BRPI1015268B1

BRPI1015268B1 - Método para derramamento automático de metal fundido e sistema de controle de inclinação que utiliza o método

Info

Publication number: BRPI1015268B1
Application number: BRPI1015268-7A
Authority: BR
Inventors: Kazuhiko Terashima; Yoshiyuki Noda; Makio Suzuki; Hiroyasu Makino; Kazuhiro Ota
Original assignee: Sintokogio, Ltd.; National University Corporation Toyohashi University Of Technology
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2022-07-19
Also published as: BRPI1015268A2; WO2010125890A1; KR101312572B1; US20120109354A1; EP2425914A4; JP5116722B2; JP2010253527A; CN102448640A; KR20120026511A; EP2425914B1; CN102448640B; EP2425914A1; US8875960B2

Abstract

MÉTODO PARA DERRAMAMENTO AUTOMÁTICO DE METAL FUNDIDO TIPO INCLINAÇÃO, SISTEMA DE CONTROLE DE INCLINAÇÃO, E MEIO DE ARMAZENAMENTO COM PROGRAMA DE CONTROLE DE INCLINAÇÃO ARMAZENADO NELE. Trata-se de um método de derramamento automático de metal fundido a partir de uma panela para o interior de ummolde através da inclinação da panela. No método, a altura de metal fundido localizada acima de uma saída de metal fundido e o peso de metal fundido que flui para fora da panela são estimados com o uso de um filtro Kalman expandido com base em: peso do metal fundido que flui para fora da panela, sendo que o dito peso é medido com o uso de uma célula de carga; voltagem inserida em um servomotor; ângulo de inclinação da panela medido por um codificador rotatório; e posição da panela na direção de levantamento e abaixamento da mesma. A soma do peso do metal fundido que flui para fora da panela quando a panela é inclinada para trás, sendo que o dito peso é estimado a partir do ângulo de inclinação da panela e a altura do metal fundido localizado acima da saída metal fundido é estimada pelo filtro de Kalman expandido, e o peso do metal fundido que flui para fora da panela estimado pelo filtro de Kalman expandido é estimado como o peso final de fluxo de saída do metal fundido. O peso final estimado de fluxo de saída do metal fundido é determinado se é ou não maior ou igual a um peso específico do fluxo de saída, e a operação de inclinação traseira da panela é iniciada com base no resultado da determinação.

Description

Campo da Técnica

[001] Esta invenção refere-se a um método de derramamento automático do tipo inclinação de panela para derramar automaticamente metal fundido de uma panela em um molde através da inclinação da panela que possui o metal fundido na mesma, a um sistema para controlar o movimento de inclinação da panela e a um meio de armazenamento que armazena um programa de controle para controlar o sistema. Em particular, esta invenção se refere a um método de derramamento automático à base de inclinação de panela que usa um servomotor que é controlado por meio de um computador que é pré-configurado para conter um programa que faz com que o computador execute um processo de derramamento de tal modo que o servomotor inclina positivamente uma panela que tem um orifício de sangria com um formato determinado para derramar metal fundido e, então, inclina inversamente a panela para derramar o metal fundido a partir disso em um molde, um sistema de controle de inclinação para controlar o movimento de inclinação da panela, e um meio de armazenamento que armazena um programa de controle de inclinação para controlar o movimento de inclinação da panela.

Antecedentes da Invenção

[002] Convencionalmente, os métodos de derramamento automático do tipo inclinação de panela típicos são conhecidos conforme revelado nas Literaturas de Patente 1, 2 e 3.

[003] No método da Literatura de Patente 1, uma panela é inversamente inclinada quando derrama metal fundido em uma taxa arbitrária de derramamento. Então, um volume previsto do derramamento do metal fundido até que a drenagem seja derivada com base no volume do derramamento do metal fundido durante a etapa de inclinação inversa, enquanto a taxa de derramamento é derivada. O volume previsto do derramamento do metal fundido até a drenagem quando o derramamento começa na taxa derivada de derramamento é sequencialmente comparado com o volume de derramamento remanescente, que denota a diferença entre o volume alvo do derramamento do metal fundido e o volume atual do derramamento do metal fundido. A panela é, então, inversamente inclinada quando o volume remanescente é menor que o volume previsto do derramamento do metal fundido até uma drenagem concluir o derramamento.

[004] O método da Literatura de Patente 2 usa um servomotor que é controlado por meio de um computador que é pré-configurado para conter um programa. Neste método, uma panela que possui metal fundido é inclinada para um lado de uma barreira da panela para elevar rapidamente o nível de metal fundido para um nível alvo para começar o derramamento do metal fundido sob condições para impedir que o metal fundido transborde pela barreira. A panela é continuamente inclinada para o lado da barreira para ejetar o metal fundido nisso de tal modo que o volume transbordado do metal fundido da panela se iguale substancialmente ao volume de entrada do metal fundido em um molde, quando o derramamento começa e no fim do início, enquanto o nível de metal fundido na barreira é mantido em um nível substancialmente constante. A panela é, então, inclinada para o lado oposto da barreira para impedir que o metal fundido na panela espirre enquanto o metal fundido é drenado para concluir o derramamento.

