用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置及方法

2023-07-21 09:18:56 2

專利名稱：用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置及方法
技術領域：
本發明屬於鐵路鋼軌磨損表面修復技術，具體涉及一種用於鋼軌表面磨損的在線檢測和雷射選擇性修復的裝置及方法。
背景技術：
無縫線路是鐵路鋼軌的主要鋪設方式，其經過高密度、重載荷和高速度的長時間運行後，鋼軌軌頭表面不可避免地會出現各種波磨和側磨。這些磨損不僅會降低乘客乘車的舒適度，增加輪軌噪音，加大列車運行能耗，嚴重的甚至會引起斷軌，危及行車安全。因此，如何高效、安全的在線修復鋼軌磨損表面，提高鋼軌的使用壽命，已經成為了鐵路線路 維護的關鍵問題之一。目前主要的鋼軌在線修複方式為打磨和焊補。其中，鋼軌打磨主要是用打磨裝置減少鋼軌表面的不平順，消除軌頭表面缺陷及恢復軌頭輪廓到原來的設計要求，從而減緩鋼軌表面缺陷的發展，提高鋼軌表面平滑度，改善旅客乘車的舒適度和延長鋼軌的使用壽命。但是，需要指出的是，鋼軌打磨修復的深度和次數不能過多，否則其輪廓尺寸與原始尺寸的差距會越來越大。鋼軌焊補技術是廣泛採用的一種磨損鋼軌修復技術，其方法主要有冷焊、熱焊和熱噴塗三種。冷焊方法具有焊前不需預熱，作業時間短、操作簡便的優點，但是焊補層易生成脆硬的馬氏體組織，導致焊補層的衝擊韌性大大降低，容易在車輪的衝擊作用下開裂剝離；熱焊方法需要對鋼軌進行焊前預熱和焊後緩冷，焊補層的組織成分與母體大致相同，但是該方法耗時過長，不利於正常的行車要求；熱噴塗方法設備簡單，投資小、見效快，但是噴塗效果不易保證，噴塗層厚度薄起不到修復鋼軌的目的，噴塗層厚度厚容易出現熱應力大、修復層開裂的情況。西南交通大學陳輝等人採用珠光體堆焊焊條TY320進行了鋼軌熱焊焊補試驗，焊補層組織為珠光體+鐵素體，與母材組織沒有明顯差別，焊補質量良好，但是焊前預熱和焊後緩冷工序繁瑣，修復效率不高。西南交通大學陳輝等人還採用Ni29自保護藥芯焊絲進行了鋼軌冷焊焊補試驗，經測驗表明焊縫和熱影響區沒有出現裂紋，但是焊補層硬度稍低和耐磨性較差。北京工業大學楊膠溪和劉華東採用Trumpf 6000高功率CO2氣體雷射器和Fe基合金材料對U71Mn重軌進行了熔覆實驗，塗層厚度1mm，無裂紋、氣孔等缺陷，但是在熔合區靠近基體處出現了馬氏體組織。中國發明專利文獻「一種用於鋼軌表面在線處理的移動式雷射加工裝置」(公告號為CN 101798789A，公布日為2010. 08. 11)中提到了一種用於鋼軌表面雷射強韌化處理和修復的在線雙工位雷射移動式加工裝置。該裝置採用在線雙工位移動式操縱系統，對雙軌不同部位進行雷射表面強韌化處理與修復，包括了直線鋼軌、曲線鋼軌、護輪軌、道岔等的雷射相變淬火、雷射熔凝淬火、雷射熔覆、雷射合金化、雷射毛化和雷射衝擊強化處理等。該雷射加工裝置的不足之處是沒有將鋼軌磨損部位的數據與修復裝置的運動結合起來形成完整的數據鏈；此外，該裝置對待修復部位的定位精度不夠，加工量大，不能僅對需要修復的鋼軌進行選擇性修復，修復時間長、修復效率低。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種自動化程度高、修復速度快、修復質量好及野外適應能力強的鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置及方法。為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是
