特許 5896460 注湯制御方法及びコンピュータを注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5896460

(24)【登録日】2016年3月11日

(45)【発行日】2016年3月30日

(54)【発明の名称】注湯制御方法及びコンピュータを注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体

(51)【国際特許分類】

   B22D 41/06 20060101AFI20160317BHJP

   B22D 39/04 20060101ALI20160317BHJP

   B22D 46/00 20060101ALI20160317BHJP

【ＦＩ】

   B22D41/06

   B22D39/04

   B22D46/00

【請求項の数】4

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-54827(P2012-54827)

(22)【出願日】2012年3月12日

(65)【公開番号】特開2013-188760(P2013-188760A)

(43)【公開日】2013年9月26日

【審査請求日】2015年2月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000191009

【氏名又は名称】新東工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100143410

【弁理士】

【氏名又は名称】牧野 琢磨

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 薪雄

(72)【発明者】

【氏名】寺嶋 一彦

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 敦

(72)【発明者】

【氏名】野田 善之

【審査官】 池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２２４６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７２８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９０１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４４９６２８０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 野田善之、寺嶋一彦，高速・高精度自動注湯ロボットにおける制御システム，精密工学会誌，日本，精密工学会，２０１０年１０月 ５日，vol76,No.4，p390-394

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｄ ３３／００−４７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法であって、
目標注湯流量を設定し、
取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する工程と、
溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定工程と、
溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを注湯中に減じるように取鍋の搬送軌道を生成する取鍋搬送軌道生成工程と、を備え、
前記取鍋搬送軌道生成工程は、あらかじめ設定された前記取鍋と前記物体との衝突モード１−３と、その衝突モードに対応して算出される取鍋の動作切替条件と、に基づいて、各衝突モードに対応した搬送軌道を生成し、
注湯中に取鍋が前記物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを減じるように取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯することを特徴とする注湯制御方法。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【請求項2】

取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法であって、
目標注湯流量を設定し、
取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する工程と、
溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定工程と、
溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、注湯中には出湯口の高さを変化させず、出湯口を仮想の回動軸として取鍋が傾動するように搬送する取鍋の搬送軌道であって、あらかじめ設定された取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との衝突モード１−３に基づいて、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが、取鍋が前記物体と衝突しないような最小の高さとなる搬送軌道を生成する搬送軌道を生成する第２の取鍋搬送軌道生成工程と、を備え、
注湯中に取鍋が前記物体と衝突せずに、取鍋の出湯口を仮想の回動軸とするように取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯することを特徴とする注湯制御方法。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【請求項3】

コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、
目標注湯流量を設定し、
取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、
溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定処理と、
溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを注湯中に減じるように取鍋の搬送軌道を生成する取鍋搬送軌道生成処理と、
を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記取鍋搬送軌道生成処理は、あらかじめ設定された前記取鍋と前記物体との衝突モード１−３と、その衝突モードに対応して算出される取鍋の動作切替条件と、に基づいて、各衝突モードに対応した搬送軌道を生成することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【請求項4】

コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、
目標注湯流量を設定し、
取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、
溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、注湯中には出湯口の高さを変化させず、出湯口を仮想の回動軸として取鍋が傾動するように搬送する取鍋の搬送軌道であって、あらかじめ設定された取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との衝突モード１−３に基づいて、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが、取鍋が前記物体と衝突しないような最小の高さとなる搬送軌道を生成する搬送軌道を生成する第２の取鍋搬送軌道生成処理と、
を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶湯を保持した取鍋を傾動させることにより鋳型へ注湯する取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法及びコンピュータを注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法として、フィードフォワード制御で取鍋から流出する溶湯の落下位置を制御する方法（特許文献１）、フィードフォワード制御による取鍋から流出する溶湯の落下位置制御で生じる誤差を補正するフィードバック制御を備えた落下位置制御を行う方法（特許文献２）、取鍋からの流出溶湯が鋳型内湯口へ正確に注入されるように，鋳型を移動させる鋳型搬送制御方法（特許文献３）、などが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−２７２８０２号公報

