CN104023878A - 浇注控制方法及存储使计算机用作浇注控制装置的程序的存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制具有倾斜式包的自动浇注装置的浇注控制方法。通过该方法，在不碰撞位于浇注包的移动范围内的任何物体的情况下，浇注包的嘴接近模具的浇口。此外，通过该方法，流出包的熔融金属能够精确地注入模具。该浇注控制方法包括以下步骤：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型和使包倾斜的电机(在下文中称为倾斜电机)的反演模型来生成要输入至该倾斜电机的电压以达到熔融金属的目标流量；估计流出包的熔融金属的流量；估计落下位置并且将所估计的落下位置设置为目标位置；以及生成浇注包的移动的轨迹，其中，该轨迹使浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低。

Description

浇注控制方法及存储使计算机用作浇注控制装置的程序的存储介质

技术领域

本发明涉及用于控制具有使充满熔融金属的包倾斜以将熔融金属浇注进模具中的倾斜式包(tilting type ladle)的自动浇注装置(在下文中称为浇注控制)的方法。本发明还涉及用于存储用于使计算机用作浇注控制装置的程序的存储介质。

背景技术

提出了用于控制具有倾斜式包的自动浇注装置的一些方法。这些方法中的一种方法通过使用前馈控制来控制流出浇注包的熔融金属落下的位置(在下文中称为落下位置)(PTL1)。另一种方法具有反馈控制，使得其能够校正由于通过使用前馈控制来控制熔融金属的落下位置而出现的任何差异(PTL2)。再一种方法控制模具的移动，使得将流出浇注包的熔融金属精确地浇注入模具中(PTL3)，等等。

引用列表

专利文献

(PTL1)

日本专利特开第2008-272802号公报

(PTL2)

日本专利特开第2011-224631号公报

(PTL3)

日本专利特开第2012-16708号公报

发明内容

技术问题

通过由PTL1公开的技术，通过使用前馈控制来控制流出浇注包的熔融金属落下的位置。通过由PTL2公开的技术，如果落下位置与目标位置不同，并且即使通过由PTL1公开的落下位置控制来控制位置，则浇注包会前进或后退以消除差异。然而，通过由PTL1和PTL2公开的技术，浇注包的嘴(lip)不是垂直地接近模具的浇口。因而，可能从高的位置执行熔融金属的浇注。因此，由于流出浇注包的熔融金属的自由下落时间可能较长，所以熔融金属的温度会降低。而且，由于当金属到达浇口时流出包的金属的速度可能较高，所以当熔融金属接触模具的浇口时熔融金属可能四溅。应当垂直地移动浇注包，以使浇注包的嘴与模具的浇口之间的垂直距离变得更短。如果垂直地移动包，包可能碰撞模具或装置例如用于浇注熔融金属的装置的底座。此外，通过由PTL3公开的技术，由于其使用用于移动模具的装置，所以需要新的设备。此外，该技术不能确保包不碰撞位于模具周围的任何底座。

本申请的发明旨在提供用于控制具有倾斜式包的自动浇注装置的浇注控制方法和存储介质。通过该方法，在不碰撞模具和位于浇注包的移动范围内的任何物体的情况下，浇注包的嘴接近模具的浇口。而且，通过该方法，流出包的熔融金属能够精确地注入模具。

问题的解决方案

本发明用于实现这些目的。权利要求1的发明使用一种技术手段，即，其是用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制方法。该装置能够控制包在前后方向以及上下方向上的移动，并且还能够控制包的倾斜。该方法包括以下步骤：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型(inverse model)和使包倾斜的电机(在下文中称为倾斜电机)的反演模型来生成要输入至倾斜电机的电压以达到熔融金属的目标流量；估计流出包的熔融金属的流量；估计落下位置并且将所估计的落下位置设置为目标位置；以及生成浇注包的移动的轨迹，其中，该轨迹使浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低，并且使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体；控制浇注包的移动并且将熔融金属浇注进模具中，使得浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低，并且使得当将熔融金属浇注进模具中时包不碰撞物体。

通过权利要求1的发明，由于控制了熔融金属的落下位置，所以可以将流出包的熔融金属精确地浇注进模具的浇口中。即，生成浇注包的移动的轨迹，使得该轨迹使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体。基于该轨迹，控制浇注包的移动，使得浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低，并且使得将熔融金属浇注进模具中。因而，与使浇注包的嘴接近模具的浇口而不对浇注包的嘴进行控制的传统浇注控制方法相比，能够缩短从浇注包浇注的熔融金属的自由下落时间。而且，能够限制熔融金属的温度的任何降低。另外，能够降低当金属到达浇口时熔融金属的速度，并且因此能够限制金属的四溅。

权利要求2的发明使用了这样的技术手段，该技术手段包括在权利要求1的方法中在生成浇注包的移动的轨迹的步骤之后执行的步骤。即，基于预先设置的浇注包将要碰撞物体的模式(在下文中称为碰撞模式)并且基于根据碰撞模式而确定的用于改变包的移动的条件来生成该轨迹。

通过权利要求2的发明，当生成移动的轨迹时，考虑浇注包的形状、包的位置与位于其移动范围内的物体的位置之间的关系等，然后基于预先设置的浇注包将要碰撞物体的模式并且基于根据碰撞模式而确定的用于改变包的移动的条件来生成轨迹。

