CN101798789B

CN101798789B - 一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置

Info

Publication number: CN101798789B
Application number: CN2010101141988A
Authority: CN
Inventors: 曾晓雁; 胡乾午; 李重洋
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Wuhan Hanhai Intelligent Laser Engineering Co. Ltd.
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: CN101798789A

Abstract

本发明公开了一种用于钢轨表面激光强韧化处理及修复用的在线双工位激光移动式激光加工装置，具体包括：双工位激光移动式激光加工装置、两套激光加工头、两套激光束运动执行机构、控制系统和导光系统。本发明的激光移动式激光加工装置体积小、重量轻，适宜于人工搬运；采用专门的控制系统，操控方便；可以利用轨道检修的“天窗口”时间作业，同时在线完成双轨多个不同部位的激光表面强韧化处理与修复，包括直线钢轨、曲线钢轨、护轮轨、道岔等的激光相变淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆、激光合金化、激光毛化和激光冲击强化处理等，使强化后的钢轨耐磨性大幅度延长。本发明的在线双工位激光移动式激光加工装置具有加工效率高、移动方便、加工精度高、操控简单的特点。

Description

一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置

技术领域

本发明属于表面强化与修复范畴，涉及一种钢轨表面在线强韧化处理和修复的移动式激光加工装置，适用于铁路、地铁和轻轨等轨道运输用钢轨表面的强韧化处理和修复。

背景技术

轨道交通是关系到国计民生的重要交通设施，钢轨是轨道交通的重要组成部分。随着列车速度、运量和轴重的提高，钢轨的质量和使用寿命也变得尤为重要。在列车运行中，钢轨直接承受列车载荷并引导车轮运行，受到车轮的撞击和摩擦双重作用，其磨损十分严重，特别是小半径曲线轨道、道岔、尖轨等处。如何提高钢轨的使用寿命，已经成为降低铁路运行成本，提高铁路运行效率的关键之一。

为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法：第一，采用感应全长淬火工艺，获得细片状珠光体组织；第二，采用低合金高碳钢取代普通碳素钢；第三，采用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进一步提高钢轨的表面硬度等。在过去几年中，钢轨全长淬火技术取得了显著的效果，它使钢轨的耐磨性分别提高了50％(直道)和100％(弯道)。然而，全长淬火技术的主要不足之处在于钢轨的表面不能够出现马氏体甚至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程中出现断轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火后钢轨硬度一般控制在Hv320～390之间，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。低合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但效果不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于研发阶段，主要的困难在于如何保证钢轨的焊接接头强度问题。

激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化技术之一，它包括激光相变淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺，其共同特点是加热速度快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表面强化工艺。我们前期的研究成果表明，由于激光表面强化技术的高加热速度、高冷却速度、硬化层深度有限和硬化层呈现压应力状态等特点，钢轨表面即使出现马氏体组织，也不会导致钢轨的强韧性显著下降。特别是由于马氏体组织的硬度显著高于细片状珠光体，因此可以突破感应全长淬火工艺时钢轨表面硬度不能高于Hv390的上限，使得钢轨的表面耐磨性跃上新台阶。此外，激光表面淬火技术具有硬化层深度方便调控、不需要淬火介质、不需要回火、工件变形小等特点，因此除了可以在生产车间内实现定点加工，还可望研发出专用移动设备，将设备搬运到铁路现场，在不拆卸钢轨的前提下，完成轨道的在线淬火。

