CN114570894A - 一种铝合金铸造车间及其排产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造领域，尤其是铝/镁等有色铝合金铸造技术领域，特别涉及一种铝合金铸造车间。本发明实现了航空航天等高端装备铸件多品种、小批量的高效精益制造，推动了铸造的自动化、智能化转型升级。一种铝合金铸造车间，包括按照生产工序顺序依次相接的数字化无模成型区、造型制芯区、合箱区、熔炼浇注区、铸型冷却区和落砂清理再生区，落砂清理再生区与数字化无模成型区相接形成闭环流水线车间。合箱区的合箱工艺采取柔性夹板快速组合式的无箱组型工艺。通过铸造车间优化分区布置，合理设计和布局，建立航空航天高端装备制造复杂零部件的柔性铸造生产线，用最适合、最高效、最经济的生产方法，实现了自动化、规模化的铸造生产。

Description

一种铝合金铸造车间及其排产方法

技术领域

本发明适用于铸造领域，尤其是铝/镁等有色铝合金铸造技术领域，特别涉及一种铝合金铸造车间及其排产方法。

背景技术

不同于汽车行业或其他民用行业规模化、大批量的生产模式，航空航天等高端装备铸件具有多品种、小批量的生产特点，难以实现批量化的自动生产线，其智能化转型升级之路更加困难。由于新一代产品对轻量化、短周期、低成本制造有着较高需求，且高端装备轻量化构件铸造涉及造型、制芯、熔炼、浇注、落砂、清理和检验等多道工序，不同工序制造环节离散化程度高，自动化程度低，严重制约了高端装备的规模化生产能力。国外如美国、德国等欧美发达国家已经基本实现以工艺仿真、自动化控制等为核心的智能化制造。而目前国内面向此类产品的多品种、小批量的生产需求并无成熟模式，其生产自动化与智能化程度与国外先进水平尚有一定的差距，部分关键工艺环节尚未完全打通，仍存在较大能力瓶颈。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种铝合金铸造车间，用以实现航空航天等高端装备铸件多品种、小批量的高效精益制造，推动铸造的自动化、智能化转型升级。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种铝合金铸造车间，包括按照生产工序顺序依次相接的数字化无模成型区1、造型制芯区2、合箱区3、熔炼浇注区4、铸型冷却区5和落砂清理再生区6，落砂清理再生区6与数字化无模成型区1相接形成闭环流水线车间。

合箱区3的合箱工艺采取柔性夹板快速组合式的无箱组型工艺。

进一步的，车间为长方形，分三跨布置，第二跨位于第一跨和第三跨之间；

第一跨包括数字化无模成型区1、落砂清理再生区6；

第二跨包括造型制芯区2、铸型冷却区5；

第三跨包括合箱区3、熔炼浇注区4；

其中数字化无模成形区1、造型制芯区2和合箱区3位于跨的同一端；熔炼浇注区4、铸型冷却区5和落砂清理再生区6位于跨的另一端。

进一步的，数字化无模成型区1靠近第二跨一侧，从跨端开始依次布置砂型数控切削设备12、砂型3D打印机11和新砂库13。

进一步的，造型制芯区2靠近第一跨一侧，从跨端开始依次布置全自动混砂机23、涂料涂覆区22、移动混砂机21，靠近第三跨一侧，从跨端开始依次布置通过式铸型表干炉24、砂型立体库25。

进一步的，合箱区3在靠近第二跨和熔炼浇注区4一侧设置砂型修补区31；

熔炼浇注区4从靠近合箱区3一侧依次布置自动熔炼浇注系统41、铝液自动回锭系统42，在所述铸型冷却区5和跨端之间布置原材料存放区43；

落砂清理再生区6从跨端一侧依次布置自动落砂设备61、砂再生设备62。

进一步的，数字化无模成型区1和造型制芯区2之间设置有第一通道，造型制芯区2和合箱区3之间设置有第二通道，合箱区3和熔炼浇注区4之间设置有第三通道，熔炼浇注区4和铸型冷却区5之间设置有第四通道，铸型冷却区5和落砂清理再生区6之间设置有第五通道，落砂清理再生区6和数字化无模成型区1之间设置有第六通道。