一種用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，包括設在鋼軌軌道上的機車，以及三維掃描儀裝配在機車車身下方，用於在機車行進過程中對鋼軌表面進行快速掃描測量，採集得到鋼軌表面三維輪廓數據；計數器安裝在機車輪轂固定架外側，用於在軌面數據採集過程及雷射修復過程中，對鋼軌磨損部位進行定位；鋼軌修復裝置安裝在機車尾部，由機車牽引，根據鋼軌磨損部位的三維輪廓數據及與其關聯的該處計數器定位數值對鋼軌磨損進行定位，並對鋼軌磨損部位進行選擇性雷射修復；控制裝置安裝在機車上，用於掃描數據和計數數值的存儲和關聯處理，以及鋼軌修復裝置的控制。其中，所述鋼軌修復裝置包括兩套工位獨立的三維運動執行裝置和架設在三維運動執行裝置下方的雷射修復裝置。其中，所述三維運動執行裝置包括裝配在一起的與鋼軌平行的X軸平臺、與鋼軌垂直且水平設置的Y軸平臺、與鋼軌垂直且豎直設置的Z軸平臺；所述X軸平臺、Y軸平臺、Z軸平臺上均設有裝配在一起的導軌、絲槓、電機和滑塊，其中，Y軸平臺固定在X軸平臺的滑塊上，Z軸平臺固定在Y軸平臺的滑塊上，並且Z軸平臺的滑塊上還設有電控旋轉臺；電控旋轉臺上設有擺臂。其中，所述雷射修復裝置包括通過雷射頭緊固螺母和雷射頭緊固裝置固定在擺臂上的雷射頭，以及通過光纖與雷射頭相連接的外接雷射設備，雷射頭緊固裝置上設有送絲□。其中，所述X軸平臺的頂部設有懸臂橫梁，懸臂橫梁與連杆機構的一端鉸接，連杆機構的另一端鉸接在機車車身上；並且X軸平臺的底部通過支撐架固定在軌道小車上。一種用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，包括以下操作步驟
51.開始前，在三維掃描儀正下方的鋼軌上固定一個測量標靶A點，完成對測量初始基準點的定位，同時將輪轂轉動圈數計數器置零；
52.在機車行進過程中，利用三維掃描儀對鋼軌的表面進行快速掃描，採集得到鋼軌全輪廓的三維數據，同時利用計數器對機車輪轂圈數進行全線記錄，採集的三維數據及記錄數值存儲入控制裝置中；在三維掃描儀數據採集完成後，標定掃描終止點B點，同時計數器記錄終止時的數值為Nmax ；
53.在控制裝置中，首先將採集到的鋼軌輪廓數據在逆向工程軟體中進行三維重構，得到鋼軌輪廓的三維實體CAD模型，再將得到的三維實體CAD模型與標準鋼軌輪廓數據在三維造型軟體中進行布爾運算，得到待修復部位的三維CAD圖形，並利用分層軟體對得到的三維實體CAD模型進行分層處理，得到NC數控代碼，同時記錄待修復部位對應的計數器的數值Ni ；
54.首先將計數器示數置零，根據初始標靶A點的定位，將鋼軌修復裝置復位後，利用機車在鋼軌上拖動鋼軌修復裝置向掃描終止點B點運行；
55.當雷射頭到達某一待修復部位時，機車停止運行，控制裝置調用步驟S3中生成的該部位的NC數控代碼，控制三維運動執行裝置進行三軸運動，將雷射頭定位到待修復部位鋼軌磨損表面，完成修復；
56.完成該部位鋼軌磨損的修復後，機車重新啟動，重複步驟S5，直至完成所有待修復部位的修復。其中，所述步驟S5中，當計數器的示數值Li等於某一待修復部位對應的數值Ni與差值常數Λ N之和，即Li=NfAN時，機車停止運行，完成雷射頭對該處待修復部位的定位；其中，Δ N=H/2 r, r為機車輪轂半徑，H為三維掃描儀與雷射頭的復位點之間的距離。其中，所述步驟S4中，還可以利用機車拖動鋼軌修復裝置從終止點B點向初始標靶A點運行，進行鋼軌磨損表面的在線修復；此時，步驟S5中，當計數器的示數值Li滿足 Li=Nmax-Ni - Λ N時，機車停止運行，實現雷射頭對待修復部位Pi的定位。其中，所述步驟S5中，利用控制裝置，控制兩套工位獨立的三維運動執行裝置和雷射頭，實現一條或兩條並行鋼軌的在線修復。其中，所述步驟S5中，利用電控旋轉平臺，調整雷射頭、送絲口與待修復鋼軌平面的相對位置，實現鋼軌頂面及側面多個位置的修復。採用上述技術方案所產生的有益效果在於
