專利名稱：一種在線式鋼軌激光加工車的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在線式鋼軌激光加工車，屬于鋼軌表面強韌化處理和修復技術領域。
背景技術：
隨著列車速度、運量和軸重的提高，鋼軌由于受到車輪的撞擊和摩擦的雙重作用，磨損失效的速率越來越快。國內外一般常規提高鋼軌壽命的方法主要集中在鋼軌熱處理方法和鋼軌材料兩方面。隨著激光技術的快速發展，國內外學者將激光表面強化技術應用于 鋼軌的表面處理，并取得了較好的實驗效果。常規的方法只能在生產車間內完成，但是激光表面強化的方法除了可以在生產車間內實現定點加工，還可開發專用的移動式裝備，使激光加工設備在鐵道現場在線對鋼軌進行激光處理。中國實用新型專利文獻“一種鐵路軌道激光維修車”(公告號為CN2622241Y，
公開日為2004年06月30日)提出了一種鐵路軌道激光維修車，該鐵路軌道激光維修車包括牽引控制車和軌道作業車兩部分。牽引控制車是在鐵路軌道車的基礎上改制的，主要區別在于在鐵路軌道車的司機位置處設有激光作業總控制臺；軌道作業車是在鐵路客車的基礎上改制完成的，其上設置有一臺或兩臺大功率CO2激光器。激光光路和數控系統的設置可精確地將激光束傳輸到鋼軌加工點上。為了保證軌道激光作業的順利完成，軌道激光修復車除了激光器系統、激光光路及移動數控系統之外，還有車輛減震系統、激光器減震系統、鋼軌表面除銹清洗系統、鋼軌面吸光材料噴涂系統、涂料烘干系統、激光器供氣系統、激光器供粉系統、激光器冷卻系統、激光器供風系統、激光車車體、監視及照明系統、車廂密封除塵系統等。根據上述描述，這種激光維修車存在如下幾個不足第一,該設備米用高功率CO2激光器作為光源,其光電轉換效率相對較低,耗能大。0)2激光器的波長為10. 6微米，金屬基體對其吸收率很低，必須噴涂吸光涂料并烘干才能進行激光加工，工序比較復雜。CO2激光器導光系統只能采用飛行光路或者硬光路系統傳輸，激光維修車運行過程中產生的震動會不可避免地影響導光系統的精密性，難以確保激光加工過程的長期穩定性。第二，該設備在進行激光維修時，激光維修車是靜止的，激光加工頭順鋼軌移動的最大距離為1000mm。由于激光維修車的靜止，激光加工頭一次性加工鋼軌的距離受到了激光維修車車身長度的限制，對于長距離的修復造成不便。另外，當激光車要運行到下一段待修復鋼軌的位置時，由于牽引控制車運行距離無法精確到厘米級，故難以準確地定位抵達。第三，相對于激光加工要求的精確軌跡而言，鐵路現場的軌道線路為總體軌跡精度好、但實際鋼軌沿著總體路線無規律波動的曲線線路。該發明中的激光加工頭不能實時調整加工位置，則不能保證激光加工頭硬化加工軌跡的準確性。針對上述專利文獻中存在的不足，2008年，中國發明專利公開了“一種用于鋼軌表面強韌化處理的在線激光加工設備”(專利號200810169671. 5)。該在線激光加工設備將激光加工系統分為激光加工車和動力工程車兩部分。其中，激光加工車體積小，重量輕，機動靈活，裝卸方便，能夠有效地避讓列車，可在鋼軌表面實現各種在線強韌化處理；動力工程車內包含有發電機、制冷機、空壓機、冷干機、激光器高壓電源和控制系統等重量相對較大的設備。該發明采用可光纖傳輸的固體激光器作為光源，省卻了復雜的飛行光路，降低了激光能量的光路傳輸損耗；所采用激光器為波長1064nmn的近紅外激光器，鋼軌對其吸收率高，因此不需要預先噴涂涂料及后續的清洗涂料等工序，簡化了工藝，降低了設備的體積、重量、能耗及造價。 然而，上述在線激光加工設備仍然具有以下不足之處第一，激光加工小車和動力工程車由分離的兩個部分組成，互相連接的光纖或電纜的最大距離為100米，使設備系統在鐵路現場在線使用的復雜程度增加；與一體化的整套設備系統相比，其可靠性也相對較低。第二，激光加工小車雖然體積小、重量輕、機動靈活，但仍然需要用人力或者小型叉車實現在軌道上的安裝，并需要在軌道上進行光纖或電纜系統的連接和設備調試。因此，在鐵路軌道上進行激光強韌化處理的有效時間和加工效率受到影響。第三，在線激光加工設備的動力工程車靠近鐵路軌道的方式有時受到限制。在一些特殊的路段(如山區鐵路)，動力工程車不能方便地靠近鐵路軌道，其自身的車輪系統又不能夠在鐵路軌道上直接行駛，使得這種使用激光加工小車加動力工程車的組合式在線激光加工設備使用范圍和使用效率受到限制。綜上所述，如何進一步提高鋼軌在線激光處理設備的機動性以及激光加工軌跡的精確性是確保該技術能夠在鐵路運輸線得到應用的關鍵。對于在線式激光加工設備而言，如果它既能夠在鐵路上保持精確運動，又能夠在激光加工完畢后快速離開，顯然更具有實用價值。此外，該設備還應該具備激光加工獨立系統的基本特征，即應該包括激光器、導光系統、制冷機、空壓機、冷干機、送粉器、運動執行機構、激光加工頭和控制系統等，以適用于鐵路鋼軌的在線式激光強韌化處理和激光熔覆修復。
發明內容
