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技術 自動注湯システム

出願人 国立研究開発法人産業技術総合研究所
発明者 岡根利光丸直樹
出願日 2006年4月7日 (14年8ヶ月経過) 出願番号 2006-105785
公開日 2007年10月25日 (13年2ヶ月経過) 公開番号 2007-275934
状態 特許登録済
技術分野 鋳造用とりべ
主要キーワード パラメータ補正量 熟練技能者 付け根近傍 鋳造法案 モニタ画 回転角補正 傾斜速度 傾動速度
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この項目の情報は公開日時点(2007年10月25日)のものです。
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図面 (8)

課題

熟練技能者注湯挙動から自動注湯機パラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができる自動注湯システムとする。

解決手段

取鍋棒3の取鍋2付け根近傍に設けたゲージ取付部7の周囲に、等間隔で少なくとも4個のひずみゲージ8を固定してブリッジ回路9を構成し、このブリッジ回路9の信号により取鍋2の角度変化と、取鍋2内の溶湯4の重量変化により、パソコン11は注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する。また、各ひずみゲージ8の感度差、ひずみゲージ8装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの補正を行う。更に、このようにして得られた注湯パラメータにより自動注湯機が注湯を行い、注湯速度変化を計測して注湯パラメータの調整を行い、最適パラメータを得る。この最適パラメータにより自動注湯機は量産用の注湯を行う。

概要

背景

鋳造は、溶けた金属を型に流し込み(注湯)、凝固させ、成型品鋳物)を得る技術である。ここでは、注湯技術の良否がその品物欠陥発生率を決める大きな要因になっている。例えば溶融金属の温度を高く設定して注湯すれば、充填性が良くなるものの、ガスの吸収が過大になり、ポロシティの発生による引け巣欠陥などが発生する。逆に温度を低下させると充填性が低下し湯回り不良と呼ばれる欠陥が発生する。また注湯作業により溶湯流動乱れが生ずると表面酸化物の巻き込みにより欠陥が発生する。このように、鋳物の歩止まりは注湯技能者の技能に大きく依存しており、注湯技能者はできるだけ低温の溶湯を俗に言う「早く静かに」注湯する技術が求められる。熟練した注湯技能を持つ技能者は、経験から材料組成、鋳物の細部湯道方案案して注ぎによる作業を最適化している。

一方、注湯作業は危険が伴い、作業者人手で行うためばらつきも大きい。そのため注湯作業の自動化は安定生産への流れであり、種々の自動注湯装置が開発されている。しかしながら、多くは注湯速度の微妙な変化をコントロールできない装置であり、方案設計に時間をかけて最適化できる大ロット大量生産には適するが、少量生産には不向きな装置である。

従来型自動注湯装置のもう一つの問題点として、湯口(注湯口)位置が固定されているという点である。通常、手作業による注湯作業を行う企業では、方案上の最適化を優先して湯口位置は自由に設定している。湯口位置の固定した自動注湯機を導入するためには、それまで蓄積してきた方案を全て破棄して1から設計し直す必要がある。

上記の自動注湯機の問題点をふまえ鋳造工程における鋳型位置制御(x軸)と取鍋の位置制御(y軸)とを組み合わせて、鋳型の湯口の位置を自由に設定できるようにすることにより、任意の湯口位置の鋳型への自動注湯を可能にする自動注湯方法が本発明者等により開発され、特許出願している(「鋳型への自動注湯方法とその装置」:特開平11−342463号公報)。

この自動注湯装置によると、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯するタイプの装置であるが、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる。この装置を実用化し、多品種・少量生産に対応できる中小企業向けの生産システム構築し、1997年より実際に生産を行っており、この手法は国内鋳造作業に適した現状では唯一の注湯設備として展開が期待される。
特開平11−342463号公報