本發明利用安裝於動力機車車身下的三維掃描儀對鋼軌表面進行正向數據測量，將採集到的鋼軌輪廓數據在逆向工程軟體如美國EDS公司的Imageware、韓國INUS公司的Rapidform中進行三維重構，再將得到的三維實體CAD模型與標準鋼軌輪廓數據在三維造型軟體，如法國達索公司的Solidworks、美國PTC公司的Pro/E、美國歐特爾公司的AutoCAD中進行布爾運算，得到待修復部位的三維CAD圖形，並利用分層軟體如比利時Materialise公司的Magics或北京太爾公司的AURORA對得到的三維實體CAD模型進行分層處理，得到NC數控代碼，保證了設備的加工精度；通過計數器將鋼軌表面磨損在線測量與雷射在線修復設備關聯起來，利用大功率雷射器對鋼軌表面磨損進行高精度選擇性修復，大大的節省了修復的時間。與傳統的雷射修複方法相比，本發明採用填絲雷射修復技術，可以修復鋼軌側磨和軌頭底面磨損等不易修復的部位，工作效率高，可以完成不同線路鋼軌磨損類型的修復，大大延長了鋼軌的使用壽命。總之，本發明的裝置具有結構簡潔、機動性強、獨立雙向操縱系統、選擇性填絲修復，修復效率高的特點。


圖I是本發明在線測量及雷射選擇性修復裝置的結構示意 圖2是本發明鋼軌修復裝置的結構示意 圖3是本發明三維運動執行裝置的結構示意 圖4是本發明雷射修復裝置的結構示意 圖5是本發明軌道小車車身框架結構示意 圖6是本發明鋼軌待修復部位定位示意 圖7是本發明鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法的實現流程 圖中1、機車，1-1、機車輪轂，1-2、機車輪轂緊固架，2、三維掃描儀，3、計數器，4、鋼軌修復裝置，4-1、三維運動執行裝置，4-1-1、X軸平臺，4-1-2、Y軸平臺，4-1-3、Z軸平臺，4-1-4、電控旋轉臺，4-1-5、擺臂，4-2、雷射修復裝置，4-2-1、雷射頭，4-2-2、雷射頭緊固螺母，4-2-3、雷射頭緊固裝置，4-2-4、送絲口，4-2-5、外接雷射設備，4_3、支撐架，4-4、軌道小車，4-4-1、小車底座，4-4-2、小車輪轂，4-4-3、軸承螺母，4_4_4、小車輪轂軸承，4_4_5、小車輪轂支架，5、控制裝置，6、懸臂橫梁，7、連杆機構，8、鋼軌。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。如圖I所示為本發明鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置的結構示意圖，包括設在鋼軌8軌道上的機車1，以及三維掃描儀2 :裝配在機車I車身下方，用於在機車I行進過程中對鋼軌表面進行快速掃描測量，採集得到鋼軌表面三維輪廓數據；計數器3 :安裝在機車I輪轂固定架外側，用於在軌面數據採集過程及雷射修復過程中，對鋼軌磨損 部位進行定位；鋼軌修復裝置4 :安裝在機車I尾部，由機車I牽引，根據鋼軌磨損部位的三維輪廓數據及與其關聯的該處計數器定位數值對鋼軌磨損進行定位，並對鋼軌磨損部位進行選擇性雷射修復；控制裝置5 :安裝在機車I上，用於掃描數據和計數數值的存儲和處理，以及鋼軌修復裝置4的控制。本發明設備設計輕巧，便於移動、鋼軌修復裝置和三維掃描儀獨立的雙工位作業系統、採用雷射填絲修復的方式進行鋼軌表面修復，大大提高了修復的效率。本發明的鋼軌表面在線測量由三維掃描儀完成，其固定於機車I車身底部，在機車運動過程中對鋼軌表面進行快速掃描測量。