本發明的目的是提供一種在線式鋼軌激光加工車，可以精密控制激光加工車在線處理鋼軌時運行的速度、距離以及沿軌道路線實現精確加工，在鐵路現場完成包括正軌、彎道、護輪軌、道岔各種鋼軌等的激光處理，使加工后的鋼軌耐磨性大幅度提高，滿足鐵路高速、重載列車對鋼軌的耐磨性要求。本發明提供的一種在線式鋼軌激光加工車，包括底盤，安裝在底盤上的車身，安裝在車身前部的駕駛控制室，以及安裝在車身后部的集裝箱；集裝箱內包括發電機組、控制系統、運動執行機構和激光加工頭，其特征在于，所述駕駛控制室包括總控制臺、CXD監視系統和驅動切換操作系統，該激光加工車的集裝箱安裝有雙驅動系統及切換機構；總控制臺與發電機組及控制系統電連接，用于啟動和關閉發電機組和控制系統；CXD監視系統用來監視激光加工頭對鋼軌表面的對位姿態和加工狀況；驅動切換操作系統用來對雙驅動系統及切換機構進行操作實現驅動系統的切換；控制系統控制運動執行機構按照設定的軌跡運動；激光加工頭在運動執行機構的帶動下按照控制系統所設定的軌跡運動，完成鋼軌表面的激光處理；雙驅動系統及切換機構包括工藝運行驅動系統、常規車載運行驅動系統以及切換機構；工藝運行驅動系統用于激光加工過程中為激光加工車提供動力驅動，使激光加工車精確地控制激光加工車的運動速度和距離，滿足各種激光加工所需激光加工車運動的需求；切換機構用于實現常規鐵路驅動系統與工藝運行驅動系統兩者之間的切換。本發明在線式鋼軌激光加工車包含雙驅動系統及切換機構，雙驅動系統分別為工藝運行驅動系統和常規車載運行驅動系統，其中常規車載運行驅動系統是在正常運行不進行激光加工時為激光加工車提供動力，工藝運行驅動系統是在進行工藝加工時為激光加工車提供動力。工藝運行驅動系統和常規車載運行驅動系統的切換是通過切換機構來完成的。當激光加工車在鋼軌上進行激光加工時，切換機構將驅動動力切換到工藝運行驅動系統，則可嚴格精確地控制激光加工車的運行速度和距離，滿足各種激光加工工藝要求。當激光加工車加工完畢，切換機構將切換到常規車載運行驅動系統，可快速行駛離開，節約時 間，避免長時間占用了軌道。本發明在線式鋼軌激光加工車的底盤可以是鐵路平板車或鐵路客車底盤，也可以是分動式公鐵兩用車底盤。當本發明在線式鋼軌激光加工車的底盤為分動式公鐵兩用車底盤時,可以在車身上增加上軌系統。通過上軌系統,激光加工車可以在任意鋼軌路段上軌，提高了激光加工車上軌的靈活性。本發明在線式鋼軌激光加工車的運動執行機構可以采用常規的數控機床或/和多軸工業機器人等，其上可以安裝光電位移感應器。當激光加工車在軌道上蛇形前行時，可以實時調整激光加工頭精確對準鋼軌上待加工的位置，保證激光加工車加工軌跡的精確性。本發明提供了在線式鋼軌激光加工車的激光加工頭的三種具體方式機械式激光加工頭、多出光口式激光加工頭和振鏡式激光加工頭，第一種方式結構簡單，第二、第三種方式加工效率高，可以根據不同的要求進行選擇。
圖I為本發明的一種具體實施方式
的結構示意圖。圖2為圖I去掉集裝箱的主視圖。圖3為圖2的俯視圖。圖4為雙驅動系統及切換機構原理圖。圖5為運動執行機構上的激光加工頭在對鋼軌表面進行激光處理的示意圖。圖6為圖5中的運動執行機構以及激光加工頭的側視圖。圖7為機械式激光加工頭示意圖。圖8為多出光口式激光加工頭一種實現形式示意圖。圖9為多出光口式激光加工頭另一種實現形式示意圖，其中9(a)為主視圖，9(b)為圖9(a)中光頭框架的結構示意圖。圖10為振鏡式激光加工頭示意圖。圖11為激光加工車的底盤為分動式公鐵兩用車底盤的示意圖。
圖12為在圖11的基礎上增加了上軌系統16和16’的示意圖。圖13為上軌系統16的結構及工作原理圖，其中圖13(a)為主視圖，圖13(b)為圖13(a)中第一升降裝置的結構示意圖，圖13(c)、圖13(d)和圖13(e)為上軌系統16的工作過程示意圖。圖14為在圖I的基礎上增設一個副駕駛室的結構示意圖。圖15為運動執行機構是數控機床與工業機器人相結合的激光加工車的結構示意圖。圖16為圖15中的運動執行機構的工作原理圖。其中1、車身；2、軌道平車或軌道客車底盤；3、駕駛控制室；4、集裝箱；5、雙驅動系統及切換機構；6、打磨清理設備；7、制冷機；8、激光器組；9、運動執行機構；10、導光系 統；11、送粉器；12、空壓機；13、冷干機；14、控制系統；15、發電機組；16和16'、上軌系統；17、激光加工頭；18、(XD監視設備；19、光電位移感應器；20、分動式公鐵兩用車底盤。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明的保護范圍。實施例I為根據本發明實施的在線式鋼軌激光加工車。如圖1、3所示，該激光加工車包括有車身I、底盤2、安裝在車身I前部的駕駛控制室3以及車身I后部的集裝箱4。其中，車身I安裝在底盤2上，底盤2為軌道平車或軌道客車底盤，其底部安裝有用于傳遞動力的傳動系統、在鋼軌上行駛的鐵路輪對系統、以及轉向和制動系統。駕駛控制室3內除了設有常規駕駛操作系統之外，還設有總控制臺3. UCCD監視系統3. 2和驅動切換操作系統3. 3。如圖2、3所示，該激光加工車的集裝箱4內安裝有雙驅動系統及切換機構5、打磨清理設備6、制冷機7、激光器組8、運動執行機構9、導光系統