进一步的，第一通道位于砂型数控切削设备12和砂型3D打印机11之间；第二通道位于通过式铸型表干炉24和跨端之间。

进一步的，第一跨、第二跨和所述第三跨分别设置有桁架机器人。

进一步的，第一通道、所述第二通道、第三通道分别设置有智能AGV小车，第四通道设置有桁架机器人，第五通道设置有冷却辊道，第六通道设置有地下管道。

进一步的，一种铝合金铸造车间的排产方法，包括如下步骤：

S1：根据订单情况，确定生产周期，采集铸件铝合金种类、订单编号、订单所需数量、铸件毛重量、交货期、熔炼炉容量、生产周期、日产能和日最大炉数；

S2：将所有订单的铸件按照铝合金种类分类，划分同一铝合金种类对应的一个或多个订单；

S3：对每种铝合金下的多个订单的集合依次以熔炼炉容量为背包容量连续进行背包计算；

S4：基于不同铝合金种类下炉次划分的结果,采用遗传算法建立目标函数进行迭代运算，求解决策变量，得到一个生产周期内，所有铝合金种类炉次调度最优结果。所述车间还设置有一体化智能除尘系统以及其他污染物处理系统，在各区域安装分系统。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

(1)通过铸造车间优化分区布置，合理设计产线及设备布局，建立面向航空航天高端装备制造复杂零部件的多品种、小批量的柔性铸造生产线，采用最适合、最高效、最经济的生产方法，实现了自动化、规模化的铸造生产。

(2)整个车间的布置呈流水线式作业模式，上下游工序衔接紧密，改变了以往工序离散的手工作坊式生产模式，整个生产过程更加流程化；

(3)各工序配备了完备的除尘系统，铸造生产实现绿色化；

(4)该布置方法适用性强，在铝合金、镁铝合金、钛铝合金等有色金属铸造或铸钢铸铁等黑色金属铸造均可适用；

(5)本发明有效融合“有模+无模”的技术优势，形成型芯制备、型芯处理、型芯组合的模块化生产线，可有效适应不同尺寸、不同复杂程度、不同铸型种类、不同批次的产品，实现数字化、柔性化铸型的制备；

(6)车间的工序间的流转采用自动化物流与仓储系统，显著降低劳动强度，提升流转效率；

(7)通过智能AGV小车和桁架机器人等智能运转手段将各智能单元点连接起来，形成智能化的铸造生产线。

(8)本发明提出了一种多品种、小批量铸造车间的订单排产方法，可以适用于铝合金铸造，以及镁铝合金、钛铝合金等有色金属铸造或铸钢铸铁等黑色金属铸造车间多品种、小批量的排产。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为车间各区域平面布置图；

图2为智能成型单元生产流转图；

图3为智能熔炼浇铸单元生产流转图；

图4为实施例1的生产工艺和生产流转图；

图5为实施例2的生产工艺和生产流转图；

图6为实施例3的生产工艺和生产流转图；

图7为实施例4的生产工艺和生产流转图；

图中：1-数字化无模成型区；11-砂型3D打印机；12-砂型数控切削设备；13-新砂库；2-造型制芯区；21-移动混砂机；22-涂料涂覆区；23-全自动混砂机；24-通过式铸型表干炉；25-砂型立体库；3-合箱区；31-砂芯修补区；4-熔炼浇注区；41-自动熔炼浇注系统；42-铝液自动回锭系统；43-原材料存放区；5-铸型冷却区；6-落砂清理再生区；61-自动落砂设备；62-砂再生设备。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种多品种小批量铝合金铸造车间分区布置方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种铝合金铸造车间，包括按照生产工序顺序依次相接的数字化无模成型区1、造型制芯区2、合箱区3、熔炼浇注区4、铸型冷却区5和落砂清理再生区6，落砂清理再生区6与数字化无模成型区1相接形成闭环流水线车间。

上述数字化无模成型区1，设置有砂型数控切削设备和砂型3D打印设备，用于单件、小批量产品的砂型制造。

上述造型制芯区2为有模成型区，用于批量化产品砂型模具制造，包括：混砂单元、造型制芯单元、涂料涂覆单元和表干单元。

其中混砂单元包括移动混砂机21和全自动混砂机23，对型砂进行混制；造型制芯单元设有砂型立体库25，提供用于制造砂型、砂芯的树脂砂；涂料涂覆单元包括涂料涂覆区22，用于对铸型、砂芯进行涂料刷涂；表干单元包括通过式铸型表干炉24，用于对刷涂后的铸型进行烘干。

上述合箱区3用于将砂型以及砂芯组合成为铸型，为了便于砂芯的修补，合箱区3内还设置有砂芯修补区31。

上述熔炼浇注区4设置有自动熔炼浇注系统41、铝液自动回锭系统42和原材料存放区43，用于铝液的熔化、精炼和浇注。

上述铸型冷却区5用于浇铸件冷却摆放。

上述落砂清理再生区6设置有自动落砂设备61和砂再生设备62,用于铸件取出、表面清理以及树脂砂回收再利用。

本发明同时具备有模成型区和无模成型区，有模成型区的造型制芯区采用模具造型属于“等材”制造；无模成型区的砂型数控切削属于“减材”制造、无模成型区的的砂型3D打印属于“增材”制造。以模块化造型、制芯、组合铸型为思路，利用高精度树脂砂成型的“增材+减材+等材”三位一体的数字化铸型制备工艺，结合具体产品的结构特点，合理规划铸型制备方法，以适应不同尺寸、不同复杂程度、不同铸型种类、不同批次的铝合金铸件的造型需求。如按复杂程度，复杂空间曲面结构的铸件，无法用模具造型制芯的，采用无模成型；按产品批量，一般20件以下的，采用增材或减材或结合的方式；20件以上的，采用金属模具的方法，即等材的方式。

