CN102341200B - 铸造机的控制装置 - Google Patents

Abstract

在加热炉(11)内对熔融金属(M)加压将其送出至供料器(15)、并在型腔(14)内进行铸造的铸造机(10)的控制装置。模型预测控制器(21)对从当前开始经过了预定时间的时刻的熔融金属(M)的熔融金属表面的高度进行预测，并控制比例阀(17)以使该预测的熔融金属表面的高度与经过了预定时间的时刻的熔融金属表面的指定高度近似。能够相对于指示值不产生延迟和过冲地进行控制，从而能够使熔融金属在模具内适当地流动。

Description

铸造机的控制装置

技术领域

本发明涉及用于控制低压铸造机的压力的控制装置，特别是涉及通过对熔融金属的状况进行预测来降低熔融金属的脉动的技术。

背景技术

以往，已知下述结构的低压铸造机：将高压空气供给至坩埚内的熔融金属表面之上的空间，经由浸渍于熔融金属内的供料器(Stoke)在模具内对熔融金属进行铸造。在这样的低压铸造机中，需要对高压空气的供给量进行控制以使熔融金属在模具内适当地进行流动。例如，专利文献1、专利文献2公开了下述技术：在低压铸造机中，根据高压空气的测量压力相对于指定压力的差异来对比例控制阀的开度进行反馈控制(PID控制)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7-276031号公报

专利文献2：日本特开平8-090207号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述那样的低压铸造机中，由于利用具有压缩性的空气对熔融金属这样的惯性流体加压，因此，在反馈控制中，相对于指示的空气压力，实际的压力上升产生延迟。并且，该延迟被反映到反馈控制中，从而在接下来发生实际压力比指示的压力高的过冲(overshoot)。因此，空气压力大幅度地变动，从而熔融金属产生脉动。其结果是，在模具内发生熔融金属表面波动或熔融金属逆流，产生冷隔、未填充、或者空气的卷入等，从而导致铸造不良。

因此，本发明的目的在于提供一种低压铸造机的控制装置，其能够相对于指示值不产生延迟与过冲地进行控制，能够使熔融金属在模具内适当地流动。

用于解决问题的手段

本发明为对熔融金属进行加压而送出、并在铸型内进行铸造的铸造机的控制装置，其特征在于，该铸造机的控制装置具备：加压单元，其对熔融金属进行加压；和控制单元，其对该加压单元进行控制，控制单元对从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测，并控制加压单元以使所述被预测的熔融金属表面的高度与经过了预定时间的时刻的熔融金属表面的指定高度近似。

根据本发明，由于一边对从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测，一边对加压单元进行控制，因此，能够像PID控制那样抑制延迟和过冲的产生。因此，能够防止熔融金属的脉动的产生和由此引起的冷隔或未填充、或者空气的卷入等的产生于未然。

本发明能够应用于利用空气等气体进行加压的方式的铸造机。即，铸造机能够具备供给对熔融金属进行加压的气体的气体供给单元，控制单元能够具备调节气体的流量的流量调节阀、和检测气体的压力的压力检测单元。并且，控制单元基于流量调节阀中的气体的流量与压力检测单元的检测结果，对从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测。并且，如上述那样，本发明不仅能够应用于通过气体对熔融金属进行加压的方式的铸造机，还能够应用于通过浮筒(Float)、活塞、或者电磁力对熔融金属进行加压的方式的铸造机。

铸造机能够具备保持熔融金属的保持部、和将熔融金属从该保持部送至铸型内的供料器。并且，控制单元通过下述[公式1]和[公式2]来预测从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度：

[公式1]

$\frac{d^2{h}_1}{{\mathrm{dt}}^2}=(+P_{1}A-P_{i}A-m_{A}g-\mathrm{\μ}\left(h\right)\frac{{\mathrm{dh}}_1}{\mathrm{dt}})\frac{1}{m_A}$

P1：预测气体压力；A：供料器内部的水平截面面积；Pi：作用于熔融金属的熔融金属表面的背压；mA：供料器内部的熔融金属的质量；g：重力加速度；h1：被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度；μ(h)：熔融金属的粘性系数，

[公式2]

$P_1=\∫\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=\∫(\frac{\mathrm{GRT}}{V}-\frac{P}{V}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}})$

