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原文传递结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置及方法

专利名称：	结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置及方法
摘要：	本发明公开了一种结合激光熔覆‑机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：包括激光熔覆‑机加工增减材运动载体(1)以及设置于其上的运动执行部件(2、2’)，运动执行部件(2、2’)为多轴机构，运动执行部件(2、2’)的激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)安装于其中的同一轴上，通过移动及旋转调整位置及姿态，进而使激光熔覆加工头(26)对钢轨(40)的不同部位进行激光熔覆加工，再使机加工头(27)对每个熔覆道的不同法向角度进行机械加工。本发明实现了激光熔覆结合机加工一体式的增减材钢轨修复，通用性强，可以适应不同情况磨损钢轨的激光熔覆增材修复及铣削、打磨或磨削等加工。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	华中科技大学
发明人：	胡乾午;牛莅;许晓明;王邓志;孟丽;郭平华;曾晓雁
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-04T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201910271722.3
公开号：	CN110080049A
代理机构：	武汉东喻专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	李佑宏
分类号：	E01B31/02(2006.01);E;E01;E01B;E01B31
申请人地址：	430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
主权项：	1.一种结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：包括激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)以及设置于其上的运动执行部件(2、2’)，所述运动执行部件(2、2’)为多轴机构，所述运动执行部件(2、2’)的激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)安装于其中的同一轴上，通过移动及旋转调整所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)的位置及姿态，进而使所述激光熔覆加工头(26)对钢轨(40)的不同部位进行激光熔覆加工，再使所述机加工头(27)对每个熔覆道的不同法向角度进行机械加工。 2.如权利要求1所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述运动执行部件(2、2’)还包括第一法向距离传感器(41)、第二法向距离传感器(42)，这两个法向距离传感器(41、42)与所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)安装于同一轴上、且在钢轨长度方向即X方向上依次前后设置，这两个法向距离传感器(41、42)在钢轨横向即Y方向上以预定的固定间距L左右设置、且分布于钢轨轨顶靠内侧的区域，进而分别同时检测所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)与钢轨(40)表面的法线距离参数以用于计算所述同一轴的旋转角度。 3.如权利要求2所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述同一轴的旋转角度的按如下方式计算：所述激光熔覆加工头(26)和所述机加工头(27)的法线与所述钢轨(40)表面法线的夹角设为α和β，两个法向距离传感器(41、42)之间的距离为L，第一法向距离传感器(41)的检测距离为h1，第二法向距离传感器(42)的检测距离为h2，法向检测距离差为△h，△h＝h1-h2，则： α＝arctg(△h/L)，β＝arctg(△h/L)。 4.如权利要求2-3任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述运动执行部件(2、2’)还包括高度跟踪距离传感器(43)，其安装于所述同一轴上，以使所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)在修复过程中的高度保持稳定状态。 5.