特許 6902243 注湯システム、注湯システムの制御方法、制御プログラム、及び、制御プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体

(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】6902243

(24)【登録日】2021年6月23日

(45)【発行日】2021年7月14日

(54)【発明の名称】注湯システム、注湯システムの制御方法、制御プログラム、及び、制御プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体

(51)【国際特許分類】

   B22D 41/06 20060101AFI20210701BHJP

【ＦＩ】

   B22D41/06

【請求項の数】10

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2017-93209(P2017-93209)

(22)【出願日】2017年5月9日

(65)【公開番号】特開2018-187654(P2018-187654A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年3月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「自動注湯機の高精度化を実現する注湯流量ティーチング＆プレイバック制御」委託研究、産業技術力強化法第１９ 条の適用を受ける特許出願

(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】304023994

【氏名又は名称】国立大学法人山梨大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100161425

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 鉄平

(72)【発明者】

【氏名】野田 善之

(72)【発明者】

【氏名】末木 裕太

(72)【発明者】

【氏名】矢嶋 泰斗

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 薪雄

(72)【発明者】

【氏名】太田 和弘

【審査官】 坂口 岳志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１８８７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０２４０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１９０４１（ＪＰ，Ａ）

(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】

鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯を注ぐための注湯システムであって、
前記注湯システムは、
前記溶湯を保持する取鍋と、
前記取鍋を傾動させる第１のモータと、
前記取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、
前記取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、
前記取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、前記取鍋の前記上下方向の位置を調整するための第２の操作と、前記湯口を含む面内の前記前後方向における前記溶湯の目標落下位置を調整するための第３の操作とを操作者から受け付ける操作入力部と、
前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１の操作の操作量に応じて前記第１のモータの動作を制御し、
前記第２の操作の操作量に応じて前記第２のモータの動作を制御し、
前記第１の操作の操作量及び前記第２の操作の操作量によって定まる前記溶湯の落下位置が前記目標落下位置になるように、前記第３のモータの動作を制御する、
注湯システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１の操作の操作量が所定の閾値よりも小さい場合には、前記第１のモータが動作しないようにする、請求項１に記載の注湯システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１の操作の操作量を示す信号値に対してローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理後の信号値に基づいて前記第１のモータの動作を制御する、請求項１又は２に記載の注湯システム。

【請求項4】

前記制御部は、
前記取鍋の傾動角度が第１の角度よりも小さいときには第１のモードで前記第１のモータの動作を制御し、前記取鍋の傾動角度が前記第１の角度以上且つ第２の角度よりも小さいときには第２のモードで前記第１のモータの動作を制御し、前記取鍋の傾動角度が前記第２の角度以上であるときには第３のモードで前記第１のモータの動作を制御し、
前記第１の角度は前記第２の角度よりも小さな角度であり、前記第２の角度は前記取鍋からの溶湯の流出が開始される出湯開始角度であり、
前記第１のモードでは、前記第１の操作の操作量に第１の係数を乗じることによって前記第１のモータの動作を制御するための指令値を生成し、
前記第２のモードでは、前記第１の操作の操作量に前記第１の係数とは異なる第２の係数を乗じることによって前記第１のモータの動作を制御するための指令値を生成し、
前記第３のモードでは、前記第１の操作の操作量に応じて前記溶湯の目標注湯流量を設定し、前記取鍋からの注湯流量が前記目標注湯流量になるように前記第１のモータの動作を制御するための指令値を生成する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の注湯システム。

【請求項5】

前記制御部は、
前記取鍋の傾動角度が第３の角度よりも小さいときには、前記取鍋の出湯口が前記湯口の前記取鍋側の縁部の上方に位置するように前記第３のモータの動作を制御し、
前記取鍋の傾動角度が前記第３の角度以上であるときには、前記第１の操作の操作量、前記第２の操作の操作量及び前記第３の操作の操作量によって定まる前記落下位置が前記目標落下位置になるように、前記第３のモータの動作を制御し、
前記第３の角度は、前記落下位置が前記湯口の中心位置に達する前記取鍋の傾動角度である、
請求項１〜４の何れか一項に記載の注湯システム。

【請求項6】

鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯を注ぐための注湯システムの制御方法であって、
前記注湯システムは、
前記溶湯を保持する取鍋と、
前記取鍋を傾動させる第１のモータと、
前記取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、
前記取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、
前記取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、前記取鍋の前記上下方向の位置を調整するための第２の操作と、前記湯口を含む面内の前記前後方向における前記溶湯の目標落下位置を調整するための第３の操作とを操作者から受け付ける操作入力部と、
前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記方法は、
前記制御部が、前記第１の操作の操作量に応じて前記第１のモータの動作を制御する工程と、
前記制御部が、前記第２の操作の操作量に応じて前記第２のモータの動作を制御する工程と、
前記制御部が、前記第１の操作の操作量及び前記第２の操作の操作量によって定まる前記溶湯の落下位置が前記目標落下位置になるように、前記第３のモータの動作を制御する工程と、
を含む、方法。

【請求項7】

前記操作入力部によって、操作者から前記第１の操作の操作量、前記第２の操作の操作量及び前記第３の操作の操作量を受け付け、受け付けた前記第１の操作の操作量、前記第２の操作の操作量及び前記第３の操作の操作量に基づいて前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御し、前記鋳型内に前記溶湯を注ぐ工程と、
前記受け付けた前記第１の操作の操作量、前記第２の操作の操作量及び前記第３の操作の操作量から、前記溶湯の注湯流量、前記落下位置、前記取鍋の前記前後方向の移動量、及び、前記取鍋の前記上下方向の移動量を求め、前記溶湯の注湯流量、前記落下位置、前記取鍋の前記前後方向の移動量、及び、前記取鍋の前記上下方向の移動量をティーチングデータとして取得する工程と、
取得された前記ティーチングデータに基づいて前記溶湯が自動的に注がれるように前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御する工程と、を含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記ティーチングデータに基づいて、前記溶湯の前記湯口に対する流入速度、前記溶湯の前記湯口に対する流入範囲、及び、前記湯口に対する前記溶湯の流入角度を算出する工程を更に含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯が注がれるように注湯システムを機能させるための制御プログラムであって、
前記注湯システムは、
前記溶湯を保持する取鍋と、
前記取鍋を傾動させる第１のモータと、
前記取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、
前記取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、
前記取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、前記取鍋の前記上下方向の位置を調整するための第２の操作と、前記湯口を含む面内の前記前後方向における前記溶湯の目標落下位置を調整するための第３の操作とを操作者から受け付ける操作入力部と、
前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御プログラムは、
前記第１の操作の操作量に応じて前記第１のモータの動作を制御する工程と、
前記第２の操作の操作量に応じて前記第２のモータの動作を制御する工程と、
前記第１の操作の操作量及び前記第２の操作の操作量によって定まる前記溶湯の落下位置が前記目標落下位置になるように、前記第３のモータの動作を制御する工程と、
を前記制御部に実行させる、制御プログラム。

【請求項10】

鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯が注がれるように注湯システムを機能させるための制御プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記注湯システムは、
前記溶湯を保持する取鍋と、
前記取鍋を傾動させる第１のモータと、
前記取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、
前記取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、
前記取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、前記取鍋の前記上下方向の位置を調整するための第２の操作と、前記湯口を含む面内の前記前後方向における前記溶湯の目標落下位置を調整するための第３の操作とを操作者から受け付ける操作入力部と、
前記第１のモータ、前記第２のモータ及び前記第３のモータの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御プログラムは、
前記第１の操作の操作量に応じて前記第１のモータの動作を制御する工程と、
前記第２の操作の操作量に応じて前記第２のモータの動作を制御する工程と、
前記第１の操作の操作量及び前記第２の操作の操作量によって定まる前記溶湯の落下位置が前記目標落下位置になるように、前記第３のモータの動作を制御する工程と、
を前記制御部に実行させる、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、注湯システム、注湯システムの制御方法、制御プログラム、及び、制御プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

