CN112171066B - 一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法 - Google Patents

一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,包括如下步骤:随机确定正N边形网格;确定网格单元尺寸;用正N边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分,获取网格中心点坐标,作为规则均匀分布坐标值;通过真随机数发生器生成随机偏移坐标值;随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加,得到二维点阵坐标分布数据集;对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,满足设定值的二维点阵坐标分布数据集作为轧辊激光毛化系统的输入参数,经控制系统处理后,转化成激光加工参数,用于加工无序均匀毛化形貌。本发明实现对激光毛化点分布方案的预览,同时能够按照分布指标进行优化调整。

Description

一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法
技术领域
本发明涉及轧辊加工技术领域,特别涉及一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法。
背景技术
冷轧板带因其尺寸精确、板形平直、表面质量好、生产效率高等优势,在众多领域得到广泛应用。冷轧辊表面毛化是一种生产优质薄板的表面预处理技术,在轧制过程中将毛化形貌转印到板材表面,对冷轧薄板冲压成形性、鲜映性和耐蚀耐磨性等的提升至关重要。
目前,轧辊表面的毛化技术有激光毛化、电火花毛化、喷丸毛化、电子束毛化等。喷丸毛化形貌质量差、重复性差,且粉尘污染严重,已基本被淘汰。电子束毛化时轧辊须在高真空中旋转,技术难度大且工艺成本高,并不适用于工业化规模生产。电火花毛化形貌保持性差,易引起轧制过程中过钢量波动,且制造装备主要依赖进口,运行费用昂贵。而且,设备商垄断关键核心技术,严重制约了我国冷轧技术和工艺应用水平的拓展。激光毛化则因其形貌质量高、环境友好、运行费用适中等优点,备受行业青睐。
有别于电火花毛化的随机性和紊乱性,激光毛化具有规则性和一致性特征。毛化点的规则分布,将会导致板材出现“莫尔条纹”、涂油不均、局部冲裂和震纹等缺陷。这些缺陷成为多年来阻碍轧辊激光毛化技术大规模工程推广应用的突出问题。
针对工程应用中关于毛化板微坑无规则分布的技术要求,众多专家学者围绕提高激光毛化处理后轧辊表面形貌质量开展了大量的工作,从激光毛化设备出发,通过随机信号发生源,加入随机因素,控制脉冲激光与轧辊的作用方式,实现无规则分布的技术要求。
中国专利提供了一种激光无序毛化轧辊表面的加工方法和加工设备,通过随机信号发生器控制脉冲激光的占空比和频率,改变加工出光的斑点形状,同时,实现毛化点在轧辊的周向上间距随机。其优点是实现了毛化点在轧辊圆周方向上的可控随机,其缺点是表面毛化形貌具有方向性。
中国专利提供了一种无规则图像毛化微坑的辊类表面毛化激光加工系统及方法,无规则图像开关装置接收无规则黑白图像的1、0信息开关,驱动激光加工装置对轧辊表面进行处理,实现无规则分布的毛化微坑。其优点是轧辊表面无规则的毛化微坑通过图像实现可视化,其缺点是毛化点密集程度低,以及轴向的毛化分布依然存在较强的规则性,板料涂装后容易产生表面条纹状色差缺陷。
再如中国专利提供了一种实现毛化点均匀随机分布的激光毛化方法,通过随机信号发生器产生伪随机信号,控制激光脉冲的随机延时和随机偏转,生成均匀随机分布的毛化点。其优点是实现圆周向和轴向的二维无序分布,解决表面毛化形貌具有方向性的问题,其缺点是无法预测和调整激光毛化处理效果。
综上所述,虽然众多专家学者针对激光毛化点随机分布开展大量工作,但仍未能从设计到加工处理,形成完善的解决激光毛化点无序分布的技术体系。现有技术直接从激光毛化设备入手,通过随机信号发生器,加入伪随机信号,控制激光器出光,生成的毛化点难以控制调整,同时,毛化点加工效率受限于振镜的转动频率。另外,采用无规则图像开关装置接收预先生成的黑白图像信息开光,毛化点密集度与图像像素密切相关,毛化点密集度偏低。上述两种技术方案,在工程应用中也均存在问题,不能完全实现轧辊表面毛化形貌的无序均匀分布。
发明内容
针对缺少轧辊表面毛化形貌无序均匀分布模型,无法实现闭环的精确控制的问题,本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,它有效地解决缺少无序/均匀分布模型的问题,实现对激光毛化点分布方案的预览,同时能够按照分布指标进行优化调整。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,包括如下步骤:
随机确定一种正N边形网格;
根据毛化点面积占有率β0和毛化点的外圆直径D,确定网格单元尺寸;
用正N边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分,获取网格中心点坐标,作为规则均匀分布坐标值(Xi0,Yi0);
通过真随机数发生器生成随机数序列对,随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值(Δxi,Δyi);
随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加,得到二维点阵坐标分布数据集;
对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,判断是否满足设定值:当不满足设定值时,将网格形状改为正N+1边形,重新确定二维点阵坐标分布数据集;
满足设定值的二维点阵坐标分布数据集作为轧辊激光毛化系统的输入参数,经控制系统处理后,转化成激光加工参数,用于加工无序均匀毛化形貌。
进一步,所述根据毛化点面积占有率β0和毛化点的外圆直径D,确定网格单元尺寸,具体如下:
根据毛化点外圆直径D,确定与毛化点相外切的网格单元的面积A0
计算实际面积占有率β:
Figure BDA0002646176780000031
其中:α为设定的面积当放大系数;
比较毛化点面积占有率β0和实际面积占有率β:当实际面积占有率β<β0,则重新调整面积放大系数,直至β≥β0
当β≥β0时,通过网格单元的面积A0得到网格单元尺寸。
进一步,所述毛化点形貌为球冠毛化点或火山口毛化点。
进一步,随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值,具体为:
在随机数序列对里抽取一对随机数,经缩放运算方式处理得到随机偏移坐标(Δxi,Δyi);所述随机偏移坐标(Δxi,Δyi)落在网格单元内。
进一步,对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,具体为:
所述评价指标包括点阵无序度的评价指标和点阵均匀度的评价指标;
在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机设置若干矩形采样区域,以矩形中心为原点旋转,统计落在矩形采样区域内点的数量,得到一组点数数据[n1,n2,n3,…ni],计算统计量均值
Figure BDA0002646176780000036
和统计量均值方差D(n),统计量的方差作为点阵无序度的评价指标;
在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机采样,采样区域形状为圆形或者多边形,统计落在采样区域内点的数量,得到一组点数数据[m1,m2,m3,…mi],计算统计量均值
Figure BDA0002646176780000037
和统计量均值方差D(m),统计量的方差作为点阵均匀度的评价指标;
采集标准样本数据,利用统计学得到的设定值为无序度
Figure BDA0002646176780000032
和均匀度
Figure BDA0002646176780000033
当点阵无序度的评价指标
Figure BDA0002646176780000034
且点阵均匀度的评价指标
Figure BDA0002646176780000035
时,得到二维点阵坐标分布数据集满足要求。
本发明的有益效果在于:
1.本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,改变现有激光毛化技术缺少模型支撑的现状,建立了轧辊展开表面毛化形貌分布设计方法,生成二维点阵坐标分布数据集,能够满足预先调整优化毛化点分布的工程需求,达到对激光毛化处理精确控制的目标。
2.本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,设定均匀度/无序度的评价指标,能够作为衡量毛化点分布设计方案优劣的重要依据。
3.本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,基于二维点阵坐标分布数据集,利用MATLAB软件,能够实现轧辊展开平面毛化点分布的可视化。
5.本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,按照轧辊表面毛化形貌评价指标要求,设计出最优的点阵分布方案,提供激光毛化形貌质量。
附图说明
图1为本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法流程图。
图2为本发明所述的轧辊展开示意图。
图3为本发明所述的轧辊填充网格示意图。
图4为本发明所述的网格尺寸确定流程图。
图5为本发明所述的毛化点示意图。
图6为振荡器真随机数产生原理图。
图7为随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加原理图。
图8为无序度评价方法原理。
图9为均匀度指标评价方法原理。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示,本发明所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,包括如下步骤:
S01:随机确定一种正N边形网格;如图3所示,正N边形网格可以是正三角形,也可以是正四边形,还可以是正六边形。
S02:如图4所述,根据毛化点面积占有率β0和毛化点的外圆直径D,确定网格单元尺寸,具体如下:
如图5所示,毛化点外圆直径,特定激光参数加工的单个毛化点形貌主要有球冠毛化点和火山口毛化点两类,对同一参数加工的多个毛化点外圆直径进行测量,取均值确定毛化点外圆直径D。根据毛化点外圆直径D,确定与毛化点相外切的网格单元的面积A0
计算实际面积占有率β:
Figure BDA0002646176780000041
其中:α为设定的面积当放大系数;
比较毛化点面积占有率β0和实际面积占有率β:当实际面积占有率β<β0,则重新调整面积放大系数,直至β≥β0;此处毛化点面积占有率β0为需要达到的技术要求规定的毛化点面积占有率。
当β≥β0时,通过网格单元的面积A0得到网格单元尺寸。
S03:用正N边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分,获取网格中心点坐标,作为规则均匀分布坐标值(Xi0,Yi0);
如图2所示,轧辊展开表面,毛化区域的长边是轧辊周长L,毛化区域的宽边轧辊直径φ。采用正方形网格填充的方式,对毛化区域进行网格划分。
S04:通过真随机数发生器生成随机数序列对,随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值(Δxi,Δyi);
采用振荡器采样原理设计真随机数发生器,生成真随机数,同时利用电路热噪声的存在,振荡器在工作时受到影响,出现小范围的波动。当采样信号刚好采样到抖动区间的时候,保证采样生成的数据具有完全的随机性。
其中,如图6所示,真随机数发生器由一个高频率振荡器、低频率振荡器和一个D触发器构成,高频振荡器的输出作为触发器的输入,低频振荡器的输出作为触发器的时钟信号输入。在低频振荡器输出信号上升边沿每次到来时,D触发器会对高频振荡器进行采样,生成一位数据。