权利要求3的发明使用一种技术手段，即，其是用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制方法。装置能够控制包在前后方向和上下方向上的移动，并且还能够控制包的倾斜。该方法包括以下步骤：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型和使包倾斜的倾斜电机的反演模型来生成要输入至倾斜电机以达到熔融金属的目标流量的电压；估计流出包的熔融金属的流量；估计熔融金属的落下位置并且将落下位置设置为目标位置；在包的嘴处设置假想轴；生成浇注包的移动的第二轨迹，其中，该轨迹使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体并且使浇注包的嘴的高于模具的浇口的高度最小化；控制浇注包的移动，使得当将熔融金属浇注进模具中时包不碰撞物体，并且通过使包围绕在包的嘴处设置的假想轴转动来将熔融金属浇注进模具中。

通过权利要求1的发明，由于控制了熔融金属的落下位置，所以能够精确地将流出包的熔融金属精确地浇注进模具的浇口中。即，生成浇注包的移动的轨迹，使得该轨迹使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体，并且使包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度最小化。基于该轨迹，控制浇注包的移动，使得包围绕假想轴转动并且将熔融金属浇注进模具中。因而，能够缩短从浇注包浇注的熔融金属的自由下落时间。此外，能够限制熔融金属的温度降低。另外，能够降低当熔融金属到达模具的浇口时熔融金属的速度，并且能够限制金属的四溅。因为当浇注熔融金属时包的嘴的高度是恒定的，所以浇注能够较少地受外部干扰的影响。而且，移动浇注包所需的电力会更少。

权利要求4的发明使用了这样的技术手段，该技术手段包括在权利要求3的方法中在生成浇注包的移动的第二轨迹的步骤之后执行的一些步骤。即，在那个步骤，第二轨迹基于预先设置的碰撞模式来决定包的位置。

通过权利要求4的方法，当生成了移动的第二轨迹时，考虑浇注包的形状、包的位置和位于其移动范围内的物体的位置之间的关系等，然后基于预先设置的碰撞模式来确定包的位置。

权利要求5的发明使用一种技术手段，即，其是存储有程序的计算机可读的介质。程序使计算机执行用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制过程。该装置能够控制包在前后方向和上下方向上的移动，并且能够控制包倾斜。该过程包括：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型和倾斜电机的反演模型来生成要输入至倾斜电机以达到熔融金属的目标流量的电压；估计流出包的熔融金属的流量；估计熔融金属的落下位置并且将落下位置设置为目标位置；以及生成浇注包的移动的轨迹，其中，该轨迹使浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低并且使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体。

权利要求6的发明使用一种技术手段，即，其是存储有程序的计算机可读的介质。该程序使计算机执行用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制过程。该装置能够控制包在前后方向和上下方向上的移动，并且能够控制包的倾斜。该处理包括：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型并且基于倾斜电机的反演模型来生成要输入至倾斜电机以达到熔融金属的目标流量的电压；估计流出包的熔融金属的流量；估计熔融金属的落下位置并且将落下位置设置为目标位置；在包的嘴处设置假想轴；以及生成浇注包的移动的第二轨迹，其中，该轨迹使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体并且使浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度最小化。

通过权利要求5和权利要求6的发明，将本申请的发明的浇注控制方法应用于能够使计算机执行该方法的用于控制熔融金属的浇注的程序，并且还应用于计算机可读的并且其中存储有程序的存储介质。

附图说明

图1是具有倾斜式包的自动浇注装置的一个示例的示意图。

图2是用于浇注熔融金属的控制系统的框图。

图3是浇注包的横截面示意图。

图4是示出浇注包的嘴的端部的透视示意图。

图5是示出当熔融金属流入嘴的引导槽时的情形的横截面示意图。

图6是示出浇注熔融金属的过程的透视示意图。

图7是浇注包碰撞在其移动范围内的物体的碰撞模式的示意图。

图8是示出当执行实验来获得浇注包的轨迹时应当提供的目标流量的示意图。

图9是示出作为使用传统方法的实验的结果的浇注包的移动的轨迹的示意图。

图10是示出作为使用本申请的发明的浇注控制方法的实验的结果的浇注包的各种可能轨迹的示意图。

图11是示出本申请的发明的浇注包的嘴的端部和浇注包的底部的轨迹与传统方法相比的示意图。

具体实施方式

现在，我们基于附图来讨论本申请的发明的浇注控制方法。

图1示出了应用本申请的发明的浇注控制方法的具有倾斜式包的自动浇注装置的示例。具有倾斜式包的自动浇注装置1包括浇注包10以及伺服电机11、12和13。浇注包10承载熔融金属。伺服电机中的一个是使包10绕轴θ倾斜并且还转动的伺服电机11。另一伺服电机12在前后方向上移动包10。第三伺服电机13上下移动包10。

因为伺服电机11、12和13均具有旋转编码器，所以能够确定浇注包10的位置和倾斜角度。伺服电机11、12和13配置成被提供有来自计算机的命令信号。本公开内容中的“计算机”表示移动控制器，例如，个人计算机、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC，programmable logiccontroller)和数字信号处理器(DSP，digital signal processor)。

