JP4100548B2 - 鋳造装置および鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内に供給するようにした鋳造装置および鋳造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種の金属、例えばアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、亜鉛合金、鉄系金属等によって、製品を鋳造することが多々行われている。この場合、溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を、電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内へ供給することが提案されている（例えば特許第３２５８４２６号公報、特開平２−２７４３６９号公報参照）。そして、上記公報には、鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置を検出する静電容量式センサを設けて、このセンサの出力値があらかじめ設定された注湯パターンとなるように電磁式ポンプを制御することによって、鋳型キャビティ内への溶湯金属の供給速度を所望のものに設定する等のことも提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、静電容量式センサは、鋳型内の溶湯金属に非接触で配設できるために用いられるが、この静電容量式センサの出力値が、かならずしも鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置を正確に示さない場合が応々にして生じる、ということが判明した。このような原因は、鋳型の周囲温度や湿度等種々の要因が重なっているものと考えられるが、特に鋳型として砂型を用いた場合は、砂型そのものの温度や湿度も大きく影響してくる。
【０００４】
上述のように、静電容量式センサの出力値が鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置を正確に示さないということは、鋳型キャビティ内への溶湯金属の供給速度を所望通りに制御できなくなったり、鋳型キャビティ内への溶湯金属の充填不足や充填過剰をもたらして、得られた製品の不良を発生させる原因となる。
【０００５】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、静電容量式センサの出力値として、鋳型キャビティ内における溶湯金属の実際の液面位置をより正確に反映したものを用いることができるようにして、良好な鋳造品を製造できるようにした鋳造装置および鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明にあっては、基本的に、電磁式ポンプの制御用に用いる静電容量式センサの出力値として、注湯前における当該センサの出力状態に応じて補正した後の値を用いるようにしてある。すなわち、注湯前における静電容量式センサの出力状態をあらかじめモニタリングして、この出力状態が増加傾向あるいは減少傾向にあるときは、静電容量式センサの実際の出力値を上記出力状態に応じて補正することにより、補正後の出力値が鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置をより正確に反映したものとなるようにしてある。
【０００６】
具体的には、本発明装置にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を、電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内に供給するようにした鋳造装置において、
前記鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置を検知する静電容量式のセンサと、
前記センサの出力とあらかじめ設定された注湯パターンとに応じて、前記電磁式ポンプの作動を制御するポンプ制御手段と、
前記ポンプ制御手段が用いる前記センサの出力値を、注湯前における該センサの出力状態に応じて補正する補正手段と、
を備えているようにしてある。これにより、電磁式ポンプを制御するときに用いる静電容量式センサの出力値として、鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置をより正確に反映したものとなり、このセンサを用いた溶湯金属の鋳型キャビティ内への供給が所望通りとなって、良好な製品を常に製造することができる。
【０００７】
上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２〜請求項４に記載のとおりである。すなわち、