注湯装置の一種として、傾動式の注湯装置が利用されている。傾動式の注湯装置は、一般的に３つのモータを備えており、これら３つのモータが動作することで取鍋の傾動角度、上下方向の位置、及び、前後方向の位置が調整される。取鍋の傾動角度、上下方向の位置及び前後方向の位置を自動的に制御することによって、取鍋から鋳型内に正確に溶湯を注ぐ技術が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、取鍋の傾動角度を調整するためのサーボモータの動作量と取鍋から鋳型への注湯流量との関係を表す数理モデルを用いて注湯流量を推定し、推定した注湯流量と目標注湯流量との差異が減少するようにサーボモータを制御することで取鍋から鋳型内に目標流量で注湯する自動注湯装置について記載されている。特許文献２には、目標注湯流量で注湯が行われるようにサーボモータの動作を制御し、サーボモータへの制御指令信号に基づいて鋳型の湯口を含む面内での溶湯の落下位置を推定し、当該落下位置と目標位置とが一致するように３つのサーボモータの動作を制御することで、溶湯を鋳型内に正確に注ぐ自動注湯装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−２９０１４８号公報

【特許文献2】特開２０１３−１８８７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１及び２に記載の装置では、取鍋内の溶湯を自動で鋳型内に注湯しているが、取鍋から鋳型内に手動で溶湯を注ぐことが求められる場合がある。例えば、ティーチングプレーバック方式で注湯装置を自動的に動作させるためには、まず操作者が手動で取鍋を操作することによって注湯流量、落下位置、取鍋の上下方向の位置、取鍋の前後方向の位置といった注湯条件を注湯装置に教示する必要がある。取鍋を手動で操作する際には、３つのモータの動作量を個別に操作することで鋳型内に溶湯を注ぐことが考えられる。しかしながら、注湯流量を変えるために取鍋の傾きを変化させると溶湯の落下位置も変化するし、取鍋の高さ位置を変化させた場合にも溶湯の落下位置は変化する。したがって、注湯条件によっては操作者による３つのモータの操作が複雑になり、操作者が注湯条件に従って鋳型内に溶湯を注ぐことが困難となることがある。

【0006】

よって、本技術分野では、取鍋の操作性を向上させることが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様では、鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯を注ぐための注湯システムが提供される。この注湯システムは、溶湯を保持する取鍋と、取鍋を傾動させる第１のモータと、取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、取鍋の上下方向の位置を調整するための第２の操作と、湯口を含む面内の前後方向における溶湯の落下位置を調整するための第３の操作とを受け付ける操作入力部と、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御する制御部と、を備えている。制御部は、第１の操作の操作量に応じて第１のモータの動作を制御し、第３の操作の操作量に応じて溶湯の目標落下位置を設定し、第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量によって定まる落下位置が目標落下位置になるように、第３のモータの動作を制御する。

【0008】

上記一態様に係る注湯システムでは、第３の操作の操作量に応じて溶湯の目標落下位置が設定され、落下位置が目標落下位置になるように第３のモータの動作が制御されるので、第３の操作によって溶湯の落下位置を独立して調整することができる。また、この注湯システムでは、第１の操作及び第２の操作によって取鍋の傾動角度及び取鍋の上下方向の位置が調整された場合であっても、落下位置が目標落下位置に維持されるように第３のモータの動作が制御されるので、取鍋の傾動角度（注湯流量）及び取鍋の上下方向の位置を独立して調整することができる。したがって、取鍋の操作性を向上させることができる。

【0009】

一実施形態では、制御部は、第１の操作の操作量が所定の閾値よりも小さい場合には、第１のモータが動作しないようにしてもよい。この実施形態では、傾動角度を変更するときの操作者の手の震え、ノイズ等によって取鍋が動作することが抑制されるので、操作者の意図に沿って取鍋を動作させることができる。

【0010】

一実施形態では、制御部は、第１の操作の操作量を示す信号値に対してローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理後の信号値に基づいて第１のモータの動作を制御する。この実施形態では、ローパスフィルタ処理によって、傾動角度を変更するときの操作者の手の震え、ノイズ等に関する信号が除去されるので、操作者の意図に沿って取鍋を動作させることができる。

【0011】

一実施形態では、制御部は、取鍋の傾動角度が第１の角度よりも小さいときには第１のモードで第１のモータの動作を制御し、取鍋の傾動角度が第１の角度以上且つ第２の角度よりも小さいときには第２のモードで第１のモータの動作を制御し、取鍋の傾動角度が第２の角度以上であるときには第３のモードで第１のモータの動作を制御し、第１の角度は第２の角度よりも小さな角度であり、第２の角度は取鍋からの溶湯の流出が開始される出湯開始角度であり、第１のモードでは、第１の操作の操作量に第１の係数を乗じることによって第１のモータの動作を制御するための指令値を生成し、第２のモードでは、第１の操作の操作量に第１の係数とは異なる第２の係数を乗じることによって第１のモータの動作を制御するための指令値を生成し、第３のモードでは、第１の操作の操作量に応じて溶湯の目標注湯流量を設定し、取鍋からの注湯流量が目標注湯流量になるように第１のモータの動作を制御するための指令値を生成してもよい。

【0012】

上記実施形態では、第１のモードでは、第１の操作の操作量に第１の係数を乗じることによって生成された指令値に従って第１のモータの動作が制御されるので、操作者は取鍋の傾動角度を直接的に操作することができる。第３のモードでは、第１の操作の操作量に応じて溶湯の目標注湯流量が設定され、取鍋からの注湯流量が目標注湯流量になるように指令値が生成されるので、操作者は注湯流量を直接的に操作することができる。また、上記実施形態では、第１のモードと第３のモードとの間で遷移する間に、第１の操作の操作量に第２の係数を乗じることによって生成された指令値に従って第１のモータの動作が制御される第２のモードが設定されている。上記実施形態では、取鍋の傾動角度に応じて取鍋の動作を変更することができる。

【0013】

一実施形態では、制御部は、取鍋の傾動角度が第３の角度よりも小さいときには、取鍋の出湯口が湯口の取鍋側の縁部の上方に位置するように第３のモータの動作を制御し、取鍋の傾動角度が第３の角度以上であるときには、落下位置が目標落下位置になるように第３のモータの動作を制御し、第３の角度は、落下位置が湯口の中心位置に達する取鍋の傾動角度であってもよい。

【0014】

取鍋の傾動角度が出湯開始角度よりも大きくなり、取鍋からの溶湯の流出が開始された直後は注湯流量が急激に大きくなるので、それに伴い取鍋から落下位置までの前後方向の位置も急激に大きくなる。この場合には、溶湯の落下位置を目標落下位置に維持するために取鍋の前後方向の位置が急激に変化する。取鍋の前後方向の位置が急激に変化すると、取鍋内の溶湯の液面が振動し、溶湯の落下位置を精度良く制御することが難しくなる。これに対し、上記実施形態では、溶湯の落下位置が湯口の中心位置に達するまでは取鍋の出湯口が湯口の取鍋側の縁部の上方に維持され、溶湯の落下位置が湯口の中心位置に達した後に溶湯の落下位置が目標落下位置になるように第３のモータの動作を制御されるので、取鍋の前後方向の位置の急激な変化を抑制することができる。

【0015】

別の一態様では、鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯を注ぐための注湯システムの制御方法が提供される。この注湯システムは、溶湯を保持する取鍋と、取鍋を傾動させる第１のモータと、取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、取鍋の上下方向の位置を調整するための第２の操作と、湯口を含む面内の前後方向における溶湯の落下位置を調整するための第３の操作とを受け付ける操作入力部と、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御する制御部と、を備えている。方法は、制御部が、第１の操作の操作量に応じて第１のモータの動作を制御する工程と、制御部が、第２の操作の操作量に応じて第２のモータの動作を制御する工程と、制御部が、第３の操作の操作量に応じて溶湯の目標落下位置を設定し、第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量によって定まる落下位置が目標落下位置になるように、第３のモータの動作を制御する工程と、を含む。この方法によれば、取鍋の操作性を向上させることができる。