显然，考虑到铁路干线繁忙的现状，在线处理的移动式激光加工装置应具有高机动性，能够在尽量不影响列车正常运行的前提下，实现钢轨表面强韧化和修复处理。

中国发明专利文献“一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备”(公告号为CN101240367，公开日为2008年08月13日)报道中，提出了一种用于钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等的激光相变淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆处理，实现钢轨的在线强化与修复。该发明将激光加工设备分为激光加工车和动力系统集装箱两部分。其中激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构(可以由小型数控机床、机器人或者光学振镜组成)，激光加工头，导光系统和控制系统；激光加工车采用三轮结构，在两个车轮的一侧安装了一个激光加工头，激光加工头的光路入光口直接采用传输光纤与动力系统集装箱上的光纤激光器连接。在实际加工时，激光加工车在控制系统控制下，沿着轨道方向前进，激光束在导光系统的作用下导向钢轨表面，由运动执行机构带动激光加工头左右摆动，实现对钢轨表面的激光强化及修复处理。激光加工车在加工完一边轨道后，需将激光加工车调头换向，对另一边轨道进行激光强化及修复处理。

上述专利文献所提出激光加工车的主要不足之处为加工效率较低，激光加工车一次只能对单边钢轨进行激光强化及修复处理，完成一边之后须将激光加工车调头换向，再对另一边进行加工，耗时较长，严重影响了对钢轨实际进行激光处理时的加工效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置，该装置体积小、重量轻，可以同时在线完成双轨不同部位的激光表面强韧化与修复处理，具有操作方便、加工效率高的特点。

本发明提供的一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置，包括小车和导光系统，以及安装在小车上的控制系统，其特征在于：该移动式激光加工装置还包括第一、第二运动加工机构；

第一、第二运动加工机构结构相同；第一、第二运动加工机构均包括激光束运动执行机构，摆杆，摆动轴，连接座，激光加工头和镜座；

两个激光束运动执行机构分别安装在小车的车身的两侧，其输出端的一端与摆杆的上端连接、摆杆的下端与摆动轴的一端连接，摆动轴的另一端与激光加工头的一端连接，摆动轴安装在连接座上，连接座固定在车身上；激光加工头的另一端与镜座的一端连接，镜座的另一端入口连接导光系统与外部的激光器连接；

控制系统分别与激光束运动执行机构和激光加工头电连接，控制激光束运动执行机构和激光加工头按照设定的轨迹运动。

本发明提供的移动式激光加工装置可以利用轨道检修的“天窗口”时间作业，同时在线完成双轨不同部位的激光表面强韧化与修复处理，包括直线钢轨、曲线钢轨、护轮轨、道岔等，可以实现钢轨的激光相变淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆、激光合金化、激光毛化和激光冲击强化处理等。本发明的移动式激光加工装置具有如下功能特点：

(1)本发明移动式激光加工装置的结构简单，重量轻，利用人工就可以将其搬运到所需要的位置；

(2)采用专门的控制系统，操控方便；

(3)可以利用轨道检修的“天窗口”时间作业，在线完成线路上指定区域钢轨的表面强化和修复处理。

(4)移动式激光加工装置可以在轨道上同时对双轨的不同部位进行激光表面强韧化及修复处理。由于不同线路钢轨需要强化的部位不同，因此，本发明移动式激光加工装置可以处理的钢轨部位如下所述：(a)直线轨道A、B的处理部位如图1a所示，在直线轨道上只需处理钢轨踏面中间的I、II两个部位；(b)曲线轨道C、D的处理部位如图1b所示，曲线轨道包括曲线段、道岔和辙叉中的基本轨、尖轨、叉芯等。在曲线轨道上需处理的部位为：上股轨C的踏面I和内侧面III、下股轨D的踏面II；共3个部位。(c)有护轮轨E、F的轨道G、H的处理部位如图1c所示，在有护轮轨的线路上，需处理双轨的踏面、内侧面和护轮轨的内侧面，共6个部位。当线路为道岔型曲线轨道时，则E、F护轮轨上的V、VI两个部位只需处理其中之一。

(5)本发明提供的移动式激光加工装置有两个激光加工头，其导光系统可以采用单入口的，即采用一根传导光纤，一端与外部的激光器的出光口连接，另一端与移动式激光加工装置的一个激光加工头的入光口连接。激光束通过传导光纤从外部激光器出光口传输至一个激光加工头的入光口，再通过光路设计将激光束通过光学镜片的作用传输至出另一个激光加工头的入光口，最后作用到钢轨表面。

