一、研究的背景与问题

中国高铁已站在世界高铁的制高点，但高铁车轮国产化却是产业创新的关键突破口。高铁车轮属于高速列车的关键零部件，是世界上公认技术要求高、生产难度大的尖端与核心产品，只有少数发达国家能够生产，中国长期依赖进口，高铁车轮是关系到高铁运行安全的关键零部件。高铁车轮热处理后的硬度、耐磨、韧性等性能关系到车辆行驶的安全性，因而实现高铁车轮热处理柔性智能生产，保持高铁车轮热处理过程一致性尤为关键。

高铁车轮热处理柔性智能生产面临三个方面的难点问题：

难点 1：热处理工序流程长、操作复杂，产线自动化水平低，不能满足高铁车轮零缺陷要求下的品控，要求创新热处理柔性智能制造生产工艺。

难点 2：高可靠条件下高铁车轮热处理高速高精度生产调控要求研制适应高温、重载、高速、高精确定位的自动化装备。

难点 3：更高水平高铁车轮品控改进需求，要求建立柔性生产管控系统，实现溯源反馈的工艺改进。

二、解决问题的思路与技术方案

技术路线如图1所示

图1 技术路线图

针对高铁车轮热处理柔性智能生产的三大技术难点问题，首先优化高铁车轮热处理生产工艺流程，进行工艺流程智能化升级；发明高温环境下高速高精度多协作重载机器人，实现柔性智能制造；最后创建高铁车轮柔性生产管控系统，满足更高水平的高铁车轮品控改进需求，解决安全生产的难题。

三、主要创新性成果

1、针对高铁车轮零缺陷要求的高标准品控难题，提出了高铁车轮热处理柔性智能制造生产工艺，实现了质量和产能的大幅提高

车轮产品复杂多样，世界三大高铁车轮生产商在热处理区域均没有好的解决方案，采用的方式与项目改造前人机交互生产方式类似，产品质量一致性很难保障。

1）提出高铁车轮热处理柔性化生产工艺

传统的热处理物料转运一是采用人机交互作业的物流方式，二是采用隧道窑刚性连接方式将车轮轧线与热处理区进行全刚性连线生产，无法满足产品的零缺陷要求。

车轮热处理柔性化生产工艺通过设备本体及控制系统的柔性化设计以及与公司生产信息系统、质量信息系统等互通互联，实现了生产流程的信息化与自动化的深度融合。基于柔性智能制造工艺，建立缓冷库管系统，在缓冷库区内可对不同规格车轮生产进行实时调优。

通过创建柔性智能制造工艺，满足了高铁行业对高铁车轮零缺陷和多品种柔性生产的需求，实现产品质量和产能双提升。

2）高铁车轮热处理生产工艺流程再造

传统热处理线物料转运主要依靠人工操持行车、悬臂吊等来实现，为克服物料信息落地流转，追溯性差等弊端，进行了热处理生产工艺流程再造。

1-冷床；2-自主码垛机器人；3-1#整垛装载机器人；4-2#整垛装载机器人；

5-缓冷炉区域；6-缓存料场；7-热处理工序交接位；8-入炉机器人；9-淬火炉

图 2 热处理生产工艺流程再造后的工艺布置示意图

在热处理生产线上依次安装有研制的自主码垛机器人、整垛装载机器人、智能解垛入炉机器人、标识机器人等关键物流设备，实现了基于高铁车轮热处理柔性化生产工艺的新流程。自主码垛机器人进行车轮热处理来料智能码垛，整垛装载机器人实现物料进出缓冷炉缓冷，解垛入炉机器人完成缓冷后的车轮解垛、转运并送入淬火炉进行淬火前加热，标识机器人进行热处理后的车轮跟踪标识。

工艺流程再造实现了车轮在热处理线各工序之间的智能传送和多工序协同动作，热处理工序由15个优化为8个，保证了工艺参数的一致性。

3）创建高铁车轮智慧控温工艺

为提高高铁车轮热处理质量一致性，研发出炉温燃控系统和产品淬火控制系统，实现了智慧控温。

基于烟气气氛在线检测的燃烧优化控制技术，结合环形炉特点采用“双交叉限幅”和“残氧在线修正”实现炉温优化控制。引入模糊PID和专家系统相结合的方法，设计专家模糊PID控制器实现动态寻优，保证了炉温的稳定性。

