(57)【要約】  予めプログラムを設定されたコンピュータにより、熟練作業者による注湯作業に可及的に近づけることが可能な、取鍋の傾動による自動注湯の制御方法を提供する。  注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべくサーボモータを制御する方法であって、サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、作成した数理モデルの逆問題を解いてサーボモータへの入力電圧を獲得し、獲得した入力電圧に基づきサーボモータを制御することを特徴とする。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、
前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆問題を解いて前記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サーボモータを制御することを特徴とする自動注湯制御方法。
【請求項２】
請求項1に記載の自動注湯制御方法において、前記数理モデルから導出された前記取鍋による溶湯流量を前記取鍋から流出の溶湯重量に変換し、ロードセルの動特性補正を加えたデータを、前記取鍋から流出の溶湯重量を計測するロードセルによる計測データに合致させ、これにより、数理モデルにおける溶湯の流量係数を求めることを特徴とする自動注湯制御方法。
【請求項３】
請求項1または２に記載の自動注湯制御方法において、前記取鍋は、矩形出湯口を持つ円筒形状のもの、または扇形のものであることを特徴とする自動注湯制御方法。
【請求項４】
注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを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、前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆問題を解いて前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動注湯制御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に係り、より詳しくは、注湯プロセスを遂行するために予めプログラムを設定されたコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に溶湯を注入するに当たり、所望の注湯流量パターンによって溶湯を鋳型に注入すべく前記サーボモータを制御する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に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造工場における注湯のように極めて危険でかつ最悪の作業から労働者を解放すべく、注湯プロセスの機械化・自動化が、近年行われるようになってきている。そして、従来、このための装置としては、取鍋と、取鍋を駆動する駆動手段と、取鍋の重量を検出する検出手段と、予め取鍋が傾動されたときの取鍋内の重量の変動割合を記憶しておき、前記検出手段からの信号に対応して取鍋の傾動速度を補正し、前記駆動手段に補正後の傾動速度信号を送信する記憶演算装置とを具備したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６-７９１９号
【発明の開示】
【０００３】
しかし、このように構成された従来の自動注湯装置においては、駆動手段等に係る情報の記憶演算装置への入力が、現実的にはティーチング＆プレイバック方式により行われているため、不適切な取鍋傾動速度や注湯状況の変化に対応できず、この結果、鋳型に注入される溶湯が流量不足になったり、注湯時にほこり・のろなどの不純物が鋳型内に飲み込まれて、鋳物の品質低下を招くなどの問題があった。
【０００４】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、予めプログラムを設定されたコンピュータにより、熟練作業者による注湯作業に可及的に近づけることが可能な、取鍋の傾動による自動注湯の制御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。
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明における自動注湯制御方法は、注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆問題を解いて前記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サーボモータを制御することを特徴とする。
【０００６】
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出し、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。
【０００７】
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いる。
【０００８】