本发明还可以采用双入口的导光系统，双入口导光系统即对应采用两根传导光纤，两根传导光纤的一端均与外部的激光器的出光口连接，另一端分别与两个激光加工头的入光口连接。激光束分别通过两根传导光纤从外部激光器出光口传输至两个激光加工头的入光口。

(6)本发明中的激光束运动执行机构部分有多种结构形式，可以是伺服电机和凸轮机构的组合结构，或是单独的伺服电机，还可以是数控机床或机器人；另外，通过设计的机械结构还可以人工调节激光束运动执行机构的运动起始点。

(7)本发明激光加工头的光束作用方式有如下两种：

(a)激光光束经过振镜后在钢轨工作部位上按照一定方向进行摆动；

(b)激光光束经过固定的积分镜后直接作用在钢轨的工作部位。

当采用7a的结构方式时，激光束运动执行机构可采用伺服电机和凸轮机构的组合结构，或单独的伺服电机，或数控机床，或机器人。激光束运动执行机构驱动振镜使激光束在钢轨工作部位上按照一定方向进行摆动，摆动的角度范围为-60°～60°范围。根据钢轨位置的实际需要，通过控制激光加工头的摆动频率与幅度、激光加工车的运动速度、激光器的输出功率及频率，激光束可在钢轨表面上产生连续的激光硬化层，也可以产生不连续的、具有一定形状的硬化层，如直线状，曲线状或点阵等。

当采用7b的结构方式时，激光加工头固定在车身上，激光加工头随车的前进、后退在钢轨上作直线运动。激光束经光学组合镜作用，由一束变成5束、6束或多束激光束，通过激光加工头直接作用在钢轨的工作部位上，可得到一组有规律排列的点阵激光作用区或者线状扫描硬化区，其中点阵或者线状硬化区的排列方式可通过调节光学组合镜的位置来变换实现。根据钢轨位置的实际需要，通过控制激光加工车的运动速度、激光器的输出功率及频率，激光束可在钢轨表面上产生不连续的、具有一定形状的点阵排列的硬化层，也可以是连续扫描呈搭接状态或者分离状态的线状扫描硬化区。

(8)本发明中的激光加工头可以与车身纵梁一起随支架上下、横向移动，从而实现对聚焦光斑尺寸的控制，以及改变激光加工头与钢轨的相对位置。另外，激光加工头还可以与纵梁一起随支架内外翻转一定角度，其翻转角度范围为-85°～+85°，当支架垂直直立时，激光加工头垂直于钢轨踏面，即可对钢轨踏面进行激光处理；当支架通过旋转轴向内侧翻转一定角度时，激光加工头通过激光束运动执行机构调节，也相应地向内侧调节一定角度，使激光加工头对准钢轨的内侧面，则可以完成钢轨内侧面的激光处理。

(9)本发明提供的移动式激光加工装置位于钢轨两侧的车轮之间是绝缘状态，从而避免了对铁路信号的干扰。通过在车轮与车轮轴之间安装绝缘橡胶垫，使两侧的车轮隔离绝缘。另外第一、第二后轴驱动轮之间的距离可随两钢轨间的距离的变化而自适应调整，保证第一、第二后轴驱动轮的轮缘始终紧贴靠钢轨内侧。

附图说明

图1不同线路状况的双轨表面需激光处理部位的示意图，其中，(1a)直线轨道A、B；(1b)曲线轨道，C-上股轨，D-下股轨；(1c)有护轮轨E、F的直线轨道G、H；

图2是本发明的激光移动式激光加工装置的一种形式的结构示意图；

图3是本发明所使用的小车1的一种具体形式的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5是车身5的三维结构示意图；