前記電磁式ポンプが、直流導電式または電磁誘導式とされている、ようにすることができる（請求項２対応）。この場合、可動部分を極力少なくして、高温の溶湯金属の汲み上げにより好ましいものとなり、また溶湯保持炉内の沈殿物をいたずらに攪拌してしまう事態を防止あるいは低減する上でも好ましいものとなる。
前記補正手段が、注湯直前での前記センサの出力状態に応じて補正を行う、ようにすることができる（請求項３対応）。この場合、センサの出力状態を、極力注湯直前に行って、補正をより精度良く行う上で好ましいものとなる。
前記鋳型が砂型とされている、ようにすることができる（請求項４対応）。この場合、静電容量式センサの検出誤差が特に問題となり易い砂型を用いて鋳造する場合に、良好な製品を鋳造することができる。
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項５に記載のように、
溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を、電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内に供給するようにした鋳造方法において、
前記鋳型キャビティ内への溶湯金属の注湯前に、静電容量式のセンサの出力状態を検出する第１ステップと、
前記センサによって、前記鋳型キャビティ内に注湯された溶湯金属の液面位置を検知する第２ステップと、
前記第２ステップで得られた前記センサの出力値を、前記第１ステップで得られた該センサの出力状態に応じて補正する第３ステップと、
前記第３ステップで得られた補正後のセンサの出力値と、あらかじめ設定された注湯パターンとに応じて、前記電磁式ポンプの作動を制御する第４ステップと、
備えているようにしてある。これにより、請求項１の鋳造装置に対応した鋳造方法が提供される。
【０００９】
上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項６以下に記載のとおりである。すなわち、
前記電磁式ポンプが、直流導電式または電磁誘導式とされている、ようにすることができる（請求項６対応で、請求項２の鋳造装置に対応した方法となる）。
前記第１ステップでの前記センサの出力状態の検出が、注湯直前に行われる、ようにすることができる（請求項７対応で、請求項３の鋳造装置に対応した方法となる）。
前記鋳型が砂型とされている、ようにすることができる（請求項８対応で、請求項４の鋳造装置に対応した方法となる）。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、静電容量式センサの出力値を鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面をより正確に反映した値に補正することにより、精度の良い注湯制御を行って、良好な鋳造品を製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、１は鋳型（実施形態では砂型）であり、その内部に、製品形状に対応した形状の鋳型キャビティ２が画成されている。鋳型１の近傍には、溶湯保持炉３が設置されている。この溶湯保持炉３には、鋳型キャビティ２内に供給される溶湯金属が貯溜されている。溶湯保持炉３の溶湯金属は、電磁式ポンプ４によって汲み上げられて、汲み上げられた溶湯金属は、供給管５を介して、鋳型１の湯口１ａより鋳型キャビティ２内に供給される。上記電磁式ポンプ４としては、直流導電式のものあるいは電磁誘導式のものを用いることができる。
【００１２】
鋳型１の側面には、静電容量式センサ１０が配設されている。このセンサ１０は、鋳型キャビティ２（内の溶湯金属）とは非接触式とされている。センサ１０は、鋳型キャビティ２内の溶湯金属の量の変化つまり溶湯金属の鋳型キャビティ２内での液面位置（高さ位置）の変化に応じて、溶湯金属との間での静電容量が変化される。勿論、この静電容量の変化が図示を略す検出回路によって検出されることになるが、この検出回路は後述する制御ユニットＵに構成されている。このような静電容量式センサ１０は、例えば前記公報に記載のものを用いることができ、一般市販品を用いることができるので、センサ１０についてのこれ以上の詳細な説明は省略する。
【００１３】
図１中、Ｕはマイクロコンピュータを利用して構成された制御ユニット（コントローラ）であり、前述の検出回路や後述する補正手段を含むものとなっている。この制御ユニットＵは、あらかじめ図２に示すような注湯パターンを記憶している。図２の例では、注湯直後からセンサ１０の出力（鋳型キャビティ２内の溶湯金属の液面位置）が線形的に増加し、センサ１０の出力が所定値に達した段階で、この所定値に維持されるようになっている。制御ユニットＵは、センサ１０の出力値が、図２に示すパターンに従うように、電磁式ポンプ４の駆動を制御（フィードバック制御）する。図２は、センサ１０の出力値が鋳型キャビティ２内の溶湯金属の液面位置と正確に対応している場合を示しており、図２に示す特性αが、所望の（理想の）注湯パターンとなる。なお、図２の０時点が、注湯開始時点を示すものである（このことは、以下の図３、図４でも同じ）。
