以下、添付図面に基づいて本発明を適用� ��た傾動式自動注湯装置の一実施例を説明す� ��。図1に示されるように、本発明の実施の形 態にかかわる傾動式自動注湯装置は、矩形出 湯口を持つ円筒形状の取鍋1と、この取鍋1を� ��動させるサーボモータ2と、サーボモータ3� �出力軸の回転運動を直線運動に変換するボ� �ルねじ機構により、前記取鍋1を垂直方向へ� ��動させる移動手段4と、サーボモータ5の出� �軸の回転運動を直線運動に変換するラック� �ニオン機構により、前記取鍋1を水平方向へ� ��動させる移動手段6と、前記取鍋1内の溶湯� �重量を計測するロードセル(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� �び前記制御手段4の動作を演算しかつ制御す� ��コントローラやプログラム・ロジック・コ� ��トローラ(PLC)7を有するコンピュータとして� ��コントロールシステム8とで構成されている 。また、前記ロードセルはロードセルアンプ に接続されており、取鍋1の位置や傾動角度� �、サーボモータ2、3、5に取り付けられたロ� �タリーエンコーダ(図示せず)により計測され る。そして、サーボモータ2、3、5は、前記PLC 7から計測信号と制御指令信号が与えられて� �る。また、前記コントロールシステム8には� ��注湯流量モデルを記憶する記憶手段、ロー� ��セルにより判別される出湯開始時の傾動角� ��から実際の出湯の開始時の取鍋傾動角度を� ��算する演算手段、該実際の出湯の開始時の� ��鍋傾動角度によって出湯開始時の取鍋内の� ��湯体積を演算する演算手段、前記取鍋の前� ��動の停止によって前記出湯口から上部に位� ��する溶湯の減少する溶湯の高さと該取鍋の� ��傾動の開始によって減少する溶湯の高さと� ��差から該取鍋の後傾動中の溶湯の高さを演� ��する演算手段、後傾動の動作開始以降に鋳� ��まれる溶湯の鋳込み重量を算出する演算手� ��、後傾動の動作開始時の溶湯の鋳込み重量� ��算出する演算手段、取鍋から鋳型に流出す� ��溶湯の鋳込み重量をロードセルにより計測� ��れる溶湯の鋳込み重量に換算する換算手段� ��前記取鍋の前傾動から後傾動までの最終鋳� ��み重量が後傾動の動作開始時の鋳込み重量� ��後傾動の動作開始以降の鋳込み重量との和� ��あるとして、前記最終鋳込み重量を算出す� ��演算手段、当該予測した最終鋳込み重量が� ��定鋳込み重量と等しいか否かを判定する判� ��手段として、機能させるためのプログラム� ��格納されている。

 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� �重心位置で傾動可能に支持されており、重� �位置を中心にして鋳型の湯口に対して鋳型� �向かって傾ける前傾動と鋳型から離れる方� �へ傾ける後傾動(湯きり動作)するようにされ ている。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� �できる。

 また、前記移動手段4、6は、鋳型の湯口� �正確に注湯すべく前記取鍋1を傾動に連動さ� ��て前後移動および昇降させ、その出湯口先� ��を仮想回転軸として固定出湯点を得ること� ��できるよう作動する。

 本実施の形態は、前記取鍋の前傾動の停� ��によって前記出湯口から上部に位置する溶� ��の減少する溶湯の高さと該取鍋の後傾動の� ��始によって減少する溶湯の高さとから算出� ��れる該取鍋の後傾動中の溶湯の高さと、前� ��取鍋から鋳型へ注湯される溶湯の鋳込み重� ��との関係と、取鍋から鋳型に流出する溶湯� ��鋳込み重量の注湯流量モデルを用いている� ��この注湯流量モデルは、取鍋を傾動するモ� ��タの入力電圧からロードセルによって計測� ��れる取鍋から流出する溶湯の鋳込み重量ま� ��をモデル化したものである。

 まず、取鍋1の注湯時の概略形状の断面図で 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11より下部の溶 湯体積をVs(θ)(m ³ )、出湯口11の境界線上の水平面の面積をA(θ)( m ² )、出湯口11より上部の溶湯体積をVr(m ³ )、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(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つぎの式(1)のよ� �になる。
Vr(t)+Vs(θ(t))=Vr(t+δt)
            +Vs(θ(t+δt))+q(t)δt ・・・(1)
 式(1)を溶湯体積Vr(m ³ )についてまとめ、δt→0とするとつぎの式(2)� ��なる。

 また、取鍋1の傾動角速度ω(deg/s)をつぎの式 (3)とする。
ω(t)=dθ(t)/dt   ・・・(3)
よって、式(3)を式(2)に代入すると、つぎの式 (4)が得られる。

 また、出湯口より上部の溶湯体積Vr(m ³ )はつぎの式(5)で表すことができる。

 ここで、Asは、図2に示す出湯口11の水平面� �らの高さhs(m)における溶湯水平面積(m ² )を示す。
 また、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δAs(m ² )に分割すると、溶湯体積Vr(m ³ )はつぎの式(6)となる。