【0016】

一実施形態では、操作入力部によって、操作者から第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量を受け付け、受け付けた第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量に基づいて第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御し、鋳型内に溶湯を注ぐ工程と、受け付けた第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量から、溶湯の注湯流量、落下位置、取鍋の前後方向の移動量、及び、取鍋の上下方向の移動量を求め、溶湯の注湯流量、落下位置、取鍋の前後方向の移動量、及び、取鍋の上下方向の移動量をティーチングデータとして取得する工程と、取得されたティーチングデータに基づいて溶湯が自動的に注がれるように第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御する工程と、を含んでもよい。

【0017】

上記実施形態に係る方法では、操作者によって鋳型内に注湯されたときの溶湯の注湯流量、落下位置、取鍋の前後方向の移動量、及び、取鍋の上下方向の移動量をティーチングデータとして取得し、当該ティーチングデータに基づいて溶湯が自動的に注がれるように第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御しているので、操作者による注湯動作を注湯装置によって再現することができる。

【0018】

一実施形態では、ティーチングデータに基づいて、溶湯の湯口に対する流入速度、溶湯の湯口に対する流入範囲、及び、湯口に対する溶湯の流入角度を算出する工程を更に含んでもよい。

【0019】

ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析によって、湯流れ解析を行う場合には、溶湯の湯口に対する流入速度、溶湯の湯口に対する流入範囲、及び、湯口に対する溶湯の流入角度を境界条件として与えることが必要である。上記実施形態では、ＣＡＥ解析を高精度に行うために有用な情報である溶湯の湯口に対する流入速度、溶湯の湯口に対する流入範囲、及び、湯口に対する溶湯の流入角度を算出することができる。

【0020】

更に別の一態様では、鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯が注がれるように注湯システムを機能させるための制御プログラムであって、注湯システムは、溶湯を保持する取鍋と、取鍋を傾動させる第１のモータと、取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、取鍋の上下方向の位置を調整するための第２の操作と、湯口を含む面内の前後方向における溶湯の落下位置を調整するための第３の操作とを受け付ける操作入力部と、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御する制御部と、を備え、制御プログラムは、第１の操作の操作量に応じて第１のモータの動作を制御する工程と、第２の操作の操作量に応じて第２のモータの動作を制御する工程と、第３の操作の操作量に応じて溶湯の目標落下位置を設定し、第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量によって定まる落下位置が目標落下位置になるように、第３のモータの動作を制御する工程と、を制御部に実行させる。

【0021】

更に別の一態様では、鋳型の湯口を介して該鋳型内に溶湯が注がれるように注湯システムを機能させるための制御プログラムを記憶するコンピュータ読取り可能な記録媒体であって、注湯システムは、溶湯を保持する取鍋と、取鍋を傾動させる第１のモータと、取鍋を上下方向に沿って移動させる第２のモータと、取鍋を前後方向に沿って移動させる第３のモータと、取鍋の傾動角度を変更するための第１の操作と、取鍋の上下方向の位置を調整するための第２の操作と、湯口を含む面内の前後方向における溶湯の落下位置を調整するための第３の操作とを受け付ける操作入力部と、第１のモータ、第２のモータ及び第３のモータの動作を制御する制御部と、を備え、制御プログラムは、第１の操作の操作量に応じて第１のモータの動作を制御する工程と、第２の操作の操作量に応じて第２のモータの動作を制御する工程と、第３の操作の操作量に応じて溶湯の目標落下位置を設定し、第１の操作の操作量、第２の操作の操作量及び第３の操作の操作量によって定まる落下位置が目標落下位置になるように、第３のモータの動作を制御する工程と、を制御部に実行させる。

【発明の効果】

【0022】

本発明の一側面及び種々の実施形態によれば、取鍋の操作性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】一実施形態の注湯システムを概略的に示す図である。

【図2】一実施形態の注湯システムの機能構成を示すブロック図である。

【図3】取鍋の縦断面図である。

【図4】取鍋の一部を示す斜視図である。

【図5】式（８）従って求められた溶湯の平均流速と実験により測定された溶湯の平均流速との関係を示すグラフである。

【図6】溶湯の液面高さを説明するための図である。

【図7】出湯口と湯口との位置関係を説明するための図である。

【図8】取鍋の同期化制御を説明するための図である。

【図9】出湯口と湯口との位置関係を説明するための図である。

【図10】ティーチングデータの生成方法を示す図である。

【図11】実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

【0025】

まず、一実施形態に係る注湯システム１について説明する。図１は、一実施形態に係る注湯システム１を概略的に示す斜視図である。以下では、図１に示すように、後述する搬送装置ＣＤの延在方向をＸ方向とし、後述する注湯装置の上下方向をＺ方向とし、当該注湯装置の前後方向をＹ方向として説明する。

【0026】

図１に示すように、注湯システム１は、注湯装置１０及び操作入力部２０を備えている。注湯装置１０は、取鍋１２、第１のモータ１３、第２のモータ１４、第３のモータ１５、保持部１６、及び、ロードセルＬＤを備えている。取鍋１２は、鋳型３０に注湯するための溶湯Ｍを保持する容器であり、回転軸を介して保持部１６に支持されている。取鍋１２の側面上部には、出湯ノズル１２ａが設けられている。出湯ノズル１２ａの先端部は、出湯口１２ｂを構成している。注湯装置１０では、出湯口１２ｂを中心に取鍋１２が傾動することにより、出湯口１２ｂから溶湯Ｍが流出する。

【0027】

第１のモータ１３は、取鍋１２の回転軸を回転させ、取鍋１２を傾動させるための駆動力を発生する。第２のモータ１４は、Ｚ方向に取鍋１２を移動させるための駆動力を発生する。第３のモータ１５は、Ｙ方向に取鍋１２を移動させるための駆動力を発生する。これら第１のモータ１３、第２のモータ１４及び第３のモータ１５は、例えばサーボモータである。また、ロードセルＬＤは、取鍋１２内の溶湯Ｍの重量を測定する。

【0028】

操作入力部２０は、取鍋１２の傾動角度、上下方向の位置及び取鍋１２から流出する溶湯Ｍの落下位置を操作するための装置である。この操作入力部２０は、例えば注湯装置１０から離れた位置に設けられている。図１に示すように、操作入力部２０は、取鍋１２の傾動角度、Ｚ方向の位置、及び、溶湯Ｍの落下位置を操作するためのレバー２１を有している。レバー２１は、操作者が操舵できるようになっている。具体的には、操作者は、レバー２１をその軸回りに回転させることができると共に、上下方向及び左右方向に傾けることができる。レバー２１をその軸回りに回転させる第１の操作は、取鍋１２の傾動角度を変更するための操作である。また、レバー２１を上下方向に傾ける第２の操作は、取鍋１２のＺ方向の位置を調整するための操作である。レバー２１を左右方向に傾ける第３の操作は、取鍋１２から流出する溶湯Ｍの落下位置をＹ方向に調整するための操作である。操作入力部２０は、操作者によって行われた第１の操作、第２の操作及び第３の操作の操作量、即ちレバー２１の軸周り方向への回転角度φ_ｒ、上下方向への傾動角度φ_ｚ、及び、左右方向への傾動角度φ_ｙを示す信号を後述する制御部Ｃｎｔへ送出する。