【特許文献2】特開２０１１−２２４６３１号公報

【特許文献3】特開２０１２−１６７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術は、フィードフォワード制御により取鍋から流出した溶湯の落下位置を制御するものであり、特許文献２に記載の技術は、特許文献１に示す落下位置制御で取鍋から流出する溶湯の落下位置が目標位置からずれた際に補正するように取鍋を前後動させる落下位置制御である。しかし、特許文献１及び２に記載の技術では、取鍋出湯口と鋳型内湯口を上下方向で接近させないために、高位置での注湯動作になることがあり、取鍋から流出した溶湯の自由落下時間の長期化による溶湯の温度低下や取鍋から流出した溶湯の鋳型内湯口接触時の流速が早くなるため、接触後に飛散する恐れがあった。取鍋出湯口と鋳型内湯口を接近させるためには取鍋を上下動させることが必要であるが、上下動の際に鋳型や注湯装置の台座などへ衝突する恐れがあった。
また、特許文献３に記載の技術は、鋳型を移動させる装置であり、新たな設備が必要になることや鋳型以外の周辺台座への衝突を回避することを補償していないという問題があった。

【0005】

そこで、本発明は、取鍋を鋳型や周辺の台座など取鍋の可動範囲に存在する物体に衝突させずに、取鍋出湯口と鋳型内湯口を接近させ、取鍋から流出する溶湯を鋳型内湯口へ精度良く注湯することができる傾動式自動注湯装置における注湯制御方法及び記憶媒体を提供することを目的とする．

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明では、上記目的を実現するために、請求項１に記載の発明では、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する工程と、溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定工程と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを注湯中に減じるように取鍋の搬送軌道を生成する取鍋搬送軌道生成工程と、を備え、前記取鍋搬送軌道生成工程は、あらかじめ設定された前記取鍋と前記物体との衝突モード１−３と、その衝突モードに対応して算出される取鍋の動作切替条件と、に基づいて、各衝突モードに対応した搬送軌道を生成し、注湯中に取鍋が前記物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを減じるように取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯する、という技術的手段を用いる。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【0007】

請求項１に記載の発明によれば、溶湯落下位置を制御することにより、取鍋から流出する溶湯を正確に鋳型内湯口へ注ぐことができるとともに、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突しないように取鍋の搬送軌道を生成し、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを減じるように取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯することができる。これにより、注湯中に取鍋出湯口と鋳型内湯口を接近させない従来の注湯制御方法に比べ、取鍋から流出した溶湯の自由落下時間を短縮し、溶湯の温度低下を抑制することや溶湯が鋳型へ接触する際の流速を抑えて衝突後の飛散を抑えることができる。
取鍋搬送軌道生成工程においては、取鍋の形状や取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との位置関係などを考慮し、あらかじめ設定された取鍋と当該物体との衝突モードと、その衝突モードに対応して算出される取鍋の動作切替条件と、に基づいて、衝突モードに対応した搬送軌道を生成することができる。

【0010】

請求項２に記載の発明では、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御方法であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する工程と、溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定工程と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、注湯中には出湯口の高さを変化させず、出湯口を仮想の回動軸として取鍋が傾動するように搬送する取鍋の搬送軌道であって、あらかじめ設定された取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との衝突モード１−３に基づいて、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが、取鍋が前記物体と衝突しないような最小の高さとなる搬送軌道を生成する搬送軌道を生成する第２の取鍋搬送軌道生成工程と、を備え、注湯中に取鍋が前記物体と衝突せずに、取鍋の出湯口を仮想の回動軸とするように取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯する、という技術的手段を用いる。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【0011】

請求項２に記載の発明によれば、溶湯落下位置を制御することにより、取鍋から流出する溶湯を正確に鋳型内湯口へ注ぐことができるとともに、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが最少となるように取鍋の搬送軌道を生成し、出湯口を仮想の回動軸として取鍋の動作を制御し、鋳型に注湯することができる。これにより、簡便な制御により、取鍋から流出した溶湯の自由落下時間を短縮し、溶湯の温度低下を抑制することや溶湯が鋳型へ接触する際の流速を抑えて衝突後の飛散を抑えることができる。また、注湯中に出湯口の高さが一定であるので、外乱の影響を受けにくいとともに、取鍋を搬送するための動力を小さくすることができる。
第２の取鍋搬送軌道生成工程においては、取鍋の形状や取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との位置関係などを考慮し、あらかじめ設定された取鍋と当該物体との衝突モードに基づいて、取鍋の出湯口の位置を設定することができる。