在上述构造中，自动浇注装置1能够控制伺服电机11、12和13，并且使浇注包10在预定轨迹上移动。然后，自动浇注装置1能够从嘴10a排出熔融金属并且通过模具20的浇口20a将熔融金属浇注进模具20中。

在具有倾斜式包的自动浇注装置1中，使用浇注包的位置控制系统。该控制系统能够控制该装置，使得浇注包10不碰撞模具20或在包10的移动范围内的任何物体例如自动浇注装置1的底座14，并且使得包10的嘴10a前进至模具20的浇口20a并且精确地将熔融金属浇注进浇口20a中。下面示出的是包括以向伺服电机发送控制命令信号以确定流出浇注包10的熔融金属的在水平方向上的落下位置开始的过程的数学模型。

图2中示出的Pf是通过使包10倾斜来浇注流出浇注包10的熔融金属的过程。

图3示出了当浇注熔融金属时浇注包10的横截面示意图。假设浇注包10的倾斜角度是θ[deg(度)]，假设在浇注包10的嘴10a以下的部分的熔融金属部分的体积是V_s(θ)[m³]，假设在嘴10a以内由金属形成的水平面的面积是A(θ)[m²]，假设在嘴10a以上的部分的熔融金属部分的体积是V_r[m³]，假设在嘴10a以上的熔融金属的高度是h[m]，并且假设流出浇注包10的熔融金属的流量是q[m³/s]，则当浇注熔融金属时在时间t[s]之后的Δt[s]处的物料平衡由下面的方程式(1)表示。

[数学式1]

V_r(t)+V_s(θ(t))

＝V_r(t+Δt)+V_s(θ(t+Δt))+q(t)Δt  (1)

如果重新整理方程式(1)以计算熔融金属的体积V_r[m³]，并且假设Δt→0，则将获得方程式(2)。

[数学式2]

$\begin{array}{c}\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{V_r(t+\mathrm{\Δt})-V_r\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}=\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ =-q\left(t\right)-\frac{{\mathrm{dV}}_s\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}=-q\left(t\right)-\frac{{\∂V}_s\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\end{array}---\left(2\right)$

浇注包10的角速度ω[deg/s]表示为方程式(3)。

[数学式3]

$\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

如果将方程式(3)代入方程式(2)，则将获得方程式(4)。

[数学式4]

$\frac{{\mathrm{dV}}_r\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-q\left(t\right)-\frac{{\∂V}_s\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}\mathrm{\ω}\left(t\right)---\left(4\right)$

在嘴以上的部分的熔融金属的体积V_r[m³]表示为方程式(5)。

[数学式5]

$V_r\left(t\right)={\∫}_0^{h\left(t\right)}{A}_s(\mathrm{\θ}\left(t\right),h_s){\mathrm{dh}}_s---\left(5\right)$

符号A_s[m²]表示熔融金属在嘴的水平面以上的高度h_s[m]处的水平面积。

假设将面积A_s[m²]分为面积A[m²]和面积的增量值ΔA_s[m²]，则熔融金属的体积V_r[m³]将由下面的方程式(6)表示。

[数学式6]

$\begin{array}{c}{V}_r\left(t\right)={\∫}_0^{h\left(t\right)}(A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)+{\mathrm{\ΔA}}_s(\mathrm{\θ}\left(t\right),h_s)){\mathrm{dh}}_s\\ =A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)h\left(t\right)+{\∫}_0^{h\left(t\right)}{\mathrm{\ΔA}}_s(\mathrm{\θ}\left(t\right),h_s){\mathrm{dh}}_s\end{array}---\left(6\right)$

关于常用的浇注包，与嘴的水平面的面积A[m²]相比，面积的增量值ΔA_s[m²]非常小。因此，获得下面的方程式(7)。

[数学式7]

$A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)h\left(t\right)>>{\∫}_0^{h\left(t\right)}{\mathrm{\ΔA}}_s(\mathrm{\θ}\left(t\right),h_s){\mathrm{dh}}_s---\left(7\right)$

因此，方程式(6)可以由方程式(8)来表示。

[数学式8]

V_r(t)≈A(θ(t))h(t)  (8)

因此，根据方程式(8)获得方程式(9)。

[数学式9]

$h\left(t\right)\≈\frac{V_r\left(t\right)}{A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}---\left(9\right)$

根据方程式(9)获得方程式(10)。

[数学式10]

$\frac{\mathrm{dh}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}\left(q\left(t\right)+(\frac{{\∂V}_s\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}+\frac{\∂A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}h\left(t\right))\mathrm{\ω}\left(t\right)\right)---\left(10\right)$

通过使用伯努利定理，在嘴10a以上的熔融金属的高度h[m]处，熔融金属的流量q[m³/s]由方程式(11)表示。

[数学式11]

$q\left(t\right)=c\underset{0}{\overset{h\left(t\right)}{\∫}}{L}_f\left(h_b\right)\sqrt{{2\mathrm{gh}}_b}{\mathrm{dh}}_b---\left(11\right)$

如图4，符号h_b[m]表示在浇注包中的熔融金属距离其表面的深度。L_f[m]是嘴的宽度，g[m/s²]是重力加速度，以及c是流量系数。

根据上面的内容，浇注熔融金属的过程Pf由方程式(10)和方程式(11)表示。

图2中示出的符号P_m表示使浇注包10倾斜的伺服电机的动态特性，并且它们由下面的方程式表示。

[数学式12]