上記の説明から明らかなように本発明は、注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、前記サーボモータへの入力電圧から前記取鍋による注湯流量までの数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆問題を解いて前記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サーボモータを制御するから、プログラムを予め設定されたコンピュータにより、熟練作業者による注湯作業に可及的に近づけた状態で取鍋によって自動注湯を行うことが可能になるなどの優れた実用的効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した自動注湯装置の実施例について図１〜図１４に基づき詳細に説明する。図１に示すように、本自動注湯装置は、矩形出湯口を持つ円筒形状の取鍋１と、この取鍋１を傾動させるサーボモータ２と、サーボモータの出力軸の回転運動を直線運動に変換する２組のボールねじ機構３・４により、前記取鍋１および前記サーボモータ２を垂直方向および水平方向へそれぞれ移動させる移動手段５と、前記取鍋１内の溶湯の重量を検出するロードセル（図示せず）と、コンピュータを利用して前記サーボモータ２および前記２組のボールねじ機構３・４の動作を演算しかつ制御するコントロールシステム６と、で構成してある。【００１０】
そして、前記取鍋１は、これの重心位置に前記サーボモータ２の出力軸を連結させてその重心位置で傾動可能に支持してあって、重心位置を中心にして鋳型の湯口に対して傾動・反傾動するようになっている。【００１１】
なお、重心位置を中心にして傾動するようにすることにより、前記サーボモータ２にかかる負荷が大きくなることを防ぐことができる。【００１２】
また、前記移動手段５は、鋳型の湯口に正確に注湯すべく前記取鍋１を傾動に連動させて前後移動および昇降させ、その出湯口先端を仮想回転軸として固定出湯点を得ることができるよう作動する。【００１３】
このように構成したものは、サーボモータ2への入力電圧による取鍋1の傾動と、取鍋1の傾動によって取鍋1から流出する溶湯の流量に関する数理モデルを作成し、この作成した数理モデルの逆問題を解くことにより前記サーボモータ２への入力電圧を獲得し、この獲得した入力電圧に基づきコントロールシステム６を介して取鍋1の傾動を制御する。【００１４】
すなわち、取鍋1の注湯時の縦断面図である図２において、取鍋1の傾動角度をθ［deg］、取鍋1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）［ｍ2］、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1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。【００１５】
Ｖｒ（ｔ）＋Ｖs（θ（ｔ））
＝Ｖｒ（ｔ＋Δｔ）＋Ｖs（θ（ｔ＋Δｔ））＋ｑ（ｔ）Δｔ  （1）
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。
【数１】
2007119697.tif 000003
【００１６】
また、取鍋1の傾動角速度ω［deg/ｓ］を下記の式（３）とする。【００１７】
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。
【数２】
2007119697.tif 000004
【００１８】
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。
【数３】
2007119697.tif 000005
【００１９】
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。【００２０】
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。
【数４】
2007119697.tif 000006
【００２１】
また、取鍋1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。
【数５】
2007119697.tif 000007
【００２２】
したがって、式（６）は下記の式（８）と示すことができる。【００２３】
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。【００２４】
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［ｍ3/ｓ］までを下記の式（10）で示す。
【数６】
2007119697.tif 000008
【００２５】
ここで、ｈｂ［ｍ］は図４に示すように取鍋1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。【００２６】
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。
【数７】
2007119697.tif 000009
【数８】
2007119697.tif 000010
【００２７】
また、取鍋1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。
【数９】
2007119697.tif 000011
【００２８】
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1の注湯流量モデルは下記の式（１４）および式（１５）となる。
【数１０】
2007119697.tif 000012
【数１１】
2007119697.tif 000013
【００２９】
また、出湯口に対する水平面の面積Ａ（θ）［ｍ2］は取鍋1の傾動角度θ［deg］に対して変動する。したがって、式（１４）および式（１５）の注湯流量モデルは、システム行列、入力行列および出力行列が取鍋1の傾動角度に依存して変動する非線形パラメータ変動モデルとなる。【００３０】
次に、流量係数の同定および提案モデルの検証のために、溶湯として水を用いて本自動注湯装置により注湯実験を行った。【００３１】
図５は本自動注湯装置における注湯プロセスのブロック線図を示し、図５において、Ｐｍはモータを示し、モータモデルは下記の式（２１）の１次遅れ系で示される。【００３２】
ｄω（ｔ）/ｄｔ＝−ω（ｔ）/Ｔｍ＋Ｋｍｕ（ｔ）/Ｔｍ      （２１）
ここで、Ｔｍ［ｓ］は時定数、Ｋｍ［deg/ｓＶ］はゲイン定数をそれぞれ示す。本自動注湯装置ではＴｍ＝0.006［ｓ］、Ｋｍ＝24.58［deg/ｓＶ］である。【００３３】
