DE102015107951B4

DE102015107951B4 - Verfahren und Vorrichtung einer Regelung des Gießprozesses beim Abgießen einer Gießform mittels einer schwerkraftentleerten drehbaren Gießpfanne

Info

Publication number: DE102015107951B4
Application number: DE102015107951.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Onder de Linden; Thomas Voss
Original assignee: Induga Ind U Giesserei Anlagen & Co KG GmbH; Induga Industrieofen U Giesserei-Anlagen & Co KG GmbH
Current assignee: Induga Ind U Giesserei Anlagen & Co KG GmbH; Induga Industrieofen U Giesserei-Anlagen & Co KG GmbH
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: DE102015107951A1

Abstract

Verfahren zur Regelung der Bewegung einer Gießpfanne beim Abgießen einer Gießform, wobei die Gießpfanne mittels Hub- und Drehvorrichtungen entlang drei Achsen verfahren wird und wobei drei lineare Freiheitsgrade (x, y, z) und ein rotatorischer Freiheitsgrad (x-Achse) genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gießvorgang der Gießstrahl in Richtung der x- und y-Achsen mittels Sensoren überwacht und mit einer zuvor berechneten theoretischen Gießstrahlbewegung in Richtung der x- und y-Achsen verglichen und um Abweichungen in beiden Achsen korrigiert wird, um stets einen definierten Auftreffpunkt des flüssigen Metalls im Einguss zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Bewegung einer Gießpfanne beim Abgießen einer Gießform, wobei die Gießpfanne mittels Hub- und Drehvorrichtungen entlang drei Achsen verfahren wird und wobei drei lineare Freiheitsgrade (x, y, z) und ein rotatorischer Freiheitsgrad (x-Achse) genutzt werden.
Pfannengießmaschinen sind seit langem bekannt und dienen dazu, flüssiges Metall aus einer offenen Gießpfanne in den Einguss einer Gießform abzugießen.
Eine zentrale Rolle spielt dabei die Bewegungsteuerung der Gießpfanne.
Um den Gießstrahl zuverlässig in den Einguss zu lenken, wird bei konventionellen Gießmaschinen die Achse der Schmelze-Austrittsfläche an der Gießschnauze beim Schwenken immer stationär gehalten, während der Rest der Gießpfanne um diese rotiert.
Diese Bewegung der Gießpfanne kann über unabhängig angesteuerte Achsen oder auch mechanisch (beispielsweise über eine Kurvensteuerung) realisiert werden.
Während des Abgießens einer Gießform fließt ab einem bestimmten Kippwinkel flüssiges Metall aus der Gießpfanne. Die Schmelze fließt dabei in Form einer Wurfparabel aus der Gießpfanne. Die Wurf- bzw. Gießweite bei konstanter Gießhöhe hängt im Wesentlichen vom Betrag und von der Richtung des Gießgeschwindigkeitsvektors vg ab.
Es sind konventionelle Gießpfannen 11 bekannt, deren Geometrie der Gießschnauze 12 im Querschnitt eine horizontale Gerade beschreibt (vgl. 3). Wird eine solche Gießpfanne in Richtung einer Gießform F gekippt, so ändert sich, bedingt durch die geometrische Gestaltung, die Richtung des Gießgeschwindigkeitsvektors vg. Selbst bei einem konstanten Betrag des Gießgeschwindigkeitsvektors vg ändert sich der Auftreffpunkt durch die unterschiedlichen Richtungen des Gießgeschwindigkeitsvektors vg, hierdurch ergeben sich unterschiedliche Wurfweiten des Gießstrahles y₁ und y₂. Dies gilt auch dann, wenn die Achse der Schmelze-Austrittsfläche an der Gießschnauze 12 konstant in einer Position gehalten wird.
