JP4517048B2 - 注湯トレーナーシステム - Google Patents

Description

本発明は、人手によって取鍋により鋳型に注湯するに際して、熟練技能者が注湯作業を行った手法に基づき、他の技能者が同様の手法によって注湯できるようにトレーニングを行うための注湯トレーナーシステムに関する。

鋳造は、溶けた金属を型に流し込み（注湯）、凝固させ、成型品（鋳物）を得る技術である。ここでは、注湯技術の良否がその品物の欠陥発生率を決める大きな要因になっている。例えば溶融金属の温度を高く設定して注湯すれば、充填性が良くなるものの、ガスの吸収が過大になり、ポロシティの発生による引け巣欠陥などが発生する。逆に温度を低下させると充填性が低下し湯回り不良と呼ばれる欠陥が発生する。また注湯作業により溶湯の流動に乱れが生ずると表面酸化物の巻き込みにより欠陥が発生する。このように、鋳物の歩止まりは注湯技能者の技能に大きく依存しており、注湯技能者はできるだけ低温の溶湯を俗に言う「早く静かに」注湯する技術が求められる。熟練した注湯技能を持つ技能者は、経験から材料組成、鋳物の細部、湯道の方案を勘案して注ぎによる作業を最適化している。

一方、注湯作業は作業者が人手で行うときにはばらつきが大きい。そのため、熟練した注湯技能者と、特に注湯の初心者とでは製品の欠陥発生率に大きな相違を生じ、熟練技能者では多数の鋳造を行ってもほとんど欠陥が生じること無く安定した注湯を行うことができるのに対して、初心者では引け巣やポロシティの発生、湯回り不良、のろかみ等の種々の欠陥を発生し、且つ安定した注湯を行うことができない。しかもこの注湯作業は、製品形状や鋳型形成状態、溶湯の成分等によっても注湯時の鋳型内での溶湯流動状態が異なり、それに合わせた微妙な注湯速度変化が要求され、熟練技能者と初心者とは大きな違いを生じる技術分野といえる。なお、熟練技能者の技能を自動注湯機に利用する技術は、本件出願人により下記特許文献１に開示している。
特開平１１?３４２４６３号公報

現在の我が国における国内の鋳造業の傾向として、大ロットの大量生産品に対して、品質管理及び方案設計は依然国内企業主導で行うものの、生産自体は海外拠点での生産委託にシフトしている。国内の多くの鋳造企業では、高付加価値が得られる中小ロット生産品、及び試作品の生産を国内拠点で行うことにより、利益の導入と他国に負けない技術の維持を図っている。このように、我が国では多品種・少量を迅速に・少人数で、という生産形態を指向しなければならない。しかも、特に中小の鋳造業では従来型自動注湯機の設備が大型化し、高価であるので導入が難しいという問題があった。

また、我が国では上記のような注湯技能者について、他国に誇れる熟練技能者が存在するが、その技能を受け継ぐ人が急速に減少していることが問題となっており、このままでは熟練技能者の技能が消滅する危機にあり、そのため、熟練注湯技能者の技能を残し、これを将来に確実に受け継ぐ必要がある。

上記のような熟練技能者の技能を残すには、熟練技能者の注湯状態を正確に測定する必要があるが、その際には熟練技能者が取鍋棒を持って取鍋から鋳型の湯口に注ぎ込む時の溶湯の速度を、注湯開始から終了まで時系列で正確に測定する必要がある。しかしながら、手で持っている取鍋棒の先に固定している取鍋から流れ出す溶湯の流量及びその変化を正確に測定する技術が存在しなかった。

一方、注湯作業は危険が伴い、作業者が人手で行うためばらつきも大きい。そのため注湯作業の自動化は安定生産への流れであり、種々の自動注湯装置が開発されている。しかしながら、多くは注湯速度の微妙な変化をコントロールできない装置であり、方案設計に時間をかけて最適化できる大ロットの大量生産には適するが、少量生産には不向きな装置である。

