CN110369874A - 三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三维数字化钢轨激光修复装置，包括激光熔敷机器人系统和三维模型重建系统；所述机器人系统包括工控机、机器人、机器人控制器、激光发生器、激光焊枪、金属粉送粉器和喷头；所述三维模型重建系统包括激光扫描仪和视频采集卡，所述视频采集卡和所述工控机相连，所述激光扫描仪连接所述视频采集卡。本发明提供了三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法，能够自动定位钢轨和重建破损部位三维模型，进而，利用三维模型自动规划机器人运动路径和控制激光开关，实现对破损部位的自动修复。提高了自动化程度和生产效力，改善了加工精度和质量一致性。
Description
技术领域
本发明涉及铁路维保技术领域，尤其涉及三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法。
背景技术
钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼做轨道电路之用。
随着我国铁路、地铁等轨道交通技术高速的发展、机车车辆轴重的增加、车速的提高，对铁对路线路的质量提出了更高要求，钢轨表面病害的整治已迫在眉睫。
铁路、地铁钢轨使用寿命受控于滚动接触产生的疲劳裂纹和磨耗。疲劳裂纹影响钢轨探伤、轮轨运行状态、增加维护成本、缩短钢轨使用寿命，甚至引起断轨；磨耗，特别上曲线上股侧磨导致钢轨过早下道。为延缓钢轨滚动接触疲劳伤损和磨耗的发展、延长钢轨使用寿命，必须采用现代化的钢轨养修技术来实现。
发明内容
本发明的目的在于提出三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法，能够自动定位钢轨和重建破损部位三维模型，进而，利用三维模型自动规划机器人运动路径和控制激光开关，实现对破损部位的自动修复。提高了自动化程度和生产效力，改善了加工精度和质量一致性。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法，包括激光熔敷机器人系统和三维模型重建系统；
所述机器人系统包括工控机、机器人、机器人控制器、激光发生器、激光焊枪、金属粉送粉器和喷头；所述机器人控制器连接所述机器人和所述工控机，所述机器人控制器连接有激光控制器和送粉控制器，所述激光控制器连接所述激光焊枪，所述送粉控制器连接所述金属粉送粉器，所述激光扫描仪连接所示视频采集卡再连接所述工控机；
所述三维模型重建系统包括激光扫描仪和视频采集卡，所述视频采集卡和所述工控机相连，所述激光扫描仪连接所述视频采集卡。
所述工控机连接有显示装置。
所述工控机设置有系统控制软件，所述系统控制软件控制整个系统的各部分协同工作，从而自动完成修复任务。
所述工控机设置有网络连接装置，从而能够通过有线或者无线的方式联网工作。
本发明还公开了三维数字化钢轨激光修复方法，包括使用上述修复装置的激光扫描三维模型重建方法和三维模型驱动机器人的控制方法，以及激光熔敷技术。
所述激光扫描三维模型重建方法，包括，步骤a，工作人员根据钢轨破损程度确认钢轨待修复位置和范围；
步骤b，将三维数字化钢轨激光熔敷机器人放置在确定的位置，保证待修复部分在机器人作业范围之内；
步骤c，运动平台沿钢轨运动，线结构光投射在钢轨表面，CCD摄像机实时采集扫描线信息；
步骤d，通过运动平台运动可以直接读取x坐标，通过CCD摄像机实时采集扫描线信息可以得到y、z坐标；
步骤e，经图像处理、三维重建后获得由扫描点组成的被扫描物体表面的三维形状位置信息；
步骤f，经工控机软件系统，可将x、y、z激光扫描仪坐标系统经变换矩阵转化到ax、ay、az机器人坐标系统中，最终可以得到实际破损钢轨的真实模型。
所述三维模型驱动机器人的控制方法，包括，步骤A，经激光扫描三维模型重建，得到实际破损钢轨真实模型后，与标准钢轨模型进行数据对比，可得待加工部分的三维数字模型；
步骤B，工作人员在操作界面设置好加工行距、层高、加工方位等参数后，软件系统自动分析待加工三维数字模型，对待加工模型进行分层、分条处理，并规划出机器人的运动路径序列；
步骤C，操作界面显示器，将规划好的机器人运动路径序列，经运动模拟后，真实的模拟整个修复过程；
步骤D，工作人员确认模拟修复过程后，机器人进行激光熔敷作业，直至修复完成。