[005] No método da Literatura de Patente 3, um nível de metal fundido em uma panela quando essa está inversamente inclinada é derivado com base em um nível de metal fundido que está localizado acima do orifício de sangria da panela e diminui através da interrupção da inclinação dianteira da panela e um nível de metal fundido que diminui através do começo da inclinação reversa da panela. Com o uso de (1) uma relação entre o nível de metal fundido derivado e o peso de preenchimento do derramamento do metal fundido em um molde da panela e (2) um modelo da taxa de fluxo do derramamento do metal fundido para o peso de preenchimento do metal fundido que flui a partir da panela para o molde, sendo que o peso de preenchimento final do derramamento do metal fundido a partir da inclinação dianteira da panela para a inclinação reversa da panela é previsto através da consideração de que o peso de preenchimento final é a soma do peso de preenchimento do derramamento do metal fundido quando a panela começa a inclinação inversa e do peso de preenchimento do derramamento do metal fundido após a panela começar a inclinação inversa. Então, faz-se uma determinação sobre a possibilidade de o peso de preenchimento final previsto do derramamento do metal fundido se igual a um peso de preenchimento final pré-determinado. Com base no resultado da determinação, o movimento de inclinação reverso da panela começa. Literatura da Técnica Anterior Literatura de Patente Literatura de Patente 1: Publicação de Patente Japonesa Aberta à Inspeção Pública n° 10-58120 Literatura de Patente 2: Publicação de Patente Japonesa Aberta à Inspeção Pública n° 2005-88041 Literatura de Patente 3: WO2008/136202 As revelações na literatura acima estão incorporadas no presente documento a título de referência.

Sumário da Invenção Problema a Ser Resolvido pela Invenção

[006] A construção de um sistema para incorporar o método de derramamento na Literatura de Patente 1, entretanto, requer inúmeros experimentos básicos e uma abordagem demorada. Adicionalmente, em derramamento em alta velocidade, devido a um erro entre o peso previsto do metal fundido de saída com base em uma base experimental e ao fato de que o peso real do metal fundido de saída tende a aumentar, o movimento de inclinação reverso da panela deve ser executado em diversas bateladas. Além disso, devido ao fato de uma ação retrógrada quando o movimento de inclinação dianteiro da panela é interrompido afetar negativamente uma célula de carga, um tempo de espera de vários segundos deve ser exigido após o movimento de inclinação da panela ser interrompido. Dessa forma, o movimento de inclinação inverso da panela requer um tempo prolongado. Adicionalmente, a Literatura de Patente 1 não considera o efeito de variações no fluxo do metal fundido, que depende do ângulo de inclinação da panela de tal modo que certos ângulos de inclinação da panela possam encontrar um problema no qual a precisão do peso do metal fundido de saída seja degradada.

[007] No método na Literatura de Patente 3, o formato da panela deve estar limitado a um formato de hélice. Adicionalmente, esse método usa equações com base em uma operação de repetição para lidar com um problema no qual a carga de computação com base no tempo real em um controlador é aumentada.

[008] Além disso, o método de derramamentos na Literatura de Patente 1, 2 e 3 envolve um problema no qual a precisão do peso medido do metal fundido de saída é significativamente afetado por uma propriedade responsiva de uma célula de carga para medir o peso do metal fundido descarregado e do ruído de medição.

[009] A presente invenção que é feita em vista das situações supracitadas tem como objetivo fornecer um método de derramamento automático do tipo inclinação e um sistema de controle de inclinação para controlar o movimento de inclinação de uma panela que permite tanto derramamento com alta velocidade quanto derramamento de alta precisão para inclinar a panela que possui metal fundido nisso para ser derramado em um molde. A presente invenção também tem como objetivo fornecer um meio de armazenamento que armazena um programa de controle para controlar o movimento de inclinação da panela.

Meios para Alcançar o Objetivo

[010] Para alcançar o objetivo, a invenção da reivindicação 1 apresenta um método para derramamento automático do tipo inclinação metal fundido a partir de uma panela para um molde, em que a panela tem um orifício de sangria com um formato pré-determinado e possui o metal fundido, através da inclinação da panela por meio de um servomotor sob um controle de um computador no qual um programa para executar um processo de derramamento é pré-configurado. O método compreende as etapas de: medir o peso de saída do metal fundido que flui para fora da panela; medir um ângulo de inclinação em que a panela se inclina e uma posição móvel da panela ao longo de uma direção de movimentos verticais da panela; estimar o nível de altura do metal fundido acima do orifício de sangria da panela e o peso de saída do metal fundido que flui para fora da panela, com o uso de um filtro Kalman estendido, com base no peso de saída medido do metal fundido que flui para fora da panela, no ângulo de inclinação medido em que a panela se inclina, na posição medida da panela ao longo de uma direção de movimentos verticais da panela e em uma voltagem de entrada para o servomotor; prever o peso de saída final do metal fundido como a soma de um peso de saída previsto do metal fundido que flui para fora da panela quando a panela se inclina inversamente, que é previsto com base no ângulo de inclinação da panela e no nível de altura estimado do metal fundido acima do orifício de sangria da panela que foi estimado pelo filtro Kalman estendido, e no peso de saída estimado do metal fundido que flui para fora da panela e que foi estimado pelo filtro Kalman estendido; e determinar se o peso de saída previsto final do metal fundido é pelo menos um peso de saída especificado, e começar um movimento de inclinação inverso da panela com base no resultado determinado.

[011] Com a presente invenção, o peso do metal fundido de saída pode ser previsto precisamente mesmo que seja significativamente afetado por um atraso responsivo de uma célula de carga para medir o peso do metal fundido de saída e o ruído de medição. Quando o peso previsto do metal fundido de saída se iguala ou é maior que um peso pré-determinado do metal fundido de saída, um movimento de inclinação reverso da panela começa de tal modo que o peso do metal fundido de saída possa ser derramado para alcançar rápida e precisamente o peso pré-determinado do metal fundido de saída.

Breve Descrição dos Desenhos

[012] A Figura 1 é uma vista esquemática de uma modalidade de uma máquina de derramamento automático do tipo inclinação de panela na qual o método da presente invenção é aplicado.

[013] A Figura 2 é um diagrama de bloco esquemático de uma modalidade de um sistema da presente invenção para controlar a máquina de derramamento automático do tipo inclinação de panela na Figura 1.

[014] A Figura 3 é um diagrama de bloco esquemático de um sistema de controle de retroalimentação de posição/ângulo com base em um controle proporcional para um motor para movimento dianteiro e traseiro de uma panela, um motor para mover verticalmente a panela e um motor para inclinar a panela.