 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は出湯口水平面の面積Aに対� ��て微小であるから、つぎの式(7)が得られる� ��

 したがって、式(6)はつぎの式(8)と示すこと� ��できる。
Vr(t)≒A(θ(t))h(t)   ・・・(8)
 よって、式(8)よりつぎの式(9)が得られる。
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� ��り上部の溶湯高さh(m)から溶湯流量q _c (m ³ /s)までをつぎの式(10)で示す。

 ここで、hbは図3に示すように取鍋1の内溶湯 の上面からの溶湯深さ(m)、Lfは溶湯深さhb[m]� �おける出湯口11の幅(m)、cは流量係数、gは重� ��加速度をそれぞれ示す。
 また、前記取鍋1からの前記流出する溶湯の 注湯流量q(m ³ /s)と鋳込み重量w(kg)の関係は、つぎの式(11)と なる。

 ここで、ρ(kg/m ³ )は溶湯の密度である。
 また、式(4)、式(9)および式(10)より注湯流量 モデルの基礎式はつぎの式(12)および式(13)と� ��る。

 また、取鍋1の矩形出湯口11の幅Lfは取鍋1� ��の溶湯上面からの深さhbに対して一定であ� �から、溶湯流量qは式(10)よりつぎの式(14)と� �る。

 したがって、式(14)を注湯流量モデルの基礎 式(12)および(13)にそれぞれ代入すると、取鍋1 の注湯流量モデルはつぎの式(15)および式(16)� ��なる。

 また、出湯口に対する水平面の面積A(θ)(m ² )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(15)および式(16)の注湯流量モ� ��ルは、システム行列、入力行列および出力� ��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。

 つぎに、前記式(10)、(11)より、前記取鍋1� ��後傾動作パターンを固定すると後傾動作開� ��後の鋳込み重量w(kg)と取鍋出湯口11の上部溶 湯の溶湯高さh(m)の関係は、図4に示すように� ��る。

 図4より上段の図は、注湯中の取鍋内溶湯 高さを示し、下段の図は、鋳込み重量を示す 。上段の実線は、前記取鍋1の傾動動作が停� �した場合の取鍋の出湯口の上部溶湯の高さ� �あり、破線は、後傾動作によって減少する� �湯の高さである。実線と破線の差が取鍋の� �傾動作中の出湯口の上部溶湯の高さh(m)であ� ��。したがって、実線と破線の交点以降の時� ��においては、出湯口の上部溶湯の高さがな� ��なり、前記取鍋1から出湯しなくなる。また 、取鍋傾動を停止した場合の溶湯の高さ(上� �実線)は、前記注湯数理モデルの自由応答部� ��あり、つぎの式(17)、(18)となる。

 ここで、V _r (m ³ )は、図2に示す前記出湯口11より上部の溶湯� �積を示し、A(m ² )は出湯口11の先端に対する溶湯水平面積であ る。これより、後傾動作は常に同じ動作を行 うとした場合、後傾動の動作開始以降に鋳込 まれる溶湯の鋳込み重量は、後傾動の動作開 始時点での溶湯高さと出湯口先端と水平な溶 湯部面積に依存する。したがって、後傾動作 開始以降に鋳込まれる溶湯の鋳込み重量w _e (kg)は、後傾動の動作開始時点t ₁ (s)での溶湯高さh _s (t ₁ )(s)と傾動角度θ(t ₁ )(deg)を境界条件として、模擬実験することで 求まる。この境界条件を変化させ、それぞれ の境界条件に対して、模擬実験することで、 後傾動の動作開始時点での溶湯高さと傾動角 度に対する後傾動作開始以降に鋳込まれる溶 湯の鋳込み重量の関係がつぎのように求まり 、

h _e :後動作による減少する液体高さ(m)
t ₁ :出湯停止時点(s)
これを多項式近似すると、つぎの式(19)とな� �。

 ここで、i、kは、多項式近似の次数であり� �B _ik は多項式の係数を示す。式(19)を用いて、後� �動作開始時点t ₁ (S)の取鍋傾動角θ(deg)、出湯口上部溶湯高さh( m)を代入することにより、後傾動作後の鋳込� ��重量w _e (kg)が推定できる。そして、後傾動作時点で� �鋳込み重量w _b (kg)をつぎの式(20)のように加えると全体の鋳� ��み重量w(kg)が推定できる。

 ここで、出湯口上部の溶湯高さは、つぎの� ��(21)より得られる。

 V _sb (m ³ )は前記取鍋1から出湯開始時点での出湯口か� ��下側の取鍋内の溶湯体積であり、V _s (m ³ )は時刻t(s)における図2に示す取鍋内溶湯体積 である。しかし、式(7)においては実際の鋳込 み重量であり、前記ロードセルによって計測 される鋳込み重量と異なる。そこで、鋳込み 重量w(kg)と前記ロードセルにより計測される� ��測鋳込み重量w _L (kg)は、前記ロードセルの応答特性を一次遅� �系で表現することで、つぎの式(22)となる。