10、送粉器11、空壓機12、冷干機13、控制系統14、發電機組15、激光器高壓電源16和激光加工頭17。駕駛控制室3內的總控制臺3. I是用來啟動和關閉發電機組15和控制系統14 ；CXD監視系統3. 2用來監視激光加工頭17對鋼軌表面的對位姿態和加工狀況；驅動切換操作系統3. 3用來對雙驅動系統及切換機構5進行操作實現驅動系統的切換；打磨清理設備6用于對待處理的鋼軌表面進行清理工作；發電機組15為制冷機7、運動執行機構9、送粉器11、空壓機12、冷干機13、控制系統14和激光器高壓電源16提供工作所需要的電能。激光器高壓電源16給激光器組8提供產生激光所需要的直流高壓電。其中，激光器組8為光纖激光器、二極管泵浦固體激光器、燈泵浦固體激光器、半導體激光器或盤片狀(Disk)激光器；運動執行機構9為常規的數控機床或/和多軸工業機器人。控制系統14與制冷機7、激光器組8、送粉器11、空壓機12、冷干機13和激光器高壓電源16電連接，控制各器件的開與關，并控制運動執行機構9按照設定的軌跡運動。激光加工頭17在運動執行機構9的帶動下按照控制系統14所設定的軌跡運動，完成鋼軌表面的激光處理。激光器組8通過導光系統10將激光束傳輸到激光加工頭17，聚焦并作用于工件表面。導光系統10可以采用現有的光纖傳輸系統，當使用半導體激光器作為光源時，可以將激光器組8通過導光系統10 (在這里是擴束準直系統)和激光加工頭17相連。送粉器11通過導管與激光加工頭17的噴嘴相連。制冷機7通過管道給激光器組8、導光系統10及激光加工頭17上的光學鏡片提供冷卻水。空壓機12的出風ロ通過管道與冷干機13的入風ロ相連通，冷干機13的出風ロ通過管道與激光加工頭17的噴嘴相連。空壓機12產生的壓縮空氣在經過冷干機13過濾后，消除掉其中的水、油滴等液態物質，再通過管道輸送給激光加工頭17作為保護氣體，防止激光表面處理過程中產生的灰塵、煙霧污染激光加工頭17上的聚焦鏡。冷干機13的另一個出風ロ通過管道與送粉器11相連，在送粉器11開啟時，該氣體將合金粉末通過導管輸送到激光加工頭17，并從噴嘴噴 出。如圖4所示，雙驅動系統及切換機構5包括エ藝運行驅動系統5. I、常規車載運行驅動系統5. 3以及切換機構5. 2。エ藝運行驅動系統5. I包括是伺服驅動電機5. 11和減速機5. 12，電機5. 11和減速機5. 12通過彈性聯軸器相連。エ藝運行驅動系統5. I和常規車載運行驅動系統5. 3分別與控制系統14電連接，兩者均可以根據控制系統14的設置來帶動激光加工車進行運行。エ藝運行驅動系統5. I用于激光加工過程中為激光加工車提供動カ驅動，使激光加工車精確地控制激光加工車的運動速度和距離，滿足各種激光加工所需激光加工車運動的需求；常規車載運行驅動系統
5.3用于激光加工車在不進行激光加工時為激光加工車提供動カ驅動。切換機構5. 2有多種實現形式，可以是離合器的電氣控制，也可以是齒輪切換的機械結構，圖4中的切換機構5. 2只是其中ー種機械結構形式。切換機構5. 2包括第一小齒輪5. 21、第二小齒輪5. 22、大齒輪5. 23以及輸出軸5. 24，其中第一小齒輪5. 21固定安裝在減速機5. 12的輸出軸端；第二小齒輪5. 22固定安裝在常規車載運行驅動系統5. 3的輸出軸端；大齒輪5. 23活動安裝在輸出軸5. 24，可以左右滑動；輸出軸5. 24通過底盤2的傳動系統與鐵路輪對系統相連。 通過切換機構5. 2可以實現常規鐵路驅動系統5. 3與エ藝運行驅動系統5. I兩者之間的切換。當激光加工車需要在鋼軌上進行加工時，控制系統14則控制大齒輪5. 23在輸出軸5. 24上向一側滑動，與第一小齒輪5. 21嚙合，切換機構5. 2則切換到了エ藝運行驅動系統5. 1，通過對控制系統14的設置，即可嚴格精確地控制激光加工車的運動速度和距離，滿足各種激光加工所需激光加工車運動的需求。當激光加工車加工完畢，控制系統14則控制大齒輪5. 23在輸出軸5. 24上向另ー側滑動，與第二小齒輪5. 22嚙合，切換機構5. 2則切換到常規車載運行驅動系統5. 3，快速行駛離開，節約時間，避免長時間占用了軌道。如圖5所示，激光加工車上的運動執行機構9和激光加工頭17在鋼軌上進行激光加工。如圖6所示，運動執行機構9是常見的數控機床形式之一，包括立柱9. I、橫梁9. 2、右縱梁9. 3和左縱梁9. 4。立柱9. I、橫梁9. 2、右縱梁9. 3和左縱梁9. 4內部均安裝有滾珠絲桿螺母副，其中滾珠絲桿由伺服電機驅動。橫梁9. 2可在立柱9. I上升降運動，右縱梁9. 3可在橫梁9. 2上左右運動，左縱梁9. 4固定安裝在橫梁9. 2上。其中，右縱梁9. 3上安裝有可沿其上下移動的激光加工頭17，激光加工頭17的底部安裝有CCD監視設備18 ;左縱梁9. 4上安裝有可沿其上下移動的光電位移感應器19。CXD監視設備18與CXD監視系統3. 2通訊連接，CXD監視設備18將監測到的畫面傳輸到CXD監視系統3. 2。光電位移感應器19與控制系統14電連接，控制系統14接收光電位移感應器19采集的數據，下達指令使運動執行機構9做出相應的動作。當激光加工車要進行激光加工吋，首先通過驅動切換操作系統3. 3對雙驅動系統及切換機構5的操作，切換到常規車載運行驅動系統5. 3，激光加工車在該驅動系統的帶動下運行到鋼軌待加工的路段，然后再通過驅動切換操作系統3. 3對雙驅動系統及切換機構5的操作，切換到エ藝運行驅動系統5. I。接下來，總控制臺3. I啟動發電機組15和控制系統14的開關，然后控制系統14控制啟動制冷機7、激光器組8、運動執行機構9、送粉器11、空壓機12、冷干機13和激光器高壓電源16的開關，使各器件處于待機狀態。如圖6所示，控制系統14控制運動執行機構9中的橫梁9. 2沿著立柱9. I向下運動到合適的位置，右縱梁9. 3隨橫梁9. 2下降，再帶動激光加工頭17沿著右縱梁9. 3下降到鋼軌待處理位置的上方，光電位移感應器19則沿著左縱梁9. 4下降到距離鋼軌內側一定距離的平行位置。此時，激光加工頭17和光電位移感應器19則已調整對位，然后控制系統14發出指令使激光器組7按照設定參數發射出激光束，同時激光加工車在エ藝運行驅動系統5. I的帶動下按照設定參數在鋼軌上前進運行。在激光加工過程中，由于鐵路軌道軌跡的蛇形特點，激光加工車也隨之蛇形前行，光電位移感應器19以其與鋼軌內側面的初始距離為零點，測量出其與鋼 軌內側面兩者之間的位移變化量，并將此位移變化量反饋回控制系統14，控制系統14再控制右縱梁9. 3根據此位移變化量在橫梁9. 2上做出相應的位移，從而實時保證激光加工頭17始終精確對準鋼軌待處理位置，實現激光加工車激光加工的精確軌跡。激光加工頭17有三種結構形式，第一種是機械式激光加工頭17. 1，如圖7所示；第二種是多出光ロ式激光加工頭，又有ニ種具體實施方式