[015] A Figura 4 é uma vista esquemática que ilustra a relação posicional entre uma posição do orifício de sangria da panela e a posição central de um eixo de rotação de um primeiro servomotor.

[016] A Figura 5 é uma vista esquemática que denota parâmetros em um processo de derramamento.

[017] A Figura 6 é uma vista esquemática que denota parâmetros em relação ao orifício de sangria da panela.

[018] A Figura 7 é um fluxograma de controle de previsão para um peso de saída do derramamento do metal fundido.

[019] A Figura 8 é um diagrama de bloco esquemático que ilustra um processo de derramamento automático.

[020] A Figura 9 é uma vista esquemática de uma panela usada em experimentos para ilustrar um formato interno da mesma e um formato de seu orifício de sangria.

[021] A Figura 10 mostra um gráfico que plota relações entre o ângulo de inclinação da panela denotada na Figura 9 e o volume do metal fundido na porção inferior do orifício de sangria da panela, e uma área de superfície da mesma.

[022] A Figura 11 é um gráfico que plota a relação entre a altura (h) do metal fundido no orifício de sangria da panela ilustrado na Figura 9 e uma taxa de fluxo (qf) do metal fundido, onde um coeficiente da taxa de fluxo é considerado como 1.

[023] A Figura 12 mostra gráficos que plotam o resultado de experimentos que foram executados com o uso de água no lugar do metal fundido.

[024] A Figura 13 mostra gráficos que plotam pesos de saída da água em experimentos de derramamento de água que foram executados com vários ângulos iniciais de uma panela no começo do fluxo de saída da água.

Modalidades para Executar a Invenção

[025] Abaixo, será descrita em detalhes com base nos desenhos em anexo uma modalidade de uma máquina de derramamento automático do tipo inclinação de panela na qual o método da presente invenção é aplicado. Conforme ilustrado na Figura 1, a máquina de derramamento automático do tipo inclinação de panela compreende principalmente uma máquina de derramamento 1 e um controlador 2 para enviar sinais de acionamento comandado para a máquina de derramamento 1. A máquina de derramamento 1 inclui uma panela cilíndrica 3 que tem um orifício de sangria retangular, um primeiro servomotor 4 para inclinar a panela 3, um mecanismo de elevação 6, que inclui um segundo servomotor 5 e um mecanismo de fuso de esfera para converter um movimento rotacional de um eixo de saída do segundo servomotor 5 em um movimento linear, para mover verticalmente a panela 3, um mecanismo de movimento horizontal 8, que inclui um terceiro servomotor 7 e um mecanismo de pinhão e cremalheira para converter um movimento rotacional de um eixo de saída do terceiro servomotor 7 em um movimento linear, para mover horizontalmente a panela 3 e uma célula de carga 9 para medir o peso de metal fundido na panela 3.

[026] A célula de carga 9 é acoplada a um amplificador de célula de carga (não mostrado). Cada um dentre o ângulo de inclinação da panela 3 e a posição da panela 3 em sua direção de movimento vertical é medido por meio de um codificador rotatório correspondente (não mostrado), sendo que cada um é fornecido com o primeiro servomotor 4 e o segundo servomotor 5.

[027] O controlador 2 compreende um computador que contém um programa. Este programa faz com que o computador funcione da seguinte forma: um meio de armazenamento para armazenar um modelo de uma taxa de fluxo do derramamento do metal fundido que flui para um molde a partir da panela 3; um meio de controle para controlar o movimento dianteiro e traseiro e o movimento vertical da panela 3 em sincronização com um movimento de inclinação da panela 3 de tal modo que um orifício de sangria da panela 3 seja centralizado no movimento de inclinação; um meio de derivação angular para derivar um ângulo de inclinação da panela 3 para começar o fluxo do metal fundido a partir da panela 3 através da conversão do peso do metal fundido na panela 3 que foi medido por meio da célula de carga 9 antes do processo de derramamento; um meio de estimação para estimar o peso do metal fundido que flui a partir da panela 3 e um nível do metal fundido localizado acima de um orifício de sangria da panela 3 através de cálculos com o uso de um filtro Kalman estendido com base no peso do metal fundido que flui a partir da panela 3 medido pela célula de carga 9, nas voltagens de entrada para o primeiro servomotor 4 e o segundo servomotor 5, no ângulo em que a panela 3 se inclina que é medido pelo codificador rotatório correspondente e no nível de altura da panela 3 em seu movimento vertical que é medido pelo codificador rotatório correspondente; um primeiro meio de cálculo de peso para calcular o peso do metal fundido que flui a partir da panela 3 após o começo do movimento de inclinação inverso da panela 3; um segundo meio de cálculo de peso para converter o peso do metal fundido dentro da panela 3 medido pela célula de carga 9 para o peso do metal fundido que flui a partir da panela 3 para o interior de um molde; um terceiro meio de cálculo de peso para calcular o peso final do metal fundido que flui a partir da panela 3 durante o período de tempo entre a inclinação dianteira da panela 3 e a inclinação inversa da panela 3 como uma soma do peso do metal fundido que flui a partir da panela 3 no começo da inclinação inversa da panela e o peso do metal fundido fluído a partir da panela 3 após a inclinação inversa da panela; e um meio de determinação para determinar se o peso final calculado do metal fundido fluído a partir da panela 3 é um peso pré-determinado do metal fundido fluído a partir da panela 3 ou mais.

[028] Portanto, o controlador 2 constitui um sistema de controle posicional e angular para controlar a posição e um ângulo da panela para alcançar o posicionamento preciso em resposta a um comando de controle posicional e um comando de controle angular, um sistema de controle de sincronização para sincronizar o ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina e a posição da panela 3 para fixar o centro do movimento de inclinação da panela 3 na extremidade de ponta do orifício de sangria, o sistema de controle de previsão de peso para prever o peso do metal fundido descarregado que flui a partir da panela 3 para executar um derramamento de alta velocidade e alta precisão, e um sistema de estimação para estimar um estágio operacional de derramamento com base nos dados de instrumento (vide Figura 2).

