总控式的激光工作站用于机车凸轮装置的打标荆州

总控式的激光工作站用于机车凸轮装置的打标

总控式的激光工作站用于机车凸轮装置的打标 2011年12月04日 来源： GE运输铁路公司是全球技术的领头羊，也是铁路、运输、船用引擎以及矿业中的设备供应商。该公司在宾西法尼亚西部设有工厂，在过去的十年中，该公司领导了整个柴油电力机车市场，目前，在世界范围内有15,000台GE公司的机车投入使用，用于货运和客运车厢的牵引。 铁路工业与其他行业没有什么两样；铁路的利润在于以最小的投入实现最大的产出。开始时，铁路工业尽力实现更为经济的运送收货人的产品。这就是说，需要寻找速度更快，马力更大，也更为经济的动力。所谓的“动力竞争”事实上就是在铁路刚出现的时候开始的。

早期的机车大部分都是由蒸汽作为动力。用木材，煤，或者石油加热锅炉中的水来产生蒸汽，从而推动与驱动杆相连的活塞，驱动杆推动车轮的转动。过去，在这种方案里出现了许多不同的实现方式，发展的顶峰是使用大型机车，它利用了许多耦合的驱动轮，使得这种动力的牵引能力实现最大化。这些机器的维护专业化程度高得可怕。到三十年代或者四十年代，人们普遍感到蒸汽动力相对于投资来说，已经发展到了利润的最大程度。 二十世纪初，人们发现利用电力来牵引是一种更为有效的推动方式。但是，这需要建设固定的发电设备，还需建立高架设施来把电流传到机车处。电流被用来使(牵引)马达转动，马达连接到车轴上。机车的每个车轴都需要安装马达，这就使得铁路中使用的牵引能力更大，而消耗的电能更少。 多年来，许多发明者和制造商努力寻找备选方案。结论就是开发轻型、高输出功率的柴油引擎的发展就是得到的答案。这使制造商可以将它们与发电机耦合起来直接在机车上驱动牵引马达。这样就不需要之前所用的昂贵的固定发电站来实现电力牵引了。 GE公司现已成为实际电力机车的制造商们所需的电气器件的供应商。早期的柴油电力机车需要许多这样的设备。该公司与几家机车制造商合作提高电力设备的容量，以便与柴油机输出功率的提高同步。GE公司还建成了自己的一套小型配电系统以及工业用的机车来满足相应的市场需要。 在二十世纪四十年代到五十年代之间，北美铁路工业实现了向柴油电力驱动的转换。对柴油电动机车来说，维护更便宜，它也更为灵活机动，停工时间更短，而且相互之间能够连结到一起，可以从一个位置进行控制。这里最后一个特点加速了北美蒸汽动力机车退出历史舞台的进程。如今，单个的引擎可以有足够的输出功率和牵引能力来拉动以前需要两个或更多蒸汽机车(包括各自的机组人员)才能拉动的列车。 二十世纪五十年代到六十年代期间，北美的机车制造商数量减少，虽然此时铁路正急需更高的马力。而GE公司利用了它在机车电力控制方面的经验，于六十年代初开始制造自己的更高马力机车的生产线。机车的通用系列为本工业设定了一个输出功率标准。到了七十年代，节约燃料已变得比输出功率更为重要，GE公司再次加入这一发展。八十年代，电力控制上的进步使得动力竞争地位又再次得到提升。GE公司总是在电力控制技术的前沿，并且借机生产了“第二代”柴油电力机车，它建立了性能改善，可靠性和生命周期成本的新记录。GE公司已经成为大马力的柴油电力机车的头号生产商。但是这并不是GE公司的顶峰。

牵引动力是机车中最重要的部分，这台GE公司柴油机利用激光标记的正时齿轮来获得动力

直到此时，大部分的柴油机车还是用直流牵引式电动机来提供动力。直流牵引效率相当好，维护简便，使用安全，且只需要一个发电机来提供电流。然而直流牵引电动机的效率曲线在每分钟转数下降时也会下降。转速越慢它们的效率越低，更容易过热。 机车车轮变得越慢，需要的牵引作用就越大。机车的输出功率需要在牵引电动机产生的最低“失速速度”处达到峰值。七十到八十年代的进一步改善把“最低失速”降低到8到9 MPH。在这个速度时，牵引电动机输出功率最大，效率最低。由于过热带来的损坏和效率的损失限制了速度的进一步降低。铁路和工业供应商都知道交流电动机的效率曲线更好，但是在运动的情况下它不能合理的控制交流电流。 九十年代时，人们发现欧洲铁路市场发展起来的计算机控制和直流技术的进步也满足北美铁路的需要。GE公司将这种交流技术和新一代效率超高的高马力柴油引擎和交流发电机结合起来，从而生产了目前前沿的机车。在一些方面，这些机车的性能在移动速度慢时更好。高速时的效率也显著提高。目前GE公司继续革新并改善它当前产品系列，包括直流、交流和客运机车。 约两年前，公司开始寻找新的方法来改善打越来越多的定时标记的方法，在位于宾州Grove市的工厂中，这些标记被打在大型的200磅机车齿轮装置上。当时是使用了一台老旧的激光打标器，它很笨重，操作时容易出错，得到的标志又不连续。 时间标记是由激光在沿着凸轮轴齿轮走360度时，在每个度点刻出的线。它被用来设定气阀机构和机轴之间的时间，这样气阀在活塞到达它在汽缸中运动的上止点时就能打开。这个过程贯穿于整个4400-输出功率、16-汽缸引擎的进气和排气周期。凸轮装置被栓紧在由机轴驱动的凸轮轴上，凸轮轴又驱动气阀机构。利用机轴齿轮按度数的排列，凸轮装置也可用来设定引擎的时间。