従来型自動注湯装置のもう一つの問題点として、湯口（注湯口）位置が固定されているという点である。通常、手作業による注湯作業を行う企業では、方案上の最適化を優先して湯口位置は自由に設定している。湯口位置の固定した自動注湯機を導入するためには、それまで蓄積してきた方案を全て破棄して１から設計し直す必要がある。

上記の自動注湯機の問題点をふまえ、鋳造工程における鋳型の位置制御（ｘ軸）と取鍋の位置制御（ｙ軸）とを組み合わせて、鋳型の湯口の位置を自由に設定できるようにすることにより、任意の湯口位置の鋳型への自動注湯を可能にする自動注湯手法が本発明者等により開発され、特許出願している（「鋳型への自動注湯方法とその装置」：特開平１１−３４２４６３号公報）。

この自動注湯装置によると、溶湯を受けた取鍋を角度制御して、湯口から鋳型へと注湯するタイプの装置であるが、取鍋を小さく、傾動速度を角度毎に変化させることを可能にすることにより、技能者による微妙な手注ぎを再現できる。この装置を実用化し、多品種・少量生産に対応できる中小企業向けの生産システムを構築し、１９９７年より実際に生産を行っており、この手法は国内鋳造作業に適した現状では唯一の注湯設備として展開が期待される。

この自動注湯装置の作動に際しては、取鍋の制御のために角度の関数として傾動速度を注湯パラメータとして設定する必要がある。一般的な考え方として注湯速度として最初は早く、途中はゆっくりと、最後にまた速く、と変化させる必要がある。現状では手注ぎによる熟練技能者の注湯挙動を参考にしてトライアンドエラーで設定を行っており、設定値が定まるまでには技能者の経験と、微妙な手直しを入れるという難しいもので、１０−２０回程度の試行を行い、最適な注湯パラメータを得て自動注湯を行っている。

したがって、このような自動注湯時における最適注湯パラメータを得る手法を用いて、熟練技能者の注湯手法を数値化し、これを保存して、例えば注湯技能の初心者、更には一般の注湯技能者の手本にすることが考えられる。

しかしながら、上記のように熟練技能者が存在せず、熟練注湯技能者の手本が存在する場合においても、例えばその手本となる最適注湯パラメータによって注湯を行っている自動注湯機からの注湯状態を見て、注湯技能者がそれをまねして手で注湯を行っても技能者が実際に注湯を行っている状態を正確に測定できなければ、どの状態で熟練注湯技能者とどのように異なるのかが分からりにくく、極めて多数の注湯を行って次第に手本の注湯状態に近づけ、技能を習得するしかない。

また、熟練注湯技能者は、特定の条件の注湯において最適な注湯を行うことができるばかりでなく、種々の条件における注湯においても直ちに、或いは数回の試行によって最適な注湯を行うことができるようになる。その点、前記のような自動注湯機においては、特定の条件において最適な注湯を行うことができるものの、注湯条件がある程度異なることにより他の注湯手法によって注湯を行わなければならないとき、従来の経験を生かした他の最適な注湯手法を自らは得ることができない。そのため、熟練技能者の技能を単に自動注湯機に適用するよりも、他の技能者に引く継ぐことは重要なことである。

上記のように、前記の自動注湯システムの技術を利用して最適注湯パラメータを求め、熟練技能者の技能を数値化して保存することができたとしても、その最適注湯パラメータを得るために熟練技能者が１０−２０回という多数の注湯を繰り返す必要があり、熟練技能者にとって大きな負担となり、また計測者及び補助者等の多くの人が、多くの時間をかける必要がある、という問題があった。また、熟練技能者の技能を数値化して保存することができる自動注湯システムにおいても、多種多様な条件で最適注湯パラメータを得るには、その度毎に前記のような熟練技能者に多数回の試験注湯を繰り返してもらう必要がある。更に、熟練技能者の技能が自動注湯機のシステムに保存されたとしても、そのような自動注湯機を備えることができない小規模の注湯事業所においては、一般の注湯技能者が作動を行わざるを得ないか、熟練技能者が存在しない状態では一般技能者にその注湯技能を覚えてもらうことが極めて困難である、という問題もある。その際には、例え熟練技能者の注湯技能を前記のように保存できたとしても、熟練技能者の技能をまねする技能者の注湯状態を正確に測定できないときには、熟練技能者の注湯との相違を明確に知ることができず、極めて多数の試行を繰り返す必要があるか、或いはその技術を伝承することはできない。