P1：预测气体压力；P：实测气体压力；V：气体体积；R：气体常数；T：铸造机内的空气温度；G：气体流量。

在此，G与流量调节阀的开度成比例，但是根据电磁式流量调节阀的种类，有如下这样的流量调节阀：流路不打开，直到操作电压超过下限值为止，流路打开后，流量相对于操作电压线性地变化。此外，在这样的流量调节阀中，在将流量调节阀从使其全开的状态缩小的情况下，流路不缩小，直到操作电压低于上限值为止，流路开始缩小后，流量相对于操作电压线性地变化。因此，在根据操作电压求流量的情况下，需要加入上述那样的动作滞后。此外，[公式2]的右边的第1项为因流入铸造机的气体而引起的压力增加部分，第2项为因熔融金属被流入铸造机的气体压下的结果、即容积增加而引起的压力减少部分。

从当前时刻t1开始t秒后的气体压力P能够通过对[公式2]从t1至(t1+t)进行积分来求得。这种情况下，能够使铸造机内气体的温度T固定，并将气体流量G预先设定为时刻(t1+t)的流量。此外，时刻(t1+t)时的气体体积V能够通过对时刻t1时的气体体积(已经求得)加上Ah1来求得。

能够在[公式1]中使背压Pi为大气压。此外，供料器内熔融金属的质量mA为时刻t1时的质量，其在过去的计算中已经求得。并且，粘性系数μ(h)根据熔融金属的材质和温度而已知。并且，如果将这些值和在[公式2]中求得的气体压力P代入[公式1]并进行两次积分，则能够求出送出的熔融金属在时刻(t1+t)的熔融金属表面的高度h1。这种情况下，若时刻(t1+t)的熔融金属表面的高度h1比指定的高度高，则降低流量调节阀的操作电压。另一方面，若时刻(t1+t)时的熔融金属表面的高度h1比指定的高度低，则提高流量调节阀的操作电压。由此，能够使时刻(t1+t)的熔融金属表面的实际高度h1与指定的高度近似。能够使操作电压的下降幅度和熔融金属表面的高度h1与指定的高度的差成比例。

以上的形态为在熔融金属的熔融金属表面存在于供料器内时的控制，即使仅通过抑制在供料器内的熔融金属表面的波动，也能够抑制在铸型内的熔融金属的波动。此外，在本发明中，还能够以可靠地抑制在铸型内的熔融金属表面的波动的方式进行控制。具体而言，控制单元对供料器与铸型的水平截面面积进行存储，并对应于熔融金属的熔融金属表面的面积来修正流量调节阀的控制。例如，将供料器与铸型的水平截面面积的信息作为干扰而输入控制系统，并根据水平截面面积计算出至时刻(t1+t)为止的熔融金属的体积增加部分。并且，使流量调节阀中的流量为与熔融金属的体积增加部分相平衡的值。并且，通过乘以铸型的水平截面面积相对于供料器的水平截面面积的比来确定流量，非常简便。

在本发明中，能够将各种条件作为对送出的熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测时的因素考虑进来以提高预测的精度。前述的流量调节阀的动作的延迟也是其中的一个因素，除此之外，还存在气体从铸造机泄露等干扰。

发明效果

根据本发明，能够得到下述等效果：能够像PID控制那样抑制延迟和过冲的产生，且能够防止熔融金属的脉动的产生和由此引起的冷隔或未填充、或者空气的卷入等的产生于未然。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的铸造机的控制装置的控制框图。

图2是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图。

图3是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图。

图4是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图，其示出从图3所示出的状态前进1个阶段后的状态。

图5是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图，其示出从图4所示出的状态前进1个阶段后的状态。

图6是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图，其示出从图5所示出的状态前进1个阶段后的状态。

图7是用于说明实施方式的模型预测控制的时间图，其示出从图6所示出的状态前进1个阶段后的状态。

标号说明

10：铸造机；11：加热炉；12：下模(铸型)；13：上模(铸型)；14：型腔；15：供料器；17：比例阀(加压单元，压力调节阀)；18：压力传感器(压力检测单元)；20：控制部；21：模型预测控制器(控制单元)。

具体实施方式

以下，参照图1～图7对本发明的实施方式进行说明。在图1中，标号10为低压铸造机。低压铸造机10具备加热炉11。在加热炉11之上配置有下模12、和能够相对于该下模12在上下方向上接近或离开的上模13，通过下模12与上模13形成了型腔14。