所述激光熔敷技术逐层对钢轨破损部位进行精确修复，提高零件表面的硬度、耐磨性等机械性能，提高材料的使用寿命。
本发明提供了三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法，能够自动定位钢轨和重建破损部位三维模型，进而，利用三维模型自动规划机器人运动路径和控制激光开关，实现对破损部位的自动修复。提高了自动化程度和生产效力，改善了加工精度和质量一致性。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是本发明的示意图。
图2是本发明的系统工作流程图。
图3是本发明的系统总体解决方案示意图。
图4是本发明的系统组成示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。
下面结合附图1至附图4详细说明本发明实施例的技术方案。本发明实施例提供的三维数字化钢轨激光修复装置和修复方法，包括激光熔敷机器人系统和三维模型重建系统；
所述机器人系统包括工控机、机器人、机器人控制器、激光发生器、激光焊枪、金属粉送粉器和喷头；所述机器人控制器连接所述机器人和所述工控机，所述机器人控制器连接有激光控制器和送粉控制器，所述激光控制器连接所述激光焊枪，所述送粉控制器连接所述金属粉送粉器，所述激光扫描仪连接所示视频采集卡再连接所述工控机；
所述三维模型重建系统包括激光扫描仪和视频采集卡，所述视频采集卡和所述工控机相连，所述激光扫描仪连接所述视频采集卡。
所述工控机连接有显示装置。
所述工控机设置有系统控制软件，所述系统控制软件控制整个系统的各部分协同工作，从而自动完成修复任务。
所述工控机设置有网络连接装置，从而能够通过有线或者无线的方式联网工作。
本发明还公开了三维数字化钢轨激光修复方法，包括使用上述修复装置的激光扫描三维模型重建方法和三维模型驱动机器人的控制方法，以及激光熔敷技术。
所述激光扫描三维模型重建方法，包括，步骤a，工作人员根据钢轨破损程度确认钢轨待修复位置和范围；
步骤b，将三维数字化钢轨激光熔敷机器人放置在确定的位置，保证待修复部分在机器人作业范围之内；
步骤c，运动平台沿钢轨运动，线结构光投射在钢轨表面，CCD摄像机实时采集扫描线信息；
步骤d，通过运动平台运动可以直接读取x坐标，通过CCD摄像机实时采集扫描线信息可以得到y、z坐标；
步骤e，经图像处理、三维重建后获得由扫描点组成的被扫描物体表面的三维形状位置信息；
步骤f，经工控机软件系统，可将x、y、z激光扫描仪坐标系统经变换矩阵转化到ax、ay、az机器人坐标系统中，最终可以得到实际破损钢轨的真实模型。
所述三维模型驱动机器人的控制方法，包括，步骤A，经激光扫描三维模型重建，得到实际破损钢轨真实模型后，与标准钢轨模型进行数据对比，可得待加工部分的三维数字模型；
步骤B，工作人员在操作界面设置好加工行距、层高、加工方位等参数后，软件系统自动分析待加工三维数字模型，对待加工模型进行分层、分条处理，并规划出机器人的运动路径序列；
步骤C，操作界面显示器，将规划好的机器人运动路径序列，经运动模拟后，真实的模拟整个修复过程；
步骤D，工作人员确认模拟修复过程后，机器人进行激光熔敷作业，直至修复完成。
所述激光熔敷技术逐层对钢轨破损部位进行精确修复，提高零件表面的硬度、耐磨性等机械性能，提高材料的使用寿命。
如图1所示是三维数字化钢轨激光熔敷机器人总体结构。系统包括工控机、机器人及其控制器、激光三维扫描仪及视频采集卡、激光发生器及激光枪、金属粉送粉器及喷头等几个主要组成部分。在该系统中，工控机通过网口与机器人控制器相连，通过PCI总线插槽与视频采集卡相连；机器人控制器通过I/O口与激光器和送粉器相连。
如图2所示是本发明的系统总体解决方案。
本发明整体系统由激光熔敷机器人系统和三维模型重建系统两大部分组成。
本发明在激光熔敷机器人系统基础上集成了三维模型重建系统，能够自动定位钢轨和重建破损部位三维模型，进而，利用三维模型自动规划机器人运动路径和控制激光开关，实现对破损部位的自动修复。提高了自动化程度和生产效力，改善了加工精度和质量一致性。
将机器人的可移动性和灵活运动功能与扫描仪三维重建功能、激光熔敷功能合理组合，实现了系统方案创新。
针对所提出的复杂系统，开发了系统控制软件，控制系统各部分协同工作，自动完成修复任务，使系统成为一个全自动化的高效系统。