如权利要求1所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述运动执行部件(2、2’)还包括运动模块(11、11’)，以及安装在其上的线扫描成像仪(3、3’)；独立于所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)所安装的同一轴，所述运动模块(11、11’)安装于另一轴上，且在钢轨长度方向即X方向上既可带动所述线扫描成像仪(3、3’)相对于所述运动载体做前后运动，又可相对于所述运动载体静止、随运动载体前后运动；所述线扫描成像仪(3、3’)，用于对钢轨(40)的轮廓进行扫描成像、规划加工路径，且反馈检测的参数用于计算所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)安装的同一轴的旋转角度以及使所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)在修复过程中的高度保持稳定状态，并追踪控制钢轨外侧的边缘距离。 6.如权利要求4所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述多轴机构包括Y轴移动部(21)、Z轴移动部(22)、A轴旋转部(23)，三者分别沿Y方向可移动、沿高度方向即Z方向可移动、沿平行于X方向的A轴可旋转，所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)、第一法向距离传感器(41)、第二法向距离传感器(42)、高度跟踪距离传感器(43)都安装于所述A轴旋转部(23)上。 7.如权利要求5所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述多轴机构包括Y轴移动部(21)、Z轴移动部(22)、A轴旋转部(23)、X轴移动轨道，前三者分别沿Y方向可移动、沿高度方向即Z方向可移动、沿平行于X方向的A轴可旋转，所述激光熔覆加工头(26)、机加工头(27)、都安装于所述A轴旋转部(23)上，所述运动模块(11、11’)安装于所述X轴移动轨道上。 8.如权利要求6-7任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述机加工头(27)包括作用头(271)、电机主轴(272)、W轴移动部(273)；其中，所述电机主轴(272)可带动其下方的作用头(271)转动，所述W轴移动部(273)安装在所述电机主轴(272)与所述A轴旋转部(23)之间，可独立于所述Z轴移动部(22)带动所述电机主轴(272)、作用头(271)升降。 9.如权利要求1所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置，其特征在于：所述运动执行部件(2、2’)包括结构相同的第一运动执行部件(2)和第二运动执行部件(2’)，分别布置于所述激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)的横向两侧，同时对两股钢轨(40)的不同部位分别独立进行激光熔覆-机加工增减材修复。 10.一种如权利要求4、6-8任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于：根据两个法向距离传感器(41、42)检测的参数，调整激光熔覆加工头(26)的法向角度；根据高度跟踪距离传感器(43)检测的参数，调整激光熔覆加工头(26)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述调整到位后，先对钢轨(40)进行在线激光熔覆修复，待熔覆修复全部完成后，再选择现场的完好钢轨作为参照钢轨；根据两个法向距离传感器检测(41、42)检测的参数，调整机加工头(27)的法向角度；根据高度跟踪距离传感器(43)检测的参数，调整机加工头(27)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述各调整到位后，进行最后的机械加工。 11.如权利要求10所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于：所述在线激光熔覆修复的同时，在激光熔覆加工头(26)后面布置的机加工头(27)也同时进行首次机械粗加工；待熔覆修复全部完成后，再选择现场的完好钢轨作为参照钢轨；根据两个法向距离传感器检测(41、42)检测的参数，调整机加工头(27)的法向角度；根据高度跟踪距离传感器(43)检测的参数，调整机加工头(27)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述各调整到位后，进行最后的机械精加工。 12.如权利要求10-11任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，还包括：根据两个法向距离传感器(41、42)检测的参数以及高度跟踪距离传感器(43)检测的参数，定位需要进行激光熔覆加工的区域。 13.