將採集的鋼軌形貌數據通過三維重構工程軟體進行三維重構，並利用分層軟體對實體三維模型進行分層處理；將得到的鋼軌實體三維CAD模型與標準鋼軌三維模型在三維造型軟體中進行布爾運算，得到鋼軌待修復部位的三維CAD圖形。當修復時，控制系統調用待修復處的NC數控代碼，控制三維運動執行裝置完成雷射頭對待修復鋼軌的定位並採用雷射填絲堆焊的方式對鋼軌磨損表面進行選擇性修復。如圖2所示為本發明鋼軌修復裝置的結構示意圖。圖2中，鋼軌修復裝置4包括兩組獨立工位的三維運動執行裝置4-1和架設在三維運動執行裝置4-1下方的雷射修復裝置4-2，由控制裝置5控制實現一條或兩條並行鋼軌的在線修復。如圖3所示為本發明三維運動執行裝置4-1的結構示意圖。圖3中，三維運動執行裝置4-1包括裝配在一起的與鋼軌8平行的X軸平臺4-1-1、與鋼軌8垂直且水平設置的Y軸平臺4-1-2、與鋼軌8垂直且豎直設置的Z軸平臺4-1-3 ;所述X軸平臺4_1_1、Y軸平臺4-1-2、Z軸平臺4-1-3上均設有裝配在一起的導軌、絲槓、電機和滑塊，其中，Y軸平臺4-1-2固定在X軸平臺4-1-1的滑塊上，Z軸平臺4-1-3固定在Y軸平臺4_1_2的滑塊上，並且Z軸平臺4-1-3的滑塊上還設有電控旋轉臺4-1-4 ;電控旋轉臺4-1-4上設有擺臂4-1-5 ;X軸平臺4-1-1的頂部設有懸臂橫梁6，懸臂橫梁6與連杆機構7的一端鉸接，連杆機構7的另一端鉸接在機車I車身上；並且X軸平臺4-1-1的底部通過支撐架4-3固定在軌道小車4-4上。本發明採用三坐標軸運動與旋轉平臺的旋轉相結合，可以使用三組伺服電機通過驅動絲槓或者皮帶傳動的方式，實現雷射頭4-2-1沿導軌進行XYZ三坐標軸中的任意運動，將雷射頭4-2-1定位在鋼軌待修復部位；雷射頭4-2-1通過雷射緊固件固定在電控旋轉臺4-1-4上，可以通過電控旋轉臺4-1-4的轉動使雷射頭4-2-1、焊絲和待修復表面的相對位置達到最佳，提高修復的質量和效率。本發明的鋼軌修復裝置4在平時通過懸臂橫梁6和連杆機構7固定在機車車身上部或者懸掛於車廂內部，只有在設備工作時，才放置在機車I尾部的鋼軌軌道上，由機車I牽引，通過底部的 軌道小車4-4，實現步進式前進。如圖5所示為軌道小車4-4的結構示意圖，該軌道小車4-4包括小車底座4-4-1，小車輪轂4-4-2通過小車輪轂支架4_4_5、小車輪轂軸承4-4-4和軸承螺母4-4-3裝設在小車底座4-4-1底部。在工作時軌道小車4_4放置在待修復鋼軌上，使雷射頭4-2-1在三維運動執行裝置4-1上進行平穩性修復；該部位修復完成後，鋼軌修復裝置4暫停，機車I重新啟動，移動到下一鋼軌部位進行磨損檢測和修復工序。如圖4所示為本發明雷射修復裝置的結構示意圖。圖4中，雷射修復裝置4-2包括通過雷射頭緊固螺母4-2-2和雷射頭緊固裝置4-2-3固定在擺臂4-1-5上的雷射頭4_2_1，以及通過光纖與雷射頭4-2-1相連接的外接雷射設備4-2-5，雷射頭緊固裝置4-2-3上設有送絲口 4-2-4。本發明中採用填絲式雷射修復技術，可以修復鋼軌側面和軌頭底面等不易修復部位的磨損，解決了通過送粉式雷射熔覆技術送粉裝置安裝複雜，浪費時間的不足，同時採用填絲式的雷射修復技術克服了鐵路野外作業如強風等惡劣環境的影響，使該裝置可以對不同線路、鋼軌任意部位的磨損表面進行在線修復。如圖6所示為本發明鋼軌待修復部位定位示意圖，圖中,A點為初始標祀,B點為終止點位置，掃描時機車I從A點向B點運行A為掃描時確定的待修復部位,Ni為掃描時確定待修復部位Pi對應的計數器3的數值，Ntl為計數器3的初始值，Nmax為到達掃描終止點B時計數器3的數值A為修復時雷射頭4-2-1定位待修復部位Pi時計數器3的示數值。