したがって本発明は、熟練技能者による注湯状態を容易に、且つ正確に測定し、また注湯の初心者、或いは一般注湯技能者が注湯の教習を受けようとするときに行う注湯時の注湯状態を容易に、且つ正確に測定することができ、それにより熟練技能者の技能と注湯の教習を受ける教習者の技能との比較を正確に行うことができ、注湯技能教習効果を高めるとともに、熟練注湯技能者の技能を他の注湯技能者に容易に伝承することができる注湯トレーナーシステムを提供することを主たる目的とする。

本発明に係る注湯トレーナーシステムは、前記課題を解決するため、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により、取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯モデルを演算する演算手段を備え、前記演算手段により得られた最適注湯モデルと、前記演算手段により得られた評価対象の注湯モデルとを比較して評価を行う注湯評価手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の注湯トレーナーシステムは、前記注湯トレーナーシステムにおいて、前記演算手段が、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い、注湯パラメータを演算することを特徴とする。

また、本発明に係る他の注湯トレーナーシステムは、前記注湯トレーナーシステムにおいて、前記注湯評価手段は、注湯時間、注湯速度変化により評価を行うことを特徴とする。
さらに前記注湯評価手段は、前記評価対象の複数回の注湯モデルに基づき評価を行うことを特徴とする。

本発明は、熟練技能者による注湯状態を容易に、且つ正確に測定し、また注湯の初心者、或いは一般注湯技能者が注湯の教習を受けようとするときに行う注湯時の注湯状態を容易に、且つ正確に測定しすることができ、それにより熟練技能者の技能と注湯の教習を受ける教習者の技能との比較を正確に知ることができる。また、それにより注湯技能教習効果を高めるとともに、熟練注湯技能者の技能を他の注湯技能者に容易に伝承することができる注湯トレーナーシステムとすることができる。

本発明は、熟練技能者による注湯技能に基づき、注湯技能の教習者が確実に、且つ容易に教習を受けることができるようにするという課題を、取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により注湯技能者が注湯を行う取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯モデルを演算する演算手段を備え、前記演算手段により得られた熟練技能者の注湯による最適注湯モデルと、注湯技能を習得する被験者の注湯モデルとを比較して評価を行う注湯評価手段とを備えることにより実現したものである。

図１は本発明の注湯トレーナーシステムにおいて、熟練技能者及び注湯技能教習者としての鋳込み作業者１が取鍋２の取鍋棒３を持ち、取鍋２を傾けて取鍋２内の溶湯４を鋳型５の湯口６に流し込むときの作業を測定する計測システム示している。この取鍋棒３の取鍋２に対する付け根部分にゲージ固定部７を設けておき、このゲージ固定部７に互いに９０度の少なくとも等間隔で４個のひずみゲージ８を取り付けている例を示している。図示の例においては、４個のひずみゲージ８は図１（ｂ）及び図２に示すようにブリッジ回路９となし、その信号をデータロガー１０によって信号処理し、パソコン１１に出力している。パソコン１１では、作業者１による取鍋の傾き角毎の傾斜速度、取鍋の重量検出による溶湯の重量変化を演算し、必要なデータを記憶し、注湯モデル等の適宜のデータをモニタ画面１２に表示し、またプリントアウトする。

実際の計測に当たっては、ひずみゲージの感度補正、貼付位置補正、回転角補正等を行うことにより、取鍋の重量変化から注湯速度変化が正確に測定できるだけでなく、取鍋の角度変化も測定でき、得られたデータの解析より即時に注湯量・注湯時間も評価可能である。上記のような補正を行うに際し、個々のひずみゲージ１−４が図３のように取り付けられているとき、各ひずみゲージの感度差を補正するときには下記の数式（１）の補正式により補正を行うことができる。

また、図３に示すように各ひずみゲージ１〜４が取り付けられているとき、個々の歪ゲージの貼り付け位置の誤差に伴う補正を行う際には、下記の数式（２）の補正式により補正を行うことができる。