如权利要求12所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，定位需要进行激光熔覆加工的区域的起点的具体步骤包括：设从激光熔覆加工头(26)指向前方的两个法向距离传感器(41、42)的方向为X方向的正向，从钢轨指向轨道横向中纵面的方向为Y方向的正向，修复钢轨需要在Y方向熔覆m道，每道要熔覆n层，每道熔覆的有效横向宽度为λ，每道熔覆厚度为τ； (1)设高度跟踪距离传感器(43)的跟踪距离为H0±t0，H0为初始高度，t0为高度误差值，设熔覆道数的变量为i，熔覆层数的变量为j，第一法向距离传感器(41)的检测距离变量为η1，第二法向距离传感器(42)的检测距离变量为η2； (2)令i＝0，j＝0； (3)开启激光熔覆加工头(26)的指示激光(20)，对准前端参照钢轨的参考点，记录此时的坐标点为第Pi,j个原点； (4)开启高度跟踪距离传感器(43)的反馈控制系统，将运动执行部件(2、2’)下降到距离参照钢轨表面H0±t0的位置，则η1＝h1，η2＝h2；启动激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)，向X方向的正向运动； (5)令△h1＝η1-h1，△h2＝η2-h2，△z＝max(△h1，△h2)； (6)令i＝i+1，其中i＝1,2,……，取整数； (7)令j＝j+1，其中j＝1,2,……，取整数； (8)根据△z与τμ1的比较，其中μ1为倍数系数，确定激光熔覆的起点，定义此点为Ai,j点； (9)根据△z与τμ2的比较，其中μ2为倍数系数，确定需要旋转进行激光熔覆的起点，定义此点为A2i,j点。 14.如权利要求13所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(8)中，判断△z≥0.5τ是否满足，如果是，定义此点为Ai,j点，记录此点的X坐标和Y坐标，进入下一步。 15.如权利要求13所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(9)中，判断△z≥1.5τ是否满足,如果是，定义此点为A2i,j点，记录此点的X坐标和Y坐标。 16.如权利要求14所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(9)中还包括在A2i,j点调整激光熔覆加工头(26)的法向角度，具体步骤为：在A2i,j点按照α＝arctg(△h/L)的计算结果，其中△h＝h1-h2，将A轴旋转部(23)旋转α角。 17.如权利要求13-16任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，开始进行激光熔覆修复和定位需要进行激光熔覆加工的区域的终点的具体步骤包括： (10)判断指示激光(20)是否到达Ai,j点，如果是，开始进行激光熔覆修复； (11)根据△z与τμ3的比较，其中μ3为倍数系数，确定以α旋转角进行激光熔覆的终点，定义此点为B2i,j点； (12)根据△z与τμ4的比较，其中μ4为倍数系数，确定激光熔覆的终点，定义此点为Bi,j点,记录此点的X坐标和Y坐标。 18.如权利要求17所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(11)中，判断-△z≥1.5τ是否满足，如果是，定义此点为B2i,j点，记录此点的X坐标和Y坐标。 19.如权利要求18所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(11)中还包括在B2i,j点调整激光熔覆加工头(26)的法向角度，具体步骤为：在B2i,j点按照α＝arctg(△h/L)的计算结果，其中△h＝h1-h2，将A轴旋转部(23)旋转-α角。 20.如权利要求17-19任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在激光熔覆加工的区域，每一道每一层激光熔覆修复的终止过程的具体步骤包括： (13)判断指示激光(20)是否到达Bi,j点，如果是，结束激光熔覆修复； (14)判断j≥n是否满足，如果是，说明第i道第n层已经熔覆完毕，将运动执行部件(2、2’)沿Y方向平移λ距离，然后，进到下一步；否则，返回到步骤(7)； (15)判断i≥m是否满足，如果是，说明第m道第n层已经熔覆完毕，进到下一步；否则，返回到步骤(6)； (16)结束熔覆修复，准备机加工。 21.