17. 2和17. 3，如圖8、9所示；第三種是振鏡式激光加工頭17. 4，如圖10所示。如圖7所示，機械式激光加工頭17. I包括伺服電機17. I. I、反射鏡17. I. 2、和反射鏡17. I. 3，其中反射鏡17. 1.3固定安裝在機械式激光加工頭17. I框架上，反射鏡17. I. 2安裝在伺服電機17. I. I的輸出軸上，伺服電機17. I. I可以帶動反射鏡17. I. 2擺動。通過機械式激光加工頭17. I可以對鋼軌進行單束激光掃描加工。如圖8所示，第一多出光ロ式激光加工頭17. 2包括第一支架17. 2. I和第二支架17. 2. 2，兩支架之間活動安裝了可以擺動的空心軸17. 2. 3，空心軸17. 2. 3內固定安裝了第一反射透射鏡17. 2. 31、第二反射透射鏡17. 2. 32、第三反射透射鏡17. 2. 33、第四反射透射鏡17. 2. 34和反射鏡17. 2. 35。各反射透射鏡及反射鏡均為45度反射，其中，第一反射透射鏡17. 2. 31和第四反射透射鏡17. 2. 34的反射透射比均為I :1，第二反射透射鏡17. 2. 32的反射透射比為I :3，第三反射透射鏡17. 2. 33的反射透射比為I :2。激光束17. 2. 41經過第一反射透射鏡17. 2. 31分成反射光束17. 2. 42和透射光束17. 2. 43，反射光束17. 2. 42依次經過第二反射透射鏡17. 2. 32、第三反射透射鏡17. 2. 33、第四反射透射鏡17. 2. 34和反射鏡17. 2. 35最終得到四束能量均等的激光束通過各出光ロ作用于鋼軌上。透射光束17. 2. 43以同樣方式分為能量均等的四路激光束通過各出光ロ作用于鋼軌上。多出光ロ式激光加工頭17. 2可以包含3片以上反射透射比不同的反射透射鏡或反射鏡，從而可以將一束激光束分成為能量均等的多路光束。當這些反射透射鏡及反射鏡隨著空心軸17. 2. 3—起擺動時，則實現了多路光束同時對鋼軌進行掃描式激光加工。如圖9 (a)所不,第二多出光ロ式激光加工頭17. 3包括第一電機17. 3. I、第一電機輸出軸17. 3. 2、框架17. 3. 3、凸輪17. 3. 4、第二電機17. 3. 5、鉸鏈17. 3. 6、支桿17. 3. 7和光頭框架17. 3. 8。其中，凸輪17. 3. 4、第二電機17. 3. 5、鉸鏈17. 3. 6、支桿17. 3. 7和光頭框架17. 3. 8均安裝在框架17. 3. 3，光頭框架17. 3. 8安裝在支桿17. 3. 7的末端。第一電機17. 3. I通過第一電機輸出軸17. 3. 2帶動安裝在框架17. 3. 3內的凸輪17. 3. 4、第二電機17. 3. 5、鉸鏈17. 3. 6、支桿17. 3. 7和光頭框架17. 3. 8 一起以第一電機輸出軸17. 3. 2為中心作擺動運動。第二電機17. 3. 5帶動凸輪17. 3. 4以第二電機17. 35的輸出軸作旋轉運動，從而帶動支桿17. 3. 7和光頭框架17. 3. 8—起以鉸鏈17. 3. 6為中心做擺動運動。如圖9(b)所示，光頭框架17. 3. 8包括兩組準直聚焦鏡系統17. 3. 81、出光ロ組17. 3. 83以及支撐安裝前兩者的支承架17. 3. 82。出光ロ組17. 3. 83可以包含一個或者多個出光ロ，從而實現多光束同時進行激光加工。如圖10所示，振鏡式激光加工頭17. 4為典型的雙振鏡式結構，包含第一專用電機17. 4. I、第一振鏡17. 4. 2、場鏡17. 4. 3、第二專用電機17. 4. 4和第二振鏡17. 4. 5。第一振鏡17. 4. I和第二振鏡17. 4. 2分別安裝在第一專用電機17. 4. I和第二專用電機17. 4. 4的輸出軸上，可以分別以第一專用電機17. 4. I和第二專用電機17. 4. 4的輸出軸為中心做擺動運動，從而達到調整激光束在兩個不同方向的位置，激光束最后通過場鏡17. 4. 3作用到エ件上。通過程序控制，即可實現激光快速掃描加工。 如圖14所示，可在車身尾部増加ー個副駕駛室3'，該副駕駛室3'主要是用于該車在軌道上運行時，副駕駛員能夠觀察該車后面軌道的情況，副駕駛室3'內設有簡單的控制按鈕，遇到突發狀況，可以緊急剎車或停車等，主要起到安全防范的作用。本實施例I的雙驅動系統及切換機構5可以根據激光加工車不同工作狀況切換驅動系統，在進行激光加工時，可以根據エ藝要求在鐵路軌道上進行精密運行，保證激光加工的準確性。本實施例I的運動執行機構9上安裝有光電位移感應器19，光電位移感應器19可以根據鋼軌軌跡來實時調整激光加工頭17的位置，保證激光加工頭17始終對準鋼軌上待加工的位置，從而確保激光加工的精確軌跡。