$T\frac{\mathrm{d\ω}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}\left(t\right)=\mathrm{Ku}\left(t\right)---\left(12\right)$

[数学式13]

$\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}\left(t\right)---\left(13\right)$

符号ω[deg/s]是倾斜的角速度，u[V]是输入电压，T[s]是时间常数，以及K[deg/s/V]是增益常数。

现在我们讨论用于估计当浇注熔融金属时熔融金属的落下位置的方法。

在熔融金属的流出的过程的模型中，能够通过流出的速度v_f[m/s]乘以落下时间T_f[s]的乘积来获得熔融金属的下落在水平方向上的长度S_v[m]，并且该长度能够通过使用v_f[m/s]和高度S_w[m]的方程式来表示，其中高度是熔融金属到达的位置。考虑其收缩的影响，通过主元表达式(primary expression)来表示流出速度v_f[m/s]，其中使用通过熔融金属的流量q[m³/s]除以熔融金属在嘴10a处的横截面积A_p[m²]获得的结果。

[数学式14]

$v_{f0}\left(t\right)={\mathrm{\α}}_1\left(\frac{q\left(t\right)}{A_p\left(h\left(t\right)\right)}\right)+{\mathrm{\α}}_0---\left(14\right)$

[数学式15]

$v\left(t\right)=\sqrt{v_{f0}^2+{2L}_{g}g\sin {\mathrm{\θ}}_a}---\left(15\right)$

[数学式16]

v_f(t)＝vcosθ_a  (16)

[数学式17]

$T_f=\frac{-v{\sin \mathrm{\θ}}_a+\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\θ}}_a\right)}^2+{2S}_{w}g}}{g}---\left(17\right)$

[数学式18]

$S_v({\mathrm{\θ}}_a,v,S_w)=v_f{T}_f=\frac{{-v}^2\sin {\mathrm{\θ}}_a\cos {\mathrm{\θ}}_a+v\cos {\mathrm{\θ}}_a\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\θ}}_a\right)}^2+{2S}_{w}g}}{g}---\left(18\right)$

如图5，符号v_f0[m/s]表示当熔融金属流入嘴10b的引导槽时熔融金属的流量。符号α₀和α₁是当熔融金属流出浇注包10，即，熔融金属受重力的影响在嘴处其横截面积收缩并且其流量增大时的影响系数。

方程式(15)至方程式(18)中的符号θ_a[deg]表示嘴10a在其端部处到水平面的倾斜角度。假设嘴10a的端部的倾斜角度是[deg]，其中浇注包10是竖直的。如果浇注包的倾斜角度是θ[deg]，则该角度将由下面的方程式来表示。

[数学式19]

θ_a(t)＝θ(t)+φ  (19)

L_g[m]是嘴10b的引导槽的长度，v[m/s]是当熔融金属流出引导槽10b时熔融金属的速度，v_f[m/s]是当熔融金属流出引导槽10b时熔融金属的速度的水平分量，以及T_f[s]是流出引导槽10b的熔融金属的自由下落时间。如图6，S_w[m]是嘴10a与模具20的浇口20a之间的垂直长度，以及S_v[m]是嘴10a与浇口20a之间的水平长度。通过将嘴10a与浇口20的顶部表面之间的垂直长度定义为S_w[m]，能够确定熔融金属落下的水平方向上的位置S_v[m]。

基于该数学模型，构造了控制系统，其中控制系统估计熔融金属落下的位置并且控制该位置。通过使用方程式(11)，可以通过下面的方程式获得在嘴以上的熔融金属的高度h_ref[m]。根据该高度h_ref[m]，可以得到正在浇注的熔融金属的目标流量q_ref[m³/s]。

[数学式20]

h_rer(t)＝f^-1(q_ref(t))  (20)

如果将方程式(9)和方程式(20)代入方程式(4)，并且重新整理，则倾斜浇注包的倾斜角速度ω_ref[deg/s]将由下面的方程式表示，并且将获得浇注熔融金属的过程的反演模型。通过使用该角速度ω_ref[deg/s]，可以得到在嘴以上的熔融金属的高度h_ref[m]。

[数学式21]

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=-\frac{A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)\frac{{\mathrm{dh}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+q_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\frac{{\∂V}_s\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}+\frac{\∂A\left(\mathrm{\θ}\left(t\right)\right)}{\∂\mathrm{\θ}\left(t\right)}h\left(t\right)}---\left(21\right)$

根据使浇注包10倾斜的伺服电机的动态特性的反演模型P_m ^-1得到要输入至伺服电机的输入电压u[V]。该电压使伺服电机使正在浇注的熔融金属的流动达到目标流量q_ref[m³/s]。如下面的方程式中，根据方程式(12)得到模型P_m ^-1。

[数学式22]

$u\left(t\right)=\frac{T}{K}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{K}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)---\left(22\right)$