[029] Conforme ilustrado na Figura 3, o sistema de controle posicional e angular constitui em um sistema de controle proporcional para o terceiro servomotor 7 para movimento dianteiro e traseiro da panela 3, em que o segundo servomotor 5 move verticalmente a panela 3, e o primeiro servomotor 4 inclina a panela 3, através disso, controla-se precisamente a posição e o ângulo da panela 3.

[030] No sistema de controle de sincronização, conforme ilustrado na Figura 4, o primeiro servomotor 4 para inclinar a panela 3 é montado próximo ao centro de gravidade da panela 3 para fornecer redução de carga. Quando o primeiro servomotor 4 é atuado para inclinar a panela 3 a fim de mover o local do orifício de sangria, a posição de queda do metal fundido que flui a partir da panela 3 é, dessa forma, movida. Para o metal fundido vertido fluir precisamente para o interior do canal do molde, esse sistema de controle de sincronização é configurado de tal modo que o local do orifício de sangria da panela 3 seja fixado através da execução do movimento vertical e dos movimentos dianteiro e traseiro da panela 3 sincronizados com o movimento de inclinação da panela 3.

[031] Na Figura 4, R denota a distância linear entre o local do orifício de sangria da panela e o centro do eixo de rotação do primeiro servomotor 4. q0 denota o ângulo entre a linha que une o local do orifício de sangria e o centro do eixo de rotação do primeiro servomotor 4 e a linha horizontal.

[032] Como os mesmos, o controle de sincronização posicional da panela 3 pode ser expresso pelas Equações (1) e (2) .

[033]

onde rt é um comando angular de inclinação de um ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina, ry é um comando posicional dianteiro e traseiro de uma posição da panela 3 na direção dianteira e traseira, e rz é um comando posicional vertical de uma posição vertical da panela 3 na direção vertical. Conforme ilustrado na Figura 2, o comando angular de inclinação é fornecido pata o sistema de controle de sincronização posicional e angular para operar as Equações (1) e (2) para gerar o comando posicional dianteiro e traseiro ry e o comando posicional vertical rz. Esses comandos posicionais ry e rz são gerados pelo controle de sincronização e são fornecidos para o sistema de controle posicional e angular mover a panela 3 para frente e para trás e verticalmente e, por meio disso, fixar a posição do orifício de sangria de tal modo que a panela 3 se incline em torno do orifício de sangria centralizado.

[034] O sistema de controle de previsão de peso para prever o peso do metal fundido de saída é um esquema de controle para prever o peso do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando o metal fundido é drenado com a finalidade de determinar o tempo de começo do movimento de inclinação inverso da panela 3 para drenar o metal fundido de tal modo que o peso previsto do metal fundido de saída corresponda ao peso pré-determinado do metal fundido de saída. Abaixo, o sistema de controle de previsão de peso será descrito.

[035] Primeiro, um fluxo de saída modelo do metal fundido é expresso pelas Equações (3), (4), e (5).

[036]

onde Vr, Vs, A, h, qf e q denotam, conforme ilustrado na Figura 5, o volume de um metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3, o volume de um metal fundido inferior abaixo do orifício de sangria da panela 3, a área de superfície do metal fundido, o nível de altura do metal fundido superior, o volume do metal fundido de saída e o ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina, respectivamente.

[037] Adicionalmente, hb e Lf denotam, conforme ilustrado na Figura 6, a profundidade do metal fundido abaixo da superfície do mesmo dentro da panela 3 e a largura do orifício de sangria na profundidade hb do metal fundido. Além disso, w denota a velocidade angular de inclinação da panela 3, g denota a aceleração de gravidade, e c denota um coeficiente de taxa de fluxo. Lp denota um atraso em resposta do metal fundido a ser descarregado da panela 3 devido, por exemplo, ao efeito de tensão superficial. O volume qf do metal fundido de saída adota um valor positivo, e o coeficiente de taxa de fluxo c adota um valor entre 0 e 1. Um coeficiente de taxa de fluxo c de 1 indica que o metal fundido é um fluido ideal.

[038] O modelo de fluxo de saída do metal fundido descrito no presente documento adiciona o tempo limite Lp, que denota o atraso em resposta do metal fundido ao fluxo a partir da panela 3 devido ao efeito de tensão superficial, ao fluxo de saída modelo do metal fundido descrito na Literatura de Patente 3 (WO 2008/136202).

[039] No presente modelo de fluxo de saída do metal fundido, através da substituição da Equação (3) pela Equação (4), em que a Equação (6) pode ser obtida da seguinte forma:

[040] Conforme expresso após a Equação (7), através da integração temporária do volume qf do metal fundido de saída, o peso W do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 pode ser obtido.

[041]

onde r denota a densidade do metal fundido e o tempo de t0 a t1 é o tempo necessário para adquirir o peso do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3.

[042] Com o uso do modelo de derramamento expresso pelas Equações (7) e (8), o sistema de controle de previsão de peso para prever o peso do metal fundido de saída é configurado. Este sistema de controle é condicional se o padrão da inclinação inversa da panela 3 quando o metal fundido é drenado (um histórico de tempo da velocidade angular de inclinação da panela 3) for padrão exclusivamente pré-determinado. Esta condição é a condição comum na técnica de controle de sequência e controle de pré-alimentação.

[043] Conforme expresso na Equação (7), o volume do metal fundido de saída inclui o tempo limite Lp. Isto indica que o volume do metal fundido de saída pode ser afetado através da influência durante o movimento de inclinação da panela 3 quando é temporariamente suspenso mesmo no tempo ts no qual a drenagem do metal fundido começa. Portanto, conforme expresso na Equação (8), o volume do metal fundido de saída é dividido como o volume qf (h (t)) do metal fundido de saída no tempo t e uma variação Dqf no volume do metal fundido de saída no tempo limite.

