Ｖｒ［ｍ３］は出湯口より上部の液体体積であり、ｑ［ｍ３／ｓ］は注湯流量、Ｖｓ［ｍ３／ｓ］は出湯口より下部の液体体積、ｈ［ｍ］は出湯口より上部の液体高さ、Ａ［ｍ２］は出湯口先端に対して水平面上での液体面積、ｈｂ［ｍ］は取鍋内液体表面からの水深、Ｌｆ［ｍ］は出湯口幅、ｇ［ｍ／ｓ２］は重力加速度、ｃは流量係数である。そして、図１０の液体流出プロセスＰ０は次式のように示される。
【００７２】
【数２７】
0005408793.tif 000028
【００７３】
ただし、ｖｆ０［ｍ／ｓ］は図１１に示すように、取鍋内液体が出湯口１４のガイド部１４ａへ侵入する際の流速であり、Ａｐ［ｍ２］は出湯口における液体断面積である。α０、α１は、取鍋から流出する液体が重力の影響により縮流となるその影響係数である。Ｌｇ［ｍ］は出湯口ガイド長さであり、ｖ［ｍ／ｓ］は出湯口ガイドを流れ出る際の流速、ｖｆ［ｍ／ｓ］は出湯口ガイドを流れ出る際の流速の水平成分、Ｔｆ［ｓ］は出湯口から出た液体の落下時間であり、Ｓｗ［ｍ］は、出湯口からの垂直距離、Ｓｖ［ｍ］は出湯口からの水平距離を示す。鋳型内湯口上面から出湯口までの垂直距離をＳｗ［ｍ］とすることで、出湯口からの水平方向落下位置Ｓｖ［ｍ］を求めることができる。
【００７４】
図１０における逆流量モデルは、（３３）式〜（３７）式を用いて求めることができる。（３７）式より、目標注湯流量ｑｒｅｆ［ｍ３／ｓ］を実現する出湯口上部の高さｈｒｅｆ［ｍ］は次式より求めることができる。
ｈｒｅｆ（ｔ）＝ｆ−１（ｑｒｅｆ（ｔ））  ・・・（４３）
【００７５】
そして、出湯口上部液体高さｈｒｅｆ［ｍ］を実現する出湯口上部液体体積Ｖｒｒｅｆ［ｍ３］は、（３６）式より次式のように求めることができる。
Ｖｒｒｅｆ（ｔ）＝Ａ（（θ（ｔ））ｈｒｅｆ（ｔ）  ・・・（４４）
【００７６】
（３５）式より、目標注湯流量を実現する取鍋傾動角速度ωｒｅｆ［ｄｅｇ／ｓ］は次式となる。
【００７７】
【数２８】
0005408793.tif 000029
【００７８】
モータの逆モデルは、（３３）式より次式のように求めることができる。
【００７９】
【数２９】
0005408793.tif 000030
【００８０】
（４３）〜（４６）式の順に求めることにより、目標注湯流量を実現するモータへの入力電圧ｕ［Ｖ］を得ることができる。
【００８１】
（４３）〜（４６）式の逆流量モデルにより、目標注湯流量が実現されることから、目標流量を用いて、取鍋から流出する液体の落下位置を推定する。図１０の出湯口から流出した液体の水平成分流速ｖｆ［ｍ／ｓ］を推定するブロックＥｆには、（３８）〜（４０）式が導入されており、目標注湯流量をブロックＥｆへ与えることにより、出湯口から流出した液体の水平成分流速ｖｆ［ｍ／ｓ］を推定することができる。また、出湯口からの水平方向落下位置を推定するブロックＥｏには、（４１）式（４２）式が導入されている。ブロックＥｏに推定された水平成分流速ｖｆ［ｍ／ｓ］を与えることで、落下位置の推定が可能となる。そして、推定された落下位置に応じて、取鍋を移動させることで、落下位置制御が可能となる。
【００８２】
ここで、図１０の相対落下位置とは、出湯口先端を基準とした水平方向落下位置を意味しており、取鍋を水平方向へ搬送すると、それに伴って出湯口先端基準とした座標も移動する。そして、絶対落下位置とは、カメラから計測された固定座標による水平方向落下位置を示す。カメラ座標内に目標位置を与え、目標位置と落下位置の位置偏差を求める。ここで、目標位置は、湯口中心などの操作者が与えるパラメータである。そして、位置偏差分を補正するように、フィードバック制御を行い、取鍋を移動させる。これにより、図１０のブロックＥｆおよびＥｏの落下位置推定に誤差が生じた場合においてもカメラによる落下位置フィードバック制御により補償される。
【００８３】
以上のように、本発明を適用した傾動式自動注湯装置及び方法は、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、取鍋の出湯口に設けられたガイド部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ものであり、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、かつ出湯口のガイド部の影響および縮流の影響を考慮して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。すなわち、（３８）式や（３９）式に記載のように、縮流の影響やガイドの影響を考慮することで、先行例より更に正確にフィードフォワード制御を行うことを実現できる。例えば縮流により出湯口断面が減少し平均流速が増加することとなるが、この縮流の影響を考慮しない場合には、この流速の増加分だけ推定落下位置に誤差が発生してしまうこととなるが、本発明ではこの誤差を小さく抑えることができる。