以上有模和无模工艺的结合，使得本发明的车间能够生产多品种、变批量、高复杂性的铝合金铸件，从而实现低成本、柔性化、数字化、精密化、绿色化的快速制造，针对军工产品铝合金铸件多品种、变批量、高复杂性的特点，摒弃现有模式下的手工作坊式生产模式。

需要说明的是，以上有模成型和无模成型所用型砂为树脂砂，树脂砂落下填充至模具。具体的，混砂速度及流量根据生产任务量来确定，会影响砂型质量，影响强度、透气性等。示例性地，混砂速度为6t/h，由混砂机螺旋下料自动控制。

数字化无模成型区1、造型制芯区2、合箱区3、熔炼浇注区4、铸型冷却区5和落砂清理再生区6按照生产工序顺序排列，并首尾相接成闭环流水线布置，相邻区域间紧密相接，所有区域均为有效工作区域。各区由模块化智能生产单元组成，各生产单元之间依靠智能运转工具连接起来，能够采用最适合、最高效、最经济的生产方法，实现了多品种、小批量产品的柔性化、自动化、规模化的铸造生产。

在一种可能的实施方式中，车间为长方形区域，长方形区域分为平行于长边且沿短边方向依次设置的第一跨、第二跨和第三跨，即车间分三跨布置，第二跨位于第一跨和第三跨之间。

图1为车间各区域平面布置图。考虑到工艺环节的衔接性和车间空间区域的最大化利用，第一跨设置为数字化无模成型区1、落砂清理再生区6；第二跨设置为造型制芯区2、铸型冷却区5；第三跨设置为合箱区3、熔炼浇注区4；其中数字化无模成形区1、造型制芯区2、和合箱区3位于靠近长方形同一短边的跨的同一端；熔炼浇注区4、铸型冷却区5和落砂清理再生区6相应位于靠近长方形另一短边的跨的另一端。通过上述设置，可有效提高制造过程的流转效率，例如，每件产品可节省流转时间10min，相邻区域间紧密相接，所有区域均为有效工作区域，实现了车间空间区域的最大化利用，提高了单位面积的生产力和产能。

具体的，数字化无模成型区1内，在靠近第二跨一侧，从靠近长方形短边的跨端开始依次布置有砂型数控切削设备12、砂型3D打印机11和新砂库13。

优选地，为了便于落砂清理再生区6的树脂砂回收再利用，新砂库13设置在数字化无模成型区1靠近落砂清理再生区6的一侧。

具体的，造型制芯区内，在靠近第一跨一侧，从靠近长方形短边的跨端开始依次布置全自动混砂机23、涂料涂覆区22、移动混砂机21；在靠近第三跨一侧，从靠近长方形短边的跨端开始依次布置通过式铸型表干炉24、砂型立体库25；

优选地，全自动混砂机23、涂料涂覆区22、移动混砂机21设置在靠近第一跨的一侧；铸型表干炉24、砂型立体库25设置在靠近第三跨的一侧。

具体的，两台混砂机分布在涂料涂覆区22两侧，可保证制作的砂芯从两侧以最短的时间进入涂料刷涂工序，然后以最短的路线进入立体库存放；另外，需要取用的砂芯从立体库取出后，进入通过式表干炉，集烘干与转运功能为一体，快速进入合箱区。

需要说明的是，造型制芯区具体包括型芯表面处理、冷铁等后置物装配、涂料涂覆以及型芯烘烤等后处理环节。全自动混砂机23、移动混砂机21的使用实现了批量化产品高效、自动化、规模化的生产，其中全自动混砂机23用于铬铁矿砂混合，移动混砂机21用于树脂砂的混合；采取柔性夹板紧固的无砂箱造型工艺，降低工艺及操作复杂性，提升工作效率和质量稳定性。采用砂型立体库25，实现型芯的提前预制，进而根据产品生产需求与质量控制要求等关键要素，来合理安排调运，便于批量化生产。

具体的，合箱区3包括在靠近第二跨和熔炼浇注区一侧设置的砂型修补区31；为了提高工作效率，便于来自数字化无模成型区1和/或造型制芯区的砂型缺陷的修复，砂型修补区31设置在合箱区3靠近造型制芯区的一侧。