通过按顺序计算方程式(20)至方程式(22)的解，能够获得使伺服电机使流动达到熔融金属的目标流量q_ref[m³/s]的输入电压u[V]。

现在，我们讨论用于生成浇注包的移动的轨迹的块。在该块D_yz中，估计熔融金属落下的位置并且将该位置设置为目标位置。轨迹使包10的嘴10a接近模具20的浇口20a并且在浇注包10不碰撞模具20或底座14或其他物体的情况下将熔融金属精确地浇注进模具的浇口中。在该实施例中，我们讨论使用箱型浇注包的情况。

使用流量的反演模型P_f ^-1P_m ^-1来控制要浇注的熔融金属的流量的前馈控制系统使熔融金属的实际流动遵循目标流动的模式。从而，前馈控制系统使熔融金属的实际流动与目标流量q_ref[m³/s]对应。通过使用目标流量q_ref[m³/s]和在用于估计流量的块E_f中估计的熔融金属的流量来估计熔融金属落下的位置(落下位置)。然后通过将浇注包10移动至下述位置来执行对落下位置的控制，即，如果从所述位置浇注熔融金属，则所估计的落下位置将会是目标位置，即正好在模具20的浇口20a上的位置。

相对落下位置S_v[m]是熔融金属落下的位置与嘴10a的端部之间的水平距离。绝对落下位置S_y[m]是熔融金属落下的位置与坐标系的原点之间的水平距离。原点是在模具20的表面上的浇口20a的中心。

图7示出了物体的位置，其中物体在浇注包10的移动范围内存在。当浇注熔融金属时，物体可能与包10相撞，即，在这种情况下它们是模具20和底座14。当确定了浇注包10的移动的轨迹时，将X-Y坐标的原点定义为在模具20的表面上的浇口20a的中心。符号y_f[m]和z_f[m]表示嘴的端部的坐标，并且y_b[m]和z_b[m]表示浇注包的底部的端部p的坐标。符号L_s[m]表示浇注包的前部的侧面10c的长度，以及γ[deg]表示浇注包的嘴侧关于竖直线的倾斜角度。符号d_m[m]表示从端部p到模具的浇口20a的中心的距离。符号d_f[m]表示熔融金属的下落在y轴上的长度。符号d_p[m]表示嘴10a的端部在y轴上的投影点和端部p在y轴上的投影点之间的距离。符号d_h[m]表示模具20的顶部表面的高度与底座14的顶部表面的高度之间的差异。

关于当浇注包10接近模具20或底座14时浇注包10的位置的变化，可以将接近它的方法分为以下三种模式，如图7所示。模式1是浇注包10的下部前端p到达在模具20的顶部表面以上的最近位置所采用的方法。模式2是浇注包10的前侧面10c到达距离模具20的端部最近的位置所采用的方法。模式3是浇注包10的下部前端到达在底座14的顶部表面以上的最近位置所采用的方法。在本实施例中，通过在底座和模具的顶部表面以上低于预定高度ε的区域来定义不进入的区域。控制浇注包10以便不进入该区域。

每种模式遵循基于浇注包10、模具20、底座14等的相对位置确定的下列条件。对应于每种模式来改变浇注包10的移动，并且计算浇注包的位置[y_f,z_f]，使得包不碰撞模具20或底座14或其他物体并且使得将熔融金属精确地浇注进模具的浇口中。参考号1至参考号3分别对应于模式1至模式3。方程式(23)中的条件是使用箱型浇注包的条件。对应于浇注包的前侧部的形状来设置这些条件。

[数学式23]

$[y_f,z_f]=\begin{array}{}\end{array}\left\{\begin{array}{cc}[y_{f1},z_{f1}],& (d_f+d_p<d_m)\\ [y_{f2},z_{f2}],& (d_f+d_p\&GreaterEqual;d_m^L_s\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})+\mathrm{\&epsiv;}<d_h)\\ [y_{f3},z_{f3}],& (d_f+d_p\&GreaterEqual;d_m^L_s\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})+\mathrm{\&epsiv;}\&GreaterEqual;d_h)\end{array}\right.---\left(23\right)$

符号d_f和d_p表示如下。

[数学式24]

d_f＝S_v(θ，v，L_scos(γ+θ)+ε)  (24)

[数学式25]

d_p＝L_ssin(γ+θ)  (25)

得到每种模式中浇注包的位置如下。

<模式1>

在模式1中，移动浇注包，使得其端部P与模具20的顶部表面之间的距离ε保持恒定。得到浇注包在竖直方向上的位置Z和在前后方向上的位置Y，如下。

[数学式26]

z_f1＝L_scos(θ+γ)+ε  (26)

[数学式27]

y_f1＝S_v(θ,v,z_f1)  (27)

<模式2>

在模式2中，移动浇注包，使得其端部P的高度与其倾斜对应地连续变化。即，当端部P的位置低于坐标系的原点时，移动包，使得将嘴10a的端部保持更低。能够通过计算关于z_f的下列方程式来获得浇注包在竖直方向上的位置。

[数学式28]

S_v(θ，v，z_f)+z_ftan(θ+γ)＝d_m  (28)

可以通过使用用于获取数值解的方法如牛顿-拉弗森法(Newton-Raphson method)来获得方程式(28)的数值解。在浇注包具有某个形状的某些情况下，可以获得解析解。在此我们讨论过程，以通过使用牛顿-拉弗森法来得到浇注包的竖直位置。如果使用方程式(17)至方程式(19)代入方程式(28)，则将获得下面的方程式。