ここで、このフィードフォワード制御に加えて、フィードバック制御により位置誤差を補償して更に落下位置を正確に制御してもよく、すなわち、前記取鍋の側方に設置される撮像装置により前記取鍋から流出する金属溶湯の落下位置を計測し、該計測された落下位置と、前記推定された落下位置とに誤差が生じた場合に、この誤差を抑制して、目標位置に正確に金属溶湯を落下させることにも特徴を有する。また、本発明は、以上のような制御をコンピュータによって実行可能とする注湯制御プログラムや、このプログラムをコンピュータによって読み取り可能に記憶した記憶媒体にも適用される。
このような構成を有する本発明は、湯口のガイド部の影響および／または縮流の影響を考慮することにより、より正確なフィードフォワード制御を可能とし、これに基づき取鍋を前後動させ、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、注湯中に鋳型内湯口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。
【００８４】
また、本発明を適用した傾動式自動注湯装置には取鍋が設置され、該傾動式自動注湯装置の各所に設置されたサーボモータによって、取鍋は傾動、前後動、上下動を可能にする。また、該サーボモータにはロータリーエンコーダが取り付けられており、取鍋の位置や傾斜角度を計測することができる。そして、自動注湯装置の側方にビデオカメラが設置され、取鍋から流出する液体の落下位置を計測することが可能であることにも特徴を有している。この自動注湯装置に対して、取鍋から流出液体の落下位置を推定し、推定した落下位置が目標位置と合致するように、取鍋搬送指令信号を与えるモーションコントローラを備える。また、落下位置の推定値に誤差が生じた場合においてもカメラ画像から目標位置と落下位置との位置偏差を求め、その位置偏差を抑制（目標位置の誤差を抑制）するように、取鍋搬送指令信号が与えられることにも特徴を有する。
この傾動式自動注湯装置及び方法によれば、従来の落下位置制御に対して、高精度に落下位置が推定でき、かつ推定落下位置に誤差が生じた場合においても、カメラ画像から目標位置との位置誤差を計算し、位置誤差を抑制するように取鍋搬送制御がなされ、高精度に目標位置へ落下位置を合致させることができる。
【００８５】
次に、本発明の落下位置制御システムの有用性を示すために、シミュレーション及び実験の結果を図１２に示す。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、図１〜図８を用いて説明した先行例のシミュレーション及び実験結果であり、それぞれ単位幅流量ｑｗ＝２．５×１０−３［ｍ２／ｓ］，３．５×１０−３［ｍ２／ｓ］の場合である。図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）は、図９〜図１１を用いて説明した本発明の場合（縮流及びガイドの影響を考慮した場合）のシミュレーション及び実験結果であり、それぞれ単位幅流量ｑｗ＝２．５×１０−３［ｍ２／ｓ］，３．５×１０−３［ｍ２／ｓ］の場合である。これらの結果より、出湯口のガイド部の影響および縮流の影響を考慮した本発明では、正確な落下位置推定を行うことができることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、鋳造産業の多くの注湯工程で用いられる傾動式自動注湯方法の高速・高精度化を実現するものであり、既存の傾動式自動注湯設備に導入することで高速・高精度化を実現する。また、本発明は、多様な取鍋形状に適用できる利点を有している。したがって、鋳造産業における利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００８７】
１１  傾動式自動注湯装置
１２  取鍋
１３  サーボモータ
１４  出湯口
１５  鋳型湯口
１６  ビデオカメラ
【図１】
0005408793.tif 000031
【図２】
0005408793.tif 000032
【図３】
0005408793.tif 000033
【図４】
0005408793.tif 000034
【図５】
0005408793.tif 000035
【図６】
0005408793.tif 000036
【図７】
0005408793.tif 000037
【図８】
0005408793.tif 000038
【図９】
0005408793.tif 000039
【図１０】
0005408793.tif 000040
【図１１】
0005408793.tif 000041
【図１２】
0005408793.tif 000042