【0014】

請求項３に記載の発明では、コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定処理と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを注湯中に減じるように取鍋の搬送軌道を生成する取鍋搬送軌道生成処理と、を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記取鍋搬送軌道生成処理は、あらかじめ設定された前記取鍋と前記物体との衝突モード１−３と、その衝突モードに対応して算出される取鍋の動作切替条件と、に基づいて、各衝突モードに対応した搬送軌道を生成することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体、という技術的手段を用いる。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【0015】

請求項４に記載の発明では、コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の流量の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、注湯中には出湯口の高さを変化させず、出湯口を仮想の回動軸として取鍋が傾動するように搬送する取鍋の搬送軌道であって、あらかじめ設定された取鍋と取鍋の可動範囲に存在する物体との衝突モード１−３に基づいて、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが、取鍋が前記物体と衝突しないような最小の高さとなる搬送軌道を生成する搬送軌道を生成する第２の取鍋搬送軌道生成処理と、を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体、という技術的手段を用いる。
衝突モード１：取鍋の前方下端の端部が鋳型上面に最接近する場合
衝突モード２：取鍋の前方側面部が鋳型の端部に最接近する場合
衝突モード３：取鍋の前方下端の端部が取鍋傾動式自動注湯装置の台座の上面に最接近する場合

【0016】

請求項３、請求項４に記載の発明のように、本発明の注湯制御方法は、当該制御方法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、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。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】傾動式自動注湯装置の一例を示す説明図である。

【図2】注湯制御システムを示すブロック線図である。

【図3】取鍋の縦断面説明図である。

【図4】取鍋の出湯口先端を示す斜視説明図である。

【図5】溶湯が出湯口ガイド部へ侵入する際の状態を示す断面説明図である。

【図6】注湯プロセスを示す斜視説明図である。

【図7】取鍋が可動範囲内の物体と衝突する衝突モードについて示す説明図である。

【図8】取鍋位置軌跡の実験において与える目標流量を示す説明図である。

【図9】従来法の取鍋の搬送軌跡の実験結果を示す説明図である。

【図10】本発明の注湯制御方法による取鍋の搬送軌跡の実験結果を示す説明図である。

【図11】取鍋出湯口先端と底部の搬送軌跡の比較結果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の注湯制御方法について、図を参照して説明する。

【0019】

本発明の注湯制御方法を採用する傾動式自動注湯装置の一例を図１に示す。傾動式自動注湯装置１は、溶湯が保持される取鍋１０と、取鍋１０のθ軸を軸とした軸回り方向に回動する傾動、Ｙ軸方向への前後動、Ｚ軸方向への上下動を可能にするサーボモータ１１、１２、１３とを備えている。

【0020】

サーボモータ１１、１２、１３にはそれぞれロータリーエンコーダが設けられており、取鍋１０の位置や傾斜角度を計測することができるとともに、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構成されている。ここで、「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。

【0021】

傾動式自動注湯装置１は、上述の構成により、サーボモータ１１、１２、１３を制御して、取鍋１０を所定の軌道で搬送することにより、出湯口１０ａより溶湯を排出し、鋳型内湯口２０ａより鋳型２０内部に溶湯を注湯することができる。

【0022】

図１に示す傾動式自動注湯装置に対して、取鍋１０が、鋳型２０及び傾動式自動注湯装置１の台座１４などの取鍋１０の可動範囲に存在する物体に衝突せず、取鍋１０の出湯口１０ａが鋳型２０の鋳型内湯口２０ａへ接近し、鋳型内湯口２０ａへ高精度に注湯する取鍋位置図２に示す制御システムを構築する。サーボモータへの制御指令信号から取鍋１０から流出する溶湯の水平方向落下位置までの数理モデルを以下に示す。