[数学式29]

$f=\frac{{-v}^2\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\cos {\mathrm{\&theta;}}_a+v\cos {\mathrm{\&theta;}}_a\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\right)}^2+{2z}_{f}g}}{g}+z_f\tan (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})-d_m---\left(29\right)$

如果关于z_f求方程式(29)的微分，它将为如下。

[数学式30]

$f^{\&prime;}=\frac{v\cos {\mathrm{\&theta;}}_a}{\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\right)}^2+{2z}_{f}g}}+\tan (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})---\left(30\right)$

因此，可以通过重复使用下面的方程式来获得z_fn。

[数学式31]

$z_{\mathrm{fn}+1}=z_{\mathrm{fn}}-\frac{f_n}{{f_n}^{\&prime;}}---\left(31\right)$

$f_n=\frac{{-v}^2\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\cos {\mathrm{\&theta;}}_a+v{\cos \mathrm{\&theta;}}_a\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\right)}^2+{2z}_{\mathrm{fn}}g}}{g}+z_{\mathrm{fn}}\tan (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})-d_m$

${f_n}^{\&prime;}=\frac{v\cos {\mathrm{\&theta;}}_a}{\sqrt{{\left(v\sin {\mathrm{\&theta;}}_a\right)}^2+{2z}_{\mathrm{fn}}g}}+\tan (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&gamma;})$

使用浇注包的竖直位置作为方程式(31)的重复使用的初始值z_f0。通过关于在一个采样周期之前获取的值对方程式(31)进行求解获得了作为初始值的竖直位置。将所计算的包的竖直位置分配给下面的方程式作为包的竖直位置z_f2，然后获得浇注包在前后方向上的位置Y。

[数学式32]

y_f2＝S_v(θ，v，z_f2)  (32)

<模式3>

在模式3中，移动浇注包，使得从其端部P到底座14的顶部表面的距离ε保持恒定，使用模式2中的结果来获得浇注包在竖直方向上的位置，如下。

[数学式33]

z_f3＝L_scos(θ+α)+ε-d_h  (33)

通过将包的竖直位置z_f3代入下面的方程式能够得到浇注包在前后方向上的位置y_f3。

[数学式34]

y_f3＝S_v(θ，v，z_f3)  (34)

将通过方程式(23)至方程式(34)获得的y_f和z_f分别变成y_ref和z_ref，并且输入用于在前后方向上移动浇注包的系统G_y和用于在竖直方向上移动浇注包的控制系统Gz。从而，实现了这样一种方法，其中，通过该方法使包10的嘴10a前进至模具20的浇口20a并且在浇注包10不碰撞模具20或底座14或其他物体的情况下使熔融金属被精确地浇注进模具的浇口中。

本申请的发明的浇注控制方法应用于能够使计算机执行该方法的用于控制熔融金属的浇注的程序。该方法还应用于计算机可读并且其中存储有程序的存储介质。即，该程序使计算机执行用于具有倾斜式包的自动浇注装置的浇注控制过程。该装置能够控制包的在前后方向和上下方向上的移动，并且还能够控制包的倾斜。该过程包括：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型并且基于倾斜电机的反演模型来生成要输入倾斜电机以达到熔融金属的目标流量的电压；估计流出包的熔融金属的流量；估计熔融金属的落下位置并且将落下位置设置为目标位置；以及生成浇注包的移动的轨迹，其中该轨迹使浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低并且使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体。

[变形例]

除前馈控制之外，反馈控制也能够校正熔融金属的落下位置的误差，并且能够精确地控制位置。例如，在具有倾斜式包的自动浇注装置1旁边放置摄像机。通过摄像机来确定流出浇注包10的嘴10a的熔融金属的落下位置。在摄像机周围的坐标系中定义目标位置。确定目标位置和落下位置之间的差异。在用于生成浇注包的移动的轨迹的块D_yz处，执行反馈控制以消除差异。然后移动浇注包10。通过该控制，即使落下位置的估计存在误差，由于通过反馈控制使误差最小化，所以能够精确地控制落下位置。

第一实施例的效果

通过本申请的发明的浇注控制方法，因为控制了熔融金属的落下位置，所以可以将流出包10的熔融金属精确地浇注进模具的浇口20a中。即，生成浇注包的移动的轨迹，使得该轨迹使包不碰撞位于其移动范围内的任何物体，并且使得浇注包10的嘴10a的高于模具的浇口20a的水平面的高度降低。基于该轨迹，控制浇注包的移动并且将熔融金属浇注进模具20中。因此，与使浇注包10的嘴10a接近模具的浇口20a而不对浇注包10的嘴10a进行控制的传统浇注控制方法的熔融金属的自由下落时间相比，能够缩短从浇注包10浇注的熔融金属的自由下落时间。而且，能够限制熔融金属的温度的任何降低。另外，能够降低当金属到达模具20时熔融金属的速度，并且因此能够限制金属的四溅。