[044]

[045] A presunção de que a variação no volume do metal fundido de saída durante o tempo limite no tempo ts no qual a drenagem do metal fundido começa é mínima comparada ao volume do metal fundido de saída no tempo ts como (qf(h(ts))>> Dqf), a Equação (8) pode ser reescrita da seguinte forma:

[046] Na Equação (7), devido ao fato de a densidade r do metal fundido, o coeficiente de taxa de fluxo c e a aceleração de gravidade g são constantes e a largura Lf do orifício de sangria poder ser determinada com base no formato do orifício de sangria, o volume qf do metal fundido de saída depende do nível de altura h do metal fundido superior no orifício de sangria. Dessa forma, o peso W do volume do metal fundido de saída pode ser derivado através da integração temporária do volume do metal fundido de saída. Portanto, o peso Wb do volume do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 durante a operação de drenagem do metal fundido pode ser expresso conforme a seguinte Equação (10):

onde fq é uma função de representação para representar com o uso da Expressão (5) o nível de altura h do metal fundido superior acima do orifício de sangria para o espaço do volume qf do metal fundido de saída. Adicionalmente, ts é o tempo no qual a drenagem do metal fundido começa e tf é o tempo no qual o derramamento do metal fundido é concluído. A substituição da consideração na Equação (9) pela Equação (10) fornece a Equação (11).

[047]

[048] Com Base na condição na qual o padrão do movimento de inclinação inverso da panela 3 é o padrão pré-determinado, a velocidade angular de inclinação w da panela 3 é exclusivamente definida. Então, a partir da Equação (9), o ângulo de inclinação qb (t) em que a panela 3 se inclina quando o metal fundido é drenado depende do ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina quando a drenagem do metal fundido começa. r

[049]

[050] Na Equação (6), tanto a área de superfície A do metal fundido na panela 3 quanto o volume Vs do metal fundido inferior abaixo do orifício de sangria dependem do ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina, enquanto qf depende do nível de altura h do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3. Adicionalmente, a consideração na Equação (9) é levada em conta. Portanto, devido à equação (12) e a velocidade angular de inclinação w da panela 3 serem exclusivamente definidas, o nível de altura hb do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 quando o metal fundido é drenado é determinado, conforme expresso através da equação (13), pelo nível de altura hs do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 quando a drenagem do metal fundido começa e o ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina.

[051]

onde fh é uma função de representação para representar com o uso da Equação (6) o nível de altura hs do metal fundido superior acima do orifício de sangria quando a drenagem do metal fundido começa e o ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina para o espaço do nível de altura hb do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 quando o metal fundido é drenado. Através da substituição da Equação (13) pela Equação (11), a Equação (14) é obtida.

[052]

[053] A partir da Equação (14), entende-se que o peso Wb do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando o metal fundido é drenado depende do ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina quando a drenagem do metal fundido começa e do nível de altura hs do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3. Por essa razão, o peso do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando o metal fundido é drenado pode ser previsto através da aquisição do ângulo de inclinação da panela 3 e do nível de altura do metal fundido superior quando o metal fundido é drenado.

[054] A configuração do sistema de controle de previsão de peso, que é baseado no peso previsto do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3, requer processamento em tempo real da Equação (14). Entretanto, tal processamento em tempo real é difícil pois a Equação (14) requer a derivação da equação diferencial expressa na Equação (6), com o uso das condições limítrofes, isto é, o ângulo de inclinação qs da panela 3 e o nível de altura hs do metal fundido superior. Portanto, a aproximação com múltiplos termos é introduzida na Equação (14) para permitir o processamento em tempo real. A Equação (15) expressa a aproximação polinominal do peso Wbq do metal fundido de saída com o ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina quando a drenagem do metal fundido que começa é fixa, enquanto o nível de altura hs do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 é variado.

[055]

[056] Então, uma pluralidade de ângulos de inclinação qs é obtida através da variação do ângulo de inclinação qs em que a panela 3 se inclina quando a drenagem do metal fundido começa de tal modo que os respectivos ângulos de inclinação qs sejam aproximados com múltiplos termos através da Equação (15). Por sua vez, os coeficientes obtidos ai são aproximados com múltiplos termos conforme mostrado pela Equação (16).

[057]

[058] A Equação (17) é fornecida através da substituição da Equação (16) pela Equação (15).

[059] Com base na Equação (17) que é uma equação polinominal, o peso Wb do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando a drenagem do metal fundido começa pode ser previsto com um processamento em tempo real.

[060] A operação para drenagem do metal fundido começa quando o peso W do metal fundido de saída que é fluído a partir da panela 3 durante o derramamento e o peso Wb do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando o metal fundido é drenado se conformam à condição expressa pela Equação (18).

[061]

[062] O fluxograma do sistema de controle de previsão de peso é mostrado na Figura 7. No sistema de controle na Figura 7, primeiro a panela 3 começa o movimento de inclinação dianteiro. Quando a panela 3 alcança o ângulo de inclinação no qual a descarga do metal fundido começa, o metal fundido na panela 3 flui para fora a partir disso. Quando o peso do metal fundido de saída alcança o peso determinado WA, o movimento de inclinação da panela 3 é suspenso. A Equação (17) (isto é, a previsão do peso do metal fundido de saída que flui a partir da panela 3 quando o metal fundido é drenado) e a Equação (18) (isto é, um discriminante para determinar quando o movimento de drenagem do metal fundido começa) são executadas de tal modo que a drenagem do metal fundido comece mediante a conformação das à Equação (18). Com esse processo, o metal fundido pode ser derramado com alta precisão para o peso alvo do metal fundido de saída. Quando as Equações (17) e (18) são executadas, é necessário que o nível de altura h do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3, o ângulo de inclinação q em que a panela 3 se inclina e o peso W do metal fundido de saída durante derramamento sejam detectados. Embora o ângulo de inclinação possa ser medido por meio do codificador rotatório, é difícil medir o nível de altura h do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3. Embora o peso do metal fundido de saída durante o derramamento possa ser medido por meio da célula de carga, isso não pode ser precisamente medido devido a um atraso em resposta da célula de carga e do efeito de ruído. Portanto, o sistema de estimação para estimar o estágio operacional de derramamento é configurado para estimar o nível de altura h do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 e o peso W do metal fundido de saída durante o derramamento, ambos representam quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento.