【0023】

図２に示すＰ_ｆは、取鍋１０が傾動することで，取鍋１０から流出する溶湯の注湯プロセスである。

【0024】

図３には、取鍋１０の注湯時の縦断面図を示す。取鍋１０の傾動角度をθ［ｄｅｇ］、取鍋１０の出湯口１０ａより下部の溶湯体積をＶ_ｓ（θ）［ｍ^３］、出湯口１０ａに対する水平面の面積をＡ（θ）［ｍ^３］、出湯口１０ａより上部の溶湯体積をＶ_ｒ［ｍ^３］、上部溶湯の高さをｈ［ｍ］、取鍋１０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式（１）で表される。

【0025】

【数1】

【0026】

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

【0027】

【数2】

【0028】

取鍋１０の傾動角速度ω［ｄｅｇ／ｓ］は式（３）で表される。

【0029】

【数3】

【0030】

式（３）を式（２）に代入すると、式（４）が得られる。

【0031】

【数4】

【0032】

また、出湯口より上部の溶湯体積Ｖ_ｒ［ｍ^３］は式（５）で表される。

【0033】

【数5】

【0034】

ここで、面積Ａ_ｓ［ｍ^２］は、出湯口水平面からの高さｈ_ｓ［ｍ］における溶湯水平面積を示す。

【0035】

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ΔＡ_ｓ［ｍ^２］に分割すると、溶湯体積Ｖ_ｒ［ｍ^３］は式（６）で表される。

【0036】

【数6】

【0037】

一般的な取鍋（扇形や円筒形など）において、面積変化量ΔＡ_ｓ［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。

【0038】

【数7】

【0039】

したがって、式（６）は式（８）とすることができる。

【0040】

【数8】

【0041】

よって、式（８）より式（９）が得られる。

【0042】

【数9】

【0043】

式（９）より式（１０）が得られる。

【0044】

【数10】

【0045】

また、ベルヌーイの定理を用いて、出湯口１０ａ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（１１）で示す。

【0046】

【数11】

【0047】

ここで、ｈ_ｂ［ｍ］は図４に示すように取鍋内溶湯表面からの水深、Ｌ_ｆ［ｍ］は出湯口幅、ｇ［ｍ／ｓ^２］は重力加速度、ｃは流量係数である。

【0048】

以上より、注湯プロセスＰ_ｆは式（１０）及び（１１）により表される。

【0049】

図２に示すＰ_ｍは取鍋１０を傾動させるサーボモータの動特性であり、次式で表わされる。

【0050】

【数12】

【0051】

【数13】

【0052】

ここで、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。

【0053】

次に出湯後の溶湯の落下位置推定方法について述べる。

【0054】

図２に示す溶湯の液体流出プロセスモデルＰ_ｏにおいて、溶湯の水平方向の落下距離Ｓｖ[ｍ] は流出速度ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］と落下時間Ｔ_ｆ［ｓ］の積から求めることができ、ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］と溶湯到達位置からの高さＳ_ｗ[ｍ] の式として表わされる。流出速度ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］ は溶湯の流量をｑ［ｍ^３／ｓ］を出湯口１０ａにおける溶湯の断面積Ａ_ｐ［ｍ^２］で除したものを用い、縮流の影響を考慮し一次関数で表すこととした。

【0055】

【数14】

【0056】

【数15】

【0057】

【数16】

【0058】

【数17】

【0059】

【数18】

【0060】

ここで、ｖ_ｆ０［ｍ／ｓ］は図５に示すように取鍋１０内の溶湯が出湯口ガイド１０ｂへ侵入する際の流速である。α_０、α_１は、取鍋１０から流出する溶湯が出湯口において、重力の影響により溶湯断面が収縮し、流速が増大する際の影響係数である。

【0061】

式（１５）〜（１８）における示すθ_ａ[ｄｅｇ]は出湯口１０ａの先端の水平面に対する傾斜角である。取鍋１０が垂直状態での水平面に対する出湯口先端傾斜角φ[ｄｅｇ]とし、取鍋傾動角度をθ[ｄｅｇ]とすると次式で表される。