【００１４】
次に、センサ１０の出力値と図２に示す注湯パターンとに基づいて電磁式ポンプ４の作動を制御する点について説明するが、以下の説明において、センサ１０の出力値が鋳型キャビティ１０内での溶湯金属の液面位置を正確に反映している場合を前提としている。まず、電磁式ポンプ４の出力電圧をＥ、センサ１０の今回の出力値をＯ１、注湯パターンαに基づく値をＯＢ、ゲインをＧ、一定値となる係数をＫ、電磁式ポンプ４の基本電圧をＥＢとすると、
【００１５】
Ｅ＝（Ｏ１−ＯＢ）×Ｇ×Ｋ＋ＥＢ ・・・・・（１）式
【００１６】
とされる。つまり、上記式中、「（Ｏ１−ＯＢ）×Ｇ×Ｋ」が、センサ１０の出力に基づくフィードバック補正値となる。
【００１７】
なお、前述のように、注湯パターンαに基づく値ＯＢは、図２に示すように時間の経過と共に変化されるが、実施形態では、上記ゲインＧと基本電圧ＥＢも時間の経過と共に変化させるようにしてある。これは、溶湯保持炉３内における溶湯金属の液面変化に対応して、電磁式ポンプ４の汲み上げ能力を補正する等のためである（図１では図示を略すが、溶湯保持炉３内の溶湯金属の液面位置を検出するセンサを別途有する）。
【００１８】
ここで、図３、図４を参照しつつ、注湯前におけるセンサ１０の出力状態と、鋳型キャビティ２内の溶湯金属の実際の液面位置とのずれ（図２に示す理想の注湯パターンαとの間でのずれ）について説明する。まず、図３は、注湯前におけるセンサ１０の出力状態が、図３一点鎖線γ１で示すように増加傾向にある場合を示す（注湯開始後もこの増加傾向が及ぼす影響を示すために、０時点より後もγ１が描かれている）。この場合は、センサ１０の出力値（図３破線β１で示す）は、注湯パターンαよりも大きい値を示すことになる。つまり、センサ１０の出力どおりに電磁式ポンプ４を制御した場合、鋳型キャビティ２内での溶湯金属の実際の液面位置はセンサ１０の出力値よりも小さいものとなるので、溶湯金属の供給遅れなり、また溶湯金属の最終的な充填量も不足してしまうことになる。
【００１９】
図４は、図３の場合とは逆に、注湯前におけるセンサ１０の出力が、減少傾向を示す場合を示す。すなわち、注湯前におけるセンサ１０の出力状態が、図４一点鎖線γ２で示すように減少傾向にある場合を示す（注湯開始後もこの減少傾向が及ぼす影響を示すために、０時点より後もγ２が描かれている）。この場合は、センサ１０の出力値（図４破線β２で示す）は、注湯パターンαよりも小さい値を示すことになる。つまり、センサ１０の出力どおりに電磁式ポンプ４を制御した場合、鋳型キャビティ２内での溶湯金属の実際の液面位置はセンサ１０の出力値よりも大きいものとなるので、溶湯金属の供給が早すぎることになり、また溶湯金属の最終的な充填量が過大になってしまう。
【００２０】
本発明では、前述した注湯前におけるセンサ１０の出力状態（増加傾向にあるか減少傾向にあるか）に応じて、センサ１０の出力値を補正して、この補正後の出力値を、電磁式ポンプの制御用に用いるようにしてある（（１）式のＯ１として、後述する補正値を用いる）。具体的には、次のようにして補正を行うようになっている。まず、注湯前の所定の短い設定時間Ｔ（１秒〜４秒程度から適宜選択）の間におけるセンサ１０の出力値の変化量Ｈを算出する。より具体的には、例えばセンサ１０の出力値の所定のサンプリング時間（例えば０．２秒毎）に検出して、今回の検出値から前回の検出値を差し引いた差分が今回変化量ｈ１とされる。このような今回変化量をサンプリング毎に繰り返し行って、設定時間Ｔの間に得られた複数の変化量（ｈ１、ｈ２、ｈ３・・・・・）の相加平均を変化量Ｌとし、設定時間Ｔに対する総変化量として上記変化量Ｈを算出することができる。
【００２１】
ただし、注湯直前のセンサ１０の変化量が、センサ１０の出力特性をより正確に反映していることから、センサ１０の最新の値から過去所定回数分についての移動平均を順次行っておいて、注湯開始直前の時点において得られている移動平均値と設定時間Ｔ前の移動平均値との差を設定時間Ｔにおける変化量Ｈとしてもよい。
【００２２】
上記設定時間Ｔあたりの変化量Ｈが得られ後は、次式によって、センサ１０の補正値が演算される。すなわち、センサ１０の出力値の単位時間あたりの変化量（誤差量）は、「Ｈ／Ｔ」となるので、補正値をＯＡ、注湯開始からの経過時間をｔとすると、
【００２３】
ＯＡ＝Ｏ１＋（Ｈ／Ｔ）×ｔ ・・・・・（２）式
【００２４】
となる。上記（２）式で得られた補正値ＯＡを、（１）式におけるＯ１として用いることによって、補正後のセンサ出力値を用いた電磁式ポンプ４のフィードバック制御が行われることになる。すなわち、電磁式ポンプ４の制御電圧Ｅが、次の（３）式によって算出される。
Ｅ＝（ＯＡ−ＯＢ）×Ｇ×Ｋ＋ＥＢ ・・・・・（３）式
【００２５】