また、図５において、Ｐｆは、本自動注湯装置のような、式（１４）および式（１５）に示した矩形出湯口を持つ取鍋の液体流量モデルを示す。そして、液体流量モデルにより得られる液体流量を積分することにより液体流出量となり、液体流出量をＫ倍することで、流出した液体の重量となる。【００３４】
なお、本実験では対象液体を水としているため、Ｋ＝1.0×103［Ｋｇ/ｍ3］である。【００３５】
また、ロードセルの動特性を考慮してロードセルＰＬを下記の式（２２）で示す。【００３６】
ｄｗL/ｄｔ＝−ｗL（ｔ）/ＴL＋ｗ（ｔ）/ＴL      （２２）
ここで、ｗ［Ｋｇ］は取鍋1から流出した液体の流出重量、ｗL［Ｋｇ］はロードセルで計測される計測重量、ＴL［ｓ］はロードセルの応答遅れを示す時定数である。本自動注湯装置ではステップ応答法により時定数を同定した結果、ＴL＝0.10［ｓ］となった。【００３７】
式（１４）および式（１５）に示す注湯流量モデルにおいて、図６は取鍋1の各傾動角度θ［deg］に対する出湯口面積水平Ａ（θ）［ｍ２］と出湯口下部の溶湯(液体)体積Ｖｓ（θ）［ｍ3］を示す。図６において、（ａ）は取鍋1の傾動角度θ［deg］に対する出湯口面積水平Ａ（θ）［ｍ２］、（b）は取鍋1の傾動角度θ［deg］に対する出湯口下部の溶湯(液体)体積Ｖｓ（θ）［ｍ3］を示す。【００３８】
流量係数cを同定するために取鍋1の傾動角速度ω［deg/ｓ］を一定として注湯を行う。この同定実験から得られるロードセルによる、取鍋1からの流出重量と式（１４）および式（１５）を用いたシミュレーション結果をフィッティングさせる。その結果、流量係数はｃ＝0.70となった。【００３９】
同定実験の結果を図7に示す。また、モデル検証を目的として異なる初期傾動角度で注湯実験を行った結果を図8に示す。【００４０】
図7に示す同定実験を行ったときの注湯実験開始時の初期傾動角度は39.0［deg］であり、図8に示すモデル検証実験を行ったときの初期傾動角度は44.0［deg］である。【００４１】
なお、図7および図8において、（ａ）はシミュレーションによる取鍋1の傾動角速度ω［deg/ｓ］、（ｂ）はシミュレーションによる取鍋1の傾動角度θ［deg］、（c）はシミュレーションによる取鍋1からの液体流量ｑ［ｍ3/ｓ］、（d）はシミュレーションおよび実験によって得られた取鍋1からの液体流出重量ｗＬ［Ｋｇ］である。【００４２】
また、図7（d）および図8（d）において、実線は注湯実験による液体の流出重量、破線はシミュレーションによる液体の流出重量である。また、両方の実験とも取鍋1の傾動角速度はω=0.17［deg/ｓ］である。【００４３】
この実験から本発明による注湯流量モデルは精度良く注湯流量を表現できていることが確認できる。【００４４】
次に、上述のようにして求めた注湯流量モデルを用いて、逆モデルによる注湯流量フィードフォワード制御を構築する。【００４５】
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。【００４６】
図９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２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２の逆モデルＰｍ-1は下記の式（２３）により示される。
【数１２】
2007119697.tif 000014
【００４７】
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1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（２４）に示す。【００４８】
ｑ＝ｆ（ｈ）  （２４）
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（２４）の逆関数は下記の式（２５）となる。【００４９】
ｈ＝ｆ−１（ｑ）  （２５）
この式（２５）は式（２４）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。【００５０】
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。【００５１】
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（２５）より下記の式（２６）となる。【００５２】
ｈｒｅｆ（ｔ）＝ｆ−１（ｑｒｅｆ（ｔ））      （２６）
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（２７）で示す。【００５３】
Ｖｒｅｆ（ｔ）＝Ａ（（θ（ｔ））ｈｒｅｆ（ｔ）      （２７）
次に、式（２７）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（２８）に示す所望の注湯流量パターンを実現する取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］を導出する。
【数１３】
2007119697.tif 000015
【００５４】
まず、式（２４）から式（２８）を順に解き、得られた取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］を式（２３）に代入することにより、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ3/ｓ］を実現すべくサーボモータ２へ印加する制御入力ｕ［Ｖ］を得ることができる。【００５５】
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（２９）で示すことができる。
【数１４】
2007119697.tif 000016
【００５６】