[063] Esse sistema de estimação estima as quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento que são exigidas pelo sistema de controle de previsão de peso para prever o peso de saída do metal fundido fluído a partir da panela 3.

[064] Através da configuração do sistema de estimação, esse sistema estima as quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento com o uso do filtro Kalman estendido. Para configurar o sistema de estimação, o processo de derramamento automático é modelado.

[065] A Figura 8 mostra o diagrama esquemático do processo de derramamento automático. Na Figura 8, quando um comando operacional u é fornecido para um motor Pm a fim de inclinar a panela 3, a panela 3 se inclina com a velocidade angular de inclinação w e o ângulo de inclinação q em que a panela 3 se inclina. A seguinte Equação (19) expressa um modelo do motor para inclinar a panela 3.

[066]

em que Tmt é a constante de tempo do motor para inclinar a panela e Kmt é a constante de ganho. A inclinação da panela 3 faz com que o metal fundido nisso flua para fora. Conforme discutido abaixo, esse processo de derramamento Pf é expresso nas Equações (5) e (6).

[067] No processo de derramamento, o tempo limite Lp denota o atraso em resposta do metal fundido ao fluxo a partir da panela 3 devido, por exemplo, ao efeito de tensão superficial. Para introduzir o tempo limite no filtro Kalman estendido, as aproximações de Padé de um sistema de primeira ordem, conforme expresso nas Equações (20) e (21), são usadas para expressar o tempo limite.

[068]

onde qf (h(t)) denota a taxa de fluxo do derramamento do metal fundido no tempo t, qx denota uma quantidade de estado através da expressão do tempo limite com aproximações de Padé do sistema de primeira ordem, e qe denota a taxa de fluxo do derramamento do metal fundido no tempo t-Lq.

[069] Na Equação (6), qe(t)=qf(h(t-Lp)) é substituído. Adicionalmente, a taxa de fluxo qf do derramamento do metal fundido é temporariamente integrada para converter o volume para o peso de tal modo que o peso W do metal fundido de saída possa ser obtido conforme expresso na Equação (7). Na Equação (7), similar à Equação (6), qe(t)=qf(h(t-Lp)) é substituído pelo tempo limite da taxa de fluxo do derramamento do metal fundido. Por outro lado, um comando operacional a ser fornecido para o primeiro servomotor 4 a fim de inclinar a panela 3 é usado no sistema de controle de sincronização para sincronizar o ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina e a posição da panela 3. O controle de sincronização Kz é expresso pelas Equações (1) e (2). Então, conforme descrito abaixo e conforme mostrado na Figura 8, durante o controle posicional da panela, um comando operacional uz é fornecido para um servomotor Pz para mover verticalmente a panela. A Equação (22) expressa um modelo do servomotor para mover verticalmente a panela.

[070]

em que Tmz é a constante de tempo do segundo servomotor 5 para mover verticalmente a panela e Kmz é a constante de ganho. vz é a velocidade de movimento vertical da panela, e az é a aceleração de movimento vertical da panela.

[071] O movimento vertical da panela 3 é executado por meio do sistema de controle de sincronização para sincronizar o ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina e a posição da panela 3. Este movimento vertical da panela 3 é sobreposto sobre os dados do peso do metal fundido de saída que é medido por meio da célula de carga que é presa à máquina de derramamento automático conforme mostrado na Figura 1. Wa denota a carga inicial em uma mola da célula de carga 9 antes de o metal fundido fluir a partir da panela 3. Essa carga diminui conforme o metal fundido flui a partir da panela 3. g denota a aceleração de gravidade. O peso do metal fundido de saída e o movimento vertical da panela 3 fornecem o peso medido WL do metal fundido através de características dinâmicas da célula de carga 9. A Equação (23) expressa um modelo da célula de carga.

[072]

onde TL denota a constante de tempo da célula de carga.

[073] Com o uso das Equações (6), (7) e (19) a (23), o processo de derramamento automático pode ser expresso por uma equação de estado conforme representado pela Equação (24) e uma equação de saída pode ser fornecida conforme representado pela Equação (25).

[074]

onde o vetor de entrada u(t) na Equação (24) é expresso como u(t)=(u(t) uz(t)) T . Com o uso do modelo de processo do processo de derramamento automático expresso pelas Equações (24) e (25), o sistema de estimação com base no filtro Kalman estendido para estimar uma quantidade de estado de derramamento é configurado. Primeiro, com o uso do método de Euler, as Equações (24) e (25), representadas por equações diferenciais, são convertidas em equações de diferença conforme representado pelas Equações (26) e (27).

onde k denota um número de amostragem e DT denota o tempo de amostra. Existe a relação de t =kDT entre k, DT e tempo t. Adicionalmente, o vetor de entrada é representado por u(k) =(u(k) uz(k))T. Contra as Equações (26) e (27), o filtro de Kalman estendido é configurado conforme representado pelas Equações (28) e (29).

onde K(k) denota ganho de Kalman. As variáveis de estado estimadas zen e zep denotam uma variável de estado dedutível e uma variável de estado indutiva. A estimação de estado é, então, executada nas Equações (28) e (29) da seguinte forma: Atualização de tempo:

Linearização:

onde Q e R denotam a matriz de covariância do ruído de sistema e ruído de observação, e P denota uma matriz de covariância de um erro em uma quantidade do estado estimado. Os processos representados pelas Equações (30) a (36) são executados de tal modo que a quantidade z de estado possa ser estimada. O sistema de estimação para estimar a quantidade de estado de derramamento é executado após o ângulo de inclinação em que a panela 3 se inclina alcançar um ângulo no qual o fluxo para fora do metal fundido começa. Esse ângulo qsp no qual o fluxo para fora do metal fundido começa pode ser estimado conforme representado pela Equação (37) do peso iq do metal fundido na panela 3 que é medido por meio da célula de carga antes do fluxo para fora do metal fundido.

