倾转式自动浇注方法以及存储浇包用倾转控制程序的存储介质

摘要

本发明涉及倾转式自动浇注方法以及存储浇包用倾转控制程序的存储介质。利用计算机来控制施加于使浇包倾转的伺服马达、使浇包进行前后移动伺服马达、以及使浇包进行上下移动的伺服马达的输入电压，由此使从浇包流出的金属熔液正确地朝铸模内浇口下落，制作成从浇包流出的金属熔液的下落轨迹的数理模型，解出该制成的数理模型的逆模型，且考虑缩流的影响而利用浇注流速估算部及下落位置估算部来估算金属熔液的下落位置，利用计算机来处理该下落位置数据，由此，获得针对使所述浇包倾转的伺服马达、使所述浇包进行前后移动的伺服马达、以及使所述浇包进行上下移动的伺服马达的输入电压，基于该所获的输入电压来控制所述三个伺服马达。

说明书

技术领域

本发明涉及一般的铸造技术，特别是涉及在浇包中保持规定量的熔化 后的铁、铝等金属熔液、并通过使浇包倾转而向铸模浇注金属熔液的倾转 式自动浇注方法。

背景技术

以往，在倾转式自动浇注方法中已知：（1）当向浇注位置输送时，对 金属熔液的振动进行抑制；（2）对因浇注结束时的后倾动作而产生的金属 熔液的振动进行抑制；（3）控制浇包倾转速度以保持恒定的浇注流量；（4） 在短时间内浇注规定重量的金属熔液的浇注方法；（5）控制浇包倾转速度 以实现期望的浇注流量模式的浇注方法；（6）使浇包的金属熔液的排出口 升降，使浇注初期从浇包流出的金属熔液的流量增大的浇注方法；（7）使 用模糊控制的倾转式自动浇注方法；以及（8）使用线形参数变动模型的倾 转式自动浇注方法。

以往，在（1）和（2）中涉及的是针对输送浇包、倾转时所产生的金 属熔液表面的振动抑制装置，并未触及在浇注时如何实现期望的流量这一 问题。并且，（3）和（5）是对每单位时间内注入的金属熔液重量进行控制 的方法，（4）、（6）、（7）是正确地浇注规定重量的金属熔液的方法。在浇 注方法（6）中，为了缩短浇注时间，通过使浇包的金属熔液排出口下降而 使从浇包流出的金属熔液的流量增大。这些方法是以高精度控制浇注流量 或浇注重量的浇注方法，并未对倾转式浇注方法中的被浇注的金属熔液的 下落位置进行控制，从而存在浇注的金属溶液偏离铸模内浇口的问题。

为了消除这些问题，已知有通过前馈控制来控制从浇包流出的液体的 下落位置的方法（参照专利文献1）。专利文献1所记载的方法虽然是有效 的方法，但还是期望以更高的精度控制下落位置。

专利文献1：日本特开2008－272802号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供一种使从浇包流出的金属熔液正确地朝铸模 内浇口下落的浇注方法以及存储浇包用倾转控制程序的存储介质。

为了达成上述目的，本发明的倾转式自动浇注方法，在通过使具备 能够进行倾转、前后移动以及上下移动的三个伺服马达的倾转式自动浇 注装置的保持金属熔液的浇包进行倾转来向铸模浇注的过程中，利用计 算机来控制施加于使浇包倾转的伺服马达、使浇包进行前后移动伺服马 达、以及使浇包进行上下移动的伺服马达的输入电压，由此使从浇包流 出的金属熔液正确地朝铸模内浇口下落，所述倾转式自动浇注方法的特 征在于，制作从浇包流出的金属熔液的下落轨迹的数理模型，解出该制 成的数理模型的逆模型，并且考虑缩流的影响而利用浇注流速估算部及下 落位置估算部来估算金属熔液的下落位置，利用计算机来处理该下落位置 数据，由此，获得针对使所述浇包倾转的伺服马达、使所述浇包进行前后 移动的伺服马达、以及使所述浇包进行上下移动的伺服马达的输入电压， 基于该得到的输入电压来控制所述三个伺服马达，使浇包移动以使金属熔 液的下落位置向铸模内浇口收敛，由此正确地注入朝浇口内下落的金属熔 液。