此外，本申请的发明能够应用于用于控制熔融金属的浇注的程序，该程序能够使计算机执行该方法。本发明还可应用于计算机可读并且其中存储有程序的存储介质。

第二实施例

通过第一实施例，控制了浇注包10的移动，使得浇注包10的嘴10a的高于模具的浇口20a的水平面的高度降低。通过第二实施例，基于碰撞模式生成轨迹，该模式存在于浇注包10与位于包10的移动范围内的物体之间，并且是预先设置的。生成该轨迹，使得浇注包10的嘴10a的高于模具的浇口20a的水平面的高度最小化。当浇注熔融金属时，移动浇注包10，使得浇注包10绕在嘴10a上设置的假想轴倾斜而不改变其高度。

通过第一实施例，在当浇注熔融金属时嘴10a的高度改变的动态条件下，生成浇注包10的移动轨迹，使得浇注包10的嘴10a的高度最小化。通过第二实施例，在静态条件下，确定不使包10碰撞其周围的任何物体的浇注包10的高度和浇注包10的移动轨迹。然后确定浇注熔融金属的初始位置。

用于确定浇注包10的初始位置即浇注包10的嘴10a开始接近模具的浇口20a的的位置的步骤如下。首先，通过使用方程式(20)至方程式(22)，针对要浇注的熔融金属的目标流量q_ref来确定给伺服电机的输入电压u[V]和浇注包的倾斜角度θ[deg]。通过将所确定的输入电压u[V]和倾斜角度θ[deg]分配给方程式(10)至方程式(18)，确定相对落下位置S_v[m]，该相对落下位置S_v[m]是位置与嘴10a的端部之间的水平距离。然后，获得相对下落位置S_v[m]的模式值M_o(S_v)。通过将这些值分配给浇注包的移动轨迹的元素(这些元素在方程式(23)至方程式(34)中示出)，得出在开始浇注熔融金属时浇注包的初始位置(对应于权利要求3中用于生成浇注包的移动的第二轨迹的步骤)。当浇注熔融金属时，通过使包围绕在嘴10a的端部处设置的假想轴转动来使浇注包10倾斜。因此，由于与包的初始位置相比，包10将从模具20和底座14后退，所以不可能碰撞任何一个。因此，通过使用简单的控制，浇注包10的嘴10a能够前进至模具20的浇口20a而不碰撞模具20或底座14。此外，由于当浇注熔融金属时包的嘴10a的高度是恒定的，所以浇注能够更少地受外部干扰的影响。同时，移动浇注包所需的电力会更少。通过不将相对落下位置S_v[m]的模式值M_o(S_v)分配给浇注包的移动轨迹的元素，而是将位置S_v[m]的中间值或平均值分配给浇注包的移动轨迹的元素，得到在开始浇注熔融金属时浇注包的位置。

同样，本申请的发明可应用于能够使计算机执行该方法的用于控制熔融金属的浇注的程序。本发明还应用于计算机可读并且其中存储有程序的存储介质。即，程序使计算机执行用于具有倾斜式包的自动浇注装置的浇注控制过程。该装置能够控制包的在前后方向和上下方向上的移动，并且能够控制包的倾斜。该过程包括：设置要浇注的熔融金属的目标流量；基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型并且基于倾斜电机的反演模型来生成要输入倾斜电机以达到熔融金属的目标流量的电压；估计流出包的熔融金属的流量；估计熔融金属的落下位置以及将落下位置设置为目标位置；在包的嘴处设置假想轴；并且生成浇注包的移动的第二轨迹，其中该轨迹使包不碰撞在其移动范围内的任何物体并且将浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度最小化。

第二实施例的效果

通过本实施例的浇注控制方法，因为控制了熔融金属的落下位置，所以可以将流出包10的熔融金属精确地浇注进模具的浇口20a中。而且，生成浇注包10的移动轨迹，使得轨迹使包10不碰撞位于其移动范围内的任何物体，并且将包10的嘴10a的高于模具的浇口20a的水平面的高度最小化。基于该轨迹，控制了浇注包10的移动，使得包绕在包的嘴10a处设置的假想轴转动，并且将熔融金属浇注进模具20中。因此，与使浇注包10的嘴10a接近模具的浇口20a而不对浇注包10的嘴10a进行控制的传统浇注控制方法的熔融金属的自由下落时间相比，能够缩短从浇注包10浇注的熔融金属的自由下落时间。而且，能够限制熔融金属的温度的任何降低。另外，能够降低当金属到达模具20的浇口时熔融金属的速度，并且能够限制金属的四溅。因为当浇注熔融金属时包的嘴10a的高度是恒定的，所以浇注能够较少地受外部干扰的影响。此外，移动浇注包所需的电力会更少。

而且，本申请的发明能够应用于能够使计算机执行该方法的用于控制熔融金属的浇注的程序。本发明还应用于计算机可读并且其中存储有程序的存储介质。

示例

为了阐明本申请的发明的可用性，将通过本发明生成的轨迹与通过传统方法生成的轨迹相比较。在传统方法中，使浇注包的嘴接近模具的浇口而不对浇注包的嘴进行控制。就初始条件而言，倾斜的初始角是θ₀＝20[deg]，并且模具的浇口的中心与其侧面之间的初始距离是d_m＝0.25[m]。另外，在图8中通过钟形给出了目标流量并且其在具有恒定值的部分max(q_ref)＝3.5×10^-4[m³/s]。