【0029】

注湯システム１は、制御部Ｃｎｔを更に備えている。制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶部等を備えるコンピュータであり、注湯システム１の各部を制御する。制御部Ｃｎｔは、取鍋１２の傾動角度、取鍋１２のＹ方向の位置及び取鍋１２のＺ方向の位置を第１のモータ１３、第２のモータ１４及び第３のモータ１５に設けられたロータリーエンコーダからそれぞれ取得する。また、制御部Ｃｎｔは、操作入力部２０からレバー２１の軸周り方向への回転角度φ_ｒ、上下方向への傾動角度φ_ｚ、及び、左右方向への傾動角度φ_ｙを示す信号を受け、これらの信号に基づいて、取鍋１２の傾動角度、取鍋１２のＺ方向の位置、及び、取鍋１２のＹ方向の位置を制御する。制御部Ｃｎｔの機能の詳細については後述する。

【0030】

一実施形態では、注湯装置１０の前方には、搬送装置ＣＤが配置され得る。搬送装置ＣＤは、注湯工程において、その上部に配置された鋳型３０をＸ方向に沿って間欠的に搬送する。一実施形態では、搬送装置ＣＤは、Ｘ方向に沿って鋳型３０を搬送し、Ｘ方向において取鍋１２の出湯口１２ｂと鋳型３０の湯口３１とが重なる位置に鋳型３０を停止させる。その位置に鋳型３０が停止された後に、注湯装置１０によって鋳型３０内に溶湯Ｍが注湯される。

【0031】

以下、図２を参照して注湯システム１の機能構成について説明する。図２は、注湯システム１の機能を示すブロック図を示している。

【0032】

［数理モデル］
まず、第１のモータ１３に対する指令値ｕ_ｔから注湯流量ｑを導出するための数理モデルについて説明する。なお、注湯流量とは、取鍋１２の傾動によって取鍋１２から流出する溶湯Ｍの流量を示している。

【0033】

指令値ｕ_ｔから注湯流量ｑを導出するための数理モデルは、取鍋１２が角速度ω［ｄｅｇ／ｓ］で制御されている場合と、角度θ［ｄｅｇ］で制御されている場合とで異なる。ここで、傾動角度θとは、図３に示すように、取鍋１２の出湯口１２ｂを中心とした取鍋１２の傾動角度を示している。角速度ωとは、単位時間当たりに回転する取鍋１２の傾動角度を示している。

【0034】

まず、取鍋１２が角速度ωによって制御されている場合について説明する。制御部Ｃｎｔが取鍋１２を角速度ωで制御している場合には、制御部Ｃｎｔから第１のモータ１３に出力される指令値ｕ_ｔ［Ｖ］に基づいて、注湯流量ｑ［ｍ^３／ｓ］が取得される。指令値ｕ_ｔと取鍋１２の角速度ωとの関係は、下記式（１）のように表される。下記式（１）において、Ｔ_ｔ［ｓ］は時定数であり、Ｋ_ｔ［ｄｅｇ／（ｓＶ）］はゲイン定数である。

【0035】

【数1】

【0036】

また、傾動角度θと角速度ωとは、下記式（２）に表される関係を有する。

【0037】

【数2】

【0038】

一方、取鍋１２が傾動角度θによって制御されている場合には、取鍋１２が予め定められた指令角度θ_ｒ［ｄｅｇ］になるように制御部Ｃｎｔによって第１のモータ１３の動作が制御される。指令角度θ_ｒと角速度ωとの関係は、下記式（３）のように表される。下記式（３）において、Ｋ_ｔｐ［ｄｅｇ／（ｓＶ）］はゲイン定数である。

【数3】

【0039】

制御部Ｃｎｔからの指令値ｕ_ｔに基づいて取鍋１２は傾動角度θ又は角速度ωで傾動される。このように取鍋１２が傾動されることによって、取鍋１２内の溶湯Ｍが鋳型３０内に注がれる注湯プロセスＰＲ１が行われる。注湯プロセスＰＲ１において取鍋１２から流出する溶湯Ｍの流量、即ち注湯流量ｑは、下記式（４）及び式（５）に従って求められる。

【0040】

【数4】

【0041】

【数5】

【0042】

図３に示すように、式（４）のｈ［ｍ］は出湯口１２ｂの高さ位置を基準とした溶湯Ｍの液位を表しており、Ａ（θ）［ｍ^２］は出湯口１２ｂを通る水平面における溶湯Ｍの断面積を表している。また、Ｖ_ｓ（θ）［ｍ^３］は出湯口１２ｂを通る水平面よりも低い位置にある溶湯Ｍの体積を表している。さらに、式（５）のｈ_ｂ［ｍ］は、図４に示すように、出湯口１２ｂでの溶湯Ｍの液面からの深さを表しており、Ｌ_ｆ［ｍ］はｈ_ｂに対応する高さ位置における出湯口１２ｂの幅を表している。また、式（５）のｇ［ｍ／ｓ^２］は重力加速度を表している。

【0043】

次に、注湯流量ｑに基づいて取鍋１２からの溶湯Ｍの流出重量Ｗを算出する流出重量算出プロセスＰＲ２について説明する。注湯流量ｑと流出重量Ｗとは、下記式（６）に表される関係を有する。式（６）において、ρ［ｋｇ／ｍ^３］は溶湯Ｍの密度を表している。流出重量Ｗは、ロードセルＬＤによって計測される。

【0044】

【数6】

【0045】

ロードセルＬＤの動作特性は、下記式（７）のように表される。式（７）において、Ｗ_Ｌ［ｋｇ］はロードセルＬＤによって計測された溶湯Ｍの流出重量を表している。式（７）に示すように、計測された流出重量Ｗ_Ｌは、実際の流出重量Ｗに対して応答遅れが生じることとなる。

【0046】

【数7】

【0047】

次に、溶湯Ｍの自由落下プロセスＰＲ３について説明する。自由落下プロセスＰＲ３では、取鍋１２の出湯口１２ｂから流出した溶湯ＭのＹ方向の落下距離Ｓ_ｖが算出される。自由落下プロセスＰＲ３では、落下距離Ｓ_ｖを求めるために、出湯口１２ｂから自由落下運動によって落下する溶湯Ｍの落下軌跡が導出される。溶湯Ｍの落下軌跡の導出するために、下記式（８）に従って、出湯口１２ｂでの溶湯Ｍの平均流速ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］が算出される。

【0048】

【数8】

【0049】

式（８）においてＡ_ｐ［ｍ^２］は取鍋１２の出湯口１２ｂを通る鉛直断面に沿った溶湯Ｍの断面積を示している。断面積Ａ_ｐは下記式（９）で表される。

【0050】

【数9】

【0051】

図５は、上記式（８）に基づいて算出された溶湯Ｍの平均流速ｖ_ｆと実験により測定された実際の溶湯Ｍの平均流速ｖ_ｒ［ｍ／ｓ］との関係を示すグラフである。図５の横軸は上記式（８）に基づいて算出された溶湯Ｍの平均流速ｖ_ｆを表しており、縦軸は実験で得られた溶湯Ｍの平均流速ｖ_ｒを表している。図５に示すように、溶湯Ｍの実際の平均流速ｖ_ｒは、式（８）によって算出された平均流速ｖ_ｆ［ｍ／ｓ］よりも速くなる。この結果は、実際に出湯口１２ｂから溶湯Ｍが流出する場合には、図６に示すように、重力の影響によって、出湯口１２ｂ上の溶湯Ｍの液面高さが、出湯口１２ｂから離れた位置での溶湯Ｍの液面高さよりも低くなるためであると考えられる。

【0052】

そこで、溶湯Ｍの平均流速の理論値が実測値と一致するように、下記式（１０）に従って、溶湯Ｍの平均流速の理論値が補正される。式（１０）において、ｖ_ｔ［ｍ／ｓ］は補正後の平均流速を表しており、α１及びα０はシミュレーションにより得られた平均流速ｖ_ｆと平均流速の実測値ｖ_ｒと関係を最小二乗法によって近似することにより得られた係数である。図５に示す結果が得られる実施形態では、α１は２．０６７、α０は−０．２７５に設定される。