如权利要求20所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，对熔覆道的机加工的具体步骤包括： (17)设每个熔覆道内机加工头(27)角度变化次数的变量为q,法向角度的变量设为βi,k，第一法向距离传感器(41)的检测距离变量设为η1i,k，第二法向距离传感器(42)的检测距离变量设为η2i,k； (18)令i＝0，k＝0； (19)令i＝i+1，其中i＝1,2,……，取整数； (20)令k＝k+1，其中k＝1,2,……，取整数； (21)将指示激光(20)对准Bi，k点，激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)继续前行到后端参照钢轨，并对准后端参照钢轨的参考原点，P＇点；开启高度跟踪距离传感器(43)的反馈控制系统，将运动执行部件(2、2’)下降到距离后端参照钢轨表面H0±t0的位置； (22)按照βi,k＝arctg(△h/L)的计算结果，将A轴旋转部(23)旋转βi,k角，则第一法向距离传感器(41)的跟踪距离为η1i,k±t1，第二法向距离传感器(42)的跟踪距离为η2i,k±t2，其中t1、t2为高度误差值；启动激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)，向X方向的负向运动； (23)判断机加工头(27)是否到达Bi,k点，如果是，降低并启动机加工头(27)开始机加工； (24)判断机加工头(27)是否到达Ai,k，如果是，关闭机加工头(27)并提升到待机位置，停止机加工。 22.如权利要求21所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，机加工终止过程的具体步骤包括： (25)判断k≥q是否满足，如果是，说明第i道第k个角度的机加工完毕，将运动执行部件(2、2’)沿Y方向平移λ距离，然后，进到下一步；否则，返回到步骤(20)； (26)判断i≥m是否满足，如果是，说明第m道第k个角度的机加工完毕，进到下一步；否则，返回到步骤(19)； (27)结束。 23.一种如权利要求5、7-8任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于：根据线扫描成像仪(3、3’)检测的参数，调整激光熔覆加工头(26)的法向角度、调整激光熔覆加工头(26)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述调整到位后，先对钢轨(40)进行在线激光熔覆修复，待熔覆修复全部完成后，再选择现场的完好钢轨作为参照钢轨；根据线扫描成像仪(3、3’)检测的参数，调整机加工头(27)的法向角度、调整机加工头(27)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述各调整到位后，进行最后的机械加工。 24.如权利要求23所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于：所述在线激光熔覆修复的同时，在激光熔覆加工头(26)后面布置的机加工头(27)也同时进行首次机械粗加工；待熔覆修复全部完成后，再选择现场的完好钢轨作为参照钢轨；根据线扫描成像仪(3、3’)检测的参数，调整机加工头(27)的法向角度、调整机加工头(27)至钢轨表面的法向垂直距离；在上述各调整到位后，进行最后的机械精加工。 25.如权利要求23-24任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，采用线扫描成像仪(3、3’)对钢轨进行检测以及定位激光熔覆起点的具体的步骤包括：设从激光熔覆加工头(26)指向前方的线扫描成像仪(3、3’)的方向为X方向的正向，从钢轨指向轨道横向中纵面的方向为Y方向的正向，设需要检测的钢轨长度为L1，修复钢轨需要在Y方向熔覆m道，每道要熔覆n层，熔覆道数的变量为i，熔覆层数的变量为j，每道熔覆的有效横向宽度为λ，每道熔覆厚度为τ； (1)令i＝0，j＝0； (2)开启激光熔覆加工头(26)的指示激光(20)，对准前端参照钢轨的参考点，记录此时的坐标点为第Pi,j个原点,并记录此点的X、Y、Z坐标； (3)开启线扫描成像仪(3，3’)，启动激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)，向X方向的正向匀速运动，并记录钢轨的三维轮廓参数；同时开启对钢轨(40)的外侧边缘距离的反馈控制，即通过检测钢轨(40)的外侧边缘与检测窗口(35)的边缘(36)之间的距离，同时反馈控制Y轴移动部，使钢轨(40)的外侧边缘距离控制在W±Δw范围内，其中W为跟踪控制距离，Δw为跟踪误差； (4)在获得长度大于L1的钢轨三维轮廓参数后，激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)返回Pi,j点待命位置； (5)令检测点相对于参考钢轨的最大高度差为△Z； (6)令i＝i+1，其中i＝1,2,……，取整数； (7)令j＝j+1，其中j＝1,2,……，取整数； (8)根据△Z与τμ1的比较，其中μ1为倍数系数，确定激光熔覆的起点，定义此点为Ai,j点； (9)根据△Z与τμ2的比较，其中μ2为倍数系数，确定需要旋转进行激光熔覆的起点，定义此点为A2i,j点。 26.如权利要求25所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(8)中，判断△z≥0.5τ是否满足，如果是，定义此点为Ai,j点，记录此点的X、Y、Z坐标，进入下一步。 27.