具体的，本发明的合箱工艺采取柔性夹板快速组合式的无箱组型工艺，即采用四块带有可调节间距的金属板进行快速拼接，根据铸型的尺寸用螺钉加以紧固。金属板两端均带有吊挂，通过多层拼接，可代替传统砂箱，起到紧固、吊运的作用。金属板可做成不同的高度，以适应不同高度铸型的需要。在新产品开发阶段，对于外形尺寸过大或过小等超出常规产品外形尺寸的情况，金属板还可用木板代替，以节省夹板的制作成本和周期，提升新产品开发效率。对于设计已经固化的大批量生产的产品，其砂箱与外模可做成一体化产品，即在造型时外模砂型的金属模具不脱模而直接将其当成砂箱，外模砂型的金属模具设置好装配关系以及吊运装置。在合箱时，只需将砂芯和带模具的砂型快速紧固组合即可，效率较传统有箱工艺得到极大提升。

需要说明的是，以往的合箱工艺采取传统的一圈一圈的套砂箱模式，劳动力强度大、成本高(使用过程中易损坏)、作业效率低。

图2为上述数字化无模成型、造型制芯、合箱三工艺组成的智能成型单元在车间相应三个区域内的生产流转图。

具体的，熔炼浇注区包括从靠近长方形短边的跨端开始依次布置的铝液自动回锭系统42、自动熔炼浇注系统41。

自动熔炼浇注系统41采用低压铸造，包括熔化炉、浇注平台和熔化炉转运机构。

在铸型冷却区5和跨端之间布置原材料存放区43。

需要说明的是，自动熔炼浇注系统41包括燃气熔化炉、电阻精炼炉、低压浇注平台。采用燃气炉快速熔化，然后用机械手抓取坩埚放置于精炼炉上，精炼完成后，再由自动转运AGV小车转运至浇注工位，由自动顶升机构完成浇注前的密封准备，然后进行低压浇注。

采用熔化炉、精炼炉集中熔炼，转运车运转铝液至低压浇注平台进行浇注，并配备智能熔炼、浇注控制系统等，实现了优质熔体快速处理、熔体在线检测成分、密度、浇注参数自动控制，解决了生产炉次受限、铸件重量受限等关键技术问题，进一步提升了铸件内部质量与稳定性，使得生产效率与生产能力得到双重提升，从而形成了自动化快速熔炼、优质处理、受控浇注、智能管理的大容量熔炼浇注。

具体的，落砂清理再生区6实现铸型的开箱、落砂和铸件清理，以及型砂的回收处理再利用。

需要说明的是，为了实现高效智能清理，将人工操作与自动化清理相结合，从靠近长方形短边的跨端一侧依次布置自动落砂设备61、砂再生设备62。

需要说明的是，熔炼所需的原材料以及铝液回锭系统回收浇注的铝锭码存放在原材料存放区43。原材料存放区43设置在第二跨靠近长方形短边侧，原材料存放区43与造型制芯区2之间夹设有铸型冷却区5。

由于来自熔炼浇注区4的铸型温度较高，将其夹设在原材料存放区43与造型制芯区2之间，能够将高温铸型在远离车间边缘的区域冷却，减少车间生产对外界区域的热影响，同时也利于铸型冷却速度的控制和维持。

铝液自动回锭系统、铸型冷却区和自动落砂设备沿长方形短边方向依次设置，沿长方形长边方向，铝液自动回锭系统、铸型冷却区和自动落砂设备具有相对的重叠区域，以利于浇注后铸型从熔炼浇注区沿直线转移至铸型冷却区后直接在自动落砂设备的作用下进行后处理。

为了实现工序之间的高效衔接，数字化无模成型区1和造型制芯区2之间设置有第一通道，造型制芯区2和合箱区3之间设置有第二通道，合箱区3和熔炼浇注区4之间设置有第三通道，熔炼浇注区4和铸型冷却区5之间设置有第四通道，铸型冷却区5和落砂清理再生区6之间设置有第五通道，落砂清理再生区6和数字化无模成型区1之间设置有第六通道。

具体的，第一通道位于砂型数控切削设备12和砂型3D打印机11之间区域；造型制芯区2的涂料涂覆区22和全自动混砂机23分别位于第一通道的两侧。

具体的，第二通道位于通过式铸型表干炉24和长方形的短边即跨端之间。

需要说明的是，第一通道的设置于此是为了实现砂型、砂芯的向涂料涂覆区、铸型表干区进行转运；第二通道的设置于此是为了将表干的砂型、砂芯转运至合箱区。将合箱好的铸型通过第三通道运至浇注区。

