JPH0685991B2

JPH0685991B2 - 輝度分布撮像式精密鋳造装置

Info

Publication number: JPH0685991B2
Application number: JP11507184A
Authority: JP
Inventors: 廣小嶋; 通中村; 勝松尾
Original assignee: Asahi Roentgen Industries Co Ltd
Current assignee: Asahi Roentgen Industries Co Ltd
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1984-06-04
Publication date: 1994-11-02
Anticipated expiration: 2009-11-02
Also published as: JPS60257962A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は高周波誘導式や電気抵抗式などの加熱手段に
よって各種の鋳物材料を加熱融解し、歯科用義歯、修復
物または装飾品などの小型精密鋳造品を品質良く高能率
に製造しうる輝度分布撮像式精密鋳造装置に関するもの
である。

一般に精密鋳造装置の機能を分類すると、（イ）鋳物材
料の加熱融解手段、（ロ）溶湯の注湯タイミング（以下
鋳造タイミングと記す）の決定手段、（ハ）鋳造圧力の
加圧手段の３つに大別され、上記（イ）（ハ）は従来装
置においても一応安定しており余り問題とならないが、
（ロ）の決定手段は従来術者が目視で行っているのが通
例である。溶湯の鋳込みに適正な温度（以下鋳造温度と
記す）は一般に材料の融点より若干高く、かつその温度
範囲がきわめて狭いものであり、これを越えオーバヒー
トさせると結晶粒が粗大化し、また結晶粒界に不純物が
混入するなど機械的性質を悪くし欠陥製品となる。また
逆に適正温度に満たないと融解不足となり、ナメラレ
（鋳込み不足）を生じ鋳造品の最大の欠陥を生じる。し
たがって鋳造タイミングの決定は鋳造工程の中でも最も
重要な要素であり、その適否を目視で判定するには高度
の熟練を要する上に、その熟練者にても判定を誤ること
もあり、製品の歩留りが低く、特に高価な材料を使用す
る歯科用においては、その損失が大きい。そのため従来
から上記目視法に代わるいろいろの工夫、たとえば放射
温度計によって融解材料の温度を測定する方法とか、測
温せずに融解時間を制御して鋳造タイミングを管理する
方法などが考えられ試みられているが、いずれの方法も
問題が多く、実用的かつ的確に最適の鋳造タイミングを
決定することが困難で、未だに上記目視法が主流を占め
ている。上記の現況において筆者らが考案し、去る昭和
59年５月21日出願した「精密鋳造方法およびその装置」
は上記のいずれの方法とも異なり、かつ正確に最適の鋳
造タイミングを容易に判定できる実用的な方法ならびに
装置であり、目視法に比し格段に製品の歩留りが高いも
のである。すなわち鋳物材料を加熱するばあい現在用い
られている如何なる手段によっても材料全体を一様に加
熱することは困難であり、したがって材料の加熱が進行
するに伴ない材料自体に温度分布が生じる。その温度分
布の生じた材料の各部から発せられる放射光の単位面積
当りの明るさすなわち輝度分布を近年発達したCCD（Che
rge Coupled Device）と称される自走型画像検出器（以
下CCDイメージ・センサと記す）によって検出し、これ
を映像表示器の画面に輝度分布像として映像させるとと
もに、その分布像の頂部が直線を形成したとき、これを
完全融解時点とし、これを基準としてその材料ごとに最
適の鋳造タイミングを決定しうるように構成されてい
る。したがって可視光域から約1000nmの赤外線域までの
広い波長範囲にわたり光検出能力がすぐれた自己走査の
できる上記CCDイメージ・センサはたとえ融解室ののぞ
き窓が融解中の発生ガスや金属蒸気によって曇っても、
上記材料の輝度分布像を的確にとらえ、表示器に映像す
るので、その頂部が直線化した時点をとらえることはき
わめて容易であり、熱練を全く必要とせず精密鋳造界の
永年の問題点を一挙に解決するものである。しかしなが
ら装飾品や工業部品などの精密鋳造品を多量生産する工
場のばあいには装置１台ごとに作業者を要し、省力化し
えないという問題点が残る。