制御ユニットＵによる前述したような補正を行う制御の具体例について、図５に示すフローチャートを参照しつつ説明する。なお、以下の説明でＱはステップを示す。まず、Ｑ１において、センサ１０の実際の出力値についてサンプリングが行われる。次いで、Ｑ２において、所定の設定時間Ｔについての変化量Ｈが算出される。
【００２６】
Ｑ３では、鋳型キャビティ２内への注湯開始時点であるか否かが判別される。このＱ３では、例えば、センサ１０の出力傾向が変化し始めた時点が、注湯開始時点と判断される。より具体的には、センサ１０の出力値が例えば増加傾向にあるときは、いままでの増加度合いよりも大きな増加度合を示し始めた時点が注湯開始時点と判断される。逆に、センサ１０の出力傾向が減少傾向にあるときは、減少がとまった時点が注湯開始時点とされる。
【００２７】
Ｑ３の判別でＮＯのときは、そのままＱ１に戻る。Ｑ３の判別でＹＥＳのときは、Ｑ４において、前述した（２）式から、センサ１０の出力値の補正値ＯＡが算出される。この後、Ｑ５において、（３）式に基づいて、電磁式ポンプ４への印加電圧Ｅが決定される。この後、Ｑ６において、Ｑ５で決定された制御電圧Ｅが、電磁式ポンプ４に出力される。なお、Ｑ５、Ｑ６の処理は、注湯開始後は繰り返し行われることになる。
【００２８】
以上実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず例えば次のような場合をも含むものである。フロ−チャ−トに示す各ステップ（ステップ群）は、その機能の上位表現に手段の名称を付して表現することができる。また、フロ−チャ−トに示す各ステップ（ステップ群）の機能は、制御ユニット（コントローラ）内に設定された機能部の機能として表現することもできる（機能部の存在）。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す全体系統図。
【図２】あらかじめ設定された注湯パターンの一例を示す図。
【図３】注湯前にセンサ出力値が増加傾向を示す場合の誤差を示す図。
【図４】注湯前にセンサ出力値が減少傾向を示す場合の誤差を示す図。
【図５】本発明の制御例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１：鋳型
１ａ：湯口
２：鋳型キャビティ
３：溶湯保持炉
４：電磁式ポンプ
１０：静電容量式センサ
Ｕ：制御ユニット（ポンプ制御手段、補正手段）

Claims (8)

1. 溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を、電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内に供給するようにした鋳造装置において、
   前記鋳型キャビティ内の溶湯金属の液面位置を検知する静電容量式のセンサと、
   前記センサの出力とあらかじめ設定された注湯パターンとに応じて、前記電磁式ポンプの作動を制御するポンプ制御手段と、
   前記ポンプ制御手段が用いる前記センサの出力値を、注湯前における該センサの出力状態に応じて補正する補正手段と、
   を備えていることを特徴とする鋳造装置。
2. 請求項１において、
   前記電磁式ポンプが、直流導電式または電磁誘導式とされている、ことを特徴とする鋳造装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記補正手段が、注湯直前での前記センサの出力状態に応じて補正を行う、ことを特徴とする鋳造装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記鋳型が砂型とされている、ことを特徴とする鋳造装置。
5. 溶湯保持炉に貯溜されている溶湯金属を、電磁式ポンプによって鋳型キャビティ内に供給するようにした鋳造方法において、
   前記鋳型キャビティ内への溶湯金属の注湯前に、静電容量式のセンサの出力状態を検出する第１ステップと、
   前記センサによって、前記鋳型キャビティ内に注湯された溶湯金属の液面位置を検知する第２ステップと、
   前記第２ステップで得られた前記センサの出力値を、前記第１ステップで得られた該センサの出力状態に応じて補正する第３ステップと、
   前記第３ステップで得られた補正後のセンサの出力値と、あらかじめ設定された注湯パターンとに応じて、前記電磁式ポンプの作動を制御する第４ステップと、
   を備えていることを特徴とする鋳造方法。
6. 請求項５において、
   前記電磁式ポンプが、直流導電式または電磁誘導式とされている、ことを特徴とする鋳造方法。
7. 請求項５または請求項６において、
   前記第１ステップでの前記センサの出力状態の検出が、注湯直前に行われる、ことを特徴とする鋳造方法。
8. 請求項５ないし請求項７のいずれか１項において、
   前記鋳型が砂型とされている、ことを特徴とする鋳造方法。

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