轴线朝向上下方向的供料器15贯穿配置于加热炉11的顶部，供料器15的上端部贯穿下模12而与型腔14面对。与未进行图示的空气压缩装置相连接的配管16经由比例阀(流量调节阀)17与加热炉11的侧壁的上部连接，以使空气流入到保持于加热炉11的内部的熔融金属M的上部空间。此外，在加热炉11上设置有检测熔融金属M的上部空间的压力的压力传感器(压力检测单元)18。在该铸造机10中，通过提高熔融金属M的上部空间的压力(炉内压力)将熔融金属M送入供料器15，并填充至型腔14。

在图1中，标号20为控制部，标号21为模型预测控制器(控制单元)。控制部20对低压铸造机10的动作进行控制，并将指示熔融金属的熔融金属表面位置的信息输出至模型预测控制器21。模型预测控制器21基于从压力传感器18输入的压力信息，对从当前开始往前(前方)3个阶段为止的熔融金属表面位置和炉内压力进行预测，并且，对预测的熔融金属表面位置与指示的熔融金属表面位置进行比较，控制比例阀17以使该预测的熔融金属表面位置与指示的熔融金属表面位置近似。此外，虽然省略了图示，但在比例阀17设置有流量检测传感器，其检测结果被输入至模型预测控制器21。以下，参照图2～图7对其模型预测控制详细地进行说明。此外，在该实施方式中，是从当前开始往前3个阶段为止地进行预测，但由于能够酌情决定预测至往前多少阶段为止，因此并不限定于该实施方式。

图2是用于说明模型预测控制的时间图，横轴表示进行模型预测控制的各个阶段的时刻。并且，在图2中以0.1的刻度示出1个阶段的间隔。以时刻t表示当前时刻，在该时刻t时，从控制器20将指示熔融金属表面位置的信息输入模型预测控制器21。

这样，如图3所示，模型预测控制器21提高对比例阀17的操作电压，并以使比例阀17变为全开的方式使其动作。由于比例阀17具有前述那样的动作滞后，因此，比例阀17从时刻(t+1)开始打开流路，从而空气从时刻(t+1)开始流动。此外，模型预测控制器21将在当前时刻t的时候从压力传感器18输入的炉内压力代入前述的[公式2]，得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测炉内压力，并将得到的预测炉内压力代入[公式1]以得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测熔融金属表面位置。此外，在图3中，为了方便说明，将预测炉内压力与预测熔融金属表面位置示出至比时刻(t+3)更靠后的时刻为止，但实际上只预测至时刻(t+3)为止。关于这一点，图4以后的附图也相同。

图4示出了从图3所示的状态前进至下一阶段(11)的状态。模型预测控制器21根据在当前时刻t的时候从压力传感器18输入的炉内压力、前述的[公式2]和[公式1]得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测熔融金属表面位置。根据模型预测控制器21的预测，炉内压力从当前时刻t与时刻(t+1)的中间开始上升，其结果是，加热炉11内的熔融金属M的熔融金属表面被按压，熔融金属M从时刻(t+1)的稍微靠前的时刻开始被压入供料器15内，从而使得熔融金属表面开始上升。由于预测熔融金属表面位置大幅度低于指示熔融金属表面位置，因此模型预测控制器21对于施加至比例阀17的操作电压维持现状。

图5示出了从图4所示的状态前进至下一阶段(12)的状态。模型预测控制器21根据在当前时刻t的时候从压力传感器18输入的炉内压力、前述的[公式2]和[公式1]得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测熔融金属表面位置。根据模型预测控制器21的预测，由于预测熔融金属表面位置在时刻(t+2)与指示熔融金属表面位置接近，因此，需要在时刻(t+1)将施加至比例阀17的操作电压降低，但是在时刻t对控制电压维持现状。

图6示出了从图5所示的状态前进至下一阶段(1.3)的状态。模型预测控制器21根据在当前时刻t的时候从压力传感器18输入的炉内压力、前述的[公式2]和[公式1]得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测熔融金属表面位置。根据模型预测控制器21的预测，由于预测熔融金属表面位置在时刻(t+1)与指示熔融金属表面位置接近，因此，在时刻t将施加至比例阀17的操作电压降低。

图7示出了从图6所示的状态前进至下一阶段(1.4)的状态。模型预测控制器21根据在当前时刻t的时候从压力传感器18输入的炉内压力、前述的[公式2]和[公式1]得到时刻(t+1)、时刻(t+2)、时刻(t+3)时的预测熔融金属表面位置。根据模型预测控制器21的预测，预测熔融金属表面位置在时刻t以后与指示熔融金属表面位置近似，但是预测熔融金属表面位置在时刻(t+2)比指示熔融金属表面位置稍微下降。因此，模型预测控制器21在时刻t使比例阀17的操作电压稍微上升。由此，在时刻(t+3)以后成为预测熔融金属表面位置与指示熔融金属表面位置大致一致的稳定的状态。