熔炼浇注区4和铸型冷却区5之间设置有第四通道，铸型冷却区5和落砂清理再生区6之间设置有第五通道，为了将浇注后铸型从熔炼浇注区便捷地转运至铸型冷却区后直接在自动落砂设备的作用下进行后处理，第四通道和第五通道分别设置在铸型冷却区靠近第三跨的一侧和靠近第一跨的一侧。第四通道是将浇注完成的铸型运至冷却区；第五通道是将冷却后的铸型运至落砂清理区；第六通道是地下管道，将再生回收的砂运至造型区进行回收再利用。

为了实现相邻工序间以及各生产区域内的工件运输，在第一跨设置桁架机器人，根据需要设置两台，第二跨设置桁架机器人一台，第三跨设置桁架机器人两台；第一通道包括智能AGV小车两台；第二通道包括智能AGV两台小车；第三通道包括智能AGV小车两台；第四通道通过桁架机器人运输铸型；第五通道通过冷却辊道运输铸型；第六通道通过地下管道运输再生砂。

需要说明的是，由于各智能制造单元在一个统一的平台上有序工作，既分步独立，又存在工艺上的关联性。所以，在最优工艺路线的前提下，通过桁架机器人、智能AGV小车等智能运转手段将各智能单元点连接起来，实现各工序间的安全、便捷、高效、灵活的接续配合，最终构建面向航空航天等产品需求的个性化快速定制的柔性智能铸造车间。

图2为数字化无模成型、造型制芯、合箱三工艺组成的智能成型单元在车间相应三个区域内的生产流转图，图3为智能熔炼浇注单元生产流转图。

针对各工序产生的粉尘、烟尘、废气等污染物，车间设置一体化智能除尘系统以及其他污染物处理系统，在各区域安装分系统。

具体的，在数字化无模成型区1的砂型3D打印机11、砂型数控切削设备12各设置1个除尘口；

具体的，在造型制芯区2的移动式混砂机21、全自动混砂机23、、通过式铸型表干炉各设置1个除尘口，在涂料涂覆区设置2个除尘口。

具体的，在合箱区设置3个除尘口；

具体的，在熔炼浇注区设置3个除尘口；

具体的，在铸型冷却区设置2个除尘口；

具体的，在落砂清理再生区设置3个除尘口。

每个区域至少设置一个除尘口是因为在所有产生粉尘或气体排放的环节必须要有环保措施。涂料涂覆区设置2个除尘口，可同时满足两台混砂机混制出的砂芯，同时进行涂料涂覆工作；合箱区设置3个除尘口，是可同时满足三件产品同时合箱操作的需求；熔炼浇注区3个除尘口可满足3炉产品同时熔炼；铸型冷却区两个是将冷却区的出口和入口同时满足除尘需要；落砂清理设置3个是同时满足三个产品的落砂需求。

需要说明的是，对于各工序产生的粉尘和废气，在各污染点集中收集，然后进入车间的一体化除尘系统。

本发明的铝合金铸造车间的除尘系统还包括温度传感器，粉尘浓度传感器和变频风机，实现车间除尘过程各种参数的在线监测、数据传输、智能调节控制，通过大数据分析，优化运行数据，实现节能、节电和提高除尘效果。如熔炼浇注区3生产中粉尘超标，粉尘浓度传感器上传数据，变频风机根据具体的数据指标调节风机的转速和风量，实现智能调节控制。

与现有技术相比，本发明通过对铸造生产全流程梳理，将各工序进行智能化改造，形成若干个智能单元点。通过智能AGV小车和桁架机器人等智能运转手段将各智能单元点连接起来，形成智能化的铸造生产线。

本发明还提供了一种针对多品种、小批量生产订单的铝合金铸造的排产方法。

需要说明的是，针对不同的订单，本发明车间的成型、造型制芯、合箱、铸型冷却和落砂清理再生工序相对于熔炼铸造工序，具有更为独立的操作时间和空间，因此熔炼铸造在车间整个流程的所有工序中处于焦点或限制性环节的地位，故本发明的排产方法是以在一个生产周期内熔炼铸造多品种、小批量的不同订单的模型而建立的。

本发明的排产方法包括如下步骤：

S1：根据订单情况，确定生产周期T，采集铸件铝合金种类k、订单编号i、订单所需数量q、铸件毛重量m、交货期d、熔炼炉容量Cap、生产周期T、日产能P和日最大炉数Q；

需要说明的是，订单是最小单元，每一个订单对应唯一的铸件种类，不同铝合金种类下的订单必然不同，而采用同一种铝合金的不同订单，铸件种类可能相同；也可能不同，如形状、重量的差异。

铸件毛重量，即铸造一件合格铸件所需的金属液的重量，其为合格铸件净重量/铸造出品率，所以在一段时间内，一个车间正常生产的铸件毛重量的总和也表示这个车间在这段时间的产能。