激光在凸轮装置上的刻蚀，有360个散列的正时标记线和36个数字

时间标记是由激光在钢材表面雕刻得到的，散列的标记是从0度到360度，每一度划下线，每十度划一个数字。这样，就有360条散列的标记线以及36个数字需要进行激光雕刻。 GE公司发现由旧激光器对零件做标记时，产品废弃率为50%，这是因为激光输出重复率不好，同时由于处理的齿轮有200磅重，它带来的误差导致了工作位置的不一致。不合适的标记需由系统操作员磨平，之后重新标记。 Telesis Technologies公司(俄亥俄州，Circleville市)进行了定制工程，在对GE公司的需要进行考察后，提议了建立一套易装卸的Eclipse激光标记系统(CDRH一级封装)，它使用了一个安装在直线滑板上的分度器。大型的凸轮装置可以通过起重机来简便安装到分度器上，这样，只要按个按钮，整个平台就将凸轮装置平移到一个一级联锁封装系统内，开始在凸轮轴的齿轮面上进行360度的正时标记的雕刻。此前，旧的系统中，操作员不得不抬起一个金属盖，把大型凸轮装置“运”到安装夹具中，且必须仍吊在起重机上，以免破坏激光器的检流计头。这个Telesis系统由于使用了可平移的回转台，安装简便，无任何阻碍。这个系统还包括了用来保障安全的光幕，凸轮装置的固定装置提供了参照，可以确保齿轮方向的正确性。 GE公司购买的Telesis系统可以为凸轮装置和引擎机座做标记，这取决于固定装置。这样安排是因为机车的生产速度很低，利用激光的灵活性，公司可以既对齿轮进行打标又对所需的引擎机座进行打标。引擎机座被成批的打上条形码标志(表示生产信息)，而齿轮的标记使用静态信息标记。目前使用的这个系统装备有100W灯泵浦的Nd:YAG激光器。 所定制的工作站的设计，齿轮打标是自动进行的，机座打标是人工操作的。按钮式控制站和工作状态选择开关可以用来控制水平滑板装置的平移过程以及进入工作点的激光能量。从侧边装卸的特点使它可以进行面板打标，而此特点在旧系统中是没有的。这项应用需要一个回转台来对凸轮装置的整个周长进行标记，因此，就为安装不同的夹具带来方便以满足进行标志面板的标记时的需要。侧面的入口处不仅提供了凸轮装置的安装方法，也提供了面板打标的安装/拆卸方法。

打标以前，未处理的机车正时齿轮被放置在Nd:YAG激光器打标头下面定制的固定装置上

此外，Telesis AMI(自动化机器接口)软件使得编程和用来加载图形的条形码扫描更为简单，并将扫描信息置于合适的位置。AMI还可以加载所要做的标记的正确标签的图片文件，这样操作员可以保证正确图案的加载，夹具的固定等等。因为Telesis软件可以支持四种可编程的轴向控制，操作员可以简便的加载用于凸轮装置或面板的正确图样，而回转台，平移台，和可编程“Z”工具可被快速的移动到需要应用的位置。编程和操作的简便可以使操作员对系统更容易接受，大大减少了学习周期。 大约18个月以前，GE公司安装了这套系统。目前得到的结果很不同凡响。四月份，超过1800个凸轮装置被打标且无一报废。这点尤为重要，因为每个齿轮要用测试夹具进行检验，以确保每个散列的标志的排列在齿轮的360度标志范围内是正确且可重复的。由于不用再打磨和再打标而节省的生产费用已经可以与短短的18个月内由于投资该系统而从正常运作中得到的收益相比拟。 打标齿轮的操作顺序如下；操作员人工在固定装置上加载和安置一个齿轮，当它们通过安全光幕后，操作员接收到一个就绪信号，后运行电脑中的齿轮程序。齿轮被移入激光器的封装内，位置放好后，门就被自动关上了，激光就在齿轮周边打上需要的标记。标记打好后，门被自动打开，齿轮从一级工作站内被送出。 对于机座标记来说，通过扫描条形码，滑板被自动移到打标处，条形码的作用是选择一个适当的图案，设置从激光器到适当焦点处“Z”形的高度。操作者可以透过侧边门人工安装单个或者多个机座到夹具上。门关上后，允许“开始打标”，软件将旋转夹具调节机座和激光光束之间相对位置，然后进行所需的打标操作。如果使用的是多重夹具，软件将驱动回转台对下一批打标，直至平台上所有象限的完整图案都打好为止。 也许给人印象最深的就是Nd:YAG 100W Eclipse激光器标记系统，它能够在凸轮轴所需的深度雕刻以及机座所要求的表面退火标记过程中保持稳定。Telesis系统的双重过程能够满足GE公司设计和建立有利于客户的革新解决方案的相同目标。 本文感谢Steven Belforte, Guilford Rail Systems列车运营助理总监和 Ralph Villiotti，Telesis Technologies Inc公司东部区域销售经理. (>

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