【0053】

【数10】

【0054】

次に、湯口３１を含む水平面ＨＰ上での溶湯Ｍの落下位置ＤＰが導出される。図７に示すように取鍋１２の出湯口１２ｂと落下位置ＤＰとのＹ方向における距離をＳ_ｖ［ｍ］とすると、出湯口１２ｂから流出した溶湯Ｍは自由落下運動をするため、距離Ｓ_ｖは下記式（１１）に従って導出される。式（１１）において、Ｓ_ｗ［ｍ］は、取鍋１２の出湯口１２ｂと鋳型３０の湯口３１とのＺ方向における距離を表している。

【0055】

【数11】

【0056】

さらに、一実施形態に係る注湯システム１では、取鍋１２からの注湯流量ｑに基づいて、湯口３１に対する溶湯Ｍの流速ｖ_ｌ、溶湯Ｍの湯口３１上での断面積Ａ_ｌ（ｔ）、及び、湯口３１に対する溶湯Ｍの流入角度φ_ｉｎが算出されてもよい。溶湯Ｍの流速ｖ_ｌを算出するために、まず下記式（１２）に従って、落下位置ＤＰでの溶湯ＭのＺ方向の流速ｖ_ｇが求められる。

【0057】

【数12】

【0058】

水平面ＨＰ上での溶湯Ｍの流速ｖ_ｌは、下記式（１３）に従って求められる。

【0059】

【数13】

【0060】

溶湯Ｍの流入角度φ_ｉｎは、下記式（１４）に従って求められる。
流入角度φ_ｉｎは、落下位置ＤＰを通り、且つ、Ｚ方向に延びる直線と溶湯Ｍとがなす角度を表している。

【数14】

【0061】

断面積Ａ_ｌ（ｔ）は、下記式（１５）に従って求められる。

【0062】

【数15】

【0063】

また、水平面ＨＰにおける溶湯Ｍの断面の半径ｒ_ｌ［ｍ］は、下記式（１６）に従って求められる。

【0064】

【数16】

【0065】

［制御部の機能構成］
次いで、制御部Ｃｎｔの機能構成について説明する。制御部Ｃｎｔは、注湯流量制御部ＦＣ１、同期化制御部ＦＣ２、落下位置推定部ＦＣ３、落下位置操作部ＦＣ４、前後位置制御部ＦＣ５、上下位置制御部ＦＣ６を有している。

【0066】

［注湯流量制御］
注湯流量制御部ＦＣ１は、操作者による操作入力部２０の第１の操作の操作量、例えばレバー２１の軸周り方向への回転角度φ_ｒを当該操作入力部２０から受け取り、回転角度φ_ｒに応じて第１のモータ１３の動作を制御するための指令値ｕ_ｔを生成する。一実施形態では、注湯流量制御部ＦＣ１は、下記式（１７）に従って第１のモータ１３に出力される指令値ｕ_ｔを算出し得る。

【0067】

【数17】

【0068】

式（１７）に示すように、注湯流量制御部ＦＣ１は、回転角度φ_ｒが角度φ_ｄ以下である場合には指令値ｕ_ｔは０とする。即ち、回転角度φ_ｒが所定の閾値である角度φ_ｄ以下である場合には第１のモータ１３は動作しない。角度φ_ｄは、不感帯の幅であり、一実施形態では角度φ_ｄは５［ｄｅｇ］に設定される。このように、回転角度φ_ｒに不感帯の領域を設定することで操作者の手の震え、ノイズ等によって取鍋が誤動作することが抑制することが出来、その結果、取鍋の操作性を向上させることができる。

【0069】

回転角度φ_ｒが角度φ_ｄより大きく、且つ、取鍋１２の傾動角度θがθ_ｓ−β（第１の角度）よりも小さい場合には、注湯流量制御部ＦＣ１は、第１のモードで第１のモータ１３の動作を制御する。ここで、θ_ｓは取鍋１２からの溶湯Ｍの流出が開始される出湯開始角度であり、βはモード遷移区間の幅を示す定数である。第１のモードでは、ゲイン定数（第１の係数）ｋ_ｆ０と回転角度φ_ｒとを乗じることで指令値ｕ_ｔを求める。すなわち、第１のモードでは、指令値ｕ_ｔと回転角度φ_ｒとはゲイン定数ｋ_ｆ０を比例定数とする比例関係を有する。ゲイン定数ｋ_ｆ０は、操作者が取鍋１２の傾動角度θを操作しやすくなるような値に設定される。

【0070】

回転角度φ_ｒが角度φ_ｄより大きい場合であって、取鍋１２の傾動角度θがθ_ｓ−β以上、且つ、θ_ｓ（第２の角度）よりも小さい場合には、注湯流量制御部ＦＣ１は、第２のモードで第１のモータ１３の動作を制御する。第２のモードでは、ゲイン定数（第２の係数）ｋ_ｆ１と回転角度φ_ｒとを乗じることで指令値ｕ_ｔを求める。すなわち、第２のモードでは、指令値ｕ_ｔと回転角度φ_ｒとはゲイン定数ｋ_ｆ１を比例定数とする比例関係を有する。ゲイン定数ｋ_ｆ１は、ゲイン定数ｋ_ｆ０は異なる値に設定されている。ゲイン定数ｋ_ｆ１については、後述する。

【0071】

回転角度φ_ｒが角度φ_ｄより大きく、且つ、取鍋１２の傾動角度θがθ_ｓ以上である場合には、注湯流量制御部ＦＣ１は、第３のモードで第１のモータ１３の動作を制御する。第３のモードでは、取鍋１２からの注湯流量が目標注湯流量になるように、指令値ｕ_ｔがフィードバック制御又はフィードフォワード制御される。以下、第３のモードでの制御の一例について説明する。

【0072】

一実施形態では、注湯流量制御部ＦＣ１は、目標注湯流量ｑ（ｈ_ｒｅｆ）で溶湯Ｍが注湯されるように目標傾動角度速度ω_ｒｅｆを求める。目標注湯流量ｑ（ｈ_ｒｅｆ）と目標傾動角度速度ω_ｒｅｆとは、下記式（１８）に表される関係を有する。

【0073】

【数18】

【0074】

注湯プロセスＰＲ１の応答性よりも第１のモータ１３の応答性が十分速いとの仮定の下では、下記式（１９）に従って、目標傾動角度速度ω_ｒｅｆから指令値ｕ_ｔが求められる。

【数19】

【0075】

式（１８）において、ｈ_ｒｅｆは出湯口１２ｂ上の液面高さの目標値を表す目標出湯口液位である。式（５）に示すように、出湯口１２ｂ上の液位ｈと注湯流量ｑとの間には一対一の関係があるので、出湯口１２ｂ上の液位ｈを変化させることによって注湯流量ｑを制御することができる。注湯流量制御部ＦＣ１は、下記式（２０）に従って、回転角度φ_ｒから目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆを求める。式（２０）に示すように、回転角度φ_ｒと目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆとの間にはローパスフィルタが設けられる。

【0076】

【数20】

【0077】

式（２０）において、ω_ｎ［ｒａｄ／ｓ］はローパスフィルタの折点角周波数を示しており、ζは減衰比を示している。ｋ_ｆはゲイン定数である。一実施形態では、目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆが振動的にならないように減衰比ζを１に設定し、応答性を高くするために折点角周波数ω_ｎを５πに設定し得る。また、ゲイン定数ｋ_ｆは実験検証を行うことによって操作者が注湯流量を操作しやすくなるような値に設定される。例えば、ゲイン定数ｋ_ｆは０．００１に設定される。上記の通り、注湯流量制御部ＦＣ１は、回転角度φ_ｒに対してローパスフィルタ処理を行い、ローパスフィルタ処理後の値に基づいて目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆを求める。そして、求められた目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆに基づいて、第１のモータ１３の動作を制御するための目標傾動角度速度ω_ｒｅｆ及び指令値ｕ_ｔを求めている。