本發明可以由機車I拖動鋼軌修復裝置4,從初始標祀A點向終止點B點復位修復，此時，雷射頭4-2-1對待修復部位Pi的定位=Li=NfAN ;也可以由機車I拖動鋼軌修復裝置4，從終止點B點向初始標靶A點返程修復，此時，雷射頭4-2-1對待修復部位Pi的定位=Li=Nmax-Ni-AN15其中，Λ Ν=Η/2 π r，r為機車輪轂半徑，H為三維掃描儀3與雷射頭4-2-1的初始狀態點之間的距離。如圖7所示為本發明鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法實現流程圖。本發明在實施中，鋼軌的表面測量和修復是依次進行的。本方法包括的操作步驟為
SI.開始前首先完成測量及修復定位的準備工作在三維掃描儀2正下方的鋼軌上固定一個測量標靶A，完成對測量初始基準點的定位，同時將輪轂轉動圈數計數器3置零。S2.在機車I行進過程中，位於機車I車身底部的三維掃描儀2，通過內部光路系統的偏轉，對鋼軌的表面進行正向掃描測量，完成鋼軌輪廓的三維數據採集，同時利用計數器3對機車I的位置即機車輪轂圈數同步進行實時記錄，採集的三維數據及記錄數值存儲入控制裝置5中；在測量結束時，在終止位置安置標靶，標定終止點位置B點，作為下一掃描工序或返程進行修復的初始點，同時計數器3記錄終止時的數值為Nmax。S3.在控制裝置5中，首先將採集到的鋼軌輪廓數據在逆向工程軟體如美國EDS公司的Imageware、韓國INUS公司的Rapidform中進行三維重構,得到鋼軌輪廓的三維實體CAD模型，再將得到的三維實體CAD模型與標準鋼軌輪廓數據在三維造型軟體，如法國達索公司的Solidworks、美國PTC公司的Pro/E、美國歐特爾公司的AutoCAD中進行布爾運算，得到待修復部位的三維CAD圖形,並利用分層軟體如比利時Materialise公司的Magics或北京太爾公司的AURORA對得到的三維實體CAD模型進行分層處理，得到NC數控代碼。及時記錄掃描過程中確定的待修復部位Pi對應的計數器數值Ni,將計數器3的數值與三維掃描儀2採集的數據相關聯，用於標定待修復部位PpS4.首先將計數器3示數置零，根據初始標靶A的定位，將鋼軌修復裝置4復位，利用機車I在鋼軌上拖動鋼軌修復裝置4向掃描終止點B點運行，當計數器3的示數值Li等於待修復部位Pi對應的數值Ni與差值常數A N之和，即Li=N^AN時，機車I停止，完成了雷射頭4-2-1對待修復部位Pi的定位；其中，H為三維掃描儀3與雷射頭4-2-1的初始狀態點之間的距離，AN=H/2 Jir,r為機車輪轂半徑。或者在機車I返程時，計數器3的示數值Li滿足Li=Nmax-Ni- A N時，機車I停止，同樣實現了雷射頭4-2-1對待修部位Pi的定位。針對機車I定位存在的誤差A 1，可以通 過調整AN的數值進行誤差補償，實現雷射頭4-2-1對待修復部位Pi的精確定位。S5.機車I在修復行進過程中，在鋼軌的無損區域處，機車I較快通過；在接近待修復部位的區域時，機車I減速慢行；當計數器3的示數值Li滿足停車要求時，機車I停止運行；控制裝置5調用該待修復處用於控制雷射頭4-2-1三維運動的NC代碼，並在線控制伺服電機驅動三維運動執行裝置4-1按照得到的運動指令進行三軸向運動，將雷射頭4-2-1定位到待修復部位；並且調整電控旋轉平臺4-1-4的轉動，調整雷射頭4-2-1、送絲口4-2-4與待修復鋼軌平面的相對位置，使送死角度處於最優角度；利用控制裝置5，控制兩套工位獨立的三維運動執行裝置4-1和雷射頭4-2-1，實現一條或兩條並行鋼軌的在線修復。S6.完成該部位鋼軌磨損的修復後，機車I重新啟動，重複步驟S5，直至完成所有待修復部位的修復。