并且，本发明的存储浇包用倾转控制程序的存储介质，该存储浇包用 倾转控制程序的存储介质对如下控制程序进行存储，在通过使具备能够进 行倾转、前后移动以及上下移动的三个伺服马达的倾转式自动浇注装置 的保持金属熔液的浇包进行倾转来向铸模浇注的过程中，为了使从浇包 流出的金属熔液正确地下落至铸模内浇口，凭借该控制程序并利用计算 机来控制对使浇包倾转的伺服马达、使浇包进行前后移动的伺服马达、 以及使浇包进行上下移动的伺服马达施加的输入电压，所述存储浇包用 倾转控制程序的存储介质的特征在于，制作从浇包流出的金属熔液的下 落轨迹的数理模型，解出该制成的数理模型的逆模型，并且考虑缩流的 影响而利用浇注流速估算部及下落位置估算部来估算金属熔液的下落位 置，利用计算机来处理该下落位置数据，由此，获得针对使所述浇包倾转 的伺服马达、使所述浇包进行前后移动的伺服马达、以及使所述浇包进行 上下移动的伺服马达的输入电压，基于该得到的输入电压来控制所述三个 伺服马达，使浇包移动以使金属熔液的下落位置向铸模内浇口收敛，由此 正确地注入朝浇口内下落的金属熔液。

其中，用于本发明中的数理模型法是指进行如下控制的方法：对工序 的热收支、物质收支、化学反应、限制条件等算式进行求解，求出利益、 成本等作为计算机控制目的的函数，求出其最大、最小值并能够进行控制 以达到该最大、最小值。另外，在本发明中，作为浇包，使用了圆筒形的 浇包、或纵截面形状为扇形的浇包。

进而，浇包在其重心附近被支承。并且，缩流是指在金属溶液排出口 前端的流出位置因重力的影响而使得溢流水深减少的情况。

根据本发明，使浇包进行前后移动而控制金属熔液下落位置，由此能 够将从浇包流出的金属熔液正确地注入铸模内浇口。由此，存在如下优点： 金属熔液在浇注过程中不会偏离铸模内浇口，能够安全且无浪费地进行浇 注。

附图说明

图1是示出在本发明之前说明的现有例中所使用的倾转式自动浇注装 置的概要情况的图。

图2是图1的自动浇注装置的浇包的纵剖视图。

图3是图2的主要部分位放大详细图。

图4是示出了金属熔液排出口前端的图。

图5是示出了现有例的下落位置控制系统的系统的框线图。

图6是浇注流量前馈控制系通的框图。

图7是示出了现有例的浇注工序的图。

图8是示出了浇注下落位置轨迹的模拟结果的图。

图9是示出了本发明中所使用的倾转式自动浇注装置的概要情况的 图。

图10是示出了本发明的下落位置控制系统的系统的框线图。

图11是示出朝金属熔液排出口引导部侵入时的流速的剖视图。

图12是示出了本发明与现有例的模拟及实验结果的图。

具体实施方式

以下，对用于实施本发明的最佳方式进行说明，首先在说明之前，利 用图1～图8对使用前馈控制的现有例进行说明，然后利用图9～图11对 应用了本发明的倾转式自动浇注装置进行说明。

［1．关于现有例的倾转式自动浇注装置］

图1所示的装置是现有例的倾转式自动浇注装置的概要图。现有例的 倾转式自动浇注装置1中设置有浇包2，利用设置于该倾转式自动浇注装 置1的各位置的伺服马达3、3能够使浇包2进行倾转、前后移动、上下移 动。并且，在该伺服马达3、3安装有回转编码器，能够对浇包2的位置以 及倾斜角度进行测量。进而，利用计算机对伺服马达3、3传送控制指令信 号。

其中，所述计算机说的是个人计算机、微计算机、程序逻辑控制器 （PLC）以及数字信号处理器（DSP）等运动控制器。

在作为浇包2的浇注时的纵剖视图的图2中，将浇包2的倾转角度设 为θ［deg］、比作为浇包2的倾转中心的金属熔液排出口更靠下部的金属 熔液体积（浓色填充部）设为Vs（θ）［m³］、包括金属熔液排出口在内 的水平面的面积（浓色填充部与淡色填充部的边界线上的面积)设为A（θ） ［m²］、比金属熔液排出口更靠上部的金属熔液体积（淡色填充部）设为 Vr［m³］、上部金属熔液的高度设为h［m］、从浇包2流出的金属熔液的 流量设为q［m³／s］，此时，从浇注时的时刻t［s］开始经过Δt［s］以 后的浇包内金属熔液的收支式如下述的算式（1）所示。

Vr（t）＋Vs（θ（t））

＝Vr（t＋Δt）＋Vs（θ（t＋Δt））＋q（t）Δt…（1）

利用算式（1）对金属熔液体积Vr［m³］进行求解，若设为Δt→0， 则变成下述算式（2）。

[数学式1]

$\underset{\mathrm{\Delta t}\to 0}{\lim }\frac{V_r(t+\mathrm{\Delta t})-V_r\left(t\right)}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

$=-q\left(t\right)-\frac{{\mathrm{aV}}_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}=-q\left(t\right)-\frac{\stackrel{··}{o}{V}_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta \left(t\right)}\frac{\mathrm{d\theta }\left(t\right)}{\mathrm{dt}}...\left(2\right)$