【0078】

第２のモードは、上述した第１のモードと第３のモードとの間の遷移区間として機能する。第２のモードで用いられるゲイン定数ｋ_ｆ１は、下記式（２１）に従って求められる。

【0079】

【数21】

【0080】

式（２１）は、出湯開始角度θ_ｓでの目標出湯口液位として、ｈ_ｒｅｆ＝０、ｄ^２ｈ_ｒｅｆ／ｄｔ^２＝０を式（１８）に代入し、式（１８）〜式（２０）を用いて回転角度φ_ｒと指令値ｕ_ｔとの関係を求めることによって導出することができる。第２のモードでは、取鍋１２から溶湯Ｍの出湯が開始される前にゲイン定数をｋ_ｆ０からｋ_ｆ１に変更することで、注湯流量の操作性が低下することを抑制することができる。一実施形態の注湯システム１では、上述の式（１７）〜式（２１）に従って、操作入力部２０からの第１の操作の操作量、即ち回転角度φ_ｒに応じて第１のモータの動作が制御される。これにより、操作者は独立して注湯流量を操作することができる。

【0081】

さらに、一実施形態では、取鍋１２の傾動角度θが出湯開始角度θ_ｓを超え、注湯流量制御部ＦＣ１の制御モードが第２のモードから第３のモードに切り替わる際に、式（２０）に示すローパスフィルタに式（２２）に示すパラメータを与えてもよい。

【0082】

【数22】

【0083】

［落下位置制御］
次に、同期化制御部ＦＣ２について説明する。同期化制御部ＦＣ２は、取鍋１２が傾動するときに、出湯口１２ｂを中心として取鍋１２が傾動するように取鍋１２のＹ方向及びＺ方向の位置を調整する同期化制御を行う。同期化制御部ＦＣ２は、下記式（２３）及び式（２４）に従って、この同期化制御によるＹ方向への移動量ｙ_ｓ［ｍ］及びＺ方向への移動量ｚ_ｓ［ｍ］を求める。

【0084】

【数23】

【0085】

【数24】

【0086】

式（２３）及び式（２４）において、Ｌ［ｍ］は、図８に示すように、取鍋１２の回転軸ＡＸと取鍋１２の傾動中心である出湯口１２ｂとのＹ方向の距離を表しており、θ_０は注湯動作を開始する前の取鍋１２の初期傾動角度を表している。また、γ［ｄｅｇ］は回転軸ＡＸに直交し且つ取鍋１２の幅方向（取鍋１２の傾動角度が０であるときにＹ方向と一致する方向）に沿って延びる直線と水平線とがなす角度である。

【0087】

次に、落下位置推定部ＦＣ３について説明する。落下位置推定部ＦＣ３は、取鍋１２の出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔを推定する（図９参照）。落下位置推定部ＦＣ３は、下記式（２５）に従って、距離Ｓ_ｖｅｓｔを求める。

【0088】

【数25】

【0089】

式（２５）において、Ｓ_ｗ［ｍ］は出湯口１２ｂから鋳型３０の上面（即ち水平面ＨＰ）までのＺ方向に沿った距離を表している。式（２５）のｆは、式（５）及び式（８）〜式（１１）に示す出湯口１２ｂと落下位置ＤＰとのＹ方向における距離を算出するための関数を表している。例えば、取鍋１２の出湯口１２ｂが湯口３１の上方に配置されている場合には、式（２５）によって推定される距離Ｓ_ｖｅｓｔだけ取鍋１２をＹ方向に後退させることで取鍋１２から流出する溶湯Ｍは湯口３１に注湯されることとなる。

【0090】

次に、落下位置操作部ＦＣ４について説明する。落下位置操作部ＦＣ４は、操作者による操作入力部２０の第３の操作の操作量、例えばレバー２１の左右方向への傾動角度φ_ｙを操作入力部２０から受け取り、傾動角度φ_ｙに応じて第３のモータ１５の動作を制御するための指令値ｕ_ｙ［Ｖ］を生成する。具体的に、落下位置操作部ＦＣ４は、下記式（２６）に従って、溶湯Ｍの落下位置ＤＰのＹ方向に沿った移動量ｙ_ｐを求める。

【0091】

【数26】

【0092】

式（２６）において、ｋ_ｐｙは傾動角度φ_ｙと落下位置ＤＰのＹ方向の移動速度ｄｙ_ｐ／ｄｔとの関係を定めるゲイン定数である。ゲイン定数ｋ_ｐｙは、落下位置ＤＰの操作性が良好になるように調整された値に設定される。取鍋１２の操作前の位置から移動量ｙ_ｐだけＹ方向にずれた位置は、溶湯Ｍの落下位置の目標値である目標落下位置に設定される。

【0093】

次に、前後位置制御部ＦＣ５について説明する。前後位置制御部ＦＣ５は、取鍋１２からの溶湯Ｍの落下位置が目標落下位置になるように第３のモータ１５に対する指令値ｕ_ｙを生成し、その指令値ｕ_ｙを第３のモータ１５に送出する。

【0094】

前後位置制御部ＦＣ５は、下記式（２７）に従って取鍋１２のＹ方向の位置をフィードバック制御する。

【0095】

【数27】

【0096】

ｘ_ｙ［ｍ］を取鍋１２のＹ方向の位置とし、ｒ_ｙ［ｍ］を取鍋１２のＹ方向の目標位置としたとき、式（２７）のＸ_ｙは取鍋１２のＹ方向位置ｘ_ｙ［ｍ］をラプラス変換した値を表しており、Ｒ_ｙは取鍋１２のＹ方向の目標位置ｒ_ｙ［ｍ］をラプラス変換した値を表している。また、式（２７）において、ｓはラプラス演算子を表しており、Ｐ_ｙ（ｓ）は第３のモータ１５の駆動系を表しており、Ｋ_ｙ（ｓ）は制御器を表している。駆動系Ｐ_ｙ（ｓ）は下記式（２８）で表される。

【0097】

【数28】

【0098】

式（２８）において、Ｔ_ｍｙ［ｓ］は第３のモータ１５の時定数を表し、Ｋ_ｍｙ［ｍ／ｓ／Ｖ］はゲイン定数を表している。式（２８）に示すように、第３のモータ１５の駆動系では、第３のモータ１５に対する指令値ｕ_ｙから取鍋１２のＹ方向への移動速度が一次遅れ系の関係を有する。また、式（２７）に示すように、制御器Ｋ_ｙ（ｓ）はＰＩＤ制御等を構成する。一実施形態では、落下位置操作部ＦＣ４は、下記式（２９）に示すように比例制御により指令値ｕ_ｙを求める。

【0099】

【数29】

【0100】

式（２９）においてｋ_ｃｙは比例制御における比例ゲインを表している。比例ゲインｋ_ｃｙは、溶湯Ｍの落下位置を目標落下位置に一致させるための目標位置ｒ_ｙに取鍋１２を素早く移動できるような値に設定される。取鍋１２のＹ方向の位置ｘ_ｐｙ［ｍ］と出湯口１２ｂのＹ方向の位置ｘ_Ｌｙ［ｍ］の関係は、下記式（３０）のように表される。式（２３）からも明らかであるように、取鍋１２の同期化制御を行うことによって取鍋１２の傾動角度θに関わらず出湯口１２ｂのＹ方向の位置が維持される。

【0101】

【数30】

【0102】

取鍋１２のＹ方向の目標位置ｒ_ｙは、下記式（３１）の下段に示すように、式（２３）に従って求められる同期化制御によるＹ方向への移動量ｙ_ｓ、式（２５）に従って求められる出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔ、及び、式（２６）に従って求められる落下位置ＤＰのＹ方向に沿った移動量ｙ_ｐに基づいて求められる。