图9示出了作为使用传统方法的结果的浇注包的移动的轨迹。图10示出了作为使用本申请的发明的浇注控制方法的结果的浇注包的轨迹。图11示出了与传统方法相比的本申请的发明的浇注包的嘴的端部和浇注包的底部的轨迹。查看嘴的端部的轨迹，当我们使用本申请的发明的浇注控制方法时，我们发现在浇注包移动过程中与每个位置对应的嘴的高度低于传统方法的在浇注包移动过程中与每个位置对应的嘴的高度。与传统方法相比，通过本发明的方法我们实现了浇注熔融金属的位置比通过传统方法实现的浇注熔融金属的位置低150[mm]。通过查看浇注包的底部的移动轨迹，我们发现，通过传统方法，当浇注熔融金属的过程进行时，浇注包与模具之间的距离变大。相比之下，通过本发明的方法，在模具的表面附近移动浇注包。根据这个观点，我们发现，我们实现了比通过传统方法实现的位置更低的浇注熔融金属的位置。另外，因为包的底部的轨迹沿模具的顶部表面和侧表面行进，我们确定包与模具之间不会发生接触。

附图标记列表

1  具有倾斜式包的自动浇注装置

10  浇注包

10a  浇注包的嘴

10b  嘴的引导槽

10c  浇注包的前部的侧面

11、12、13  伺服电机

14  底座

20  模具

20a  模具的浇口

Claims (6)

1.一种用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制方法，其中，所述装置能够控制所述包在前后方向以及上下方向上的移动，并且还能够控制所述包的倾斜，其中，所述方法包括：

设置要浇注的熔融金属的目标流量；

基于流出所述浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型以及倾斜电机的反演模型来生成要输入至所述倾斜电机的电压以达到所述熔融金属的目标流量；

估计流出所述包的熔融金属的流量；以及

估计落下位置并且将所估计的落下位置设置为目标位置，并且生成所述浇注包的移动的轨迹，其中，所述轨迹使所述浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低，并且使所述包不碰撞位于所述包的移动范围内的任何物体，其中，

所述方法控制所述浇注包的移动以将所述熔融金属浇注进所述模具中，使得所述浇注包的嘴的高于所述模具的浇口的水平面的高度降低，并且使得当将所述熔融金属浇注进所述模具中时所述包不碰撞所述物体。

2.根据权利要求1所述的浇注控制方法，其中，

基于预先设置的所述浇注包将要碰撞所述物体的模式(在下文中称为碰撞模式)并且基于根据所述碰撞模式而决定的用于改变所述包的移动的条件来生成所述浇注包的移动的轨迹。

3.一种用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制方法，其中，所述装置能够控制所述包在前后方向以及上下方向上的移动，并且还能够控制所述包的倾斜，其中，所述方法包括：

设置要浇注的熔融金属的目标流量；

基于流出所述浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型以及使所述包倾斜的倾斜电机的反演模型来生成要输入至所述倾斜电机的电压以达到所述熔融金属的目标流量；

估计流出所述包的熔融金属的流量；

估计所述熔融金属的落下位置并且将所述落下位置设置为目标位置，在所述包的嘴处设置假想轴，生成所述浇注包的移动的第二轨迹，其中，所述轨迹使所述包不碰撞位于所述包的移动范围内的任何物体，并且使所述浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度最小化，其中，

所述方法控制所述浇注包的移动，使得当将所述熔融金属浇注进所述模具中时所述包不碰撞所述物体，并且使得通过围绕设置在所述包的嘴处的假想轴来转动所述包而使所述包将所述熔融金属浇注进所述模具中。

4.根据权利要求3所述的浇注控制方法，其中，

在生成所述浇注包的移动的第二轨迹的步骤中，所述第二轨迹基于预先设置的碰撞模式来确定所述包的位置。

5.一种存储有程序的计算机可读介质，其中，所述程序使计算机执行用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制过程，所述自动浇注装置能够控制所述包的在前后方向以及上下方向上的移动，并且还能够控制所述包的倾斜，其中，所述过程包括：

设置要浇注的熔融金属的目标流量；

基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型和倾斜电机的反演模型来生成要输入至所述倾斜电机的电压以达到所述熔融金属的目标流量；

估计流出所述包的熔融金属的流量；以及

估计所述熔融金属的落下位置并且将所述落下位置设置为目标位置，以及生成所述浇注包的移动的轨迹，其中，所述轨迹使所述浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度降低，并且使所述包不碰撞位于所述包的移动范围内的任何物体。

6.一种存储有程序的计算机可读介质，其中，所述程序使计算机执行用于具有倾斜式浇注包的自动浇注装置的浇注控制过程，所述自动浇注装置能够控制所述包在前后方向以及上下方向上的移动，并且还能够控制所述包的倾斜，其中，所述处理包括：

设置要浇注的熔融金属的目标流量；

基于流出浇注包的熔融金属的数学模型的反演模型并且基于倾斜电机的反演模型来生成要输入至所述倾斜电机的电压以达到所述熔融金属的目标流量；

估计流出所述包的熔融金属的流量；

估计所述熔融金属的落下位置并且将所述落下位置设置为目标位置，在所述包的嘴处设置假想轴，生成所述浇注包的移动的第二轨迹，其中，所述轨迹使所述包不碰撞位于所述包的移动范围内的任何物体，并且使所述浇注包的嘴的高于模具的浇口的水平面的高度最小化。