この発明は以上の現況に鑑みてなされたものであり、筆
者らが先に出願した「精密鋳造方法およびその装置」に
よる装置の問題点を解消し、上記装置の画像検出器が撮
像した輝度分布像の頂部が直線を形成した時点を自動的
に判定しようとするものである。すなわち加熱手段によ
って融解するるつぼ内の鋳物材料の輝度分布像を１次元
または２次元のCCDイメージ・センサによって検出し、
この検出画像をマイクロコンピュータに入力し記憶せし
めるとともに、信号処理によって２値化信号に符号化
し、これを基準信号すなわち頂部が直線化した画像を同
じく２値化した信号と比較することによって入力画像と
基準画像とのパターン認識（図形判別）を行い、両面像
の合致時点を自動的に判定して信号を出力するように構
成されている。この構成によって自動的に最適タイミン
グで鋳造でき高品質の製品が能率良く、かつ省力的に製
造しうる構造簡単にして小形低廉な装置を提供しようと
するものである。

以下図面を用いてこの発明の実施例を説明する。第１図
は実施例としての高周波溶解加圧精密鋳造装置の構成ブ
ロック図である。図中断面で示す融解部（１）は筒状気
密融解室（２）と、凸状鋳型（３）と、この鋳型を支承
する鋳型台（４）とで構成されている。上記凸状鋳型
（３）は上部突出部にるつぼ（５）と、ロストワックス
法にて造形した鋳型空洞部（６）および湯道（７）とを
１体に成型し、上記るつぼ（５）は耐火筒状体（８）の
内部すなわち融解室（２）に収容され、かつ凸状鋳型基
部（９）は上記鋳型台（４）上にアスベストリング（1
0）を介して支承されている。鋳型台（４）は図示を省
いた下部室の中心軸上で空気圧シリンダピストンまたは
圧縮ばねによって下方から所定の圧力で押上げられ、上
記鋳型基部（９）の肩部をアスベストパッキング（11）
を介して融解室底面外表面部（12）に圧接している。こ
の外表面部（12）はアスベスト成型材にてなり上部筐体
（13）とともに図示しない装置上部器筐に固定され、上
記耐火筒状体（８）の上・下端を気密に係合している。
（14）は高周波誘導コイルであり、（45）は融解室の上
部を密封する耐火透明材にてなるのぞき窓である。さら
に融解室（２）を減圧する排気口および、注湯の際加圧
するたとえば約5kg/cm²Gの不活性ガス導入口の位置を白
矢印（16）、黒矢印（17）とで示している。