【0103】

【数31】

【0104】

式（３１）においてｒ_ｃは湯口３１の半径を表している。一実施形態では、式（３１）の上段に示すように、出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔが湯口３１の半径ｒ_ｃよりも小さい場合には、取鍋１２の出湯口１２ｂがｙ_ｓ−ｒ_ｃに対応する位置に配置されるように取鍋１２が制御される。言い換えれば、取鍋１２の傾動角度が、溶湯Ｍの落下位置ＤＰが湯口３１の中心位置に達する角度（第３の角度）よりも小さいときには、取鍋１２の出湯口１２ｂが湯口３１の取鍋１２側の縁部の上方に位置するように取鍋１２の位置が制御される。一方、式（３１）の下段に示すように、出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔが湯口３１の半径ｒ_ｃ以上である場合には、溶湯Ｍの落下位置ＤＰが目標落下位置になるように、第３のモータ１５の動作が制御される。例えば、出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔが湯口３１の半径ｒ_ｃ以上であり、且つ、移動量ｙ_ｐが０である場合には、取鍋１２から流出する溶湯Ｍの落下位置は湯口３１の中心に維持される。そして、操作者がレバー２１を左右方向へ傾動角度φ_ｙだけ操作することで、溶湯Ｍの落下位置を傾動角度φ_ｙに応じた移動量ｙ_ｐだけ湯口３１の中心から移動させることができる。

【0105】

［上下方向位置の制御］
次に、上下位置制御部ＦＣ６について説明する。上下位置制御部ＦＣ６は、操作者による操作入力部２０の第２の操作の操作量、例えばレバー２１を上下方向への傾動角度φ_ｚを当該操作入力部２０から受け取り、傾動角度φ_ｚに応じて第２のモータ１４の動作を制御するための指令値ｕ_ｚ［Ｖ］を生成する。具体的に、上下位置制御部ＦＣ６は、下記式（３２）に従って、傾動角度φ_ｚから取鍋１２のＺ方向の移動量ｚ_ｐ［ｍ］を求める。

【0106】

【数32】

【0107】

式（３２）において、ｋ_ｐｚは傾動角度φ_ｚと取鍋１２のＺ方向の移動速度ｄｚ_ｐ／ｄｔとの関係を定めるゲイン定数である。ゲイン定数ｋ_ｐｚは、取鍋１２のＺ方向の操作性が良好になるように調整された値に設定される。上下位置制御部ＦＣ６は、下記式（３３）に従って取鍋１２のＺ方向の位置をフィードバック制御する。

【0108】

【数33】

【0109】

ｘ_ｚ［ｍ］を取鍋１２のＺ方向の位置とし、ｒ_ｚ［ｍ］を取鍋１２のＺ方向の目標位置としたとき、式（３３）のＸ_ｚは取鍋１２のＺ方向位置ｘ_ｚ［ｍ］をラプラス変換した値を表しており、Ｒ_ｚは取鍋１２のＺ方向の目標位置ｒ_ｚ［ｍ］をラプラス変換した値を表している。また、式（３３）において、ｓはラプラス演算子を表しており、Ｐ_ｚ（ｓ）は第２のモータ１４の駆動系を表しており、Ｋ_ｚ（ｓ）は制御器を表している。駆動系Ｐ_ｚ（ｓ）は下記式（３４）で表される。

【0110】

【数34】

【0111】

式（３４）において、Ｔ_ｍｚ［ｓ］は第２のモータ１４の時定数を表し、Ｋ_ｍｚ［ｍ／ｓ／Ｖ］はゲイン定数を表している。式（３４）に示すように、第２のモータ１４の駆動系では、第２のモータ１４に対する指令値ｕ_ｚから取鍋１２のＺ方向への移動速度が一次遅れ系の関係を有する。また、式（３３）に示すように、制御器Ｋ_ｚ（ｓ）はＰＩＤ制御等を構成する。一実施形態では、上下位置制御部ＦＣ６は、下記式（３５）に示すように比例制御により指令値ｕ_ｚを求める。

【0112】

【数35】

【0113】

式（３５）においてｋ_ｃｚは比例制御における比例ゲインを表している。比例ゲインｋ_ｃｚは、目標位置ｒ_ｚに取鍋１２を素早く移動できるような値に設定される。取鍋１２のＺ方向の位置ｘ_ｐｚ［ｍ］と出湯口１２ｂのＺ方向の位置ｘ_Ｌｚ［ｍ］の関係は、下記式（３６）のように表される。式（２４）からも明らかであるように、取鍋１２の同期化制御を行うことによって取鍋１２の傾動角度θに関わらず出湯口１２ｂのＺ方向の位置が維持される。

【0114】

【数36】

【0115】

上下位置制御部ＦＣ６は、下記式（３７）に示すように、式（２４）に従って求められる同期化制御によるＺ方向への移動量ｚ_ｓと、式（３２）に従って求められる傾動角度φ_ｚに応じた取鍋１２のＺ方向の移動量ｚ_ｐとに基づいて、取鍋１２のＺ方向の目標位置ｒ_ｚを求める。

【0116】

【数37】

【0117】

式（３７）において、ｚ_０は注湯開始前の湯口３１を基準とした出湯口１２ｂの高さを表している。式（３７）に示すように、移動量ｚ_ｐが０である場合には、湯口３１を基準とした出湯口１２ｂの高さは一定に維持される。そして、操作者がレバー２１を上下方向へ傾動角度φ_ｚだけ操作したときに、取鍋１２のＺ方向の位置を傾動角度φ_ｚに応じた移動量ｚ_ｐだけ移動させることができる。また、操作者による取鍋１２の操作後の鋳型３０の上面から出湯口１２ｂまでのＺ方向に沿った距離Ｓ_ｗは、下記（３８）で表される。式（２５）に示すように、上下位置制御部ＦＣ６によって求められた距離Ｓ_ｗは、出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔの算出にも用いられる。

【0118】

【数38】

【0119】

［ティーチングデータの生成方法］
図１０を参照し、上述した注湯システム１の制御方法を説明する。一実施形態の注湯システム１の制御方法では、ティーチングプレーバック制御で用いるためのティーチングデータが生成される。この方法では、図１０に示すように、注湯システム１の制御部Ｃｎｔが、操作者によって操作されたレバー２１の回転角度φ_ｒ、傾動角度φ_ｚ及び傾動角度φ_ｙを操作入力部２０から受け付ける。次いで、制御部Ｃｎｔは、回転角度φ_ｒ及び傾動角度φ_ｚに応じて第１のモータ１３及び第２のモータ１４の動作を制御するための指令値ｕ_ｔ、ｕ_ｚをそれぞれ生成すると共に、傾動角度φ_ｙに応じて目標落下位置を設定し、溶湯Ｍの落下位置が目標落下位置になるような指令値ｕ_ｙを生成する。次いで、制御部Ｃｎｔは、指令値ｕ_ｔ、ｕ_ｙ及びｕ_ｚを第１〜３のモータ１３、１４、１５に送出し、取鍋１２内の溶湯Ｍを鋳型３０内に注湯する。

【0120】

次いで、制御部Ｃｎｔは、指令値ｕ_ｔ、ｕ_ｚ及びｕ_ｙを用いて上記（１）〜式（１６）に示す数理モデルに従って注湯シミュレーションを行い、下記式（３９）に示す評価関数が最小となるように流量係数、溶湯Ｍの密度ρ、及び、出湯開始角度θ_ｓを最適化する。