[075]

onde fvs denota uma função de representação para representar a partir do volume Vs do metal fundido abaixo do orifício de sangria da panela 3 no ângulo de inclinação q para o ângulo de inclinação q. O filtro Kalman estendido converge um erro 0 como o erro inicial mesmo se a Equação (37) envolver qualquer erro estimado. Na quantidade ze do estado que é estimado por meio do filtro Kalman estendido, o nível de altura he do metal fundido superior acima do orifício de sangria da panela 3 e o peso We do metal fundido de saída são usados no sistema de controle de previsão de peso para prever o peso do metal fundido de saída.

Modalidades

[076] A Figura 9 ilustra o formato interno da panela usada em experimentos e o formato de seu orifício de sangria. Com base no formato da panela 3 da Figura 9, no ângulo de inclinação q, o volume Vs do metal fundido abaixo do orifício de sangria da panela 3 e a área A da superfície do metal fundido podem ser derivados como os resultados mostrados na Figura 10. A relação entre o volume do metal fundido abaixo do orifício de sangria da panela e a área da superfície do metal fundido conforme mostrado na Figura 10 pode ser obtida com o uso de uma integral numérica ou um software CAD.

[077] fvs na Equação (37) denota um mapeamento inverso da relação conforme mostrado na Figura 10 (a) entre o ângulo de inclinação q em que a panela se inclina e o volume Vs do metal fundido abaixo do orifício de sangria da panela. Adicionalmente, a Figura 11 mostra a relação entre a altura h do metal fundido no orifício de sangria da panela e a taxa de fluxo qf do derramamento do metal fundido quando o coeficiente de taxa de fluxo é 1. A relação conforme mostrado na Figura 11 pode ser derivada a partir da Equação (5). Com base em experimentos de identificação, considerando que o coeficiente de taxa de fluxo c é c = 0,64, o atraso Lp em resposta do metal fundido ao fluxo a partir da panela devido ao efeito de tensão superficial é Lp = 0,45 [s], e a densidade r é r = 103 [Kg/m3]. Esses parâmetros são fornecidos para o modelo do processo de derramamento automático.

[078] Com base em experimentos de identificação, considerando que a constante de tempo Tmt e a constante de ganho Kmt do motor para inclinar a panela são Tmt = 0,01[s] e Kmt = 1,0[°/sV], e a constante de tempo Tmz e a constante de ganho Kmz do motor para mover verticalmente a panela são Tmz = 0,01[s] e Kmz = 1,0 [m/sV]. As mesmas são fornecidas para os respectivos modelos dos motores. Adicionalmente, com base em experimentos de identificação, considera-se que a constante de tempo TL da célula de carga seja TL = 0,159[s].

[079] A Figura 12 mostra os resultados de experimentos que foram executados com o uso de água no lugar do metal fundido pretendido. O movimento de derramamento é executado com a velocidade angular de inclinação dianteira de 0,5 [°/s] e a velocidade angular de inclinação inversa de 2,0 [°/s]. O peso alvo da água alternativa de fluxo de saída é 3,0 [Kg] e o peso da água de fluxo de saída quando o movimento de inclinação dianteiro da panela é suspenso é 1,0 [Kg].

[080] Na Figura 12, (a) mostra velocidades angulares de inclinação que são previstas por meio do filtro Kalman estendido, (b) mostra ângulos de inclinação, (c) mostra velocidades do movimento vertical da panela, (d) mostra posições da panela no movimento vertical, (e) mostra alturas de líquido acima do orifício de sangria, e (f) mostra pesos de saída do líquido. Na Figura 12 (f), a linha estreita denota os pesos de saída medidos do líquido que são medidos por meio da célula de carga, enquanto a linha cheia denota os pesos de saída previstos do líquido. O fato de que as quantidades de estado do líquido podem ser previstas por meio do filtro Kalman estendido é confirmado por esses resultados. Na Figura 12 (f), sobre os pesos de saída medidos do líquido, os efeitos do ruído e os efeitos do movimento vertical da panela, e as características dinâmicas da célula de carga são sobrepostos e, dessa forma, é difícil medir realmente os pesos de saída do líquido. Em contraste, confirma-se o fato relacionado ao peso previsto do líquido de fluxo de saída, aos efeitos do ruído e ao movimento vertical da panela que são reduzidos e ao atraso em resposta devido às características dinâmicas da célula de carga que é compensado através dos resultados acima. Devido ao fato de o controle para prever o peso de saída do líquido ser executado com base nas quantidades de estado de derramamento previstas, entende-se que um derramamento preciso pode ser alcançado, no qual o peso real de saída do líquido é 3,05 [Kg] e o peso alvo de saída do líquido é 3,0 [Kg].

[081] As condições de derramamento tais como o peso alvo de saída do líquido e o ângulo de inclinação no qual o fluxo de saída do líquido começa foram variadas para determinar se a precisão de derramamento é mantida. As Figuras 13 (a) e (b) mostram que os pesos de saída do líquido no experimento, nos quais diferentes ângulos de inclinação em que o fluxo de saída do líquido começa são usados com os pesos alvos de saída do líquido, foram 5 [Kg] (Figura 13(a)) e 10,0 [Kg] (Figura 13(b)). Nas Figuras 13 (a) e (b), as linhas descontínuas denotam uma área na qual um erro está na faixa de ±3 [%] contra os pesos alvo de saída do líquido, enquanto os círculos denotam o peso de saída do líquido que foi obtido através de experimentos. A extensão do erro foi cerca de 0,1 [Kg] contra o peso alvo de saída do líquido mesmo se diferentes pesos alvo de saída do líquido e diferentes ângulos de inclinação nos quais o fluxo de saída do líquido começou forem usados. Portanto, o derramamento preciso pode ser alcançado em diferentes condições de derramamento.