Wird die Schnauzengeometrie im Querschnitt um die Schmelze-Austrittsfläche in Fließrichtung kreisbogenförmig ausgeführt, derart, dass sich das Zentrum dieses Kreisbogens deckungsgleich mit der Rotationsachse der Pfanne beim Kippen befindet, so fließt die Schmelze kurz vor Austritt über diesen Bogen. Hierdurch verläuft der Gießgeschwindigkeitsvektor vg, abhängig vom Anteil eines Vollkreises den der Bogen einnimmt, immer tangential zu diesem Kreisbogen und zeigt somit immer in die gleiche Richtung. Falls nun der Betrag des Gießgeschwindigkeitsvektors vg konstant gehalten wird und der Kreisbogenumfang entsprechend ausgelegt wird, bleibt die Wurfweite des Gießstrahls über den gesamten Ausgießvorgangs unverändert. Die Auftreffposition des Gießstrahls in den Einguss der Gießform bleibt konstant.
Je nach Pfannenbauform kann sich der Betrag des Gießgeschwindigkeitsvektors vg bei konstanter Kippwinkelgeschwindigkeit dφ/dt der Pfanne verändern. Dieses Phänomen tritt bei sogenannten Segmentpfannen, die einen teilkreisförmigen Querschnitt aufweisen nicht auf. Jedoch ist bei den heutzutage üblichen zylindrischen Pfannen eine deutliche Abhängigkeit des Betrages des Gießgeschwindigkeitsvektors vg von der Pfannengeometrie bei konstanter Kippwinkelgeschwindigkeit vorhanden.
Der Pfanneninhalt nimmt annähernd linear über den Kippwinkel ab (m(φ)), wird jedoch die Pfanneninhaltsänderung pro Kippwinkelinkrement über den Kippwinkel aufgetragen (dm/d(φ) so ist eine deutliche Nichtlinearität erkennbar. Dieses nicht lineare Verhalten wird heutzutage in Gießmaschinensteuerungen berücksichtigt. 4 bildet den zuvor beschriebenen Zusammenhang bei zylindrischen Pfannen ab.
Die zuvor beschriebenen Merkmale zeigen auf, dass die Position des Gießstrahls im Einguss durch viele Faktoren beeinflusst wird.
Es ist bereits für sich bekannt, die Bewegung der Gießpfanne beim Abgießen mittels verschiedener Achsen zu steuern ( EP 0 592 365 A1 ). Bei dieser bekannten Bewegungssteuerung einer Gießpfanne wird zwischen der reellen und einer virtuellen Schwenkachse unterschieden, wobei zur Einleitung und Beendigung des Gießvorgangs die reelle bzw. virtuelle Achse mindestens annähernd in den Schwerpunkt der Schmelze versetzt werden.
Auch ist es bekannt, die Bewegung der Gießpfanne während des gesamten Gießvorgangs durch simultanes verfahren von translatorischen und rotatorischen Achsen in horizontaler Richtung senkrecht zur Richtung der Gießlinie sowie vertikal nach oben und um eine Drehachse zu verschwenken ( EP 0 996 517 B1 ).
Aus dem EP 1 967 302 B1 sind ein automatisches Gießverfahren und eine entsprechende automatische Gießvorrichtung zum Gießen von geschmolzenem Metall aus einer kippbaren Gießpfanne bekannt, bei denen der Gießvorgang durch Bewegen der Gießpfanne entlang der x-Achse und y-Achse und durch Kippen der Gießpfanne um eine erste Drehachse und um eine zweite Drehachse ausgeführt wird, wobei die zweite Drehachse von der ersten Drehachse abweicht und an einer Position angeordnet ist, die zum Zentrum der Gießpfanne näherliegt als die erste Drehachse.
Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Gießanlagen wird die Wurfweite in Abhängigkeit der Schnauzen-, Pfannengeometrie und der Gießgeschwindigkeit bestimmt. Zusätzlich hierzu wird ein Algorithmus aufgezeigt mit dem die Wurfweite auf Basis eines mathematischen Modelles prognostiziert wird, so dass die Bewegungssteuerung der Pfanne dies zum Positionieren des Gießstrahls in den Einguss verwendet ( DE 11 2013 000 345 T5 ). Diese Steuerung der Gießstrahlposition erfolgt nur in Richtung der y-Achse, transversal zur Gießlinie, nicht jedoch in x-Richtung. Das aufgezeigte System arbeitet nicht mit einer Rückführung von Messwerten und stellt daher lediglich eine Steuerung dar.