【0062】

【数19】

【0063】

Ｌ_ｇ[ｍ]は図５に示す出湯口ガイド１０ｂの長さ、ｖ[ｍ／ｓ]は溶湯が出湯口ガイド１０ｂを流れ出る際の流速、ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］は出湯口ガイド１０ｂを流れ出る際の流速の水平成分、Ｔ_ｆ［ｓ］は出湯口１０ａから出た溶湯の落下時間である。Ｓ_ｗ[ｍ]は、図６に示す出湯口１０ａからの垂直距離、Ｓ_ｖ[ｍ]は出湯口１０ａからの水平距離を示す。鋳型２０の鋳型内湯口２０ａ上面から出湯口１０ａまでの垂直距離をＳ_ｗ[ｍ]とすることで、出湯口１０ａからの水平方向落下位置Ｓ_ｖ[ｍ]を求めることができる。

【0064】

上述の数理モデルを基に、溶湯の落下位置を推定し、落下位置制御を行う制御システムを構築する。式（１１）式より、目標注湯流量ｑ_ｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現する出湯口上部の溶湯高さｈ_ｒｅｆ[ｍ]は次式より求めることができる。

【0065】

【数20】

【0066】

出湯口上部溶湯高さｈ_ｒｅｆ[ｍ]を実現する取鍋傾動角速度ω_ｒｅｆ[ｄｅｇ／ｓ]は、式(４) に式(９)及び(２０) を代入して整理し次式で表され、注湯プロセスＰ_ｆの逆モデルである流量推定逆モデルＰ_ｆ^−１が得られる。

【0067】

【数21】

【0068】

目標注湯流量ｑ_ｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現するためのサーボモータへの入力電圧ｕ[Ｖ]は式(１２) で表される取鍋１０を傾動させるサーボモータ１１の動特性Ｐ_ｍの逆モデルＰ_ｍ^−１から導出される。Ｐ_ｍ^−１は、式（１２）より次式のように求めることができる。

【0069】

【数22】

【0070】

式（２０）〜（２２）を順に求めることにより、目標注湯流量ｑ_ｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］を実現するサーボモータへの入力電圧ｕ[Ｖ]を得ることができる。

【0071】

続いて、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋１０が鋳型２０や台座１４などに衝突せずに、取鍋１０の出湯口１０ａが鋳型２０の鋳型内湯口２０ａへ接近し、正確に注湯することが可能な取鍋搬送の軌道生成を行う取鍋搬送軌道生成ブロックＤ_ｙｚについて説明する。本実施形態では、矩形状の取鍋を用いた場合について説明する。

【0072】

逆流量モデルＰ_ｆ^−１Ｐ_ｍ^−１を用いたフィードフォワード注湯流量制御システムにより、目標流量パターンに実際の注湯流量が追従して、目標注湯流量ｑ_ｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］が実現される。この目標注湯流量ｑ_ｒｅｆ［ｍ^３／ｓ］と流速推定ブロックＥ_ｆにおいて推定される溶湯の流速とを用いて取鍋１０から流出する溶湯の落下位置を推定することができる。そして、推定された落下位置が目標位置である鋳型２０の鋳型内湯口２０ａとなるように取鍋１０を搬送することにより落下位置制御を行う。

【0073】

ここで、相対落下位置Ｓ_ｖ[ｍ]は出湯口１０ａ先端を基準とした水平方向落下位置、絶対落下位置Ｓ_ｙ[ｍ]は鋳型２０の上面における鋳型内湯口２０ａの中心を座標原点とした水平方向落下位置である。

【0074】

注湯中の取鍋１０の可動範囲内に存在し、取鍋１０と衝突する可能性がある物体、ここでは、鋳型２０及び台座１４の位置関係を図７に示す。取鍋１０の搬送軌道を求めるにあたり、基準となるｙ−ｚ座標の原点を鋳型２０の上面での鋳型内湯口２０ａの中心と定めた。ｙ_ｆ,ｚ_ｆ [ｍ] は出湯口先端の座標、ｙ_ｂ，ｚ_ｂ[ｍ] は取鍋底部の端部Ｐの座標である。Ｌ_ｓ[ｍ] は取鍋の前方側面部１０ｃの長さ、γ[ｄｅｇ] は垂直線に対する取鍋の出湯口側の傾斜角である。また、ｄ_ｍ[ｍ]は端部Ｐから鋳型内湯口２０ａ中心までの長さ、ｄ_ｆ[ｍ]はy 軸上の溶湯落下距離、ｄ_ｐ[ｍ]は出湯口１０ａ先端をy軸上に投影した点と端部Ｐをy軸上に投影した点との距離、ｄ_ｈ[ｍ]は鋳型２０上面と台座１４上面との高さの差である。