概要

熟練技能者の注湯挙動から自動注湯機のパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができる自動注湯システムとする。取鍋棒3の取鍋2付け根近傍に設けたゲージ取付部7の周囲に、等間隔で少なくとも4個のひずみゲージ8を固定してブリッジ回路9を構成し、このブリッジ回路9の信号により取鍋2の角度変化と、取鍋2内の溶湯4の重量変化により、パソコン11は注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する。また、各ひずみゲージ8の感度差、ひずみゲージ8装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの補正を行う。更に、このようにして得られた注湯パラメータにより自動注湯機が注湯を行い、注湯速度変化を計測して注湯パラメータの調整を行い、最適パラメータを得る。この最適パラメータにより自動注湯機は量産用の注湯を行う。

目的

したがって本発明は、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯する自動注湯装置において、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる装置をより実用化するため、熟練技能者の注湯挙動から注湯機へのパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができるようにすることを主たる目的とし、特に、従来は熟練技能者が注湯挙動を10−20回程度行ってデータを取る必要があったものを、3−5回程度の、より少ない試行設定値が求まるシステムを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも4個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータ演算する演算手段を備え、前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とからなることを特徴とする自動注湯システム

請求項2

前記演算手段は、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い注湯パラメータを演算することを特徴とする請求項1記載の自動注湯システム。

請求項3

前記演算手段は、前記演算した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、注湯時の注湯速度変化と前記熟練作業者による注湯速度変化とを比較して注湯パラメータを調整して、最適注湯パラメータを演算することを特徴とする請求項1または2に記載の自動注湯システム。

技術分野

0001

本発明は、取鍋により鋳型注湯するに際して、技術者の手を用いることなく自動的に注湯を行うことができるようにした自動注湯システムに関し、特にそのような自動注湯システムにおいて最適に注湯するための制御データとして、熟練技能者の手注ぎの技術を制御パラメータとすることにより、最適な自動注湯を行うことができるようにした自動注湯システムに関する。

背景技術

0002

鋳造は、溶けた金属を型に流し込み(注湯)、凝固させ、成型品鋳物)を得る技術である。ここでは、注湯技術の良否がその品物欠陥発生率を決める大きな要因になっている。例えば溶融金属の温度を高く設定して注湯すれば、充填性が良くなるものの、ガスの吸収が過大になり、ポロシティの発生による引け巣欠陥などが発生する。逆に温度を低下させると充填性が低下し湯回り不良と呼ばれる欠陥が発生する。また注湯作業により溶湯流動乱れが生ずると表面酸化物の巻き込みにより欠陥が発生する。このように、鋳物の歩止まりは注湯技能者の技能に大きく依存しており、注湯技能者はできるだけ低温の溶湯を俗に言う「早く静かに」注湯する技術が求められる。熟練した注湯技能を持つ技能者は、経験から材料組成、鋳物の細部湯道方案案して注ぎによる作業を最適化している。

0003

一方、注湯作業は危険が伴い、作業者人手で行うためばらつきも大きい。そのため注湯作業の自動化は安定生産への流れであり、種々の自動注湯装置が開発されている。しかしながら、多くは注湯速度の微妙な変化をコントロールできない装置であり、方案設計に時間をかけて最適化できる大ロット大量生産には適するが、少量生産には不向きな装置である。

0004

従来型自動注湯装置のもう一つの問題点として、湯口(注湯口)位置が固定されているという点である。通常、手作業による注湯作業を行う企業では、方案上の最適化を優先して湯口位置は自由に設定している。湯口位置の固定した自動注湯機を導入するためには、それまで蓄積してきた方案を全て破棄して1から設計し直す必要がある。

0005

上記の自動注湯機の問題点をふまえ鋳造工程における鋳型の位置制御(x軸)と取鍋の位置制御(y軸)とを組み合わせて、鋳型の湯口の位置を自由に設定できるようにすることにより、任意の湯口位置の鋳型への自動注湯を可能にする自動注湯方法が本発明者等により開発され、特許出願している(「鋳型への自動注湯方法とその装置」:特開平11−342463号公報)。

0006

この自動注湯装置によると、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯するタイプの装置であるが、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる。この装置を実用化し、多品種・少量生産に対応できる中小企業向けの生産システム構築し、1997年より実際に生産を行っており、この手法は国内鋳造作業に適した現状では唯一の注湯設備として展開が期待される。
特開平11−342463号公報