Alle bekannten und zuvor beschriebenen automatisierten Gießanlagen gehen dabei von einem zuvor aufgestellten mathematischen Modell aus, welches auf theoretischen Erkenntnissen fußt. Dabei wird nicht berücksichtigt, wie sich der Gießstrahl beim Gießvorgang tatsächlich verhält. Hierbei kann es stets zu unerwünschten Nebenerscheinungen kommen, wie beispielsweise Ablagerungen von Schlacke, wodurch der Gießquerschnitt und damit auch die Gießgeschwindigkeit sowie die Form des Gießstrahls (beispielsweise: geteilter Strahl) tatsächlich beeinflusst werden, was von einem mathematischen Modell nicht abgebildet werden kann.
Alle bisherigen Publikationen sprechen daher nur von einem mathematischen Modell, mit dem die Gießgeschwindigkeit bzw. Gießstrahlauftreffposition errechnet wird. Eine sich anschließende Steuerung bewegt die Gießpfanne so, dass der Gießstrahl in die Sollposition des Eingusses eintaucht.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Regelungssystem samt sensorischer Erfassung zur vollumfänglichen Steuerung und Erfassung eines Kippgießvorganges zu schaffen. Dabei ist eine genaue Positionierung im Rahmen der Qualitätssicherung und zur Reduzierung von Produktionskosten erwünscht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe verfahrensmäßig dadurch, dass beim Gießvorgang der Gießstrahl in Richtung der x- und y-Achsen mittels Sensoren überwacht und mit einer zuvor berechneten theoretischen Gießstrahlbewegung in Richtung der x- und y-Achsen verglichen und um Abweichungen in beiden Achsen korrigiert wird, um stets einen definierten Auftreffpunkt des flüssigen Metalls im Einguss zu erreichen.
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass zur Überwachung des Gießstrahls wenigstens zwei Kameras vorhanden sind, die jeweils im Wesentlichen auf einer senkrechten Ebene zweier sich im Gießtrichter einer abzugießenden Gießform schneidenden horizontalen Linien angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Lösungsvariante erfasst und steuert nicht nur den Gießvorgang in y-Richtung sondern den kompletten 3-dimensionalen Bereich des Ausgussvorgangs. In einer Vorsteuerung wird die theoretische Gießstrahlbewegung in x- und y-Richtung ermittelt, zusätzlich hierzu wird mit Hilfe einer Sensorik die Abweichungen vom theoretischen Modell erfasst und korrigiert. Es können hiermit auch Abweichungen korrigiert werden, die nicht in einem mathematischen Modell hinterlegt werden können.
Das Modell geht immer von einer idealen Geometrie aus. Beim Gießvorgang bilden sich jedoch Ablagerungen oder Schlackestücke verändern den Gießstrahl. Das Sensorsystem detektiert dies und korrigiert in Verbindung mit der Maschinenregelung die Position des Gießstrahls, so dass der Gießstrahl die Soll-Auftreffposition erreicht (x + y Richtung). Auch kann die aktuelle Schnauzen- oder Schlackensteingeometrie mit der Startgeometrie verglichen werden, dem Bediener wird ab dem Erreichen einer Verschleißgrenze empfohlen, die Gießpfanne zu ersetzen. Zusätzlich kann der Bediener gewarnt werden, dass sich Schlacke im Gießkanal befindet. Auch hier wird dann empfohlen, die Gießpfanne zu wechseln.
Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung wird mittels der Sensorik durch die Vermessung des Gießstrahlquerschnittes bzw. -volumens die Gießgeschwindigkeit berechnet. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die Genauigkeit der Gießstrahlpositionsregelung zu verbessern.
Erfindungsgemäß werden die folgenden Parameter erfasst bzw. geregelt:

1) Gießstrahlposition in x-Richtung
1. a) Position des Auftreffpunktes des Gießstrahls
2. b) Sensierung des Gießstrahlverlaufes
2) Gießstrahlposition in y-Richtung
1. a) Position des Auftreffpunktes des Gießstrahls
2. b) Sensierung des Gießstrahlverlaufes
3) Form des Gießstrahls
1. a) Querschnittsform des Gießstrahls
2. b) „makroskopische“ Gießstrahlform (geteilter Strahl usw.)
4) Ablagerungen an der Gießschnauze
5) Durchflussquerschnittsfläche beim Schlackestein
6) Schlackeablagerungen im Gießkanal
7) Schlacke im Gießstrahlverlauf und Einguss
8) Ablagerungen auf optischen Komponenten der Sensoren
9) Füllstand der Gießpfanne
10) Ablagerungen in der Gießpfanne

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Winkel der Kamera zur Erfassung des Gießstrahls in x-Richtung etwa im Bereich von 45 bis 90° zur Horizontalen und der Winkel der Kamera zur Erfassung des Gießstrahls in y-Richtung etwa im Bereich von 10 bis 80° zur Horizontalen geneigt angeordnet sind. Hierbei ist von den jeweiligen konkreten Bedingungen auszugehen, um den Gießstrahl in seiner Gesamtheit zuverlässig detektieren zu können. Dazu kann es im Einzelfall erforderlich werden, eine weitere Kamera anzuordnen und in das vorhandene Steuer- bzw. Regelsystem einzubinden.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass zur Steuerung- bzw. Regelung der Bewegungen der Gießpfanne beim Gießvorgang eine Prozessoreinheit vorgesehen ist. Diese dient dann nicht nur, wie beim Stand der Technik, zum berechnen des Gießstrahlverlaufs anhand eines bestimmten mathematischen Modells, sondern auch zur Korrektur der Gießstrahlposition aufgrund tatsächlich eintreffender Änderungen im Gießstrahlverlauf.
Die Hub- und Drehvorrichtung weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wenigstens eine Hubsäule auf, kann jedoch auch, gerade bei Gießanlagen mit größeren Pfannen, zwei Hubsäulen aufweisen, um die Gießpfanne gleichmäßig lagern zu können.
In bekannter Weise kann die Gießpfanne mit einem Schnauzenstein und einem Schlackenstein versehen sein.
Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung:

1) Sicherung einer gleichbleibenden Gussteilqualität durch wiederholgenaue Prozessabläufe.
2) Reduzierung von Schlackespritzer auf dem Formkasten bzw. Gießstrecke, hierdurch reduzierter Wartungsaufwand der Formanlage und Gießmaschine.
3) Reduzierung des Eingusstrichtervolumens möglich, hierdurch Energieeinsparung durch Reduzierung des Umlaufeisen.
4) Reduzierter Pfannenverbrauch bei erhöhter Gießqualität, es werden nur die Pfannen gewartet die unbedingt erneuert werden müssen.
5) Reduzierter Aufwand für den Bediener, da seltener in den Gießvorgang eingegriffen werden muss.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Vertikalschnitt in schematischer Darstellung,
2 die Vorrichtung aus 1 mit Verfahrplattform, Hub- und Dreheinrichtung in perspektivischer Darstellung,
3 eine bekannte Vorrichtung im Vertikalschnitt (schematisch) und
4 zwei Diagramme zur Beschreibung des Ausgießverhaltens einer zylindrischen Pfanne.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in 1 - schematisch - zunächst eine Gießpfanne 1 mit einem Schnauzenstein 2 und einem Schlackenstein 3 gezeigt, welche mit einer metallischen Schmelze S gefüllt ist und durch eine (nicht näher beschriebene) Hub- und Drehvorrichtung derart verschwenkt werden kann, dass die metallische Schmelze in einen Einguss E einer Gießform F fließt. Erfindungsgemäß überwachen nun zwei Kameras 6x und 6y den Gießstrahl in x-Richtung und y-Richtung, so dass eine Regelung unmittelbar dafür sorgen kann, dass die Gießpfanne 1 nicht nur in y-Richtung, sondern auch in x-Richtung verfahren werden kann, um den Gießstrahl stets in eine definierte Position des Eingusses E zu lenken.
Aus 2 geht hervor, dass zum Erreichen der nötigen Freiheitsgrade die Gießpfanne 1 auf einer in x- und y-Richtung verfahrbaren Plattform 4 angeordnet ist, wobei die Gießpfanne 1 in x-Richtung an einer Hub- und Drehvorrichtung 5 mit einer Hubsäule 7 derart befestigt wird, dass sie sich in z-Richtung anheben lässt und um die x-Achse rotiert werden kann, um die erfindungsgemäße Präzisierung des Auftreffpunktes der Schmelze im Einguss E zuverlässig zu garantieren.