【0075】

取鍋１０が鋳型２０もしくは台座１４に接近する際の位置関係は、図７に示すような３つのモードに分けることができる。モード１は、取鍋１０の前方下端のが端部Ｐが鋳型２０の上面に最接近する場合である。モード２は、取鍋１０の前方側面部１０ｃが鋳型２０の端部に最接近する場合である。モード３は、取鍋１０の前方下端の端部Ｐが台座１４の上面に最接近する場合である。本実施形態では、安全のため、上面から距離ε未満の領域を進入禁止領域として設定し、進入禁止領域には取鍋１０が進入しないように搬送することとした。

【0076】

それぞれのモードはコンピュータに記憶された取鍋１０と鋳型２０、台座１４などの周辺環境との位置関係に基づいて算出される下記の条件で遷移し、それぞれのモードに対して取鍋１０の動作が切り替わり、取鍋１０が鋳型２０や台座１４などに衝突せず出湯口１０ａが鋳型内湯口２０ａに接近し正確に注湯する取鍋位置[ｙ_ｆ,ｚ_ｆ]が導出される。ここで、添字の１〜３はそれぞれモード１〜３に対応する。なお、式（２３）の条件は、矩形状の取鍋を用いた場合の条件であり、取鍋の前方側面部の形状に応じて設定される条件である。

【0077】

【数23】

【0078】

ここで、ｄ_ｆ及びｄ_ｐはつぎのように示される．

【0079】

【数24】

【0080】

【数25】

【0081】

それぞれのモードでの取鍋位置は以下のように導出される。

【0082】

＜モード１＞
モード１では、端部Ｐが鋳型２０の上面から距離εを保った状態で搬送される。取鍋上下方向位置Ｚ及び取鍋前後方向位置Ｙはそれぞれ次のように得られる。

【0083】

【数26】

【0084】

【数27】

【0085】

＜モード２＞
モード２では、傾動角度に応じて端部Ｐの高さが常に変化し、端部Ｐが原点よりも低い位置にあるときに出湯口１０ａ先端を最も低い位置に搬送することができる。
取鍋の上下方向位置はつぎの式を満たすｚ_ｆを求めることで得られる。

【0086】

【数28】

【0087】

式（２８）はニュートンラフソン法などの数値解法による数値解で得られる。また、取鍋形状によっては解析解を得ることもできる。ここで、ニュートンラフソン法による取鍋上下方向位置の導出を示す。式（２８）に式（１７）〜（１９）を代入すると次式のようになる。

【0088】

【数29】

【0089】

式（２９）のｚ_ｆに対する微分はつぎのようになる。

【0090】

【数30】

【0091】

従って、次式を反復計算することでｚ_ｆｎが収束する。

【0092】

【数31】

【0093】

ここで、式（３１）の反復計算における初期値ｚ_ｆ０は１サンプリング前に求解された取鍋上下方向位置を用いる。そして，得られた取鍋上下方向位置ｚ_ｆをモード２における取鍋上下方向位置ｚ_ｆ２として次式に代入することで，取鍋前後方向位置ｙ_ｆ２が得られる．

【0094】

【数32】

【0095】

＜モード３＞
モード３では、端部Ｐが台座１４の上面から距離εを保った状態で搬送される。モード２により取鍋上下方向位置はつぎのように得られる．

【0096】

【数33】

【0097】

そして、得られた取鍋上下方向位置ｚ_ｆ３を次式に代入することにより取鍋前後方向位置ｙ_ｆ３が得られる。

【0098】

【数34】

【0099】

式（２３）〜（３４）で得られたｙ_ｆとｚ_ｆをそれぞれｙ_ｒｅｆ及びｚ_ｒｅｆとして、取鍋前後搬送システムＧ_ｙ、取鍋上下搬送制御システムＧ_ｚに与えることにより取鍋１０が鋳型２０や台座１４などに衝突せずに、出湯口１０ａが鋳型内湯口２０ａに最接近し、鋳型内湯口２０ａへ正確に注湯する注湯制御方法が実現する。