発明が解決しようとする課題

0007

ここで問題として、自動注湯装置の作動に際しては、取鍋の制御のために角度の関数として傾動速度を注湯パラメータとして設定する必要がある。一般的な考え方として注湯速度として最初は早く、途中はゆっくりと、最後にまた速く、と変化させる必要がある。現状では手注ぎによる熟練技能者の注湯挙動を参考にしてトライアンドエラーで設定を行っており、設定値が定まるまでには技術者の経験と、微妙な手直しを入れるという難しいもので、10?20回程度と数多くの試行が必要である。そこで、設定値の最適化を助け、試行を減らすシステムを開発して、技術シーズである自動注湯装置の技術改良が求められている。

0008

したがって本発明は、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯する自動注湯装置において、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる装置をより実用化するため、熟練技能者の注湯挙動から注湯機へのパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができるようにすることを主たる目的とし、特に、従来は熟練技能者が注湯挙動を10−20回程度行ってデータを取る必要があったものを、3−5回程度の、より少ない試行で設定値が求まるシステム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

0009

本発明に係る自動注湯システムは上記課題を解決するため、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも4個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する演算手段を備え、前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とからなることを特徴とする。

0010

本発明に係る他の自動注湯システムは、前記自動注湯システムにおいて、前記演算手段は、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い注湯パラメータを演算することを特徴とする。

0011

本発明に係る他の自動注湯システムは、前記自動注湯システムにおいて、前記演算手段は、前記演算した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、注湯時の注湯速度変化と前記熟練作業者による注湯速度変化とを比較して注湯パラメータを調整して、最適注湯パラメータを演算することを特徴とする。

発明の効果

0012

本発明によると、従来は熟練技能者が注湯挙動を10−20回程度行ってデータを取る必要があったものを、3−5回程度のより少ない試行で、熟練技能者の注湯挙動に基づく取鍋の傾動速度関数を求めることができるようになり、それにより取鍋の傾動角度毎に傾動速度を調節できる、多品種少量生産に適した自動注湯システムを容易に使用することができる。

発明を実施するための最良の形態

0013

本発明は、熟練技能者の注湯挙動から注湯機へのパラメータ設定に至る業務である、注湯パラメータの最適化を容易に行うことができるようにする課題を、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも4個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により熟練作業者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯パラメータを演算する演算手段を備え、前記演算手段で得た注湯パラメータにより、自動注湯機の取鍋の角度変化及び注湯速度変化を制御して注湯を行う自動注湯機とから構成したものである。

0014

図1は本発明のシステムの概要図であり、同図(a)に示すように鋳込み作業者1が取鍋2の取鍋棒3を持ち、取鍋2を傾けて取鍋2内の溶湯4を鋳型5の湯口6に流し込むとき、この取鍋棒3の取鍋2に対する付け根部分にゲージ固定部7を設けておき、このゲージ固定部7に互いに90度の等間隔で少なくとも4個のひずみゲージ8を取り付けている例を示している。図示の例においては、4個のひずみゲージ8は図1(b)及び図2に示すようにブリッジ回路9となし、その信号をデータロガー10によって信号処理し、パソコン11に出力している。パソコン11では、作業者1による取鍋の傾き角毎の傾斜速度、取鍋の重量検出による溶湯の重量変化を演算し、必要なデータを記憶し、適宜のデータをモニタ画面12に表示し、またプリントアウトする。

0015

実際の計測に当たっては、ひずみゲージの感度補正貼付位置補正、回転角補正等を行うことにより、取鍋の重量変化から注湯速度変化が正確に測定できるだけでなく、取鍋の角度変化も測定でき、得られたデータの解析より即時に注湯量・注湯時間も評価可能である。上記のような補正を行うに際し、個々のひずみゲージ1−4が図3のように取り付けられているとき、各ひずみゲージの感度差を補正するときには下記の数式(1)の補正式により補正を行うことができる。