以上の構成は従来装置と同一であり、この発明の要部は
るつぼ（５）内の鋳物材料（Ｍ）の輝度分布を撮像し、
その分布像の頂部が平担化する時点を自動的に判定する
ようにしたつぎに述べる構成である。上記のぞき窓（1
5）の中心軸上の所定位置にたとえば倍率10倍の集射レ
ンズ（20）を設ける。集射レンズ（20）は単一の凸レン
ズに限らず複合レンズでもよく、また反射鏡を用い光軸
（21）を任意の方向に変更してもよい。加熱が進行して
鋳物材料（Ｍ）から放射される放射光（22）はレンズ
（20）の結像位置に固定した１次元CCDイメージ・セン
サ（23）の感光部（24）に材料（Ｍ）の輝度分布を映像
する。この感光部（24）はたとえば幅約30μｍ、長さ約
30mmの間に約2600個の感光画素を１列に配列し、ここで
光電変換・蓄積された信号電荷を内部のアナログシフト
レジスタで転送し、時系列的なアナログ電圧信号
（Ｓ_Ａ）を出力する。この信号（Ｓ_Ａ）は１点鎖線で囲
んだマイクロコンピュータ（26）のA/D変換器（27）に
入力される。マイクロコンピュータ（26）は周知のとお
り、マイクロブロセッサ（cpu）、主メモリ、補助メモ
リ、入出力装置などにて構成されているが、それらの図
示は省き、この発明の機能実現手段をブロック図にて説
明し、上記主メモリに書き込まれたプログラムを第４、
第５図のフローチャートでもって説明する。もとにもど
って上記（Ｓ_Ａ）信号はA/D変換器（27）にてたとえば1
2ビットのデイジタル画像信号（D₁）に変換され、たと
えば半導体メモリのRAMである輝度分布像記憶手段（2
8）に読み込まれる。ここで第２、第３図を併用して輝
度分布像の符号化の手順を説明する。第２図はるつぼ
（５）内の鋳物材料（Ｍ）の加熱開始からたとえば60se
c経過したときの外周部と中心部とに輝度の差のある状
態を示し、図▲A₁▼はのぞき窓から目視した平面図、図
▲B₁▼は上記画像メモリ（28）に読み込まれた輝度分布
の画像信号（I₁）である。図▲A₁▼において（5H）はる
つぼ壁上面を示し、材料（Ｍ）の斜線部（Ｈ・Ｂ）は高
輝度域、中心部〇印は低輝度域（Ｌ・Ｂ）を示し矢印
（ａ）はCCDイメージ・センサ（23）の自己走査方向で
ある。図▲B₁▼は上記（ａ）方向の各位置（Ｐ）を横軸
にし、輝度（Ｂ）をタテ軸にした輝度分布であり、
（ｄ）はるつぼ（５）の内経に対応する。画像信号
（I₁）はるつぼ壁の輝度（B₅）をベースとし、双峰状に
形成され、かつ細かい変動を伴う輝度分布である。第３
図▲A₂▼は加熱が進行してたとえば図▲A₁▼から10sec
経過して材料（Ｍ）が完全に融解した状態を示し、図▲
B₂▼はその輝度分布の画像信号（I₁s）であり、その頂
部は細い起状伴うが平担な台地状を形成している。この
ように輝度分布が一様化するのは材料（Ｍ）が完全に融
け、その温度が均一化したことを示すからであり、前述
した特許出願「精密鋳造方法およびその装置」は映像表
示器によって図▲B₂▼相似の画像（L₁s）が画面に現わ
れたときを目視にて判定するようにしている。上記映像
目視判定を映像符号化による自動判定に置換えたのがこ
の発明である。第１図にもどってメモリ（28）の画像信
号（I₁）は実線（29）で囲んだ画像２値化手段に入力さ
れる。この手段（29）はいろいろの構成が考えられるが
今一つの実施例として図に示す４つの手段（30）〜（3
3）のプロセスとし、順次第２、第３図を併用して説明
する。まず分布像平滑手段（30）は第２図▲B₁▼に示し
た画像信号（I₁）の細かい変動を平滑化し、第２図▲C₁
▼に示すように細かい変動を消去した平滑画像信号
（I₂）を画像整形手段（31）に入力する。画像整形手段
（31）は上記平滑画像信号（I₂）を近似した複数の折線
（直線）で形成する１種の関数発生回路であり、第２図
▲D₁▼に示すように双峰状画像（I₂）をたとえば７本の
折線で整形する。この整形された画像信号（I₃）はつぎ
の微分処理手段（32）に入力され、２次元画像信号
（I₃）の４つの勾配（I₃₁）、（I₃₂）、（I₃₃）、
（I₃₄）のそれぞれの起点（P₁）（P₂）、（P₃）、
（P₄）をパルス立上り点とし、上記各勾配に対応した振