应用系统创新中所使用的技术，可以对数字模型未知的大型钢轨破损部位实现实时在线修复，完成其他激光修复系统难以完成的修复任务。
自行开发的基于三维模型规划机器人焊接路径的算法和控制软件，是对传统数控加工刀路规划的拓展，技术具有鲜明的特点和实用价值。
本发明用到了下述的关键技术：
第一，是激光扫描三维模型重建技术。运动平台每运动到一个确定的位置，线结构光投射在物体表面，CCD摄像机实时采集扫描线信息，经过图像处理、三维重建，首先可以得到激光线上的点在扫描仪坐标系下的坐标；然后求得激光线上的点在机器人坐标系的坐标；最后获得由扫描点组成的被扫描物体表面的三维形状位置信息，实现对被测物表面的三维模型重建。
第二，是三维模型驱动机器人的控制技术。由待加工部位的三维数字模型自动规划出机器人运动路径，驱动机器人系统完成加工任务的控制技术。给定三维数字模型，并设置好加工行距、层高、加工方位等参数后，软件自动对三维模型进行分析，并根据给定的参数自动规划机器人的运动路径序列
第三，是激光熔敷技术。激光熔敷技术应用到表面处理上，可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性等机械性能，提高材料的使用寿命；激光熔敷技术应用在钢轨修复上，可以逐层对钢轨破损部位进行精确修复，大量节约生产加工成本；激光溶敷应用到快速制造金属零件上，可以减少钢轨制造工序，节约成本，提高零件质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.三维数字化钢轨激光修复装置，其特征在于：包括激光熔敷机器人系统和三维模型重建系统；
所述机器人系统包括工控机、机器人、机器人控制器、激光发生器、激光焊枪、金属粉送粉器和喷头；所述机器人控制器连接所述机器人和所述工控机，所述机器人控制器连接有激光控制器和送粉控制器，所述激光控制器连接所述激光焊枪，所述送粉控制器连接所述金属粉送粉器，所述激光扫描仪连接所示视频采集卡再连接所述工控机；
所述三维模型重建系统包括激光扫描仪和视频采集卡，所述视频采集卡和所述工控机相连，所述激光扫描仪连接所述视频采集卡。
2.如权利要求1所述的修复装置，其特征在于：所述工控机连接有显示装置。
3.如权利要求3所述的修复装置，其特征在于：所述工控机设置有系统控制软件，所述系统控制软件控制整个系统的各部分协同工作，从而自动完成修复任务。
4.如权利要求3所述的修复装置，其特征在于：所述工控机设置有网络连接装置，从而能够通过有线或者无线的方式联网工作。
5.三维数字化钢轨激光修复方法，其特征在于：包括使用上述权利要求4所述修复装置的激光扫描三维模型重建方法和三维模型驱动机器人的控制方法，以及激光熔敷技术。
6.如权利要求5所述的修复方法，其特征在于：所述激光扫描三维模型重建方法，包括，步骤a，工作人员根据钢轨破损程度确认钢轨待修复位置和范围；
步骤b，将三维数字化钢轨激光熔敷机器人放置在确定的位置，保证待修复部分在机器人作业范围之内；
步骤c，运动平台沿钢轨运动，线结构光投射在钢轨表面，CCD摄像机实时采集扫描线信息；
步骤d，通过运动平台运动可以直接读取x坐标，通过CCD摄像机实时采集扫描线信息可以得到y、z坐标；
步骤e，经图像处理、三维重建后获得由扫描点组成的被扫描物体表面的三维形状位置信息；
步骤f，经工控机软件系统，可将x、y、z激光扫描仪坐标系统经变换矩阵转化到ax、ay、az机器人坐标系统中，最终可以得到实际破损钢轨的真实模型。
7.如权利要求5所述的修复方法，其特征在于：所述三维模型驱动机器人的控制方法，包括，步骤A，经激光扫描三维模型重建，得到实际破损钢轨真实模型后，与标准钢轨模型进行数据对比，可得待加工部分的三维数字模型；
步骤B，工作人员在操作界面设置好加工行距、层高、加工方位等参数后，软件系统自动分析待加工三维数字模型，对待加工模型进行分层、分条处理，并规划出机器人的运动路径序列；
步骤C，操作界面显示器，将规划好的机器人运动路径序列，经运动模拟后，真实的模拟整个修复过程；
步骤D，工作人员确认模拟修复过程后，机器人进行激光熔敷作业，直至修复完成。
8.如权利要求5所述的修复方法，其特征在于：所述激光熔敷技术逐层对钢轨破损部位进行精确修复，提高零件表面的硬度、耐磨性等机械性能，提高材料的使用寿命。
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