 T _L (s)は前記ロードセルの時定数を示す。そして 、式(1)、(8)を用いるとつぎの式(9)ように、実 際の鋳込み重量を求めることができる。

 ここで,バーw _L は定数であり,dw _L /dtの平均値とする。また、出湯開始時の取鍋 内溶湯体積は、出湯検知センサがある場合に は、出湯開始時の傾動角度から算出できるが 、前記ロードセルによって計測される計測鋳 込み重量からは出湯開始の判別が困難である 。そこで、取鍋を一定の傾動角速度で傾動さ せ、ロードセルから計測される計測鋳込み重 量が増加し、ロードセルにより出湯開始を判 別するまでの一連の動作を注湯数理モデルを 用いて、模擬実験する。この模擬実験におけ る境界条件は、実際の出湯開始時の取鍋傾動 角度θ _b (deg)であり、それぞれの境界条件に対して、� ��擬実験し、ロードセルによって判別される� ��湯開始時の取鍋傾動角度を得ることで、実� ��の出湯開始時の取鍋傾動角度と前記ロード� ��ルにより判別される出湯開始時の取鍋傾動� ��度θ _Lb (deg)の関係が、つぎの式(24)のように求めるこ とができる。

 そして、取鍋内の溶湯体積は、取鍋形状と� ��鍋傾動角度から幾何学的に求めることがで� ��、それぞれの傾動角度に対する取鍋内の溶� ��体積を求めることができる。したがって、� ��湯開始時の取鍋内の溶湯体積V _sb は、出湯開始時の取鍋傾動角度θ _b (deg)と式(24)からつぎの式で推定できる。
V _sb =f(θ _b (θ _Lb (t)))
また、式(20)のw _b (kg)は、実際の鋳込み重量であり、前記ロー� �セルにより計測される鋳込み重量と式(22)の� ��係があることから、式(1)、(21)、(22)を用い� �、つぎのように求める。

ここで、q _cL は実流量にロードセルの動特性を与えた流量 である。

 式(27)に、式(21)の溶湯高さを代入し、そこ� �得られた流量q _c (t)(m ³ /s)を式(26)に代入する。なお、ロードセルに� �り計測される計測鋳込み重量は,応答遅れに� ��り,実際の鋳込み重量と異なる(実際の重量� �りも少ない)。そこで、式(21)、(27)、(26)、(25) の順で解くことで、ロードセルによる計測し た鋳込み重量から実際の鋳込み重量を推定す ることができる。この推定過程で,式(27)の流� ��を用いる。
そして、式(25)に代入することで、実際の後� �動作開始時の鋳込み重量w _b を得ることができる。
 そして、つぎの判別式を満たしたときに、� ��傾動作を開始する。

 w _ref (kg)は、目標鋳込み重量である。

 鋳込み重量制御のフローチャートを図5に 示す。ここで、パラメータA、D(kg)は出湯開始 判別鋳込み重量、取鍋前傾終了判別鋳込み重 量である。

 水を用いた自動注水装置を用い鋳込み重� ��制御実験を行った実験結果を図6に示す。上 段の図は前記取鍋1の傾動角度であり、下段� �図は、前記ロードセルで計測される鋳込み� �量である。目標鋳込み重量は、0.783(kg)であ� �。これに対して、鋳込み重量制御を適用し� �自動注水装置は、0.78(kg)であった。これは、 鋳込み誤差が0.4(%)となる。また、注湯時間も 8(s)と従来の固定シーケンスの12(s)に対して,4( s)短縮された。

 この出願は、日本国で2007年4月28日に出願さ れた特願2007-120365号に基づいており、その内� ��は本出願の内容として、その一部を形成す� ��。
 また、本発明は以下の詳細な説明により更� ��完全に理解できるであろう。しかしながら� ��詳細な説明および特定の実施例は、本発明� ��望ましい実施の形態であり、説明の目的の� ��めにのみ記載されているものである。この� ��細な説明から、種々の変更、改変が、当業� ��にとって明らかだからである。
 出願人は、記載された実施の形態のいずれ� ��も公衆に献上する意図はなく、開示された� ��変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文� ��上含まれないかもしれないものも、均等論� ��での発明の一部とする。
 本明細書あるいは請求の範囲の記載におい� ��、名詞及び同様な指示語の使用は、特に指� ��されない限り、または文脈によって明瞭に� ��定されない限り、単数および複数の両方を� ��むものと解釈すべきである。本明細書中で� ��供されたいずれの例示または例示的な用語( 例えば、「等」)の使用も、単に本発明を説� �し易くするという意図であるに過ぎず、特� �請求の範囲に記載しない限り本発明の範囲� �制限を加えるものではない。