一个生产周期T需要完成多个订单组成的订单集合，所以一个生产周期的产能大于或等于这个订单集合所有的铸件毛重量之和；每一订单的交货期的起点和生产周期的起点相同。同样，小于和等于某一订单交货期的所有订单的铸件毛重量之和不超过这一订单交货期内的产能。

S2：将所有订单的铸件按照铝合金种类分类，划分同一铝合金种类对应的一个或多个订单；

S3：对每种铝合金下的多个订单的集合依次以熔炼炉容量为背包容量连续进行背包计算，即每次背包计算后更新此铝合金下剩余待生产的铸件信息，直到对应属于此铝合金的铸件总毛重不够组成一炉生产。对于属于铝合金种类k的铸件，该铝合金总炉数记为f(k)，f＝1,2,3……F，即熔化铝合金k的炉数集合。将每次计算得到的铸件生产炉号存储下来，以备步骤S4调度计算使用。对于铝合金种类k的第f(k)炉计算具体的模型算法包括如下步骤：

S31：建立铝合金种类k铸件生产炉次划分的目标函数，目标函数为：

其中，i为订单编号，m_i为订单i单一铸件的毛重，X_i为订单i铸件的生产数量，S(k)为采用铝合金种类k的订单集合，k＝1,2,3……K(共K种铝合金)，T为生产周期，di为订单i的交货期，di≤T，A为大于或等于1的常数。

进一步的，建立炉次容量限制约束关系，以及铸件生产数量小于当前所需铸件数量限制关系约束，分别如式(2)和式(3)所示。

0<X_i≤qi，i∈S(k) (3)

其中，Cap为熔炼炉容量，q_i为订单i所需数量。

需要说明的是，(2)式表示了一个炉次浇铸铸件总毛重不超过炉子容量，且只有属于此炉次熔炼铝合金种类的铸件在此炉次浇铸；(3)式表示铸件生产数量不超过订单数量。

S32：对不同铝合金种类下铸件集合依次采用以上模型求解，直至不够组成一炉生产。保存求解结果，即得到不同铝合金种类下炉次划分的结果；

需要说明的是，由于每一种铝合金种类下的订单数量、单一铸件毛重量、总毛重量以及交货期的差别，所以对于不同的铝合金种类f(k)中的F会有不同的数值，即不同的铝合金种类下组合划分后的炉数会不同。

S4：基于不同铝合金种类下炉次划分的结果，采用遗传算法建立目标函数进行迭代运算，求解决策变量，得到一个生产周期内，所有铝合金种类炉次调度最优结果。算法流程包括基因编码、设置初始种群、适应度计算、输出最优解四个阶段；具体的算法包括如下步骤：

S41：以不同铝合金种类下炉次划分的结果f(k)，建立所有铝合金在一个生产周期内混排的炉次调度目标函数，即把具体的每一炉对应的编号f(k)作为基因片段，所有f(k)的排列作为染色体，染色体的长度为调度周期内熔炼的炉数；

具体的，目标函数为：

需要说明的是，N为订单总数，t为调度周期的第t天，I_it为铸件种类i第t天的生产数量。

进行求解时的约束条件为：

1)铸件生产数量平衡约束：

f_t(k)表示第t天所生产的铝合金种类k的炉数的集合，X_it表示第t天订单i在f_t(k)中某一炉的生产的铸件数量。

2)

di为订单i的交货期，di≤T。

3)

4)

5)

d表示某一订单的交货期，D(i)表示d_i≤d的所有订单的集合。

6)不同铝合金种类熔炼转换频次的约束：

其中y、y+1为一个生产周期T中炉次混排的序号，Z为一个生产周期T中生产炉数的总和，k_fy(k)为第y炉生产的铝合金种类的编号，k_fy+1(k)为第y+1炉生产的铝合金种类的编号，若r＝1，则R取0；若r≠1，则R取1。

需要说明的是，(5)式表示铸件种类i第t天的生产数量的计算公式；(6)式表示每一订单必须在交货期前完成生产；(7)式表示第t天完成的铸件毛重量不得超过车间的日产能；(8)式表示第t天生产炉数不得超过日最大炉数，由于在每一种类的铝合金经过背包计算后，每一炉熔化的铝合金量并不必然等于炉子的最大容量，因此在不超过日产能的情况下，就可能已经经过了一天的工作时间，所以需要设置日最大炉数作为约束条件；(9)式表示小于和等于某一订单交货期的所有订单的铸件毛重量之和不超过这一订单交货期内的产能；(10)式表示一个生产周期中不同铝合金种类熔炼炉次间转换的频次总和；(11)式表示相邻两炉铝合金种类转换的表示公式。

S42：设置初始种群数量为B；

具体的，令步骤S31中(1)式的A＝1，并把(1)式的计算结果带入(4)式，若(4)式有B个解，则进入下一步S43；若(4)式无解或解的个数小于B，则返回S31，适当增大A的值，直到(4)式有B个解，进入下一步S43。