本實施例I的激光加工頭17有三種形式，包括機械式激光加工頭17. 1，多出光ロ式激光加工頭17. 2、17. 3和振鏡式激光加工頭17. 4。激光加工頭17底部安裝有CXD監視頭18。多出光ロ式激光加工頭17. 2、17. 3可實現多光斑的同時激光加工，振鏡式激光加工頭17. 4可實現編程式激光掃描。第一種方式結構簡單，第二、第三種方式加工效率高，可以根據不同的要求進行選擇。實施例2為根據本發明實施的公鐵兩用激光加工車。如圖11所示，實施例2與實施例I的區別在于采用的激光加工車的底盤不同，實施例2采用的是分動式公鐵兩用車底盤20，使得該激光加工車即可在鐵路上運行，還可在公路上運行。當采用分動式公鐵兩用車底盤20時，雙驅動系統及切換機構5中的常規車載運行驅動系統5. 3則為分動式公鐵兩用車的驅動系統；駕駛控制室3隨之有相應的改變，其內部的常規駕駛操作系統改為公鐵兩用車的駕駛操作系統，另室內設有總控制臺3. I、CCD監視系統3. 2和驅動切換操作系統3. 3。驅動切換操作系統3. 3是用來操作雙驅動系統及切換機構5對エ藝運行驅動系統5. I和分動式公鐵兩用車的驅動系統進行切換。其中，分動式公鐵兩用車的驅動系統內設有公鐵模式轉換系統，通過此系統可以實現公鐵兩用激光加工車從“公路到鉄路”和從“鐵路到公路”的行走模式的轉換。
實施例2的公鐵兩用激光加工車的其它部分與實施例I相同。實施例3為根據本發明實施的公鐵兩用激光加工車的另ー種形式。如圖12所示，實施例3與實施例2的不同之處在于在分動式公鐵兩用車底盤20上增設了上軌系統16和16’，因上軌系統16和16’應用到液壓油缸，故在集裝箱4內需要增設液壓系統，同時還需要在駕駛控制室3內增設控制上軌系統16和16’和液壓系統的操作平臺。該公鐵兩用激光加工車的其它部分與實施例I相同。如圖13(a)所示，上軌系統16包括四套升降裝置和ー套橫向伸縮裝置16. 5，四套升降裝置分別為第一升降裝置16. I、第二升降裝置16. 2、第三升降裝置16. 3和第四升降裝置16. 4。橫向伸縮裝置16. 5包括液壓油缸16. 51和活塞桿16. 52,其中活塞桿16. 52 一端與液壓油缸16. 51固定連接，另一端與第二升降裝置16. 2固定連接；橫向伸縮裝置16. 5的另一端與第一升降裝置16. I固定連接，其底部安裝有齒條16. 7。第三升降裝置16. 3和第四升降裝置16. 4通過連桿16. 6連接，連桿16. 6固定安裝在方形框架16. 10內部，方形框架16. 10固定安裝在分動式公鐵兩用車底盤20上，分動式公鐵兩用車底盤20內部安裝有 液壓馬達16. 9和齒輪16. 8，液壓馬達16. 9與齒輪16. 8軸連接。橫向伸縮裝置16. 5通過其底部齒條16. 7與齒輪16. 8的嚙合活動安裝在方形框架16. 10內部。如圖13(b)所示，第一升降裝置16. I包括液壓油缸16. 11，活塞桿16. 12和升降套筒16. 13，其中活塞桿16. 12 一端與液壓油缸16. 11連接，另一端與升降套筒16. 13連接。第二升降裝置16. 2、第三升降裝置16. 3和第四升降裝置16. 4與第一升降裝置16. I結構相同。上軌系統16’與上軌系統16結構相同。通過上軌系統16和16’，可以實現激光加工車在任意軌道路段安全上軌。集裝箱4內的液壓系統為上軌系統16和16’的各液壓油缸和各液壓馬達提供液壓動力，所述操作平臺用來開啟、關閉液壓系統以及控制液壓系統提供動カ的大小。具體而言，公鐵兩用激光加工車的上軌是按照如下步驟來實現的。第一，如圖13(a)所示，増加的液壓系統控制上軌系統16中的第一升降裝置16. I和第三升降裝置16. 3中的液壓油缸通過活塞桿推動升降套筒向下伸長，支撐起固定安裝在分動式公鐵兩用車底盤20上的方形框架16. 10，上軌系統16’中的第一升降裝置16. I’和第三升降裝置16. 3’也同樣支撐起方形框架16. 10’，方形框架16. 10和16. 10’承受整個激光加工車的重量，使整個車體升高至高于鐵路軌道。第二，如圖13(c)所示，第二升降裝置16. 2在橫向伸縮裝置16. 5中的液壓油缸16. 51通過活塞桿15. 52的推動下伸長到一定長度，然后，第二升降裝置16. 2向下伸長，第三升降裝置16. 3向上收縮到初始位置，此時第一升降裝置16. I和第二升降裝置16. 2支撐起方形框架16. 10，上軌系統16’也是如此，從而支撐起激光加工車。第三步，如圖13(d)所示，分動式公鐵兩用車底盤20通過其內部的液壓馬達16. 19驅動齒輪16. 8在齒條16. 7上向右移動，從而帶動整個車體在橫向伸縮裝置16. 5上向右橫向移動，直至移動至鋼軌上方。第四步，如圖13(e)所示，當分動式公鐵兩用車底盤20緩慢放下鉄路輪對落至鋼軌上，支撐起整個車體時，第一升降裝置16. I和第二升降裝置16. 2收縮到初始位置，同時將橫向伸縮裝置16. 5也收縮到初始位置，從而完成公鐵兩用激光加工車上軌的任務。本實施例3可以在任意鋼軌路段上軌，在實施例2的基礎上大大提高了公鐵兩用激光加工車上軌的靈活性。