图6是车身5的四分之一部位的结构示意图；

图7是图6的左视图；

图8是本发明的移动式激光加工装置的一种具体结构形式的主视图；

图9是图8的左视图；

图10是图8中的激光束运动执行机构32的结构俯视示意图；

图11是第一运动组件2的各部件的连接结构示意图；

图12(12a)是对应图10中轴套74的位置状态示意图，(12b)为(12a)中的轴套74转动180°后的位置状态示意图；

图13是移动式激光加工装置的后轴驱动轮7与车轮轴8的连接结构细节图；

图14是5种形式激光光路的原理示意图。

具体实施方式

下面通过借助附图和实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

本发明提供的移动式激光加工装置的结构如图2所示，包括小车1、导光系统4、以及安装在小车1上的第一、第二运动加工机构2和2’和控制系统3

小车1可以为三轮，四轮，或六轮结构，以四轮结构为例，如图3，4所示，小车1的结构为：

车身5上分别安装有两个前轮14，以及第一、第二后轴驱动轮6和7，齿轮减速机10固定在车身5的底部，齿轮减速机10的输入轴通过齿轮与后轮驱动伺服电机9(图3中虚线所指处为后轮驱动伺服电机9的位置)的输出轴连接，齿轮减速机10的两个输出轴(也可以采用一根通轴，该通轴的两端)分别通过两个万向联轴节11与两个车轮轴8的一端连接，两个车轮轴8的另一端分别与第一、第二后轴驱动轮6、7连接。小车1通过其上的前轮14、后轴驱动轮6和7和轨道12、13配合，并通过后轮驱动伺服电机9和齿轮减速机10来驱动小车1沿钢轨的长度方向前后移动。

如图5所示，车身5为前后对称、左右对称结构，其底部框架为矩形四根支架161、162、163和164分别对称安装在底部框架上，四根旋转轴181、182、183和184的一端分别安装在四根支架161、162、163和164上，另一端分别安装在底部框架的两根横梁201和202上，纵梁171分别安装在支架161、162之间，纵梁172分别安装在支架163、164之间。本发明中，纵梁定义为平行于钢轨方向的梁；横梁定义为垂直于钢轨方向的梁。

由于车身5结构前后对称、左右对称，故下面以车身5的四分之一部位来说明车身5上的零部件的连接结构关系。车身5为前后对称、左右对称的四个部分组成的结构，下面以其中一个部分的结构来说明车身5上的零部件的连接结构关系。如图6、7所示，支架161通过L型连接块241、螺母151和螺母211可拆卸式安装在底部框架的横梁201的端部，当松开横梁201上螺母211时，支架161可以在横梁201方向上移动。纵梁171通过螺母221可拆卸式安装在图5所示的两根支架161、162上。当松开螺母221时，纵梁171可沿着支架161、162上下滑动；旋转轴181的一端通过螺母191与底部框架上的横梁201相连，另一端安装在支架161的滑套241上。旋转轴181、支架161和横梁201呈三角形架构，可起到稳定的支撑作用。旋转轴181上的螺母191松开时，并松开螺母151，可轻松将支架161在三角形架构所在的平面内绕螺母151翻转一定角度，其翻转角度范围为-85°～+85°。

第一、第二运动加工机构2和2’的结构相同，均分别安装在车身5的两根纵梁171、172上，下面以第一运动加工机构2来说明运动加工机构的结构。

如图8，9所示，第一运动加工机构2主要包括激光束运动执行机构32(图8、9中矩形虚线框所指处)，摆杆35，摆动轴36，连接座38，激光加工头31(图9中椭圆虚线框所指处)和镜座39。

激光束运动执行机构32可以是伺服电机和凸轮机构的组合结构，也可以是单独的伺服电机，还可以是数控机床或机器人。

图8、9中的激光束运动执行机构32是由伺服电机331和凸轮机构341组成。凸轮机构341的输出端与激光加工头31的一端通过摆杆35和摆动轴36连接，激光加工头31的另一端与镜座39的一端连接，镜座39的另一端入口连接传输光纤。