并且，利用下述的算式（3）表示浇包2的倾转角速度ω［deg／s］。

ω（t）＝dθ（t）／dt…（3）

因此，若将算式（3）代入到算式（2），则得到下述算式（4）。

[数学式2]

$\frac{d{V}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-q\left(t\right)-\frac{\partial V\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta \left(t\right)}\omega \left(t\right)...\left(4\right)$

并且，能够利用下述算式（5）来表示比金属熔液排出口更靠上部的金 属熔液体积Vr［m³］。

[数学式3]

$V_r\left(t\right)={\int }_0^{h\left(t\right)}{A}_s(\theta \left(t\right),h_s)d{h}_s...\left(5\right)$

此处，面积As［m²］表示与图3所示的金属熔液排出口水平面距离 高度hs［m］处的金属熔液水平面积。

并且，若将面积As［m²］分割成金属熔液排出口水平面的面积A［m²］、 与相对于面积A［m²］的面积变化量ΔAs［m²］，则能够利用下述算式（6） 来表示金属熔液体积Vr［m³］。

[数学式4]

$V_r\left(t\right)={\int }_0^{h\left(t\right)}(A\left(\theta \left(t\right)\right)++\Delta A_s(\theta \left(t\right),h_s))d{h}_s$

$=A\left(\theta \left(t\right)\right)h\left(t\right)+{\int }_0^{h\left(t\right)}\Delta A_s(\theta \left(t\right),h_s)d{h}_s...\left(6\right)$

并且，对于包括浇包2在内的一般的浇包，由于面积变化量ΔAs［m²］ 相对于金属熔液排出口水平面的面积A［m²］而言极小，因此能够得出下 述算式（7）。

[数学式5]

$A\left(\theta \left(t\right)\right)h\left(t\right)>>{\int }_0^{h\left(t\right)}\Delta A_s(\theta \left(t\right),h_s){\mathrm{dh}}_s...\left(7\right)$

因此，算式（6）能够表示成下述算式（8）。

因此，根据算式（8）能够得出下述算式（9）。

并且，利用伯努利定理，能够利用下述算式（10）并根据比金属熔液 排出口更靠上部的金属熔液高度h［m］来表示金属熔液流量q［m³／s］。

[数学式6]

$q\left(t\right)=c{\int }_0^{h\left(t\right)}\left(L_f\left(h_b\right)\sqrt{2g{h}_b}\right){\mathrm{dh}}_b,(0<c<1)...\left(10\right)$

此处，hb［m］表示距离图4所示那样的浇包2内的金属熔液的上表 面的金属熔液深度，Lf［m］表示金属熔液深度hb［m］处的金属熔液排 出口的宽度，c表示流量系数，g表示重力加速度。

并且，根据算式（4）、算式（9）以及算式（10），浇注流量模型的基 础式变成下述算式（11）以及算式（12）。

[数学式7]

$\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-c{\int }_0^{\frac{V_r\left(t\right)}{A\left(\theta \left(t\right)\right)}}\left(L_f\left(h_b\right)\sqrt{2g{h}_b}\right){\mathrm{dh}}_b$

$-\frac{\partial V_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta }\omega \left(t\right)...\left(11\right)$

[数学式8]

$q\left(t\right)=c{\int }_0^{\frac{V_r\left(t\right)}{A\left(\theta \left(t\right)\right)}}\left(L_f\left(h_b\right)\sqrt{2g{h}_b}\right)d{h}_b,(0<c<1)...\left(12\right)$

并且，由于浇包2的矩形金属熔液排出口的宽度Lf［m］相对于距离 浇包1内的金属熔液上表面的深度hb［m］恒定，因此根据算式（10）， 能够利用下述算式（13）来表示金属熔液流量q［m3／s］。

[数学式9]

$q\left(t\right)=\frac{2}{3}c{L}_f\sqrt{2g}h{\left(t\right)}^{3/2},(0<c<1)...\left(13\right)$

因此，若将算式（13）分别代入浇注流量模型的基础式（11）以及（12）， 则浇包2的浇注流量模型变成下述算式（14）以及算式（15）。

[数学式10]

$\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{2c{L}_f\sqrt{2g}}{3{A\left(\theta \left(t\right)\right)}^{3/2}}{V}_r{\left(t\right)}^{3/2}$

$-\frac{\partial V_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta }\omega \left(t\right)...\left(14\right)$

[数学式11]

$q\left(t\right)=\frac{2c{L}_f\sqrt{2g}}{3A{\left(\theta \left(t\right)\right)}^{3/2}}{V}_r{\left(t\right)}^{3/2},(0<c<1)...\left(15\right)$

图5中示出了下落位置控制系统的框线图。

qref［m³／s］表示目标流量曲线，u［V］表示对马达的输入电压， P_m、P_f表示马达以及浇注工序的动态特性。

P_f^－1与P_m^－1分别表示浇注流量逆模型与马达逆模型。应用使用了该浇 注工序的逆模型的前馈浇注流量控制系统，以使实际的浇注流量追随目标 流量模式qref。