幅（Ic₁）〜（Ic₄）とパルス幅（W₁）〜（W₄）の４個の
パルスにてなる１次元の微分画像信号（I₄）に変換され
る。この信号（I₄）を更に符号化手段（33）に入力し、
たとえばるつぼ壁輝度（B₅）を閾値としてそれより高い
信号を（Ｈ）または（１）、低い信号を（Ｌ）または
（Ｏ）とする２値化信号（D₂）に変換し、２値化手段
（29）の出力信号とする。この２値化された画像信号
（D₂）はたとえばカウンタにてなる相関判定手段（34）
の１方の入力端子（34A）に入力され、他方の端子（34
B）には基準信号出力手段（35）にはあらかじめ設定さ
れている融解完了を示す基準画像信号（Ds）がテストパ
ターンとして常に入力されている。上記基準画像信号
（Ds）は第３図▲F₂▼に示すような（H₁）（H₂）の２個
の２値化信号であり、上記相関判定手段（34）は（Ｈ）
の信号の個数を比較し、そのパルス間隔（Ｌ）は比較対
象としない。したがって第２図▲F₁▼の（D₂）のように
４個の（Ｈ）を有しているばあいは手段（34）は有意差
無しの判定はせず、何の信号も発しない。したがって加
熱制御装置（37）は始動時に定められた所定の制御量た
とえば100％によって高周波電源（38）を駆動し、加熱
を続行する。（39）は交流電源である。このようにして
るつぼ（５）内の材料（Ｍ）の加熱が進行することによ
って材料（Ｍ）の温度が高まり融点を越え、鋳造タイミ
ングに達すると第３図▲A₂▼に示すように中央の低輝度
域（Ｌ・Ｂ）が消え、かつ高輝度域（Ｈ・Ｂ）の輝度
（Ｂ）も高く、（Bm）となり、かつ材料全体が同一輝度
となる。したがってCCDイメージ・センサ（23）が撮像
する輝度分布の画像信号（I₁s）は図▲B₂▼に示すよう
にるつぼ壁輝度（B₅）はそのままに、その頂部の輝度分
布は最大の輝度（Bm）に若干の変動を残してほぼ直線状
になる。この画像信号（I₁s）が上記したのと同様に平
滑手段（30）および整形手段（31）によって信号処理さ
れると（I₂s）、（I₃s）に変換され、図▲D₂▼に示す整
形画像信号（I₃s）は頂部が平担であるので、微分処理
手段（32）の出力すなわち図▲E₂▼の微分画像信号（I₄
s）はるつぼ壁部に対応する位置にそれぞれ振幅（I
c₁）、（Ic₂）およびパルス幅（W₁）（W₂）の近似した
２個のパルスにて形成され、その中間にはパルスを発生
させない。これが第２図▲E₁▼の信号（I₄）との大きい
差異であり自動判定を可能とするものである。上記微分
画像信号（I₄s）はさらに符号化手段（33）によって図
▲F₂▼に示す（H₁）（H₂）の２値化信号（Ｄ′ｓ）に変
換され、相関判定手段（34）に入力される。前述したよ
うにこの手段（34）にテストパターンとして設定され常
に入力されているのが上記（Ds）の２値化信号であるの
で（Ｄ′ｓ＝Ds）となり、判定手段（34）は記録画像の
２値化信号（Ｄ′ｓ）と融解完了を示す基準画像２値化
信号（Ds）とに有意差無し、いいかえると合致したと判
定し、その判定信号（S₁）を鋳造信号出力回路（40）に
出力する。この回路（40）は２つの出力信号（S₂）
（S₃）を出力し、信号（S₂）は係留時間設定器（41）
に、信号（S₃）は上記加熱制御装置（37）に入力され
る。係留時間設定器（41）は鋳物材料の種類や鋳造量に
対応して完全融解状態を何秒保持するかをあらかじめ設
定するものであり、0secから数sec位まで任意に設定し
うる。信号（S₃）は加熱制御装置（37）を制御して、あ
らかじめ定められた設定された逓減値に高周波電流（ｉ
_Ｈ）を逓減せしめ、上記保留時間の間材料を保温する。
設定した保留時間が経過したとき、設定器（41）は鋳造
圧力加圧装置（42）に注湯信号（Ｓ′_２）を出力し、加
圧装置（42）は圧力源（43）のたとえば5kg/cm^２Ｇのア
ルゴンガスをガス導入口（17）を介して融解室（２）に
導入し、溶湯（Ｍ）の表面を加圧して湯道（７）を介し
て鋳型空洞部（６）に圧入する。係留設定器（41）は上
記信号（Ｓ′_２）を出力すると同時に信号（S₄）を上記
加熱制御装置（37）に出力して、高周波電流（ｉ_Ｈ）の
供給を停止せしめる。