导光系统4通过传输光纤将激光束从外部激光器的出光口传输到镜座39的入口，再经镜座39内的光学镜片的作用将激光束传输到激光加工头31的入光口，从而实现导光系统4的光路传输。控制系统3控制激光束运动执行机构32和激光加工头31按照设定的轨迹运动。

由于第一运动加工机构2通过螺母固定安装在纵梁171上，则激光加工头31可以与纵梁171一起沿支架161上下移动，从而实现对聚焦光斑尺寸的控制；激光加工头31与纵梁171还可以随支架161一起在横梁201上移动，从而改变激光加工头31与钢轨12的相对位置。另外，激光加工头31还可以与纵梁171一起随支架161内外翻转一定角度，其翻转角度范围为-85°～+85°，从而可以完成钢轨12内侧的激光表面处理。

下面举例说明各部件的几种具体实现方式。

下面结合图10，11，12来说明第一运动加工机构2中各部件间的连接结构以及运动原理。

如图10所示，伺服电机331通过联轴器72与凸轮机构341的输入轴73连接，输入轴73通过键槽安装有轴套74，轴套74上分别有一道圆环凹槽和椭圆环凹槽，其中，轴套74在椭圆环凹槽处通过轴承75与推轴76的一端配合连接，在圆环形凹槽处通过轴承80与推轴81的一端配合连接，推轴81的另一端通过其上的螺纹通孔与滚动丝杆79的一端配合连接，滚动丝杆79的另一端光杆处固定安装有手柄78。另外，推轴76和推轴81外分别设有导向槽77和导向槽82。

当在图10中凸轮机构341的推轴76的空置一端安装上摆杆35时，即如图11所示。凸轮机构341的推轴76的一端与摆杆35的上端通过轴承配合连接，摆杆35的下端通过其上的通孔与摆动轴36的一端配合连接，摆动轴36的另一端通过螺钉安装有激光加工头31。其中，摆动轴36通过轴承安装在固定于纵梁171上的连接座38上，则连接座38对摆动轴36以及与摆动轴36一端连接的摆杆35的下端起到限位支撑的作用，摆动轴36以及摆杆35的下端不能做滑移运动，只能作旋转运动。

工作状态时，如图10所示，伺服电机331通过联轴器72带动输入轴73旋转，轴套74则随输入轴73转动。在轴套74由图12a所示位置转动180°到图12b所示位置的过程中，由于椭圆环凹槽的作用，推轴76则在导向槽77内向左滑移，直到图12b所示位置；当轴套74继续转动180°时，则轴套74由图12b所示位置旋转返回到图12a所示的位置，则推轴76在导向槽77内向右滑移，回到图12a的起始位置。

如图11所示，当轴套74连续转动时，连接在推轴76一端的摆杆35上端随推轴76一起左右来回滑动，由于摆杆35下端和摆动轴36一起受到连接座38的束缚，不能做滑移运动，只能在摆杆35上端左右滑移的带动下作左右旋转运动，则固定连接在摆动轴36另一端的激光加工头31随摆动轴36一起作左右旋转运动，其左右旋转角度范围为-60°～60°，从而实现激光加工头31沿钢轨横向方向左右摆动的运动轨迹。

另外，如图10所示，还可以通过手柄78手动调节激光加工头31运动的起始位置。当旋转手柄78时，由于滚动丝杆79的作用，推轴81可在导向槽82内左右滑动，从而带动与推轴81一端连接的轴套74在输入轴73上作轴向滑动，而轴套74又进一步带动与之连接的推轴76以及安装在推轴76上的激光加工头31左右滑移，从而实现了通过手柄78的旋转来调节激光加工头31的运动起始位置的功能。