在随机数序列对里抽取一对随机数,经缩放运算方式处理得到随机偏移坐标(Δxi,Δyi);所述随机偏移坐标(Δxi,Δyi)落在网格单元内。
S05:如图7所示,随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加,得到二维点阵坐标分布数据集(Xi,Yi);
Xi=Xi0+Δxi
Yi=Yi0+Δyi
S06:对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,判断是否满足设定值:当不满足设定值时,将网格形状改为正N+1边形,重新确定二维点阵坐标分布数据集,具体为:
所述评价指标包括点阵无序度的评价指标和点阵均匀度的评价指标;
如图8所示,在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机设置若干L*B条状矩形采样区域,以矩形中心为原点旋转,角度分辨率θ根据采样精度作调整,统计落在矩形采样区域内点的数量,得到一组点数数据[n1,n2,n3,…ni],计算统计量均值
Figure BDA0002646176780000052
和统计量均值方差D(n),
Figure BDA0002646176780000051
统计量的方差作为点阵无序度的评价指标;
如图9所示,在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机采样,采样区域形状为圆形或者多边形,统计落在采样区域内点的数量,得到一组点数数据[m1,m2,m3,…mi],计算统计量均值
Figure BDA0002646176780000061
和统计量均值方差D(m),
Figure BDA0002646176780000062
统计量的方差作为点阵均匀度的评价指标;
采集标准样本数据,利用统计学得到的设定值为无序度
Figure BDA0002646176780000063
和均匀度
Figure BDA0002646176780000064
当点阵无序度的评价指标
Figure BDA0002646176780000065
且点阵均匀度的评价指标
Figure BDA0002646176780000066
时,得到二维点阵坐标分布数据集满足要求。
当不满足设定值时,将网格形状改为正N+1边形,重新确定二维点阵坐标分布数据集。
S07:满足设定值的二维点阵坐标分布数据集作为轧辊激光毛化系统的输入参数,经控制系统处理后,转化成激光加工参数,用于加工无序均匀毛化形貌。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
随机确定一种正N边形网格;
根据毛化点面积占有率β0和毛化点的外圆直径D,确定网格单元尺寸;
用正N边形网格和网格单元尺寸对轧辊展开平面进行网格划分,获取网格中心点坐标,作为规则均匀分布坐标值(Xi0,Yi0);
通过真随机数发生器生成随机数序列对,随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值(Δxi,Δyi);
随机偏移坐标值与规则均匀分布坐标值叠加,得到二维点阵坐标分布数据集;
对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,判断是否满足设定值:当不满足设定值时,将网格形状改为正N+1边形,重新确定二维点阵坐标分布数据集;
满足设定值的二维点阵坐标分布数据集作为轧辊激光毛化系统的输入参数,经控制系统处理后,转化成激光加工参数,用于加工无序均匀毛化形貌;
所述根据毛化点面积占有率β0和毛化点的外圆直径D,确定网格单元尺寸,具体如下:
根据毛化点外圆直径D,确定与毛化点相外切的网格单元的面积A0
计算实际面积占有率β:
Figure FDA0003237219970000011
其中:α为设定的面积放大系数;
比较毛化点面积占有率β0和实际面积占有率β:当实际面积占有率β<β0,则重新调整面积放大系数,直至β≥β0
当β≥β0时,通过网格单元的面积A0得到网格单元尺寸。
2.根据权利要求1所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,其特征在于,所述毛化形貌为球冠毛化点或火山口毛化点。
3.根据权利要求1所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,其特征在于,随机数序列对经放缩处理后生成随机偏移坐标值,具体为:
在随机数序列对里抽取一对随机数,经缩放运算方式处理得到随机偏移坐标(Δxi,Δyi);所述随机偏移坐标(Δxi,Δyi)落在网格单元内。
4.根据权利要求1所述的轧辊展开表面毛化形貌无序均匀分布的设计方法,其特征在于,对得到二维点阵坐标分布数据集计算评价指标,具体为:
所述评价指标包括点阵无序度的评价指标和点阵均匀度的评价指标;
在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机设置若干矩形采样区域,以矩形中心为原点旋转,统计落在矩形采样区域内点的数量,得到一组点数数据[n1,n2,n3,...ni],计算统计量均值
Figure FDA0003237219970000025
和统计量均值方差D(n),统计量均值方差D(n)作为点阵无序度的评价指标;
在得到二维点阵坐标分布数据集的面域内随机采样,采样区域形状为圆形或者多边形,统计落在采样区域内点的数量,得到一组点数数据[m1,m2,m3,...mi],计算统计量均值
Figure FDA0003237219970000026
和统计量均值方差D(m),统计量均值方差D(m)作为点阵均匀度的评价指标;
采集标准样本数据,利用统计学得到的设定值为无序度
Figure FDA0003237219970000021
和均匀度
Figure FDA0003237219970000022
当点阵无序度的评价指标
Figure FDA0003237219970000023
且点阵均匀度的评价指标
Figure FDA0003237219970000024
时,得到二维点阵坐标分布数据集满足要求。
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