式（２９）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（２８）に代入すると、所望の注湯流量パターンを実現する取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］が得られる。そして、得られた取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］を、式（２３）のサーボモータ２の逆モデルに代入すると、サーボモータ２へ印加する制御入力ｕ［Ｖ］を得ることができる。【００５７】
図１０は、本自動注湯装置に図９の制御系を適用した場合のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、初期傾動角度をθ＝３９．０［deg］としている。【００５８】
図１０において、（ａ）は所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ3/ｓ］、（ｂ）は式（２８）と式（２９）を用いて得られる所望の注湯流量パターンを実現する取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］、（ｃ）は取鍋1の傾動角度θ［deg］をそれぞれ示す。（ｄ）は取鍋1の傾動角速度ωｒｅｆ［deg/ｓ］をサーボモータ２逆モデルの式（２３）に代入して得られるサーボモータ２への制御入力ｕ［Ｖ］を示す。【００５９】
なお、図１０（ａ）に示す所望の注湯流量パターンは、サーボモータモデルを含む注湯流量逆モデルを通して制御入力ｕ［Ｖ］を導出することに用いられることから、２回微分可能でなければならない。【００６０】
またなお、短時間で鋳込むために、鋳型内湯口の湯面レベルを素早く高い位置で保持する必要がある。したがって、注湯初期の流量を大きくし、湯口の湯面レベルが高位置に達すると流量を小さくし、湯口から溶湯が零れ落ちないようにする。これらの要求を満たすために下記の式（３１）を用いて所望の注湯流量パターンを得る。
【数１５】
2007119697.tif 000017
【００６１】
ここで、Ｔｒ［ｓ］は注湯の流量の立ち上がり時間、Ｑｒ［ｍ3/ｓ］は時刻Ｔｒ［ｓ］における注湯の流量（最大流量）をそれぞれ示す。Ｔｓｔ［ｓ］は、注湯の流量の立ち上がり後、一定流量となるまでの時間を示し、その一定流量をＱｓｔ［ｍ3/ｓ］で示す。【００６２】
また、図１０（ｄ）の制御入力ｕ［Ｖ］をサーボモータ２へ印加すると、所望の注湯流量パターンｑｒｅｆ［ｍ3/ｓ］を得ることができる。【００６３】
上述の注湯流量制御システムを本自動注湯装置に適用して注湯実験を行う。注湯の評価は、取鍋1から流出する溶湯の重量ｗＬ［Ｋｇ］をロードセルで計測して行われる。したがって、取鍋1から流出する溶湯重量をロードセルの計測結果に基づき所望の注湯流量パターンに変換する必要がある。【００６４】
図１１は、図１０（ａ）に示す所望の注湯流量パターンを、図５に示す溶湯の流出体積から重量への変換およびロードセルモデルを通した結果を示す。【００６５】
所望の注湯流量パターンを図１１に示すものとして、本発明の注湯流量制御系を本自動注湯装置に適用した実験結果を図１２および図１３に示す。【００６６】
なお、図１２は注湯開始時の取鍋１の初期傾動角度がθ＝３９．０［deg］であり、また、図１３は注湯開始時の取鍋１の初期傾動角度がθ＝４４．０［deg］である。【００６７】
図１２および図１３において、（ａ）はサーボモータ２への制御入力ｕ［Ｖ］、（ｂ）は取鍋１の傾動角速度ω［deg/ｓ］、（c）は取鍋１の傾動角度θ［deg］、（d）はロードセルで計測された取鍋１から流出の溶湯重量ｗＬ［Ｋｇ］である。【００６８】
また、実線は本発明を用いた制御システムによって得られた実験結果である。【００６９】
図１２（d）および図１３（d）において、破線は所望の注湯流量パターンをロードセルを通して変換した、取鍋１から流出の溶湯重量である。【００７０】
上述の実施例では、取鍋は矩形出湯口を持つ円筒形状の取鍋１であるが、図１４に示すように、矩形出湯口を持つ扇形取鍋でも同様の作用効果が得られる。【００７１】
すなわち、図１４において、出湯口の幅をＬｆ［ｍ］、取鍋本体の幅をＬb［ｍ］、出湯口の長さをＲｆ［ｍ］、取鍋の全長をＲbとする。また、取鍋傾動角度θ［deg］に対して出湯口水平面の面積Ａ［ｍ２］は一定であり、したがって、面積Ａは下記の式（１６）のようになる。【００７２】
Ａ＝ＲbＬb−２ＲｆＬｆ    （１６）
また、出湯口より下部の溶湯体積Ｖs［ｍ3］は取鍋傾動角θ［deg］に対して比例関係にあり、下記の式（１７）で表すことができる。
【数１６】
2007119697.tif 000018
【００７３】
したがって、出湯口より下部の溶湯体積Ｖs［ｍ3］に対する取鍋傾動角θ［deg］の偏微分ＤＶsは下記の式（１８）となる。
【数１７】
2007119697.tif 000019
【００７４】
したがって、偏微分ＤＶsは取鍋傾動角θ［deg］に依存せず、定数であることが分かる。【００７５】
また、式（１２）に示す注湯流量モデルの基礎式において、出湯口の幅をＬｆ［ｍ］は取鍋内溶湯上面からの深さｈｂ［ｍ］に対して一定であるから、式（１２）は式（１３）となる。式（１６）、式（１８）および式（１３）を注湯流量モデルの基礎式（１１）および（１２）に代入すると、扇形取鍋に対する注湯流量モデルの基礎式は、下記の式（１９）および式（２０）となる。
【数１８】
2007119697.tif 000020
【数１９】
2007119697.tif 000021
【００７６】
したがって、システム行列、入力行列および出力行列が定数の非線形定数モデルとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明を適用した自動注湯装置の一実施例を示す模式図である。
【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】取鍋の注湯口先端の斜視図である。
【図５】自動注湯における注湯プロセスのブロック線図である。
【図６】取鍋1の各傾動角度θ［deg］に対する出湯口面積水平Ａ（θ）［ｍ２］と出湯口下部の溶湯(液体)体積Ｖｓ（θ）［ｍ3］を示すグラフである。
【図７】同定実験の結果を示すグラフである。