淬火水控制系统通过PID控制算法、遗传算法等，自动调整参数用于控制水压、水量、水温等，以适应不同的淬火工艺要求。同时对设备运行数据进行记录与分析、远程监控等，能实时掌握系统的运行状态、调整控制参数，进行故障处理。

智慧控温工艺的实施确保了高铁车轮组织的均匀性和性能的一致性。

图3 热处理炉智能燃控系统拓扑图

2、发明了高温环境下重载机器人，并建立高速高精度多机协作物流子系统，解决了热处理物流精准控制与全流程智能化生产的难题

高铁车轮热处理工艺路线确定后，要求配套设备满足高温、重载、高精确定位要求，工作时无颤振，需执行复合的动作，主要研发了三种机器人：

1.整垛装载机器人的研发

为解决成垛车轮入出缓冷炉需由天车与揭盖机互相配合作业，人为因素影响大、定位准确性差、缓冷工序车轮信息难以在线跟踪，研发了入出缓冷炉整垛装载机器人，该机器人是一款大吨位装载协作机器人，最大起吊能力大于6吨，定位精度±2mm/50m。整垛装载机器人上搭载3D双目识别装置，能进行运动轨迹微调。设计开发的整垛装载机器人吊运夹具可同时吊运两垛高温车轮。

针对车轮三线机器人担负着揭盖炉盖和装载轮垛入出缓冷炉繁重任务，开发出新一代成垛高铁车轮自适应转运吊具和炉盖自动开启装置，构成了升级版的整垛装载机器人，提升了轮垛入出缓冷炉节奏，该结果成功应用于车轮二线热处理线。

整垛装载机器人集行车吊运物料功能与揭缓冷炉炉盖功能于一体，实现成垛车轮入出缓冷炉精准智能控制和信息自动跟踪。

图4 整垛装载机器人工作模拟图

图5 整垛装载机器人工作图

图6 自适应转运吊具三维图

图7 缓冷炉盖自动开启装置三维图

2）自主码垛机器人的研发

针对下顶式车轮堆垛方式易产生轮垛歪斜甚至倒垛且不能智能吊运的难题，研发了自主码垛机器人，该机器人是一款高温重载无功抓取机器人，能够抓取重达800kg、温度达800℃的车轮。

首先基于高铁车轮自重特征，研发大行程竖向 Push水平Pull运动，水平锁定的无功夹取夹具，通过与机器人机械臂相连，能够完成各种规格车轮智能码垛，并应用了视觉识别技术，实现了高铁车轮精确跟踪与定位。

针对自主码垛机器人手臂运动，提出一种基于改进滑模阻抗控制器的控制算法，能够稳定输出所需的控制力矩，并在有限时间域内实现高精度的轨迹追踪效果，通过对机器人建立运动学方程和结合目标物体的统一动力学模型，降低了滑模控制器中存在的周期性力矩和关节抖振幅度，使得机器人高速高精度地完成任务。

图8 下顶式车轮堆垛图

图9 自主码垛系统图

自主码垛机器人集成多维视觉协助拟人化手眼协同功能，满足了不同规格车轮的智能码垛需求。2022年度获宝武集团机器人最高奖“金宝罗称号”。

为进一步控制运输精度，在冷床侧增设了自动纠偏装置，用于行进中的车轮位置纠偏。

图15 智能解垛入炉机器人装炉图

在智能解垛入炉机器人研发过程中，建立了三维模型，进行了干涉检查、仿真研究、有限元分析等。

智能解垛入炉机器人不仅可控制钳口挠度值，并且其夹具能够对夹持的车轮自动水平校正。针对机器人超大回转半径、重载、高速、液压伺服系统驱动，在远端定位时易发生颤振，运用基于机电液耦合振动理论，增设了工艺优化组合参数，增加了控制系统耦合振动抑振器等一整套抑振措施，使机器人耦合，振动得到解耦，抑振效果显著，满足了高精度的定位要求。