つぎに第４、第５図によってマイクロコンピュータの主
メモリであるROMに書込まれているプログラムを説明す
る。第４図は鋳造全工程を示し、第５図は第４図の定義
済み処理ステップ（46）の詳細な処理手順を示すもので
ある。ステップ（45）でメモリ（28）などのデータを消
去して全回路を初期状態にもどす。つぎのステップ（4
6）を第５図で説明する。ステップ（47）では鋳物材料
の種類およびその鋳造量によってそれぞれ定まる適正な
融解パワー、たとえば高周波電流値を設定する。つぎに
ステップ（48）で鋳造圧力たとえば5kg/cm^２Ｇを加圧装
置（42）よって設定する。

以上が完了すれば鋳物材料（Ｍ）をるつぼ（５）内に入
れ、凸状鋳型（３）を第１図に示したようにセットする
のがステップ（49）であり、セットが終れば排気口（1
6）を介して図示しない真空排気装置によって融解室
（２）内をたとえば10^-2Torr程度に減圧し、不活性ガス
を低圧で導入する。ステップ（50）は、鋳物材料の種類
によっては上記減圧だけ行うばあいもある。以上の準備
終了后ステップ（51）によって加熱制御装置をONして加
熱を開始する。第４図にもどってステップ（53）は第１
図のCCDイメージ・センサ（23）から輝度分布像記憶手
段段（28）の作動に対応し、ステップ（54）からステッ
プ（57）までは第１図の画像２値化手段（29）の一実施
例である（30）〜（33）の各手段に対応する。ステップ
（58）は上記２値化手段によって刻々に入力される分布
画像に対応する（Ｈ）（Ｌ）の信号とあらかじめ設定し
た頂部が平担な分布画像を２値化した基準信号との間に
有意差がないからすなわち、入力画像２値化信号の
（Ｈ）の数が、基準画像２値化信号の２個に合致してい
るか否かを判断するステップである。この判定で入力信
号の（Ｈ）の数が２個になるまで加熱は続行され、上記
画像２値化手段もくり返し行われる。（YES）のばあい
ステップ（59）に移る。これは第１図の相関判定手段
（34）の判定信号（S₁）が出力されたのに対応するとと
もに鋳造信号出力回路（40）が信号（S₂）（S₃）を出力
し、係留時間設定器（41）および加熱制御装置（37）が
作動するのに対応する、つぎのステップ（60）は係留時
間設定器（41）に設定された所定時間が終了したか否か
を判断するステップであり、ステップ（61）では上記設
定器（41）の注湯信号（Ｓ′_２）によって注湯が行われ
る。最后のステップ（62）は第１図には図示していない
が、たとえばタイマなどを注湯信号（Ｓ′_２）にて作動
開始させることによって所定の凝固時間終了時点を自動
的に判断するステップである。

以上がこの発明の実施例であるが、この発明は図示や説
明に限定されるものでないことはいうまでもない。たと
えば鋳造装置は高周波溶解加圧式に限らず、電気抵抗炉
方式や発熱体るつぼ方式のものでもよい。またCCDイメ
ージ・センサも１次元センサに限らず、２次元センサの
Ｘ・Ｙ軸のいずれか一方の自己走査機能を平均化機能に
置換えることによって同様の輝度分布像が撮像できる。
相関判定手段（34）はカウンタに限らず、シフトレジス
タまたはExclusive−OR回路を用いて行うこともでき
る。また画像２値化手段は平滑・整形・微分・符号化の
４つのプロセスに限らず、たとえばテレビジョン画像伝
送に用いられるデルタ変調の２値化手段すなわち画像を
±１の変化しかできない階段波で近似し、この階段波が
前のレベルよりも１ステップ上がったとき（１）、下が
ったとき（０）として２値化すれば、各標本点（所定間
隔の抽出振幅幅）ごとに１ビットのパルスを割当てるだ
けで階段波に近似した２値化信号が得られる手段もこの
発明に適用できる。