需要说明的是，不同铝合金种类的A可以取一样的值，也可以取不同的值。具体A值根据同一铝合金种类下的不同订单交货期分散或集中来确定，如果交货期相对集中A取值较小；相反，如果交货期分散，A取值较大。当A＝1时，为交货期归一策略，意味着在铝合金种类k下，完全不考虑不同订单交货期的先后顺序，仅仅按照实现熔炼炉的最大熔炼量来进行背包计算安排每一炉的熔炼内容。在铝合金种类k下，当A值大于铸件总毛重量最大的订单的铸件总毛重量与铸件总毛重量最小的订单的铸件总毛重量的比值时，为交货期优先策略，意味着熔炼炉的最大熔炼量，必须以订单交货期先后顺序为最大价值进行背包计算，来安排每一炉的熔炼内容。

在A值增大的过程中，如果A值增大的幅度过小，则可能需要重复尝试几次，才能得到B个解；若A值增大的幅度过大，则可能遗漏最优解。同一铝合金种类下，不同的A值，对应的炉数可能会有变化，即同一铝合金种类下，A值的变化会引起f(k)中的F的变化，且随着A值的增大，F值有增大的趋势。

另外，B的取值要适当，理论上B和一个生产周期内生产的总炉数有关，B的极限值为所有种类铝合金下炉数之和的全排列，即：

一般B取100～500，或根据实际的生产状况来确定。

S43：计算适应度；

根据染色体编码解码排出炉次顺序，从而计算每个种群适应度值。

需要说明的是，在各种铝合金种类熔炼炉次混排后，由于考虑生产顺行以及铝合金熔炼炉熔炼不同铝合金的污染问题，所以要最大限度地减少熔炼炉转换熔化铝合金种类的频次，于是把这一数据作为计算适应度的约束条件。

具体的，根据(10)时和(11)式，先设定不同铝合金种类炉次间转换的频次C在某一范围内，如C≤10；然后，对每个种群的染色体进行解码，即可以得到炉次间铝合金种类的转换频次C，将不满足炉次间铝合金转换频次约束的解舍弃。

具体的，在C值设定的范围内，可以按照C值从小到大来选取解集，解集的数量设定为E，E＜B。如果在C值设定的范围内，解集的数量不能满足要求，则返回S42，适当增大B值，直到有E组解。然后在筛选出的E组解集中选出C值最小的一组或几组解后，进入下一步S44。

需要说明的是，设定C的取值时，需要综合考虑订单的具体情况，如生产周期的长短、铝合金种类的多少、不同铸件种类订单量的比例关系、交货期集中还是分散等等，如果C设置太小，可能会造成无解。反之，如C值取得太大，则起不到优化解的作用。

S44：遗传算子采用精英选择策略，选择步骤S43中的种群做为父代；

S45：对选择的种群依次进行双点交叉、遗传变异、逆转算子操作，进行种群进化，并对子代种群计算适应度值；

S46：比较子代适应度值与父代适应度值，若有比父代C值更小的解，则选出；

S47：通过观察C值稳定在一个数值较小的小范围内时，判断解集达到最大迭代次数；

S48：输出产生C值最小的优化解，根据输出的优化解，得到一个生产周期内炉次混排的调度结果。

本发明的方法包括但不限于铝合金铸造，相关镁铝合金、钛铝合金等有色金属铸造或铸钢铸铁等黑色金属铸造均可以采用此车间的布置方法和排产方法，所有采用类似方法或形式的铸造车间的布置方法和排产方法均受本发明的约束。