【0100】

また、本発明は、上記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、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。つまり、コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、溶湯の取鍋からの注湯流速を推定する流速推定処理と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さを減じるように取鍋の搬送軌道を生成する取鍋搬送軌道生成処理と、を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用することができる。

【0101】

（変更例）
ここで、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することもできる。例えば、傾動式自動注湯装置１の側方に、撮像装置としてのビデオカメラを設置し、取鍋１０の出湯口１０ａから流出する溶湯の落下位置を計測する。カメラ座標内に目標位置を与え、目標位置と落下位置との位置偏差を求め、取鍋搬送軌道生成ブロックＤ_ｙｚにおい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１０を移動させる。これにより、落下位置推定に誤差が生じた場合においても落下位置のフィードバック制御により補償されるので、注湯位置を高精度に制御することができる。

【0102】

[第１実施形態の効果]
本発明の注湯制御方法によれば、溶湯落下位置を制御することにより、取鍋１０から流出する溶湯を正確に鋳型内湯口２０ａへ注ぐことができるとともに、取鍋１０の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口２０ａから見た取鍋１０の出湯口１０ａの高さを減じるように取鍋１０の搬送軌道を生成し、取鍋１０の動作を制御し、鋳型２０に注湯することができる。これにより、注湯中に取鍋１０の出湯口１０ａと鋳型内湯口２０ａを接近させない従来の注湯制御方法に比べ、取鍋１０から流出した溶湯の自由落下時間を短縮し、溶湯の温度低下を抑制することや溶湯が鋳型２０へ接触する際の流速を抑えて衝突後の飛散を抑えることができる。
また、本発明は、上記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、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。

【0103】

[第２実施形態]
第１実施形態では、注湯中に取鍋１０の出湯口１０ａの高さを減じるように取鍋１０の動作を制御したが、本実施形態では、あらかじめ設定された取鍋１０と取鍋の可動範囲に存在する物体との衝突モードに基づいて、取鍋１０の出湯口１０ａの出湯口の高さが最小となる取鍋１０の搬送軌道を生成し、注湯中には、出湯口１０ａの高さを変化させず、出湯口１０ａを仮想の回動軸として取鍋１０が傾動するように搬送する。

【0104】

第１実施形態では、注湯中に取鍋１０の出湯口１０ａの高さが変化する動的条件下においてその高さが最少となるような搬送軌道を生成するが、本実施形態では、静的条件下において取鍋１０が周囲の物体と衝突しないような最少の高さ、搬送軌道を算出し注湯初期位置を決める。

【0105】

取鍋１０の出湯口１０ａが鋳型内湯口２０ａへ接近させる取鍋１０の注湯初期位置決めは、次のように行う。まず、目標注湯流量ｑ_ｒｅｆに対して、式（２０）〜（２２）を用いて、サーボモータへの入力電圧ｕ[Ｖ]及び取鍋傾動角度θ[ｄｅｇ]を求める。得られた入力電圧ｕ[Ｖ]と取鍋傾動角度θ[ｄｅｇ]を式（１０）〜（１８）に与えて取鍋１０からの溶湯の水平方向の相対落下位置Ｓ_ｖ[ｍ]を求める。そして、相対落下位置Ｓ_ｖ[ｍ]の最頻値Ｍｏ（Ｓ_ｖ)を求め、これらの値を式（２３）〜（３４）に示す取鍋搬送軌道生成に与えて、注湯初期における取鍋位置を導出する（請求項３に記載の第２の取鍋搬送軌道生成工程に相当）。取鍋１０は注湯中には出湯口１０ａ先端を仮想の回動軸として傾動する。従って、注湯初期よりも鋳型２０や台座１４と離れることになるため衝突の危険性はない。これにより、簡便な制御により、取鍋１０が鋳型２０や台座１４に衝突することなく、取鍋１０の出湯口１０ａを鋳型内湯口２０ａに接近させることができる。また、注湯中に出湯口１０ａの高さが一定であるので、外乱の影響を受けにくいとともに、取鍋１０を搬送するための動力を小さくすることができる。なお、相対落下位置Ｓｖ[ｍ]の最頻値Ｍｏ（Ｓｖ)ではなく、相対落下位置Ｓｖ[ｍ]の中央値や平均値を取鍋搬送軌道生成に与えて、注湯初期における取鍋位置を導出することもできる。