この発明は以上のように構成されているので従来の精密
鋳造においていろいろ工夫されながら未だに熟練者の目
視判定に頼らざるを得なかった鋳造タイミングを自動的
かつ正確に判定することによって鋳造品の歩留りを飛躍
的に向上させるものである。すなわち高価にして、しか
も正確な測温が困難である放射温度計の代りに小型低廉
でとくに融解室内のガスや金属蒸気などの影響が少な
く、材料の融解状況をその輝度分布像によって正確に撮
像するCCDイメージ・センサを検出器とし、その検出画
像と完全融解画像とのパターンマッチングを上記両画像
の２値化相関によって行うようにマイクロコンピュータ
にて構成することによって簡単な構造で小型にして廉価
で、しかも自動的に最適の鋳造タイミングで注湯し、高
品質の鋳造品を能率良く製造することができる便宜な装
置を提供しえたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例としての高周波溶解加圧精密
鋳造装置の構成ブロック図、第２図・第３図は上記装置
における鋳物材料の加熱中および完全融解時のそれぞれ
輝度分布像の２値化手段を説明する図であり、図▲A₁▼
は加熱中の材料の平面図、図▲A₂▼は上記材料の完全融
解時の平面図、図▲B₁▼▲B₂▼は上記それぞれの輝度分
布記憶画像、図▲C₁▼▲C₂▼は上記それぞれの平滑化画
像図、▲D₁▼▲D₂▼は上記それぞれの整形画像図、▲E₁
▼▲E₂▼は上記それぞれの微分画像、図▲F₁▼▲F₂▼は
上記それぞれの２値化信号、第４図は上記装置のマイク
ロコンピュータの鋳造プログラムを示すフローチャー
ト、第５図は第４図の融解シーケンスステップのフロー
チャートである。（２）……融解室、（３）……凸状鋳型、（５）……る
つぼ、（６）……鋳型空洞部、（Ｍ）……鋳型材料、
（14）、（37）、（38）、（39）……加熱手段（例とし
て高周波誘導加熱装置）、（20）……集射レンズ、（2
3）……自己走査型画像検出器（CCD1次元イメージ・セ
ンサ）、（Ｓ_Ａ）、（D₁）……上記検出器の画像信号、
（28）……輝度分布像記憶手段、（I₁）（I₁s）……輝
度分布の記憶画像信号、（29）……画像２値化手段、
（D₂）・（Ｄ′ｓ）……２値化信号、（Ds）……基準２
値化信号、（30）……分布像平滑手段、（31）……画像
整形手段、（32）……微分処理手段、（I₄）、（I₄s）
……微分画像、（33）……符号化手段、（34）……相関
判定手段、（S₁）……判定信号、（40）……鋳造信号出
力回路、（S₂）……係留信号、（Ｓ′_２）……注湯信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼに収容した少量の鋳物材料を融解す
る電気的加熱融解室と，前記材料の加熱進行状態を結像
する集射レンズと，このレンズを介して前記材料の輝度
分布像を撮像し，その画像信号を出力する自己走査型画
像検出器と，この検出器の各画素から出力される画像信
号を逐次時系列的に配列し記憶せしめる輝度分布像記憶
手段と，前記記憶画像をるつぼ内壁輝度をしきい値とし
これを超える高輝度の画像を信号（１）または（Ｈ）と
し，しきい値に達しない低輝度の画像を（０）または
（Ｌ）とする２値化信号に変換し出力する画像２値化手
段と，この２値化手段によって出力された２値化信号を
あらかじめ設定した融解完了を示す基準２値化信号と比
較し合致したことを判定する相関判定手段と，この判定
にもとづき前記るつぼ内の融解材料を加熱する電力を，
加熱制御装置によってあらかじめ設定された逓減値に逓
減せしめるとともに，この逓減電力を係留時間設定器を
介してあらかじめ定めた時間係留し，しかる後前記融解
材料を鋳型に注湯する信号を出力する鋳型信号出力回路
とを設けたことを特徴とする輝度分布撮像式精密鋳造装
置。
【請求項２】画像２値化手段が画像の処理に，平滑化，
整形化，微分化および符号化の４段階を経るものである
特許請求の範囲第１項記載の輝度分布撮像式精密鋳造装
置。
【請求項３】電気的加熱融解室が高周波誘導加熱装置の
加熱融解室である特許請求の範囲第１項または第２項い
ずれかに記載の輝度分布撮像式精密鋳造装置。