Claims

Verfahren zur Regelung der Bewegung einer Gießpfanne beim Abgießen einer Gießform, wobei die Gießpfanne mittels Hub- und Drehvorrichtungen entlang drei Achsen verfahren wird und wobei drei lineare Freiheitsgrade (x, y, z) und ein rotatorischer Freiheitsgrad (x-Achse) genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gießvorgang der Gießstrahl in Richtung der x- und y-Achsen mittels Sensoren überwacht und mit einer zuvor berechneten theoretischen Gießstrahlbewegung in Richtung der x- und y-Achsen verglichen und um Abweichungen in beiden Achsen korrigiert wird, um stets einen definierten Auftreffpunkt des flüssigen Metalls im Einguss zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensorik durch Vermessung des Gießstrahlquerschnittes und/oder des Gießvolumens die Gießgeschwindigkeit berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine automatisierte Regelung der Gießstrahlposition in x- und y-Richtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erfassung der Form des Gießstrahls.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung von Ablagerungen an der Gießschnauze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung der tatsächlichen Durchflussquerschnitssfläche am Schlackenstein.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung von Schlackeablagerungen im Gießkanal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung von Schlacke im Gießstrahlverlauf und Einguss.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung von Ablagerungen auf optischen Komponenten der Sensoren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine automatisierte Bestimmung des Füllstandes der Gießpfanne.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine automatisierte Erkennung von Ablagerungen in der Gießpfanne.
Vorrichtung zur Regelung der Bewegung einer Gießpfanne (1) beim Abgießen einer Gießform(F), mit einer Hub- und Drehvorrichtung (5), wobei die Gießpfanne (1) in x-Richtung (Richtung der Gießlinie) und y-Richtung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren zur Überwachung des Gießstrahls wenigstens zwei Kameras (6x, 6y) vorgesehen sind, die jeweils im Wesentlichen auf einer senkrechten Ebene zweier sich im Einguss (E) einer abzugießenden Gießform (F) schneidenden horizontalen Linien angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kamera (6x) zur Erfassung des Gießstrahls in x-Richtung etwa im Bereich von 45 bis 90° zur Horizontalen geneigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Kamera (6y) zur Erfassung des Gießstrahls in y-Richtung etwa im Bereich von 10 bis 80° zur Horizontalen geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und/oder Regelung der Bewegungen der Gießpfanne beim Gießvorgang eine Prozessoreinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hub- und Drehvorrichtung (5) wenigstens eine Hubsäule (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hub- und Drehvorrichtung zwei Hubsäulen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießpfanne (1) einen Schnauzenstein (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießpfanne (1) einen Schlackenstein (3) aufweist.