此外，前馈控制是指通过将对控制对象施加的操作量调节成预先决定 的值而使输出达到目标值的控制方法，在控制对象的输入输出关系以及紊 乱的影响等明确的情况下能够进行性能良好的控制。

图6示出了为实现期望的浇注流量模式qref［m³／s］而导出施加于伺 服马达3、3的控制输入u［V］的系统的控制系统的框线图。此处，利用 下述算式（16）来表示伺服马达3、3的逆模型P_m^-1。

[数学式12]

$u\left(t\right)=\frac{T_m}{K_m}\frac{{\mathrm{d\omega }}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{K_m}{\omega }_{\mathrm{ref}}\left(t\right)...\left(16\right)$

将相对于算式（11）及算式（12）所示的浇注流量模型的基础式的逆 模型导出。根据作为伯努利定理的算式（10）能够求出相对于金属熔液排 出口上部的金属熔液高度h［m］的浇注流量q［m³／s］。将根据浇包2 的形状考虑的对金属熔液排出口上部的最大金属熔液高度hmax［m］进行 n分割时的分割宽度设为Δh［m］，分别利用hi＝iΔh（i＝0，…n）来表 示金属熔液高度。由此，在下述算式（17）中示出了相对于金属熔液高度 h＝［h0h1…hn］T的浇注流量q＝［q0q1…qn］T。

q＝f（h）  …（17）

此处，函数f（h）为算式（10）所示的伯努利定理。由此，算式（17） 的逆函数变成下述算式（18）。

h＝f^-1（q）  …（18）

利用查询表来表现算式（17），并使输入输出关系相反，由此能够表示 该算式（18）。

此处，利用线性插值而使分割间隔qi→qi＋1、hi→hi＋1近似。分割 宽度越小，越能够以高精度来表现浇注流量q［m³／s］与金属熔液排出口 上部的金属熔液高度h［m］之间的关系。期望在能够安装的范围内减小 分割宽度。

根据算式（18），能够利用下述算式（19）来表示实现了期望的浇注流 量模式qref［m³／s］的金属熔液排出口上部的金属熔液高度href［m］。

href（t）＝f^-1（qref（t））  …（19）

并且，对于金属熔液排出口上部的金属熔液高度href［m］处的金属 熔液排出口上部的金属熔液体积Vref［m³］，通过使用算式（9）而利用下 述算式（20）来表示。

Vref（t）＝A（（θ（t））href（t）  …（20）

接下来，将利用算式（20）得出的金属熔液排出口上部的金属熔液体 积Vref［m³］与期望的浇注流量模式qref［m³／s］代入算式（11）的浇 注流量模型的基础式，由此导出实现了下述算式（21）所示的期望的浇注 流量模式的浇包2的倾转角速度ωref［deg／s］。

[数学式13]

${\omega }_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=-\frac{\frac{d{V}_{\mathrm{rref}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+q_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\frac{{\partial V}_e\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta \left(t\right)}}...\left(21\right)$

首先，按顺序依次解出算式（17）至算式（21），将得出的浇包2的倾 转角速度ωref［deg／s］代入算式（16），由此能够获得为实现期望的浇 注流量模式qref而施加于伺服马达3、3的控制输入u［V］。

并且，对于实现了期望的浇注流量模式qref［m³／s］的金属熔液排出 口上部的金属熔液体积Vref［m³］，通过利用算式（15）能够以下述算式 （22）来表示。

[数学式14]

$V_{\mathrm{rref}}\left(t\right)=\frac{3A\left(\theta \left(t\right)\right)}{{\left(2c{L}_f\sqrt{2g}\right)}^{2/3}}{q}_{\mathrm{ref}}{\left(t\right)}^{2/3}...\left(22\right)$

若将根据算式（22）得出的金属熔液排出口上部的金属熔液体积Vref ［m³］与期望的浇注流量模式qref［m³／s］代入算式（21），则能够得到 实现了期望的浇注流量模式的浇包2的倾转角速度ωref［deg／s］。进而， 若将得出的浇包2的倾转角速度ωref［deg／s］代入算式（16）的伺服马 达3、3的逆模型，则能够得出施加于伺服马达3、3的控制输入u［V］。

在图5中，P₀表示从浇包流出的液体的流量到铸模内浇口杯处的金属 熔液下落位置的传递特性。并且，图7中示出了液体从浇包流出、且向铸 模内流入的过程。

在图7中，S_w［m］表示从浇包金属熔液排出口4到铸模浇口5的高 度，S_v［m］表示从浇包金属熔液排出口4到铸模浇口5上表面处的液体 下落位置的水平方向长度。

A_p［m²］表示在浇包金属熔液排出口4前端的液体截面积，Ac［m²］ 表示在铸模浇口5上表面的下落液体截面积。利用式（23）来表示金属熔 液排出口前端处的流出液体R的平均流速v_f［m／s］。