如权利要求25所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(9)中，判断△z≥1.5τ是否满足,如果是，定义此点为A2i,j点，记录此点的X、Y、Z坐标。 28.如权利要求27所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(9)中还包括在A2i,j点调整激光熔覆加工头(26)的法向角度，具体步骤为：根据检测点处与参考钢轨的三维轮廓的横截面对比，修正激光熔覆加工头(26)的姿态，将A轴旋转部(23)旋转α角。 29.如权利要求25-28任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，开始进行激光熔覆修复和定位激光熔覆终点的具体步骤包括： (10)判断指示激光(20)是否到达Ai,j点，如果是，开始进行激光熔覆修复； (11)根据△Z与τμ3的比较，其中μ3为倍数系数，确定停止旋转激光熔覆的终点，定义此点为B2i,j点； (12)根据△Z与τμ4的比较，其中μ4为倍数系数，确定激光熔覆的终点，定义此点为Bi,j点,记录此点的X、Y、Z坐标。 30.如权利要求29所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(11)中，判断-△Z≥1.5τ是否满足，如果是，定义此点为B2i,j点，记录此点的X、Y、Z坐标。 31.如权利要求30所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在步骤(11)中还包括在B2i,j点调整激光熔覆加工头(26)的法向角度，具体步骤为：根据检测点处与参考钢轨的三维轮廓的横截面对比，修正激光熔覆加工头(26)的姿态，将A轴旋转部(23)旋转-α角。 32.如权利要求29-31任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，激光熔覆加工时，每一道每一层激光熔覆修复的终止过程的具体步骤包括： (13)判断指示激光(20)是否到达Bi,j点，如果是，结束激光熔覆修复； (14)判断j≥n是否满足，如果是，说明第i道第n层已经熔覆完毕，将运动执行部件(2、2’)沿Y方向平移λ距离，然后，进到下一步；否则，返回到步骤(7)； (15)判断i≥m是否满足，如果是，说明第m道第n层已经熔覆完毕，进到下一步；否则，返回到步骤(6)； (16)结束熔覆修复，准备机加工。 33.如权利要求32所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，对熔覆道的机加工的具体步骤包括： (17)设每个熔覆道内机加工头(27)角度变化次数的变量为q,法向角度的变量设为βi,k； (18)令i＝0，k＝0； (19)令i＝i+1，其中i＝1,2,……，取整数； (20)令k＝k+1，其中k＝1,2,……，取整数； (21)将指示激光(20)对准Bi，k点，激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)继续前行到后端参照钢轨，并对准后端参照钢轨的参考原点，P＇点；将运动执行部件(2、2’)下降到机加工高度； (22)根据熔覆增材后的检测点处与参考钢轨的三维轮廓的横截面对比，修正机加工头(27)的姿态，将A轴旋转部(23)旋转βi,k角；启动激光熔覆-机加工增减材运动载体(1)，向X方向的负向运动； (23)判断机加工头(27)是否到达Bi,k点，如果是，降低并启动机加工头(27)开始机加工； (24)判断机加工头(27)是否到达Ai,k，如果是，关闭机加工头(27)并提升到待机位置，停止机加工。 34.如权利要求33所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，机加工终止过程的具体步骤包括： (25)判断k≥q是否满足，如果是，说明第i道第k个角度的机加工完毕，将运动执行部件(2、2’)沿Y方向平移λ距离，然后，进到下一步；否则，返回到步骤(20)； (26)判断i≥m是否满足，如果是，说明第m道第k个角度的机加工完毕，进到下一步；否则，返回到步骤(19)； (27)结束。 35.如权利要求25-34任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，整个过程中，所述运动模块(11、11’)相对于所述运动载体静止、随运动载体前后运动。 36.如权利要求25-34任一项所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，进行钢轨轮廓参数的检测时，在所述运动载体不移动的情况下，所述运动模块(11、11’)相对于所述运动载体做前后运动，将所述运动载体的启动和移动替换为所述运动模块(11、11’)的启动和移动。 37.如权利要求36所述的结合激光熔覆-机加工进行增减材修复钢轨的装置的加工方法，其特征在于，在启动所述运动模块(11、11’)之前，先通过移动调整所述多轴机构，以使得所述线扫描成像仪(3、3’)的移动不受到阻挡。
所属类别：	发明专利