【0121】

【数39】

【0122】

式（３９）において、Ｗ_Ｌｅｘｐ［ｋｇ］は、ティーチングモードの際にロードセルＬＤによって計測された溶湯Ｍの流出重量であり、Ｗ_Ｌｓｉｍ［ｋｇ］は上記（１）〜式（１６）に示す数理モデルに従って求められた溶湯Ｍの流出重量である。また、Ｔ［ｓ］は注湯時間を表している。一実施形態では、制御部Ｃｎｔが、式（３９）に示す最適化問題を解くことで、出湯口１２ｂ上の溶湯Ｍの液位ｈ_ｔｃ［ｍ］及び出湯口１２ｂから落下位置までのＹ方向の距離Ｓ_ｖｔｃ［ｍ］の最適値をティーチングデータとして取得する。また、制御部Ｃｎｔは、傾動角度φ_ｚに応じた取鍋１２のＺ方向の移動量ｚ_ｐｔｃ、及び、傾動角度φ_ｙに応じた取鍋１２のＹ方向の移動量ｙ_ｐｔｃもティーチングデータとして取得する。

【0123】

次いで、一実施形態の注湯システムの制御方法では、取得されたティーチングデータに基づいて鋳型３０内に自動的に溶湯を注ぐプレーバックモードで注湯処理が行われる。このプレーバックモードでは、上記式（１８）及び式（１９）に基づいて注湯流量の制御が行われる。具体的には、式（１８）に示す目標出湯口液位ｈ_ｒｅｆとしてティーチングデータである液位ｈ_ｔｃが与えられる。また、プレーバックモードでは、式（２７）〜式（３１）に基づいて溶湯Ｍの落下位置の制御が行われる。具体的には、式（３１）の出湯口１２ｂから落下位置ＤＰまでのＹ方向の距離Ｓ_ｖｅｓｔとしてティーチングデータである距離Ｓ_ｖｔｃ［ｍ］が与えられ、落下位置ＤＰのＹ方向に沿った移動量ｙ_ｐとしてティーチングデータである移動量ｙ_ｐｔｃが与えられる。さらに、プレーバックモードでは、式（３３）〜式（３７）に基づいて取鍋１２の上下方向の位置が制御される。具体的には、式（３７）の取鍋１２のＺ方向の移動量ｚ_ｐとしてティーチングデータである移動量ｚ_ｐｔｃが与えられる。このように、制御部Ｃｎｔがプレーバックモードで注湯処理を行うことによってティーチングモードで行われた注湯動作と同じ条件で注湯制御を行うことができる。

【0124】

［境界条件の導出方法］
一実施形態の注湯システムの制御方法では、取得されたティーチングデータに基づいて、ＣＡＥを用いた鋳型内の湯流れ解析を行う際に必要となる湯口流入部の境界条件が導出される。鋳型内の湯流れ解析を行う際には、湯口流入部の境界条件として、湯口３１への溶湯Ｍの流入流速、流入角度及び流入範囲が必要となる。一実施形態の注湯システムの制御方法では、溶湯Ｍの流入流速及び流入角度は、式（１３）及び式（１４）に従って導出される。また、湯口３１に対する溶湯Ｍの流入範囲は、式（４０）に示すように、式（１６）に従って求められる湯口３１の中心を基準する溶湯Ｍの断面の半径ｒ_ｌと、溶湯Ｍの落下位置ＤＰのＹ方向に沿った移動量ｙ_ｐとを用いて導出される。

【0125】

【数40】

【0126】

式（４０）において、Ｓ_Ｌ［ｍ］は湯口３１上において取鍋１２から流出した溶湯Ｍが湯口３１に流入する範囲を表している。この流入範囲Ｓ_Ｌが溶湯Ｍの流入範囲となる。なお、湯口３１に対して落下する溶湯Ｍは円柱形状を有すると仮定しているため、３次元湯流れ解析においても式（４０）の溶湯Ｍの流入範囲は維持される。

【0127】

［実験例］
図１１は、上述の注湯システムを用いた注湯操作の実験結果の一例を示している。図１１の（ａ）は回転角度φ_ｒの経時的変化を示しており、図１１の（ｂ）は取鍋１２の傾動角速度ωの経時的変化を示しており、図１１の（ｃ）は取鍋１２の傾動角度θの経時的変化を示しており、図１１の（ｄ）は出湯口１２ｂ上の液位ｈの経時的変化を示しており、図１１の（ｅ）は注湯流量ｑの経時的変化を示している。また、図１１の（ｆ）はロードセルＬＤによって計測された流出重量Ｗの経時的変化を示しており、図１１の（ｇ）は溶湯Ｍの落下位置Ｓｖの経時的変化を示しており、図１１の（ｈ）は湯口３１に対する溶湯Ｍの流入流速ｖ_ｔの経時的変化を示しており、図１１の（ｉ）は湯口３１に対する溶湯Ｍの流入範囲Ｓ_Ｌの経時的変化を示しており、図１１の（ｊ）は湯口３１に対する溶湯Ｍの流入角度φ_ｉｎの経時的変化を示している。これらのデータのうち、流入流速ｖ_ｔ、流入範囲Ｓ_Ｌ及び流入角度φ_ｉｎをＣＡＥによる湯流れ解析の境界条件として与えることで、ＣＡＥ解析の精度を向上させることができる。

【0128】

次に、注湯システム１を制御するための制御プログラムについて説明する。この制御部プログラムは、制御部Ｃｎｔにおいて実行される。

【0129】

制御プログラムは、メインモジュール、注湯流量制御モジュール、同期化制御モジュール、落下位置推定モジュール、落下位置操作部モジュール、前後位置制御モジュール及び上下位置制御モジュールを備えている。

【0130】

メインモジュールは、注湯システム１を統括的に制御する部分である。注湯流量制御モジュール、同期化制御モジュール、落下位置推定モジュール、落下位置操作モジュール、前後位置制御モジュール及び上下位置制御モジュールを制御部Ｃｎｔにおいて実行することにより実現される機能はそれぞれ、上記の注湯流量制御部ＦＣ１、同期化制御部ＦＣ２、落下位置推定部ＦＣ３、落下位置操作部ＦＣ４、前後位置制御部ＦＣ５及び上下位置制御部ＦＣ６の機能と同一である。

【0131】

制御部プログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ、ＲＯＭ等の記録媒体または半導体メモリに記録された態様で提供される。また、制御部プログラムは、通信ネットワークを介して提供されてもよい。

【0132】

以上、種々の実施形態に係る注湯システム、注湯システムの制御方法、制御プログラム、及び、制御プログラムを記憶するコンピュータ読み取り可能な記録媒体について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形態様を構成可能である。例えば、上記実施形態では、取鍋１２の同期化制御を行うことによって取鍋１２の傾動角度θに関わらず出湯口１２ｂの位置を維持しているが、取鍋１２の出湯口１２ｂが傾動中心になるような機構を備えていれば、必ずしも同期化制御を行わなくてもよい。

【0133】

また、上記実施形態では、式（１７）に示すように、回転角度φ_ｒに不感帯の領域を設定しているが、この領域は必ずしも設けられている必要はない。また、同式に示すように、注湯流量制御部ＦＣ１が、取鍋１２の傾動角度θに応じて、第１〜第３のモードの何れかに従って第１のモータ１３の動作を制御しているが、注湯流量制御部ＦＣ１は傾動角度θに関わらず、常に第３のモードで第１のモータ１３の動作を制御することも可能である。

【0134】

また、上記実施形態では、操作入力部２０がレバー２１を有するジョイスティックとして構成されているが、操作入力部２０は、必ずしもジョイスティックでなくてもよく、第１の操作、第２の操作及び第３の操作を操作者から受け付けることができれば任意の機構を備え得る。

【符号の説明】

【0135】

Ｃｎｔ…制御部、ＦＣ１…注湯流量制御部、ＦＣ２…同期化制御部、ＦＣ３…落下位置推定部、ＦＣ４…落下位置操作部、ＦＣ５…前後位置制御部、ＦＣ６…上下位置制御部、ＨＰ…水平面、Ｍ…溶湯、１…注湯システム、１０…注湯装置、１２…取鍋、１２ａ…出湯ノズル、１２ｂ…出湯口、１３…第１のモータ、１４…第２のモータ、１５…第３のモータ、２０…操作入力部、２１…レバー、３０…鋳型、３１…湯口。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】