[数学式15]

$v_f\left(h\left(t\right)\right)=\frac{q\left(h\left(t\right)\right)}{A_p\left(h\left(t\right)\right)}...\left(23\right)$

此处，v_f（h（t））［m／s］取决于金属熔液排出口上的液体高度h（t） ［m］。进而，在金属熔液流出过程中，若假设金属熔液截面积恒定，则利 用算式（24）来表示截面积A_p［m²］和A_c［m²］。

[数学式16]

A_c(t+T_f)＝A_p(t)    …(24)

此处，T_f［s］表示下落液体从浇包金属熔液排出口前端到浇口上表面 的时间。

利用算式（25）与算式（26）来表现液体的下落位置S_w［m］与S_v［m］。

[数学式17]

s_v(t)＝v_f(t₀)(t-t₀)    …(25)

[数学式18]

$s_w\left(t\right)=\frac{1}{2}g{(t-t_0)}^2...\left(26\right)$

t₀［s］表示流出液体通过浇包金属熔液排出口前端的时间。

在浇包倾转用伺服马达安装于金属熔液排出口前端的情况下，金属熔 液排出口前端的位置在浇包倾转过程中并不发生变化。然而，在浇包倾转 伺服马达安装于图1所示这样的浇包重心位置的情况下，通过使浇包倾转， 金属熔液排出口前端的位置会以伺服马达旋转轴为中心描绘出圆弧。因 此，构建如下的控制系统：使浇包上下移动用伺服马达以及前后移动用伺 服马达与浇包倾转伺服马达联动地进行驱动，使得金属熔液排出口前端的 位置不产生移动。由此，浇包金属熔液排出口前端的高度保持恒定。因此、 根据算式（26），能够利用算式（27）来表示金属熔液从浇包金属熔液排出 口前端到铸模浇口上表面的下落时间。

[数学式19]

$T_f=t_1-t_0=\frac{\sqrt{{2S}_w}}{g}...\left(27\right)$

此处，S_w［m］表示使用控制系统时从金属熔液排出口前端到铸模浇 口上表面的高度，其中，该控制系统通过使浇包上下移动伺服马达和前后 移动伺服马达与浇包倾转伺服马达联动而使浇包金属熔液排出口前端位 置即使在浇包倾转过程中也保持恒定。并且，t₁［s］表示下落液体到达浇 口的时间。根据算式（25）以及算式（27），能利用算式（28）来表示铸模 内浇口上表面的水平方向上的流出液体下落位置。

[数学式20]

$S_v=v_f\left(t_0\right)\frac{\sqrt{2S_w}}{g}...\left(28\right)$

在浇注流速估算部E_f中，利用算式（29）求出估算流速杠v_f（t）［m ／s］。

[数学式21]

${\bar{v}}_f\left(t\right)=\frac{q_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{A_p\left(\bar{h}\left(t\right)\right)}...\left(29\right)$

根据金属熔液排出口前端的形状与金属熔液排出口前端的液体高度h ［m］而得出截面积A_p［m²］。因此，相对于目标流量的估算液体高度杠 h（t）［m］，像根据流量得出液体高度那样地，能够通过以相对于算式（30） 所示的伯努利定理的算式（31）所示的逆问题来表现而得出。

[数学式22]

$q\left(t\right)=c{\int }_0^{h\left(t\right)}\left(L_f\left(h_b\right)\sqrt{{2\mathrm{gh}}_b}\right){\mathrm{dh}}_b...\left(30\right)$

[数学式23]

$\bar{h}\left(t\right)=f^{-1}\left(q_{\mathrm{ref}}\left(t\right)\right)...\left(31\right)$

在算式（30）中，L_f为图4所示的金属熔液排出口前端上的液体的深 度h_b［m］处的金属熔液排出口的宽度。使用作为正问题的算式（30）并 制作出输入输出表，通过对该输入输出进行变换来构成算式（31）。并且， 根据金属熔液排出口形状并利用算式（32）能够得出截面积。

[数学式24]

$A_p\left(\bar{h}\left(t\right)\right)={\int }_0^{h\left(t\right)}{L}_f\left(h_b\right){\mathrm{dh}}_b...\left(32\right)$

因此，通过利用算式（29）、算式（31）、算式（32）能够进行流速估 算。

在下落位置估算部E_o中，通过将利用算式（29）得出的估算流速代入 算式（28）能够求出估算下落位置杠S_v（t）［m］。

位置控制部Gy表示针对用于使估算下落位置与目标下落位置的偏差 向0收敛的浇包前后动作的位置控制系统。通过将估算下落位置传送给位 置控制系统，能够正确地朝作为目标的铸模内浇口位置注入液体。