图13为车轮轴8与后轴驱动轮7连接的结构细节图。如图13所示，车轮轴8通过其上的键槽安装有轴套48，轴套48与后轴驱动轮7之间安装有绝缘橡胶垫46，其中绝缘橡胶垫46通过螺钉47固定在后轮驱动轮7上，通过键45与轴套48联接，其中，由于键45的作用，绝缘橡胶垫46以及与绝缘橡胶垫46采用螺钉固定连接的后轴驱动轮7一起相对于轴套48径向固定，轴向可滑动。

轴套48的两端分别安装有第一、二轴承组件42、42’，第一、二轴承组件42、42’均固定在与车身5固定连接的连接架41上，其中靠近第一轴承主件42的一端的轴套48上安装有挡套43，且挡套43随第一轴承组件42以及连接架41一起相对车身5固定不动。另外，在轴套48上套有压缩状态的弹簧44，弹簧44的一端紧靠绝缘橡胶垫46，另一端紧靠挡套43。

为了使移动式激光加工装置对钢轨进行激光处理时，不对铁路正常运行的信号有所影响，要求激光加工装置对两钢轨之间保持绝缘，因此，本方案中采用绝缘橡胶垫46分别将后轴驱动轮6、后轴驱动轮7、两前轮14与所连接的车轮轴8隔离，使后轴驱动轮6、后轴驱动轮7、两前轮14四者之间均为绝缘状态。上述结构保证了与后轴驱动轮6、后轴驱动轮7、两前轮14相接触的两钢轨12、13之间为绝缘状态。

由于实际的钢轨之间的平行度存在一定的误差，容易导致移动式激光加工装置对钢轨激光加工的位置发生偏离，所以必须对实际的钢轨间距进行间隙补偿。当两钢轨12与13间的距离有所增大时，后轴驱动轮7的轮缘与钢轨13内侧之间则会产生间隙，由于弹簧44靠近挡套43的一端固定不动，则弹簧44会向另一端伸长，从而对绝缘橡胶垫46和后轴驱动轮7产生一个向钢轨外侧的推力，后轴驱动轮7和绝缘橡胶垫46一起则在这个推力之下在轴套48上滑动，向钢轨13的内侧紧靠过来，消除后轴驱动轮7轮缘与钢轨13的内侧之间的间隙，从而确保钢轨激光加工的部位是所要求强化的区段。当两钢轨12与13间的距离有所减小时，钢轨13则对后轴驱动轮7的轮缘产生一个向钢轨内侧方向的推力，由于弹簧44靠近挡套43的一端固定不动，另一端则在这个推力作用之下，进一步向靠近挡套43的一端压缩，通过弹簧44的压缩，从而消除了钢轨13对后轴驱动轮7的向钢轨内侧方向的挤压推力，减轻了钢轨13和后轴驱动轮7间的摩擦和接触疲劳损伤。因此，通过弹簧44的伸缩，后轴驱动轮7能随钢轨12、13间的距离的变化而自适应调整位置，使其轮缘始终贴靠在钢轨13的内侧，从而保证移动式激光加工装置对钢轨激光加工部位的准确性。

本发明装置的激光光路有以下几种方式，图8，图9中激光加工头31、31’和导光系统4的激光光路的不同实施方式见图14。

如图14a所示，导光系统4采用一根传导光纤的单入口方式的光路传输，它包括传导光纤、分光镜52和反光镜57。

第一非球面反射聚焦镜54与其外套的镜筒371(图9中的镜筒371)构成一个激光加工头31，第二非球面反射聚焦镜54’与其外套的镜筒371构成另一个激光加工头31’。

由传导光纤输入的激光束51，经分光镜52后得到第一、第二分束激光53、53’，第一分束激光53经反光镜57反射，再经其中第一非球面反射聚焦镜54后得到聚焦光束，最后作用到其中一根钢轨56的表面。第二分束激光53’直接经第二非球面反射聚焦镜54’后得到聚焦光束，作用到的另一根钢轨56’表面。