【図８】モデル検証を目的として異なる初期速度で注湯実験を行った結果を示すグラフである。
【図９】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１０】本発明を適用した自動注湯装置に図９の制御系を適用した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１１】図１０（ａ）に示す所望の注湯流量パターンを、図５に示す溶湯の流出体積から重量への変換およびロードセルモデルを通した結果を示すグラフである。
【図１２】所望の注湯流量パターンを図１１に示すものとして本発明の注湯流量制御系を本発明を適用した自動注湯装置に適用した実験結果を示すグラフである。
【図１３】所望の注湯流量パターンを図１１に示すものとして本発明の注湯流量制御系を本発明を適用した自動注湯装置に適用した実験結果を示すグラフである。
【図１４】図１の自動注湯装置における他の実施例の取鍋の斜視図である。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月11日(2009.5.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明における自動注湯制御方法は、注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、前記取鍋の傾動と取鍋からの溶湯流出によって増減する出湯口より上部の溶湯体積の溶湯の収支式とベルヌーイの定理により構築された注湯流量モデルの逆モデルを解くことで前記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サーボモータを制御することを特徴とする。前記注湯流量モデルは、
2007119697.tif 000036
で表示されるものであることを特徴とする。
但し、ω：取鍋傾動角速度，θ：取鍋傾動角度，Vs：出湯口より下部溶湯体積，A：取鍋内溶湯表面面積，Vr：出湯口より上部溶湯体積，g：重力加速度，hb：溶湯表面からの深さ，Lf：溶湯表面からの深さにおける出湯口幅，c：流量係数，q：注湯流量である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記の説明から明らかなように本発明は、注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、前記取鍋の傾動と取鍋からの溶湯流出によって増減する出湯口より上部の溶湯体積の溶湯の収支式とベルヌーイの定理により構築された注湯流量モデルの逆モデルを解くことで前記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サーボモータを制御することを特徴とする。前記注湯流量モデルは、
2007119697.tif 000037
で表示されるものであり、ω：取鍋傾動角速度，θ：取鍋傾動角度，Vs：出湯口より下部溶湯体積，A：取鍋内溶湯表面面積，Vr：出湯口より上部溶湯体積，g：重力加速度，hb：溶湯表面からの深さ，Lf：溶湯表面からの深さにおける出湯口幅，c：流量係数，q：注湯流量であるから、プログラムを予め設定されたコンピュータにより、熟練作業者による注湯作業に可及的に近づけた状態で取鍋によって自動注湯を行うことが可能になるなどの優れた実用的効果を奏する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを制御する方法であって、
前記取鍋の傾動と取鍋からの溶湯流出によって増減する出湯口より上部の溶湯体積の溶湯の収支式とベルヌーイの定理により構築された注湯流量モデルの逆モデルを解くことで前記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サーボモータを制御することを特徴とする自動注湯制御方法。
【請求項２】
前記注湯流量モデルは、
2007119697.tif 000038
で表示されるものであることを特徴とする請求項１に記載の自動注湯制御方法であり、
但し、ω：取鍋傾動角速度，θ：取鍋傾動角度，Vs：出湯口より下部溶湯体積，A：取鍋内溶湯表面面積，Vr：出湯口より上部溶湯体積，g：重力加速度，hb：溶湯表面からの深さ，Lf：溶湯表面からの深さにおける出湯口幅，c：流量係数，q：注湯流量である。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自動注湯制御方法において、
前記取鍋は、矩形出湯口を持つ円筒形状のもの、または扇形のものであることを特徴とする自動注湯制御方法。
【請求項４】
注湯プロセスを遂行するプログラムを予め設定したコンピュータによって制御されるサーボモータにより取鍋を傾動させて鋳型に注湯するに当たり、前記取鍋による所望の注湯流量パターンによって鋳型に注湯すべく前記サーボモータを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、
前記取鍋の傾動と取鍋からの溶湯流出によって増減する出湯口より上部の溶湯体積の溶湯の収支式とベルヌーイの定理により構築された注湯流量モデルの逆モデルを解くことで前記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】
前記注湯流量モデルは、
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で表示されるものであることを特徴とする請求項４に記載の取鍋用傾動制御プログラムを記憶した記憶媒体であり
但し、ω：取鍋傾動角速度，θ：取鍋傾動角度，Vs：出湯口より下部溶湯体積，A：取鍋内溶湯表面面積，Vr：出湯口より上部溶湯体積，g：重力加速度，hb：溶湯表面からの深さ，Lf：溶湯表面からの深さにおける出湯口幅，c：流量係数，q：注湯流量である。
【国際調査報告】
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