本發明不僅局限於上述具體實施方案，本領域一般技術人員根據實施例和附圖公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1.用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，其特徵包括設在鋼軌(8)軌道上的機車(I)，以及 三維掃描儀(2):裝配在機車(I)車身下方，用於在機車(I)行進過程中對鋼軌表面進行快速掃描測量，採集得到鋼軌表面三維輪廓數據； 計數器(3 ):安裝在機車(I)輪轂固定架外側，用於在軌面數據採集過程及雷射修復過程中，對鋼軌磨損部位進行定位； 鋼軌修復裝置(4):安裝在機車(I)尾部，由機車(I)牽引，根據鋼軌磨損部位的三維輪廓數據及與其關聯的該處計數器定位數值對鋼軌磨損進行定位，並對鋼軌磨損部位進行選擇性雷射修復； 控制裝置(5):安裝在機車(I)上，用於掃描數據和計數數值的存儲和關聯處理，以及鋼軌修復裝置(4)的控制。
2.根據權利要求I所述的用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，其特徵在於所述鋼軌修復裝置(4)包括兩套工位獨立的三維運動執行裝置(4-1)和架設在三維運動執行裝置(4-1)下方的雷射修復裝置(4-2)。
3.根據權利要求2所述的用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，其特徵在於所述三維運動執行裝置(4-1)包括裝配在一起的與鋼軌(8)平行的X軸平臺(4-1-1)、與鋼軌(8)垂直且水平設置的Y軸平臺(4-1-2)、與鋼軌(8)垂直且豎直設置的Z軸平臺(4-1-3);所述X軸平臺(4-1-1)、Υ軸平臺(4-1-2)、Ζ軸平臺(4_1_3)上均設有裝配在一起的導軌、絲槓、電機和滑塊，其中，Y軸平臺(4-1-2)固定在X軸平臺(4-1-1)的滑塊上，Z軸平臺(4-1-3)固定在Y軸平臺(4-1-2)的滑塊上，並且Z軸平臺(4-1-3)的滑塊上還設有電控旋轉臺(4-1-4);電控旋轉臺(4-1-4)上設有擺臂(4-1-5)。
4.根據權利要求3所述的用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，其特徵在於所述雷射修復裝置(4-2)包括通過雷射頭緊固螺母(4-2-2)和雷射頭緊固裝置(4-2-3)固定在擺臂(4-1-5)上的雷射頭(4-2-1)，以及通過光纖與雷射頭(4-2-1)相連接的外接雷射設備(4-2-5 )，雷射頭緊固裝置(4-2-3 )上設有送絲口( 4-2-4 )。
5.根據權利要求3所述的用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，其特徵在於所述X軸平臺(4-1-1)的頂部設有懸臂橫梁(6)，懸臂橫梁(6)與連杆機構(7)的一端鉸接，連杆機構(7)的另一端鉸接在機車(I)車身上；並且X軸平臺(4-1-1)的底部通過支撐架(4-3)固定在軌道小車(4-4)上。
6.用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，其特徵包括以下操作步驟 .51.開始前，在三維掃描儀(2)正下方的鋼軌上固定一個測量標靶A點，完成對測量初始基準點的定位，同時將輪轂轉動圈數計數器(3)置零； .52.在機車(I)行進過程中，利用三維掃描儀(2)對鋼軌的表面進行快速掃描，採集得到鋼軌全輪廓的三維數據，同時利用計數器(3)對機車輪轂圈數進行全線記錄，採集的三維數據及記錄數值存儲入控制裝置中；在三維掃描儀(2)數據採集完成後，標定掃描終止點B點，同時計數器(3)記錄終止時的數值為Nmax ； . 