本発明による注湯トレーナーシステムは、上記のような計測手段を用いることにより、図４に示すようなデータが得られる。したがって、例えば図５に示すように、熟練技能者による注湯作業１５を行うとき、その際の注湯速度変化を前記のような計測を行う注湯速度変化測定装置１６によって精密に測定し、図４に示すようなデータを評価モジュール１７に入力する。注湯評価装置１７ではこの熟練技能者のデータに基づき、例えば図６にモデル注湯を３回行ったときの、数値シミュレーションによるモデル計算結果を示すように演算を行い、これを注湯トレーナーシステムにおける最適モデルとする。

上記のような最適モデルを利用した注湯トレーナーシステムにおいては、前記最適注湯モデルを作成した際の熟練技能者による注湯作業とほぼ同一条件で、トレーニングを受ける被験者による注湯作業を行う。そのときの注湯速度変化を前記図１．図３に示した計測システムと同様に、注湯速度変化測定装置１９で測定する。このように図５中において、熟練技能者による注湯作業１５において測定を行う注湯速度変化測定装置１６と、被験者による注湯作業１８を測定する注湯速度変化測定装置１９は同一システムで行うこととなる。

図５において、被験者による注湯作業を測定する注湯速度変化測定装置１９で得られる計測結果についても、注湯評価装置１７で前記熟練技能者の計測結果に基づく処理と同様に、数値シミュレーションによるモデル計算を行い、同様のモデル計算結果のデータを得る。注湯評価装置１７では、熟練者による前記最適モデルと、被験者によるモデルである被験者モデルとを比較し、注湯を開始してから終了するまでの注湯時間、その間の注湯速度変化、注湯時における乱れの状態としての注湯安定性、更に複数回同様の注湯作業を行ったときの再現性の評価を行う。

前記のような評価を行うときには、例えば図７に示すように最適注湯モデルに対して、前記のようにして得られた被験者のモデルが離れている程度によって教習レベルを設定し、教習結果の数値化を行うこともできる。また、一連の注湯過程での乱れの程度を別途演算し、熟練技能者との比較評価を行うこともできるとともに、更に他の各種の統計的な手法により評価を行うこともできる。

本発明において用いる計測システムの説明図である。 同計測システムの計測信号処理説明図である。 ゲージ固定部におけるゲージ取り付け態様を示す図である。 本測定システムによる注湯作業により得られた測定データの例である。 本発明における注湯教習システムのブロック図である。 熟練技能者試行回数３回での熟練技能者の試験注湯、数値シミュレーションによる最適注湯モデル計算結果を示す図である。 数値シミュレーションによるモデル計算結果を利用した、被験者の教習レベル判定の例を示す図である。

符号の説明

１ 技能者
２ 取鍋
３ 取鍋棒
４ 溶湯
５ 鋳型
６ 湯口
７ ゲージ固定部
８ ひずみゲージ
９ ブリッジ回路
１０ データロガー
１１ パソコン

Claims (4)

1. 取鍋棒の取鍋付け根近傍に設けたゲージ取付部の周囲に、
   少なくとも４個のひずみゲージを固定してブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の信号により、取鍋の角度変化と、取鍋内の溶湯の重量変化により注湯速度変化を検出して注湯モデルを演算する演算手段を備え、
   前記演算手段により得られた最適注湯モデルと、前記演算手段により得られた評価対象の注湯モデルとを比較して評価を行う注湯評価手段とを備えたことを特徴とする注湯トレーナーシステム。
2. 前記演算手段は、各ひずみゲージの感度差、ひずみゲージ装着位置のばらつき、取り付け角度のずれの少なくとも一つの補正を行い、注湯パラメータを演算することを特徴とする請求項１記載の注湯トレーナーシステム。
3. 前記注湯評価手段は、注湯時間、注湯速度変化により評価を行うことを特徴とする請求項１記載の注湯トレーナーシステム。
4. 前記注湯評価手段は、前記評価対象の複数回の注湯モデルに基づき評価を行うことを特徴とする請求項１記載の注湯トレーナーシステム。

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