0016

また、図3に示すように各ひずみゲージ1〜4が取り付けられているとき、個々の歪ゲージの貼り付け位置の誤差に伴う補正を行う際には、下記の数式(2)の補正式により補正を行うことができる。

0017

本発明による自動注湯システムは、上記のような計測手段を用いることにより、例えば図4に示すように、熟練者による試験注湯15を行うとき、その際の注湯速度変化を精密に測定することができ、その値により自動注湯機18のためのパラメータ最適モジュール17を求め、その注湯パラメータによって取鍋の傾動速度関数の補正を行って、自動注湯機18で鋳込み作業を行う。そのときの注湯速度変化を、注湯速度変化測定装置19で測定し、その測定結果を先の最適モジュールのパラメータにフィードバックし、注湯パラメータをより適正なものとすることができる。この計測手段で試験注湯作業を実際に行って得られた測定データを図6に示す。

0018

上記のようなシステムは、本発明者等によって開発された従来の注湯速度変化可能な自動注湯システムに対して図5に示すように適用される。即ち、従来のプロセス21においては、鋳造方案の設定22を行い、それに基づいて造型23を行い、熟練技能者による試験注湯24を行う。そのときの注湯速度変化の注湯挙動を観察し、またそのときの注湯結果を検査25して適切に注湯できているときには、適宜の注湯パラメータ設定27を行う。

0019

その注湯パラメータを用いて自動注湯機28により実際に注湯を行い、そのときの注湯挙動を観察して注湯挙動が未だ不適切の時にはパラメータを再設定し、再設定した注湯パラメータにより自動注湯機で注湯を行い、更に注湯挙動を観察する。また、必要とするときに再度熟練技能者による試験注湯を行い、前記作動を繰り返すことにより、トライアンドエラーによるパラメータの設定作業が行われ、最終的に適切と思われる注湯パラメータを得て、それにより自動注湯機28による量産が行われる。

0020

このような従来の自動注湯機のシステムに対して、本発明によるシステム29は、前記試験注湯24と同様に熟練者による試験注湯30を行うものであるが、従来は10−20回行わなければならなかった試験注湯は3回程度行えば良い。そのときの注湯速度変化を前記のような計測手法により精密に測定し、それにより自動注湯パラメータ最適化システム31によってパラメータを設定し、自動注湯機32により自動注湯を行い、そのときの注湯速度変化を測定する。その際の注湯速度変化は、取鍋が支持機構に支持されているので、広く用いられるロードセル等の各種計測機を用いて容易に、且つ精密に測定することができ、そのデータを解析することにより注湯速度変化の測定を行うことができる。この注湯速度変化の精密な測定結果により自動注湯パラメータの調整を行い、そのパラメータによって自動注湯機による注湯を行い、注湯速度変化を更にフィードバックすることにより最適な自動注湯パラメータを得ることができる。

0021

上記のようにパラメータ最適化モジュールからなる自動注湯パラメータ最適化システムを構築し、熟練技能者による試験注湯データと自動注湯機の注湯測定データを比較し、上記特性評価データから注湯パラメータ補正量を計算させている。図7は、ある鋳造法案における試行回数3回での熟練技能者の試験注湯、自動注湯機の注湯データ、数値シミュレーションによるモデル計算結果を示す。自動注湯機のデータは試験注湯データと良く一致しており、また、数値シミュレーションでも良く再現できていることが分かる。

図面の簡単な説明

0022

本発明における計測システムの説明図である。
同計測システムの計測信号処理説明図である。
ゲージ固定部におけるゲージ取り付け態様を示す図である。
本発明において最適化モジュールパラメータを得るシステムのブロック図である。
本発明を従来のプロセスに適用する例を示す図である。
測定システムによる試験注湯作業により得られた測定データの例である。
熟練技能者試行回数3回での熟練技能者の試験注湯、自動注湯機の注湯データ、数値シミュレーションによるモデル計算結果を示す図である。

符号の説明

0023

1技能者
2取鍋
3 取鍋棒
4溶湯
5鋳型
6 湯口
7ゲージ固定部
8ひずみゲージ
9ブリッジ回路
10データロガー
11 パソコン

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