为了表示下落位置控制系统的有用性，图8中示出了利用模拟而对下 落位置轨迹进行描绘的结果。图8是从上面对浇注系统进行投影的图。（a） 图为应用了下落位置控制的结果，（b）图为并未应用上述下落位置控制时 的结果。细线示出了浇口杯，粗线示出了距离浇口杯中心最远的流出范围 （流出直径），虚线示出了下落液体的中心与浇口杯中心处于距离最远的 关系下的情况。根据这些结果，能够确认：在应用了下落位置控制系统的 情况下，即使实施了高速浇注，液体也会下落到浇口杯内。

以上，利用图1～图8对现有例进行了说明，在该现有例中，制作出 了从浇包流出的金属熔液的下落轨迹的数理模型，解出了该制成的数理模 型的逆模型，并且采用了通过浇注流速估算部以及下落位置估算部来估算 金属熔液的下落位置这样的方法，由此将从浇包流出的金属熔液正确地注 入到铸模内浇口。接下来，利用图9～图11对实现了更加正确地使金属熔 液向铸模内浇口下落的应用了本发明的倾转式自动浇注装置以及方法进 行说明。其中，在图5及图10所示那样的现有例与应用了本发明的倾转式 自动浇注装置及方法中存在重复部分，对于该重复部分，以下除了必需的 情况以外，将详细说明省略。

另外，应用了本发明的装置及方法解决了利用现有例那样的基于前馈 控制的方法无法解决的下述问题：“当估算的下落位置产生了误差时，无 法高精度地控制下落位置，并且，由于并未考虑金属熔液排出口的引导的 影响以及缩流的影响，因此下落位置会产生误差”。以下所说明的应用了 本发明的装置及方法鉴于现有例中的问题，利用摄像机对从浇包流出的液 体的下落位置进行测量，即使在估算下落位置产生误差的情况，浇包也会 进行移动以实现补偿，从而能够以高精度进行浇注。并且，形成为如下倾 转式自动浇注方法：由于在估算下落位置时还考虑了浇注口的引导的影响 以及缩流的影响，因此能够以高精度估算下落位置，并以高精度使下落位 置与目标位置一致。换言之，如以下的详细说明，在图10所示的本发明的 方法中，在考虑缩流的影响与引导部的影响的前提下来决定流量等，由此 实现了使下落位置的误差本身减少，并且，即使在产生了误差的情况下， 通过使用基于摄像机对下落位置的测量的反馈，实现了以高精度来控制浇 注位置。

［2．关于本发明的倾转式自动浇注装置］

图9所示的装置是应用了本发明的倾转式自动浇注装置的概要图。在 倾转式自动浇注装置11设置浇包12，利用在该倾转式自动浇注装置11的 各位置设置的伺服马达13、13，能够使浇包12进行倾转、前后移动、上 下移动。此处，通过在图9中Y轴方向上进行输送来实现前后移动，通过 在图9中Z轴方向上进行输送来实现上下移动，通过以图9中Θ轴为轴绕 轴向进行转动来实现倾转。Θ轴与Y轴以及Z轴大致正交。浇包12进行 倾转、前后移动、上下移动，由此使来自金属熔液排出口14的金属熔液下 落到铸模浇口15。并且，在该伺服马达安装有回转编码器，能够测量浇包 12的位置以及倾斜角度。进而，在自动浇注装置11的侧方设置作为拍摄 装置的摄像机16，能够对从浇包12的设置于金属熔液排出口14的引导部 流出的液体的下落位置进行测量。进而，利用计算机对伺服马达13、13 输送控制指令信号。

此外，所述计算机说的是个人计算机、微计算机、程序逻辑控制器 （PLC）以及数字信号处理器（DSP）等运动控制器。

针对图9所示的倾转式自动浇注装置，构建了图10所示的下落位置控 制系统。在图10中，P_m为使浇包倾转的马达的动态特性，能够利用以下 算式来表现。

[数学式25]

$T\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}+\omega =\mathrm{Ku}...\left(33\right)$

θ＝∫ωdt  …(34)

然而，ω［deg／s］为倾转角速度，u［V］为输入电压，T［s］为时 间常数，K［deg／s／V］为增益常数。θ［deg］为倾转角速度。并且， 在图10中，P_f为因浇包倾转而从浇包流出的液体的浇注工序，利用以下算 式来表现。

[数学式26]

$\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-q\left(t\right)-\frac{{\partial V}_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta \left(t\right)}\omega \left(t\right)...\left(35\right)$

$h\left(t\right)=-\frac{V_r\left(t\right)}{A\left(\theta \left(t\right)\right)}...\left(36\right)$

$q\left(t\right)=c\underset{0}{\overset{h\left(t\right)}{\int }}{L}_f\left(h_b\right)\sqrt{2g{h}_b}{\mathrm{dh}}_b...\left(37\right)$