[082] Todavia, será entendido que várias modificações podem ser feitas sem que se afaste do espírito e do escopo da invenção. Por exemplo, algumas das etapas descritas no presente documento podem ser independentes de ordem e, dessa forma, podem ser executadas em uma ordem diferente daquela descrita.

Claims

1. Método para derramamento automático de metal fundido do tipo inclinação a partir de uma panela (3) para um molde, em que a panela (3) tem um orifício de sangria que tem um formato pré-determinado e possui o metal fundido, através da inclinação da panela (3) por meio de uma pluralidade de servomotores (4, 5) sob o controle de um computador (2), o método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: medir o peso de saída do metal fundido que flui a partir da panela (3) por meio de uma célula de carga (9); medir o ângulo de inclinação da panela (3) quando esta se inclina e a posição móvel da panela (3) ao longo da direção de movimento vertical da panela (3) por meio de uma pluralidade de codificadores rotatórios que são que são montados nos servomotores (4, 5); estimar, por meio do computador (2), o nível de altura do metal fundido acima do orifício de sangria da panela (3), o qual é para quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento, e o peso de saída do metal fundido que flui a partir da panela (3), com o uso de um filtro Kalman para estimar quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento, com base no peso de saída medido do metal fundido que flui a partir da panela (3), no ângulo de inclinação medido da panela (3) quando esta se inclina, na posição medida da panela (3) ao longo de uma direção de movimentos verticais da panela (3) e em uma voltagem de entrada para os servomotores (4, 5); prever, por meio do computador (2), o peso de saída final do metal fundido como a soma de um peso de saída previsto do metal fundido que flui a partir da panela (3) quando a panela (3) inclina inversamente, que é previsto com base no ângulo de inclinação da panela (3) e no nível de altura estimado do metal fundido acima do orifício de sangria da panela (3) que foi estimado pelo filtro Kalman estendido, e no peso de saída estimado do metal fundido que flui a partir da panela (3) e que foi estimado pelo filtro Kalman estendido; e determinar, por meio do computador (2), se o peso de saída previsto final do metal fundido é pelo menos um peso de saída especificado, e começar um movimento de inclinação inverso da panela com base no resultado determinado por meio dos servomotores (4, 5) controlados pelo computador (2).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de mover para frente e para trás e mover verticalmente a panela (3) em sincronização com o movimento de inclinação da panela (3) por meio dos servomotores (4, 5) controlados pelo computador (2) de tal modo que o orifício de sangria seja posicionado no centro do movimento de inclinação da panela (3).

3. Sistema de controle de inclinação para derramamento automático de metal fundido a partir de uma panela (3) para um molde, em que a panela (3) tem um orifício de sangria que tem um formato pré-determinado e possui o metal fundido, através da inclinação da panela (3) por meio de uma pluralidade de servomotores (4, 5) sob o controle de um computador (2), o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um meio de armazenamento para armazenar um modelo de uma taxa de fluxo do derramamento do metal fundido que flui a partir da panela (3) para um molde; um meio de controle para controlar o movimento dianteiro e traseiro e o movimento vertical da panela (3) em sincronização com um movimento de inclinação da panela (3) de tal modo que um orifício de sangria da panela (3) seja posicionado no centro do movimento de inclinação da panela (3); meios para medição de peso para medir o peso do metal fundido na panela (3) antes de um movimento de derramamento começar; um meio de detecção para detectar o ângulo de inclinação da panela (3) quando esta se inclina e a posição móvel da panela (3) em seus movimentos verticais; um meio de derivação angular para derivar um ângulo de inclinação em que a panela (3) se inclina para começar o fluxo do metal fundido a partir da panela (3) através da conversão do peso medido do metal fundido na panela (3) que foi medido pelo meio para medição de peso; um meio de estimação para estimar de modo operacional o nível de altura do metal fundido acima do orifício de sangria da panela (3), o qual é para quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento, e um peso de saída do metal fundido que flui para fora da panela (3), com o uso de um filtro Kalman para estimar quantidades de estado para o estágio operacional de derramamento, com base em um peso de saída do metal fundido que flui para fora da panela (3) que corresponde ao peso medido do metal fundido na panela (3), no ângulo de inclinação medido da panela (3) quando esta se inclina, na posição móvel medida da panela (3) em seus movimentos verticais e em uma voltagem de entrada para os servomotores (4, 5); um primeiro meio de cálculo de peso para calcular o peso do metal fundido que flui a partir da panela (3) após o começo do movimento de inclinação inverso da panela (3); um segundo meio de cálculo de peso para converter o peso medido do metal fundido na panela para um peso de saída do metal fundido que flui a partir da panela (3) para o interior de um molde; um terceiro meio de cálculo de peso para calcular o peso de saída final do metal fundido a partir do movimento de inclinação dianteiro da panela (3) para o movimento de inclinação inverso da panela (3) como a soma de um peso de saída do metal fundido que flui a partir da panela (3) quando o movimento de inclinação inverso da panela (3) começa e um peso de saída do metal fundido que flui para fora da panela (3) após o movimento de inclinação inverso da panela (3) começa; e um meio de determinação para determinar se o peso de saída final calculado do metal fundido é pelo menos um peso de saída especificado, e para começar um movimento de inclinação inverso da panela (3) com base no resultado determinado; em que um movimento de inclinação inverso da panela começa com base no resultado determinado por meio dos servomotores (4, 5) controlados pelo computador (2).