實施例4為根據本發明實施的公鐵兩用激光加工車的再ー種形式。如圖15所示，實施例2與實施例I的區別在于激光加工運動執行機構9不是常規的數控機床形式，而是數控機床與エ業機器人相結合的結構形式。如圖16所示，運動執行機構9包括立柱9. I、遛板9. 5和エ業機器人9. 6。立柱9. I內部安裝有滾珠絲桿螺母副，其中滾珠絲桿由伺服電機驅動。機器人9. 6安裝在遛板9. 5上 ，隨著遛板9. 5能夠沿立柱9. I上下移動；エ業機器人9. 6的末端安裝有激光加工頭17，激光加工頭17的底部也安裝有CXD監視設備18。控制系統14內需相應增加工業機器人的控制，控制系統14首先控制運動執行機構9中的遛板9. 5載著工業機器人9. 6沿著立柱9. I向下運動到合適的位置，然后再控制エ業機器人9. 6的各軸配合運動，帶動激光加工頭17調整到合適的加工エ位，從而實現對鋼軌表面的激光加工。實施例4的公鐵兩用激光加工車的其它部分與實施例I相同。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種在線式鋼軌激光加工車，包括底盤(2)，安裝在底盤(2)上的車身(I )，安裝在車身(I)前部的駕駛控制室(3)，以及安裝在車身(I)后部的集裝箱(4);集裝箱(4)內包括發電機組(15)、控制系統(14)、運動執行機構(9)和激光加工頭(17)，其特征在于，所述駕駛控制室(3)包括總控制臺(3. 1)、(XD監視系統(3. 2)和驅動切換操作系統(3. 3)，該激光加工車的集裝箱(4)安裝有雙驅動系統及切換機構(5)； 總控制臺(3. I)與發電機組(15)及控制系統(14)電連接，用于啟動和關閉發電機組(15)和控制系統(14);(XD監視系統(3.2)用來監視激光加工頭(17)對鋼軌表面的對位姿態和加工狀況；驅動切換操作系統(3. 3)用來對雙驅動系統及切換機構(5)進行操作實現驅動系統的切換； 控制系統(14)控制運動執行機構(9)按照設定的軌跡運動；激光加工頭(17)在運動執行機構(9)的帶動下按照控制系統(14)所設定的軌跡運動，完成鋼軌表面的激光處理； 雙驅動系統及切換機構(5)包括工藝運行驅動系統(5. I)、常規車載運行驅動系統(5.3)以及切換機構(5. 2)； 工藝運行驅動系統(5. I)用于激光加工過程中為激光加工車提供動力驅動，使激光加工車精確地控制激光加工車的運動速度和距離，滿足各種激光加工所需激光加工車運動的需求；切換機構(5. 2)用于實現常規鐵路驅動系統(5. 3)與工藝運行驅動系統(5. I)兩者之間的切換。
2.根據權利要求I所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，底盤(2)采用的是分動式公鐵兩用車底盤(20)，常規車載運行驅動系統(5. 3)則為分動式公鐵兩用車的驅動系統；駕駛控制室(3)內部的常規駕駛操作系統改為公鐵兩用車的駕駛操作系統，分動式公鐵兩用車的驅動系統內設有公鐵模式轉換系統，通過此系統實現公鐵兩用激光加工車從公路到鐵路和從鐵路到公路的行走|吳式的轉換。
3.根據權利要求2所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，分動式公鐵兩用車底盤(20)上增設第一、第二上軌系統(16)、(16’)，在集裝箱(4)內增設液壓系統，駕駛控制室(3)內增設控制上軌系統(16)、(16’)和液壓系統的操作平臺；通過第一第二上軌系統(16)、(16’)實現激光加工車在軌道路段安全上軌； 第一、第二上軌系統(16)、(16’)結構相同，其中，上軌系統(16)包括四套升降裝置和一套橫向伸縮裝置(16. 5)，四套升降裝置分別為第一升降裝置(16. I)、第二升降裝置(16. 2)、第三升降裝置(16. 3)和第四升降裝置(16. 4);橫向伸縮裝置(16. 5)包括液壓油缸(16. 51)和活塞桿(16. 52)，其中活塞桿(16. 52) —端與液壓油缸(16. 51)固定連接，另一端與第二升降裝置(16. 2)固定連接；橫向伸縮裝置(16. 5)的另一端與第一升降裝置(16. I)固定連接，其底部安裝有齒條(16. 7);第三升降裝置(16. 3)和第四升降裝置(16. 4)通過連桿(16. 6)連接，連桿(16. 6)固定安裝在方形框架(16. 10)內部，方形框架(16. 10)固定安裝在分動式公鐵兩用車底盤(20)上，分動式公鐵兩用車底盤(20)內部安裝有液壓馬達(16.9)和齒輪(16. 8)，液壓馬達(16.9)與齒輪(16. 8)軸連接；橫向伸縮裝置(16. 5)通過其底部齒條(16. 7)與齒輪(16. 8)的嚙合活動安裝在方形框架(16. 10)內部； 第一升降裝置(16. I)包括液壓油缸(16. 11)，活塞桿(16. 12)和升降套筒(16. 13)，其中活塞桿(16. 12) —端與液壓油缸(16. 11)連接，另一端與升降套筒(16. 13)連接；第二升降裝置(16. 2)、第三升降裝置(16. 3)和第四升降裝置(16. 4)與第一升降裝置(16. I)結構相同； 集裝箱(4)內的液壓系統為第一、第二上軌系統(16)、(16’)的各液壓油缸和各液壓馬達提供液壓動力，所述操作平臺用來開啟、關閉所述液壓系統以及控制所述液壓系統提供動力的大小。
4.根據權利要求I、2或3所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，工藝運行驅動系統(5. I)包括伺服驅動電機(5. 11)和減速機(5. 12)，伺服驅動電機(5. 11)和減速機(5. 12)通過彈性聯軸器相連；伺服驅動電機(5. 11)與控制系統(14)電連接，按照控制系統(14)的指令驅動加工車。