其中，V_r［m³］为比金属熔液排出口更靠上部的液体体积，q［m³／s］ 为浇注流量，V_s［m³／s］为比金属熔液排出口更靠下部的液体体积，h［m］ 为比金属熔液排出口更靠上部的液体高度，A［m²］为包括金属熔液排出 口前端在内的水平面上的液体面积，h_b［m］为距离浇包内液体表面的水 深，L_f［m］为金属熔液排出口宽度，g［m／s²］为重力加速度，c为流量 系数。进而，图10的液体流出工序P₀如下述算式所示。

[数学式27]

$v_{f0}\left(t\right)={\alpha }_1\left(\frac{q\left(t\right)}{A_p\left(h\left(t\right)\right)}\right)+{\alpha }_0...\left(38\right)$

$v\left(t\right)=\sqrt{v_{f0}^2+2L_{g}g\sin \theta }...\left(39\right)$

v_f(t)＝vcosθ    …(40)

$T_f=\frac{-v\sin \theta +\sqrt{{\left(v\sin \theta \right)}^2+2S_{w}g}}{g}...\left(41\right)$

S_v＝v_fT_f         …(42)

其中，如图11所示，v_f0［m／s］为浇包内液体向金属熔液排出口14 的引导部14a侵入时的流速，A_p［m²］为金属熔液排出口处的液体截面积。 α₀、α₁为从浇包流出的液体因重力的影响而缩流的影响系数。

L_g［m］表示金属熔液排出口引导长度，v［m／s］表示从金属熔液 排出口引导流出时的流速，v_f［m／s］表示从金属熔液排出口引导流出时 的流速的水平成分，T_f［s］表示从金属熔液排出口流出的液体的下落时间， S_w［m］表示距离金属熔液排出口的垂直距离，S_v［m］表示距离金属熔 液排出口的水平距离。将从铸模内浇口上面到金属熔液排出口的垂直距离 设为S_w［m］，由此能够求出距离金属熔液排出口的水平方向下落位置S_v［m］。

利用算式（33）～算式（37）能够求出图10的逆流量模型。根据算式 （37），能够通过以下算式求出实现了目标浇注流量q_ref［m³／s］的金属 熔液排出口上部的高度h_ref［m］。

h_ref（t）＝f^-1（q_ref（t））  …（43）

进而，根据算式（36），能够以如下算式求出实现了金属熔液排出口上 部液体高度h_ref［m］的金属熔液排出口上部液体体积V_rref［m³］。

V_rref（t）＝A（（θ（t））h_ref（t）  …（44）

根据算式（35），能够利用以下算式表示实现了目标浇注流量的浇包倾 转角速度ω_ref［deg／s］。

[数学式28]

${\omega }_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=-\frac{\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+q_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\frac{\partial V_s\left(\theta \left(t\right)\right)}{\partial \theta \left(t\right)}}...\left(45\right)$

根据算式（33），能够以下述算式求出马达的逆模型。

[数学式29]

$u=\frac{T}{K}\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{K}\omega ...\left(46\right)$

通过按顺序求解算式（43）～算式（46），能够得出实现了目标浇注流 量的对马达的输入电压u［V］。

由于利用算式（43）～算式（46）的逆流量模型实现了目标浇注流量， 因此通过使用目标流量来估算从浇包流出的液体的下落位置。在对从图10 的金属熔液排出口流出的液体的水平成分流速v_f［m／s］进行估算的模块 E_f中，导出了算式（38）～算式（40），将目标浇注流量输入到模块E_f， 由此能够估算从金属熔液排出口流出的液体的水平成分流速v_f［m／s］。 并且，在对距离金属熔液排出口的水平方向下落位置进行估算的模块E_o中，导出了算式（41）、算式（42）。将估算出的水平成分流速v_f［m／s］ 输入到模块E_o，由此能够进行对下落位置的估算。然后，根据估算得出的 下落位置而使浇包移动，由此能够进行对下落位置的控制。即，能够进行 使浇包移动的控制以使例如估算所得的下落位置与铸模的浇口位置一致。

此处，图10的相对下落位置意味着以金属熔液排出口前端为基准的水 平方向下落位置，若在水平方向上输送浇包，则伴随与此，作为金属熔液 排出口前端基准的坐标也会移动。进而，绝对下落位置表示相对于利用摄 像机测量所得的固定坐标的水平方向下落位置。将目标位置传送到摄像机 坐标内，求出目标位置与下落位置的位置偏差。此处，目标位置是操作者 针对浇口中心等输入的参数。进而，进行反馈控制而使浇包移动，以修正 位置偏差部分。由此，即使在图10的模块E_f以及E_o的下落位置估算产生 误差的情况下，也能够通过基于摄像机的下落位置反馈控制来进行补偿。