通过以上那样的模型预测控制，熔融金属M的熔融金属表面在供料器15内稳定。因此，由于能够加快供料器15内的熔融金属表面的上升速度，从而能够缩短铸造时间。此外，由于在将熔融金属填充至型腔14时也能够大致维持稳定状态，因此能够像PID控制那样抑制延迟和过冲的产生，从而能够防止熔融金属的脉动的产生和由此引起的冷隔或未填充、或者空气的卷入等的产生于未然。

但是，如果在熔融金属通过供料器15内后也使比例阀17的操作电压保持固定，则可以设想到下述情况：在水平截面面积在直浇道(湯口)或型腔14内大幅变化的情况下，熔融金属表面的上升速度会发生变动，从而导致熔融金属表面紊乱。因此，在该实施方式中，模型预测控制器21对供料器15与型腔14的水平截面面积信息进行存储，并将这些信息作为干扰对操作电压进行修正。

具体而言，当使供料器15的水平截面面积为A，使直浇道或型腔14的水平截面面积为S时，将操作电压与S/A相乘来进行修正。由此，熔融金属表面的上升速度在直浇道或型腔14内变得固定，从而防止了熔融金属表面的紊乱。

本发明不仅能够应用于如上述那样通过空气对熔融金属进行加压的方式的铸造机10，还能够应用于通过浮筒(float)、活塞、以及电磁力对熔融金属进行加压的方式的铸造机。例如，在通过浮筒或活塞对熔融金属进行加压的铸造机中，如果将浮筒或活塞所受到的反作用力作为压力信息输出至模型预测控制器21，也能够进行与上述相同的控制。

产业上的可利用性

本发明为初次能够应用于模型预测控制的铸造机的发明，因此，在生产率或成品率方面性能优异，非常有希望应用于铸造领域。

Claims (2)

1.一种铸造机的控制装置，所述铸造机的控制装置对熔融金属进行加压而送出，并在铸型内进行铸造，所述铸造机的控制装置的特征在于，

所述铸造机的控制装置具备：

加压单元，其对熔融金属进行加压；和

控制单元，其对该加压单元进行控制，

所述控制单元对从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的所述熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测，并控制所述加压单元以使该预测的熔融金属表面的高度与所述经过了预定时间的时刻的熔融金属表面的指定高度近似，

所述铸造机具备空气供给单元，该空气供给单元供给对熔融金属进行加压的气体，所述控制单元具备调节气体的流量的流量调节阀、和检测气体的压力的压力检测单元，所述控制单元基于所述流量调节阀中的气体的流量和所述压力检测单元的检测结果，对从当前开始经过了预定时间的时刻的被送出的所述熔融金属的熔融金属表面的高度进行预测，

所述铸造机具备保持熔融金属的保持部、和将熔融金属从该保持部输送至所述铸型的供料器，所述控制单元通过下述[公式1]和[公式2]对从当前经过了预定时间的时刻的被送出的所述熔融金属的熔融金属表面的高度（h₁）进行预测：

[公式1]

$\frac{d^2{h}_1}{{\mathrm{dt}}^2}=(+P_{1}A-P_{i}A-m_{A}g-\mathrm{\μ}\left(h\right)\frac{{\mathrm{dh}}_1}{\mathrm{dt}})\frac{1}{m_A}$

P₁：预测气体压力；A：供料器内部的水平截面面积；P_i：作用于熔融金属的熔融金属表面的背压；m_A：供料器内部的熔融金属的质量；g：重力加速度；h₁：被送出的熔融金属的熔融金属表面的高度；μ（h）：熔融金属的粘性系数，

[公式2]

$P_1=\∫\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=\∫(\frac{\mathrm{GRT}}{V}-\frac{P}{V}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}})$

P₁：预测气体压力；P：实测气体压力；V：气体体积；R：气体常数；T：铸造机内的气体温度；G：气体流量。

2.根据权利要求1所述的铸造机的控制装置，其特征在于，

所述控制单元对所述供料器与所述铸型的水平截面面积进行存储，并对应于所述熔融金属的熔融金属表面的面积来修正所述流量调节阀的控制。

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