如图14b所示，导光系统4如图14a所示，激光加工头31依次由透射聚焦镜58和反射镜60构成，其外套有镜筒371；激光加工头31’依次由透射聚焦镜58’和反射镜60’构成，其外套有镜筒371。由导光系统4输入到激光加工头31入口的激光束“先经透射聚焦镜58再经反射镜60”作用于钢轨上。

如图14c所示，导光系统4的结构如图14a所示，激光加工头31依次由反射镜60和透射聚焦镜58构成，其外套有镜筒371；激光加工头31’依次由反射镜60’和透射聚焦镜58‘构成，其外套有镜筒371。由导光系统4输入到激光加工头31入口的激光束“先经反射镜60再经透射聚焦镜58”作用于钢轨上。

如图14d所示，导光系统4包括传导光纤、分光镜52以及两个反射镜57、57’构成，激光加工头31、31’的结构如图14a所示。

由传导光纤输入的激光束51通过分光镜52中间分光，经过第一、第二反射镜57、57’后得到反射光束，再经过第一、第二非球面反射聚焦镜54、54’后得到聚焦光束，最后作用到第一、第二钢轨56、56’表面。

所图14e所示，导光系统4仅由两根传导光纤构成，激光加工头31、31’的结构如图14a所示。

由两根传导光纤输入的第一、第二激光束51、51’分别经第一、第二非球面聚焦镜54、54’得到聚焦光束，最后作用到第一、第二钢轨56、56’表面。本实施例的光路也可采用图13b和图13c中的反射镜60和透射聚焦镜58，来实现激光光路的传输。

图14a、14b、14c、14d对应的单入口导光系统和图14e的双入口导光系统对应的移动式激光加工装置的结构完全相同(如图8和图9所示)，只是采用的传导光纤数和光学镜片有所不同。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种用于钢轨表面在线处理的移动式激光加工装置，包括小车和导光系统，以及安装在小车上的控制系统，其特征在于：该移动式激光加工装置还包括第一、第二运动加工机构(2、2’)；

第一、第二运动加工机构(2、2’)的结构相同；第一、第二运动加工机构(2、2’)均包括激光束运动执行机构(32)，摆杆(35)，摆动轴(36)，连接座(38)，激光加工头(31)和镜座(39)；

两个激光束运动执行机构(32)分别安装在小车(1)的车身(5)的两侧，其输出端的一端与摆杆(35)的上端连接、摆杆(35)的下端与摆动轴(36)的一端连接，摆动轴(36)的另一端与激光加工头(31)的一端连接，摆动轴(36)安装在连接座(38)上，连接座(38)固定在车身(5)上；激光加工头(31)的另一端与镜座(39)的一端连接，镜座(39)的另一端入口连接导光系统(4)与外部的激光器连接；

控制系统(3)分别与激光束运动执行机构(32)和激光加工头(31)电连接，控制激光束运动执行机构(32)和激光加工头(31)按照设定的轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的移动式激光加工装置，其特征在于：激光束运动执行机构(32)为伺服电机和凸轮机构的组合结构，伺服电机(331)通过联轴器(72)与凸轮机构(341)的输入轴(73)连接，输入轴(73)通过键槽安装有轴套(74)，轴套(74)上分别有一道圆环凹槽和椭圆环凹槽，其中，轴套(74)在椭圆环凹槽处通过第一轴承(75)与第一推轴(76)的一端配合连接，在圆环形凹槽处通过第二轴承(80)与第二推轴(81)的一端配合连接，第二推轴(81)的另一端通过其上的螺纹通孔与滚动丝杆(79)的一端配合连接，滚动丝杆(79)的另一端光杆处固定安装有手柄(78)；另外，第一推轴(76)和第二推轴(81)外分别设有第一导向槽(77)和第二导向槽(82)；

凸轮机构(341)的第一推轴(76)的空置一端与摆杆(35)的上端通过第三轴承配合连接，摆杆(35)的下端通过其上的通孔与摆动轴(36)的一端配合连接，激光加工头(31)安装在摆动轴(36)的另一端。