53.在控制裝置(5)中，首先將採集到的鋼軌輪廓數據在逆向工程軟體中進行三維重構，得到鋼軌輪廓的三維實體CAD模型，再將得到的三維實體CAD模型與標準鋼軌輪廓數據在三維造型軟體中進行布爾運算，得到待修復部位的三維CAD圖形，並利用分層軟體對得到的三維實體CAD模型進行分層處理，得到NC數控代碼，同時記錄待修復部位對應的計數器(3)的數值Ni5 S4.首先將計數器(3)示數置零，根據初始標靶A點的定位，將鋼軌修復裝置(4)復位後，利用機車(I)在鋼軌上拖動鋼軌修復裝置(4)向掃描終止點B點運行； S5.當雷射頭(4-2-1)到達某一待修復部位時，機車(I)停止運行，控制裝置(5)調用步驟S3中生成的該部位的NC數控代碼，控制三維運動執行裝置(4-1)進行三軸運動，將雷射頭(4-2-1)定位到待修復部位鋼軌磨損表面，完成修復； S6.完成該部位鋼軌磨損的修復後，機車(I)重新啟動，重複步驟S5，直至完成所有待修復部位的修復。
7.根據權利要求6所述的用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，其特徵在於所述步驟S5中，當計數器(3)的示數值Li等於某一待修復部位對應的數值Ni與差值常數AN之和，即Li=Ni+AN時，機車(I)停止運行，完成雷射頭(4-2-1)對該處待修復部位的定位；其中，AN=H/2 r，r為機車輪轂半徑，H為三維掃描儀(3)與雷射頭(4-2-1)的復位點之間的距離。
8.根據權利要求6所述的用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，其特徵在於所述步驟S4中，還可以利用機車(I)拖動鋼軌修復裝置(4)從終止點B點向初始標靶A點運行，進行鋼軌磨損表面的在線修復；此時，步驟S5中，當計數器(3)的示數值Li滿足Li=Nmax-Ni- A N時，機車(I)停止運行，實現雷射頭(4-2-1)對待修復部位Pi的定位。
9.根據權利要求6所述的用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，其特徵在於所述步驟S5中，利用控制裝置(5)，控制兩套工位獨立的三維運動執行裝置(4-1)和雷射頭(4-2-1)，實現一條或兩條並行鋼軌的在線修復。
10.根據權利要求6所述的用於鋼軌表面磨損在線測量及雷射選擇性修複方法，其特徵在於所述步驟S5中，利用電控旋轉平臺(4-1-4)，調整雷射頭(4-2-1)、送絲口(4-2-4)與待修復鋼軌平面的相對位置，實現鋼軌頂面及側面多個位置的修復。
全文摘要
本發明公開了一種用於鋼軌表面在線測量及雷射選擇性修復的裝置，包括設在鋼軌軌道上的機車，以及三維掃描儀、計數器、雷射修復裝置和控制裝置。本發明利用安裝於動力機車車身下的三維掃描儀對鋼軌表面進行數據測量，通過與標準鋼軌表面的比對得到待修部位的三維CAD圖形，利用分層軟體實現待修復部位的三維CAD圖形到控制雷射頭運動的數控代碼的完整數據鏈。本發明通過計數器將鋼軌表面磨損在線測量與雷射在線修復設備關聯起來，利用大功率雷射器對鋼軌表面磨損進行高精度選擇性修復，節省修復的時間。本發明採用填絲式雷射修復技術修復鋼軌側面和軌頭底面等不易修復的部位，野外適應能力強，工作效率高，可以完成不同鋼軌磨損類型的修復。
文檔編號E01B31/18GK102864704SQ201210415868
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者齊海波, 任德亮, 張豪, 齊芳娟, 朱浩 申請人:石家莊鐵道大學