5.根據權利要求1、2或3所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，切換機構(5.2)包括第一小齒輪(5. 21)、第二小齒輪(5. 22)、大齒輪(5. 23)以及輸出軸(5. 24)，其中第一 小齒輪(5. 21)固定安裝在減速機(5. 12)的輸出軸端；第二小齒輪(5. 22)固定安裝在常規車載運行驅動系統(5. 3)的輸出軸端；大齒輪(5. 23)活動安裝在輸出軸(5. 24)，能夠左右滑動；輸出軸(5. 24)通過底盤(2)的傳動系統與鐵路輪對系統相連； 當激光加工車在鋼軌上進行加工時，控制系統(14)控制大齒輪(5. 23)在輸出軸(5. 24)上向一側滑動，與第一小齒輪(5. 21)嚙合，切換機構(5. 2)則切換到了工藝運行驅動系統(5. I);當激光加工車加工完畢時，控制系統(14)則控制大齒輪(5. 23)在輸出軸(5. 24)上向另一側滑動，與第二小齒輪(5. 22)嚙合，切換機構(5. 2)則切換到常規車載運行驅動系統(5. 3)，使激光加工車快速行駛。
6.根據權利要求4所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，切換機構(5.2)包括第一小齒輪(5. 21)、第二小齒輪(5. 22)、大齒輪(5. 23)以及輸出軸(5. 24)，其中第一小齒輪(5. 21)固定安裝在減速機(5. 12)的輸出軸端；第二小齒輪(5. 22)固定安裝在常規車載運行驅動系統(5. 3)的輸出軸端；大齒輪(5. 23)活動安裝在輸出軸(5. 24)，能夠左右滑動；輸出軸(5. 24)通過底盤(2)的傳動系統與鐵路輪對系統相連； 當激光加工車在鋼軌上進行加工時，控制系統(14)控制大齒輪(5. 23)在輸出軸(5. 24)上向一側滑動，與第一小齒輪(5. 21)嚙合，切換機構(5. 2)則切換到了工藝運行驅動系統(5. I);當激光加工車加工完畢時，控制系統(14)則控制大齒輪(5. 23)在輸出軸(5. 24)上向另一側滑動，與第二小齒輪(5. 22)嚙合，切換機構(5. 2)則切換到常規車載運行驅動系統(5. 3)，使激光加工車快速行駛。
7.根據權利要求5中任一所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，運動執行機構(9)包括立柱(9. I)、橫梁(9. 2)、右縱梁(9. 3)和左縱梁(9. 4);立柱(9. I)、橫梁(9. 2)、右縱梁(9. 3)和左縱梁(9. 4)內部均安裝有滾珠絲桿螺母副，其中滾珠絲桿由伺服電機驅動；橫梁(9. 2)能夠在立柱(9. I)上升降運動，右縱梁(9. 3)能夠在橫梁(9. 2)上左右運動，左縱梁(9. 4)固定安裝在橫梁(9. 2)上；其中，右縱梁(9. 3)上安裝有可沿其上下移動的激光加工頭(17)，激光加工頭(17)的底部安裝有CXD監視設備(18);左縱梁(9. 4)上安裝有能夠沿其上下移動的光電位移感應器(19) ;(XD監視設備(18)與CXD監視系統(3. 2)通訊連接，C⑶監視設備(18 )將監測到的畫面傳輸到C⑶監視系統(3. 2 );光電位移感應器(19 )與控制系統(14)電連接，控制系統(14)接收光電位移感應器(19)采集的數據，下達指令使運動執行機構(9)做出相應的動作； 控制系統(14)控制運動執行機構(9 )中的橫梁(9.2)沿著立柱(9. I)向下運動到合適的位置，右縱梁(9. 3)隨橫梁(9. 2)下降，再帶動激光加工頭(17)沿著右縱梁(9. 3)下降到鋼軌待處理位置的上方，光電位移感應器(19)則沿著左縱梁(9. 4)下降到距離鋼軌內側一定距離的平行位置；此時，激光加工頭(17)和光電位移感應器(19)則已調整對位，然后控制系統(14)發出指令使激光器組(7)按照設定參數發射出激光束，同時激光加工車在工藝運行驅動系統(5. 3)的帶動下按照設定參數在鋼軌上前進運行；光電位移感應器(19)以其與鋼軌內側面的初始距離為零點，測量出其與鋼軌內側面兩者之間的位移變化量，并將此位移變化量反饋回控制系統(14)，控 制系統(14)再控制右縱梁(9. 3)根據此位移變化量在橫梁(9. 2)上做出相應的位移，從而實時保證激光加工頭(17)始終精確對準鋼軌待處理位置，實現激光加工車激光加工的精確軌跡。
8.根據權利要求5、6或7所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，激光加工頭(17)為第一多出光口式激光加工頭(17.2)，它包括第一支架(17. 2. I)和第二支架(17. 2. 2)，兩支架之間活動安裝了能夠擺動的空心軸(17. 2. 3)，空心軸(17. 2. 3)內固定安裝了第一反射透射鏡(17. 2. 31)、第二反射透射鏡(17. 2. 32)、第三反射透射鏡(17. 2. 33)、第四反射透射鏡(17. 2. 34)和第一反射鏡(17. 2. 35);各反射透射鏡和第一反射鏡(17. 2. 35)均為45度反射，其中，第一反射透射鏡(17. 2. 31)和第四反射透射鏡(17. 2. 34)的反射透射比均為I :1，第二反射透射鏡(17. 2. 32)的反射透射比為I :3，第三反射透射鏡(17. 2. 33)的反射透射比為I 2 ； 激光束(17. 2. 41)經過第一反射透射鏡(17. 2. 31)分成反射光束(17. 2. 42)和透射光束(17. 2. 43)，反射光束(17. 2. 42)依次經過第二反射透射鏡(17. 2. 32)、第三反射透射鏡(17. 2. 33)、第四反射透射鏡(17. 2. 34)和第一反射鏡(17. 2. 35)最終得到四束能量均等的激光束作用于鋼軌上；透射光束(17. 2. 43)采用同樣的方式分為能量均等的四路激光束作用于鋼軌上；各反射透射鏡隨著空心軸(17. 2. 3)擺動能夠實現多路光束同時對鋼軌進行掃描式激光加工。