3.根据权利要求1所述的移动式激光加工装置，其特征在于：

小车(1)为四轮机构，其结构为：车身(5)上分别安装有两个前轮(14)，以及第一、第二后轴驱动轮(6、7)，齿轮减速机(10)固定在车身(5)的底部，齿轮减速机(10)的输入轴通过齿轮与后轮驱动伺服电机(9)的输出轴连接，齿轮减速机(10)的输出轴通过万向联轴节(11)与两个车轮轴(8)的一端连接，两个车轮轴(8)的另一端分别与第一、第二后轴驱动轮(6、7)连接；

车身(5)的底部框架为矩形，第一至第四支架(161、162、163、164)分别对称安装在底部框架上，第一至第四旋转轴(181、182、183、184)的一端分别安装在第一至第四支架(161、162、163、164)上，另一端分别安装在底部框架的第一、第二横梁(201、202)上，第一纵梁(171)安装在第一、第二支架(161、162)之间，第二纵梁(172)安装在第三、第四支架(163、164)之间；

车身(5)为前后对称、左右对称的四个部分组成的结构，其中一个部分的结构为：第一支架(161)通过L型连接块(241)和第一、第二螺母(151、211)可拆卸式安装在底部框架的第一横梁(201)的端部，第一纵梁(171)通过第三螺母(221)可拆卸式安装第一、第二支架(161、162)上；第一旋转轴(181)的一端通过第四螺母(191)与底部框架上的第一横梁(201)相连，另一端安装在第一支架(161)的滑套上；第一旋转轴(181)、第一支架(161)和第一横梁(201)呈三角形架构。

4.根据权利要求3所述的移动式激光加工装置，其特征在于：车轮轴(8)通过其上的键槽安装有轴套(48)，轴套(48)与后轴驱动轮(7)之间安装有绝缘橡胶垫(46)，其中绝缘橡胶垫(46)固定在后轮驱动轮(7)上，通过键(45)与轴套(48)联接；

轴套(48)的两端分别安装有第一、二轴承组件(42、42’)，第一、二轴承组件(42、42’)均固定在与车身(5)固定连接的连接架(41)上，其中靠近第一轴承组件(42)的一端的轴套(48)上安装有挡套(43)，另外，在轴套(48)上套有压缩状态的弹簧(44)，弹簧(44)的一端紧靠绝缘橡胶垫(46)，另一端紧靠挡套(43)。

5.根据权利要求1至4中任一所述的移动式激光加工装置，其特征在于：第一、第二激光加工头均由非球面反射聚焦镜与其外套的镜筒构成；导光系统(4)采用一根传导光纤的单入口方式的光路传输，它包括传导光纤、分光镜(52)和反光镜(57)；

由传导光纤输入的激光束(51)，经分光镜(52)后得到第一、第二分束激光(53、53’)，第一分束激光(53)经反光镜(57)反射，再经过第一激光加工头中的非球面反射聚焦镜后得到聚焦光束，第二分束激光(53’)直接经过第二激光加工头中的非球面反射聚焦镜得到聚焦光束。

6.根据权利要求1至4中任一所述的移动式激光加工装置，其特征在于：第一、第二激光加工头均由非球面反射聚焦镜与其外套的镜筒构成；导光系统(4)包括传导光纤、分光镜(52)以及两个反射镜(57、57’)构成；由传导光纤输入的激光束(51)通过分光镜(52)中间分光，经过第一、第二反射镜(57、57’)后得到反射光束，再分别经过第一、第二激光加工头中的非球面反射聚焦镜后得到聚焦光束。

7.根据权利要求1至4中任一所述的移动式激光加工装置，其特征在于：第一、第二激光加工头均由非球面反射聚焦镜与其外套的镜筒构成；导光系统(4)仅由两根传导光纤构成，由两根传导光纤输入的第一、第二激光束(51、51’)再分别经过第一、第二激光加工头中的非球面反射聚焦镜得到聚焦光束。