如上，应用了本发明的倾转式自动浇注装置及方法，使具备能够进行 倾转、前后移动以及上下移动的三个伺服马达的倾转式自动浇注装置的保 持金属熔液的浇包进行倾转，由此当向铸模浇注时，对于为了使从设置于 浇包的金属熔液排出口的引导部流出的金属熔液正确地朝铸模内浇口下 落而使浇包倾转的伺服马达、使浇包进行前后移动伺服马达、以及使浇包 进行上下移动的伺服马达，利用计算机来控制施加于上述三个马达的输入 电压，本发明的特征在于，制作成从所述浇包流出的金属熔液的下落轨迹 的数理模型，解出该制成的数理模型的逆模型，并且在考虑金属熔液排出 口的引导部的影响以及缩流的影响的前提下利用浇注流速估算部及下落 位置估算部来估算金属熔液的下落位置，利用计算机来处理该下落位置数 据，由此，获得针对使所述浇包倾转的伺服马达、使所述浇包进行前后移 动的伺服马达、以及使所述浇包进行上下移动的伺服马达的输入电压，基 于该所获输入电压来控制所述三个伺服马达。即，如算式（38）及算式（39） 所记载，考虑缩流的影响及引导的影响，由此能够比现有例更正确地进行 前馈控制。例如虽然因缩流而使得金属熔液排出口截面减小、且平均流速 增加，但是在未考虑该缩流的影响的情况下，估算下落位置会与该流速的 增加部分相应地产生误差，然而在本发明中能够抑制减小该误差。此处， 可以在该前馈控制的基础上，利用反馈控制来对位置误差进行补偿，从而 更正确地控制下落位置，即，利用设置于所述浇包的侧方的拍摄装置来测 量从所述浇包流出的金属熔液的下落位置，当该测量所得的下落位置与所 述估算所得的下落位置之间产生误差时，对该误差进行抑制，从而使金属 熔液正确地下落到目标位置。并且，本发明还能够应用于利用计算机来执 行以上这样的控制的浇注控制程序、以及将该程序存储成能够利用计算机 来读取的存储介质。

具有这样的结构的本发明考虑了浇口的引导部的影响以及／或者缩流 的影响，由此能够进行更正确的前馈控制，基于此而使浇包进行前后移动， 并控制金属熔液下落位置，由此能够将从浇包流出的金属熔液正确地注入 到铸模内浇口。由此，具有如下优点：金属熔液在浇注过程中不会偏离铸 模内浇口，能够安全且无浪费地进行浇注。

并且，在应用了本发明的倾转式自动浇注装置设置有浇包，利用设置 于该倾转式自动浇注装置的各位置的伺服马达，能够使浇包进行倾转、前 后移动、上下移动。并且，在该伺服马达安装有回转编码器，能够对浇包 的位置以及倾斜角度进行测量。然后，还具有如下特征：在自动浇注装置 的侧方设置摄像机，能够测量从浇包流出的液体的下落位置。还具备运动 控制器，该运动控制器对来自浇包的流出液体的下落位置进行估算，并将 浇包输送指令信号传送给该自动浇注装置，以使估算所得的下落位置与目 标位置一致。并且，还具有如下特征：即使在下落位置的估算值产生误差 的情况下也能够根据摄像机图像而求出目标位置与下落位置之间的位置 偏差，并传送浇包输送指令信号以抑制该位置偏差（抑制目标位置的误 差）。

根据该倾转式自动浇注装置及方法，与以往的下落位置控制相比，能 够以高精度来估算下落位置，并且即使在估算所得的下落位置产生误差的 情况下，也能够根据摄像机图像计算出与目标位置之间的位置误差，进行 浇包输送控制以抑制位置误差，以高精度使下落位置与目标位置一致。

接下来，为了示出本发明的下落位置控制系统的有用性，图12中示出 了模拟以及实验的结果。图12的（a）图以及图12的（b）图是利用图1～ 图8说明的现有例的模拟以及实验结果，分别为单位宽度流量qw＝2．5 ×10^－3［m²／s］、3．5×10^－3［m²／s］时的情况。图12的（c）图以及图 12的（d）图是利用图9～图11说明的本发明的情况（考虑了缩流以及引 导的影响的情况）下的模拟以及实验结果，分别为单位宽度流量qw＝2．5 ×10^－3［m²／s］、3．5×10^－3［m²／s］时的情况。根据这些结果，能够确 认：在考虑了金属熔液排出口的引导部的影响以及缩流的影响的本发明 中，能够进行正确的下落位置估算。

本发明实现了在铸造工业的多种在浇注工序中使用的倾转式自动浇注 方法的高速、高精度化，通过导入到现有的倾转式自动浇注设备中而实现 了高速、高精度化。并且，本发明具有能够适用于多种多样的浇包形状的 优点。因此，在铸造工业中的利用可能性高。

标号说明

11…倾转式自动浇注装置；12…浇包；13…伺服马达；14…金属熔液 排出口；15…铸模浇口；16…摄像机。