9.根據權利要求5或7所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，激光加工頭(17)為第二多出光口式激光加工頭(17. 3),它包括第一電機(17. 3. I)、第一電機輸出軸(17. 3. 2)、框架(17. 3. 3)、凸輪(17. 3. 4)、第二電機(17. 3. 5)、鉸鏈(17. 3. 6)、支桿(17. 3. 7)和光頭框架(17. 3. 8);其中，凸輪(17. 3. 4)、第二電機(17. 3. 5)、鉸鏈(17. 3. 6)、支桿(17. 3. 7)和光頭框架(17. 3. 8)均安裝在框架(17. 3. 3)，光頭框架(17. 3. 8)安裝在支桿(17. 3.7)的末端；第一電機(17. 3. I)通過第一電機輸出軸(17. 3. 2)帶動安裝在框架(17. 3. 3)內的凸輪(17. 3. 4)、第二電機(17. 3. 5)、鉸鏈(17. 3. 6)、支桿(17. 3. 7)和光頭框架(17. 3. 8) 一起以第一電機輸出軸(17. 3. 2)為中心作擺動運動；第二電機(17. 3. 5)帶動凸輪(17. 3. 4)以第二電機(17. 35)的輸出軸作旋轉運動，從而帶動支桿(17. 3. 7)和光頭框架(17. 3. 8) —起以鉸鏈(17. 3. 6)為中心做擺動運動；光頭框架(17. 3. 8)包括兩組準直聚焦鏡系統(17. 3. 81)、出光口組(17. 3. 83)以及支撐安裝前兩者的支承架(17. 3. 82);出光口組(17. 3. 83)可以包含一個或者多個出光口，從而實現多光束同時進行激光加工。
10.根據權利要求5或7所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，激光加工頭(17)為機械式激光加工頭(17. 1)，它包括伺服電機(17. I. I)、第二反射鏡(17. I. 2)和第三反射鏡(17. I. 3)，其中第三反射鏡(17. I. 3)固定安裝在機械式激光加工頭(17. I)框架上，第二反射鏡(17. I. 2)安裝在伺服電機(17. I. I)的輸出軸上，伺服電機(17. I. I)能夠帶動第二反射鏡(17. I. 2)擺動；機械式激光加工頭(17. I)能夠對鋼軌進行單束激光掃描加工。
11.根據權利要求2或3所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，車身尾部增設一個副駕駛室(3’)，用于該車在軌道上運行的觀察和控制。
12.根據權利要求4或5中任一所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，運動執行機構(9)包括立柱(9. I)、遛板(9. 5)和工業機器人(9. 6);立柱(9. I)內部安裝有滾珠絲桿螺母副，其中滾珠絲桿由伺服電機驅動；工業機器人(9. 6)安裝在遛板(9. 5)上，隨著遛板(9. 5)能夠沿立柱(9. I)上下移動；工業機器人(9. 6)的末端安裝有激光加工頭(17)，激光加工頭(17)的底部也安裝有C⑶監視設備(18);控制系統(14)內相應增加工業機器人的控制，控制系統(14)首先控制運動執行機構(9)中的遛板(9.5)載著工業機器人(9.6)沿著立柱(9. I)向下運動到合適的位置，然后再控制工業機器人(9.6)的各軸配合運動，帶動激光加工頭(17)調整到合適的加工工位，從而實現對鋼軌表面的激光加工。
13.根據權利要求4或5中任一所述的在線式鋼軌激光加工車，其特征在于，運動執行機構(9)為常規的數控機床或/和多軸工業機器人。
全文摘要
本發明公開了一種在線式鋼軌激光加工車，包括底盤，車身，駕駛控制室和集裝箱；駕駛控制室包括總控制臺、CCD監視系統和驅動切換操作系統，集裝箱內安裝有帶工藝運行驅動系統、常規車載運行驅動系統以及切換機構的雙驅動系統及切換機構；工藝運行驅動系統為激光加工車在激光加工時提供動力驅動，可以精確控制激光加工車工藝運行時的速度和位移；切換機構用于實現常規鐵路驅動系統與工藝運行驅動系統兩者之間的切換。可以保證激光加工車在線處理鋼軌時的精確加工軌跡，可以在鐵路現場完成各種鋼軌，包括正軌、彎道、護輪軌、道岔等的激光處理，使加工后的鋼軌耐磨性大幅度提高，滿足鐵路高速、重載列車對鋼軌的耐磨性要求。
文檔編號E01B31/18GK102776812SQ20121022983
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年3月27日
發明者曾曉雁, 李重洋, 杜敏, 胡乾午, 鄭寅嵐 申請人:華中科技大學, 武漢新瑞達激光工程有限責任公司