【0106】

また、本発明は、上記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、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。つまり、コンピュータを、取鍋の動作を前後動、上下動及び傾動で制御可能に構成された取鍋傾動式自動注湯装置における注湯制御手段として機能させるためのプログラムを記憶した記憶媒体であって、目標注湯流量を設定し、取鍋から流出する溶湯の数理モデルの逆モデルと取鍋を傾動させる傾動モータの逆モデルとから目標注湯流量を実現するための傾動モータへの入力電圧を生成する処理と、溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置が目標位置となるようにするとともに、取鍋が、取鍋の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、取鍋の出湯口を仮想の回動軸とし、鋳型内湯口から見た取鍋の出湯口の高さが最小となる取鍋の搬送軌道を生成する第２の取鍋搬送軌道生成処理と、を実行するためのプログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用することができる。

【0107】

[第２実施形態の効果]
本実施形態の注湯制御方法によれば、溶湯落下位置を制御することにより、取鍋１０から流出する溶湯を正確に鋳型内湯口２０ａへ注ぐことができるとともに、取鍋１０の可動範囲に存在する物体と衝突せずに、鋳型内湯口２０ａから見た取鍋１０の出湯口１０ａの高さが最少となるように取鍋１０の搬送軌道を生成し、出湯口１０ａを仮想の回動軸として取鍋１０の動作を制御し、鋳型２０に注湯することができる。これにより、注湯中に取鍋１０の出湯口１０ａと鋳型内湯口２０ａを接近させない従来の注湯制御方法に比べ、簡便な制御により、取鍋１０から流出した溶湯の自由落下時間を短縮し、溶湯の温度低下を抑制することや溶湯が鋳型２０へ接触する際の流速を抑えて衝突後の飛散を抑えることができる。そして、注湯中に出湯口１０ａの高さが一定であるので、外乱の影響を受けにくいとともに、取鍋１０を搬送するための動力を小さくすることができる。
また、本発明は、上記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、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。

【実施例】

【0108】

本発明の注湯制御方法の有用性を示すために、注湯中に取鍋出湯口と鋳型内湯口を接近させない従来の注湯制御方法（従来法）と取鍋の搬送軌跡を比較した。初期条件は、初期傾動角度θ_０＝２０[ｄｅｇ]、鋳型の湯口中心から側部までの長さｄ_ｍ＝０．２５[ｍ] とした。また、目標流量を図８に示すようなベル型で与え、定常部の流量をｍａｘ（ｑ_ｒｅｆ)＝３．５×１０^−４[ｍ^３／ｓ]とした。

【0109】

図９に従来法の取鍋の搬送軌跡を、図１０に本発明の注湯制御方法による取鍋の搬送軌跡を、図１１に取鍋出湯口先端と底部の搬送軌跡の比較を示す。出湯口先端の軌道を見てみると、本発明の注湯制御方法では注湯動作中の姿勢に応じて出湯口の高さが低くなっており、従来法と比較して最大１５０[ｍｍ] 低い地点での注湯を実現することができた。また、底部の搬送軌跡を見てみると、従来法では注湯が進むにつれて取鍋と鋳型との間隔が広がっているが、本発明の注湯制御方法では取鍋が鋳型に沿った動作をしており、このことからも低位置での注湯が実現されていることがわかる。更に、底部の軌跡が鋳型の上面・側部に沿っていることから、鋳型との衝突が回避されていることが確認できた。

【符号の説明】

【0110】

１…傾動式自動注湯装置
１０…取鍋
１０ａ…出湯口
１０ｂ…出湯口ガイド
１０ｃ…前方側面部
１１、１２、１３…サーボモータ
１４…台座
２０…鋳型
２０ａ…鋳型内湯口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】