智能解垛入炉机器人集悬臂吊解垛、辊道运输、顶升、搬运入炉四功能合一，实现了入炉位置的智能识别与高效摆放，更通过无缝对接与协同作业，显著提升了产线智能化水平。

同时对热处理炉炉底传动机构进行改进，采用液压驱动，实现炉底的精确定位，为机器人解垛后精准入炉提供了保障。

此外，项目组还研制了跟踪标识机器人，实现了热处理后的车轮在线自动跟踪。

3、针对更高水平高铁车轮溯源反馈的工艺改进需求，研发了可溯源反馈的高铁车轮柔性生产管控系统，实现了高铁产品质量的持续提升，解决了安全生产的难题

为满足高铁车轮生产过程中的质量控制以及质量持续提升需求，需实时采集生产过程中的生产数据，并和具体车轮生产实际精确匹配，结合创新点1、2的创新结果实施带来具备远程操控的可能，进行了以下三方面的工作：

1）高铁车轮全寿命周期与工艺参数溯源系统的研发

为实现高铁车轮的状态把控，发现制造过程中可能存在的问题，为工艺优化和技术改进提供依据，研发了基于柔性生产工艺的高铁车轮全寿命周期管理和溯源系统。

生产线通过传感器技术和控制算法实时追踪高铁车轮位置，优化流程实现缓冷区域单件跟踪，物料跟踪信息通过TCP/IPSOCKET方式与PLC通信采集，高频数据通过FDAADP采集全线生产流程PLC数据，生产信息通过业务系统L2进行采集。数据中心实现了物流与信息流精确匹配。

同时在热处理工序开发了车轮单件跟踪功能，赋予车轮唯一的ID标识，实现全流程实时跟踪、关键工位的实时数据采集与绑定及生产数据追溯分析。与高铁用户智能控制系统对接，基于车组的车轮状态与故障追溯生产数据与反馈分析，为工艺参数优化及下一代高铁车轮生产工艺研发提供数据支撑。

图16 单件跟踪示意图

2）基于数字孪生的质量控制与安全生产

为提升高铁车轮热处理质量与生产安全性，提出基于多传感网络的热处理过程多元数据实时采集方法，融合数字孪生多元信息融合与大数据分析技术，研发高铁车轮柔性生产管控系统。系统通过构建精确实时映射车轮制造线装备及在制品状态的数字孪生模型，实现虚拟仿真与实际生产的实时反馈交互，支持工艺流程与参数的数字优化。结合实时监控、虚拟仿真与智能决策功能，系统支持热处理远程操控，保障生产安全。

系统采用多机器人协同作业架构，实现不同功能机器人协同作业。

数字孪生技术构建虚拟的车轮热处理物流系统，与实际物理系统实时同步，生动地模拟了实际的生产现场，为车轮热处理智能化产线的管控提供了强有力的支持。

图17  基于数字孪生技术缓冷车轮出料

图18  柔性生产管控系统

3）基于溯源系统的高铁车轮生产工艺优化

我国正推进新一代世界领先高铁试验与列装，亟需持续改进车轮质量与工艺，提出了基于溯源系统的高铁车轮热处理工艺优化方案。

热处理工艺是车轮制造的核心环节，直接影响其力学性能、疲劳寿命及表面硬度。溯源系统通过实时记录热处理温度曲线、保温时间、冷却介质等工艺参数，结合实际运行中的疲劳寿命与裂纹数据，精准定位影响性能的关键工艺环节，指导工艺流程优化。

基于溯源系统对高铁车轮热处理工艺优化，推动高铁车轮制造向高质量、高效率和智能化发展。

四、应用情况与效果

项目成果于2020年12月成功应用在马钢交材车轮三线，在世界车轮制造业首次实现车轮在热处理线柔性智能制造。技术升级后的创新成果在马钢交材车轮二线热处理柔性智能生产线运用，于 2024年1月并入生产序列，为车轮智能制造发展树立新的标杆。

该项成果在马钢交材的推广应用，保证了热处理区域的生产过程工艺参数的一致性，从设备层面助力推进了高铁车轮国产化进程，解决了高铁关键零部件关键难题。

同时，项目团队研发的成果已在俄罗斯乌拉尔钢铁公司和河南速轮等得到了推广应用，为国内外车轮行业的工艺及装备升级提供了改造经验及示范案例。

本成果申请国家专利28项（授权发明专利18项，实用新型专利4项，6项发明专利已公布），发表论文12篇。

信息来源：马鞍山钢铁股份有限公司