下面是本发明的几个具体实施方案。

实施例1：

壳体1，简单筒型铸件，直径400mm，高700mm，已实现批量化生产，生产数量100件。具体工艺流程如下：

采用模具制造→移动混砂机混砂造型制芯→合箱→熔炼浇注→铸型冷却→落砂清理。

图4为实施例1的生产工艺和车间生产流转图。

实施例2：

壳体2，异型曲面复杂铸件，高1500mm，新产品，生产数量在15件。具体工艺流程如下：

采用砂型3D打印造型→合箱→熔炼浇注→铸型冷却→落砂清理。

图5为实施例2的生产工艺和车间生产流转图。

实施例3：

壳体3，复杂铸件，尺寸500mm×800mm×1000mm，局部性能要求高，生产数量10件。具体工艺流程如下：

采用砂型3D打印和砂型数控切削方式相结合制造→合箱→熔炼浇注→铸型冷却→落砂清理。

图6为实施例3的生产工艺和车间生产流转图。

实施例4：

壳体4，筒型铸件，局部特征复杂，直径500mm，高700mm，生产数量30件。具体工艺流程如下：

采用模具制造和局部砂型3D打印方式相结合制造→合箱→熔炼浇注→铸型冷却→落砂清理。

图7为实施例4的生产工艺和车间生产流转图。

对于批量生产的工艺需要制备金属模具，一套价格在40～60万元，制作周期一般3个月，但对于一些新产品、试验品采取此工艺不仅成本高、而且周期长，但如果采用砂芯3D打印或砂型数控切削制备树脂砂模具，一套大约在2～10万元，时间约3天。相反对于批量生产的产品，需要稳定、成熟的工艺和经久耐用的金属模具来保证产品质量、提高生产效率、降低生产成本，同样不适于砂芯3D打印或砂型数控切削制备模具。但对于成型工艺之后的熔炼浇注、铸型冷却等工艺而言，无论是批量生产还是试验品都别无二致，因此针对不同的产品组合，在模具制备阶段采取上述工艺灵活组合，无论从成本和生产周期上都极大地提高了生产效率，降低了生产成本，而本发明的车间布置为实现上述工艺的灵活组合提供了现实的可能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金铸造车间，其特征在于，包括按照生产工序顺序依次相接的数字化无模成型区(1)、造型制芯区(2)、合箱区(3)、熔炼浇注区(4)、铸型冷却区(5)和落砂清理再生区(6)，落砂清理再生区(6)与数字化无模成型区(1)相接形成闭环流水线车间。

2.根据权利要求1所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述车间为长方形，分三跨布置，第二跨位于第一跨和第三跨之间；

第一跨包括数字化无模成型区(1)、落砂清理再生区(6)；

第二跨包括造型制芯区(2)、铸型冷却区(5)；

第三跨包括合箱区(3)、熔炼浇注区(4)；

其中数字化无模成形区(1)、造型制芯区(2)和合箱区(3)位于跨的同一端；熔炼浇注区(4)、铸型冷却区(5)和落砂清理再生区(6)位于跨的另一端。

3.根据权利要求2所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述数字化无模成型区(1)靠近第二跨一侧，从跨端开始依次布置砂型数控切削设备(12)、砂型3D打印机(11)和新砂库(13)。

4.根据权利要求2所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述造型制芯区(2)靠近第一跨一侧，从跨端开始依次布置全自动混砂机(23)、涂料涂覆区(22)、移动混砂机(21)，靠近第三跨一侧，从跨端开始依次布置通过式铸型表干炉(24)、砂型立体库(25)。

5.根据权利要求2所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述合箱区(3)在靠近第二跨和所述熔炼浇注区(4)一侧设置砂型修补区(31)；

所述熔炼浇注区(4)从靠近所述合箱区(3)一侧依次布置自动熔炼浇注系统(41)、铝液自动回锭系统(42)，在所述铸型冷却区(5)和跨端之间布置原材料存放区(43)；

所述落砂清理再生区(6)从跨端一侧依次布置自动落砂设备(61)、砂再生设备(62)。

6.根据权利要求1所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述数字化无模成型区(1)和所述造型制芯区(2)之间设置有第一通道，所述造型制芯区(2)和所述合箱区(3)之间设置有第二通道，所述合箱区(3)和所述熔炼浇注区(4)之间设置有第三通道，所述熔炼浇注区(4)和所述铸型冷却区(5)之间设置有第四通道，所述铸型冷却区(5)和所述落砂清理再生区(6)之间设置有第五通道，所述落砂清理再生区(6)和所述数字化无模成型区(1)之间设置有第六通道。

7.根据权利要求6所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述第一通道位于所述砂型数控切削设备(12)和所述砂型3D打印机(11)之间；所述第二通道位于所述通过式铸型表干炉(24)和跨端之间。

8.根据权利要求2所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述第一跨、所述第二跨和所述第三跨分别设置有桁架机器人。

9.根据权利要求6所述的铝合金铸造车间，其特征在于，所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道分别设置有智能AGV小车，所述第四通道设置有桁架机器人，所述第五通道设置有冷却辊道，所述第六通道设置有地下管道。

10.根据权利要求1-9所述铝合金铸造车间的排产方法，其特征在于，所述排产方法包括如下步骤：

S1：根据订单情况，确定生产周期，采集铸件铝合金种类、订单编号、订单所需数量、铸件毛重量、交货期、熔炼炉容量、生产周期、日产能和日最大炉数；

S2：将所有订单的铸件按照铝合金种类分类，划分同一铝合金种类对应的一个或多个订单；

S3：对每种铝合金下的多个订单的集合依次以熔炼炉容量为背包容量连续进行背包计算；

S4：基于不同铝合金种类下炉次划分的结果，采用遗传算法建立目标函数进行迭代运算，求解决策变量，得到一个生产周期内，所有铝合金种类炉次调度最优结果。

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