CN114833455B - 飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法、装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开是关于一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法、装置及应用，涉及集流体表面微造型领域，获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；根据上述参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；计算各Voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将Voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。本公开技术方案能够形成形貌和分布可控的无序分布的微型凸台，各向同性度较好。
Description
技术领域
本发明公开涉及集流体表面微造型领域，尤其涉及一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法、装置及应用。
背景技术
锂离子电池作为新能源应用越来越广泛，然而锂电池的倍率性能和能量密度指标较低，倍率及能量密度等性能的提升需求愈加强烈，改善锂电池倍率及能量密度性能是当下锂电池领域研究重点。集流体是电极材料与外部电路的电子导体，集流体表面能够均匀涂覆电极材料活性物质而不脱落是集流体性能的重要表征。但是现有集流体无论是电解铜还是压延铜箔和铝箔都是平面结构，在持续的充放电过程中，电极材料不断膨胀和收缩，从而导致电极材料涂层从集流体上的脱落，引起电池内阻增大、短路等问题。通过对集流体箔材表面形貌进行微观处理，以提高电极材料层粘合度是提高电池性能的重要手段。传统集流体表面微观造型工艺生产的产品存在集流体表面微造型分布不均、各向异性的问题，这将导致随着充放电过程中，电极材料变形不均，集流体弯曲变形，缩短了电池寿命，加快了电池容量的衰减。集流体表面的各向同性需要其微观造型的无序化的分布，实现集流体箔材表面微造型无序分布是本发明的研究主旨。集流体表面的各向同性需要其微观造型的无序化的分布，实现集流体箔材表面微造型无序分布是本发明的研究主旨。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有加工过程难以集流体表面微造型轧辊辊面微凸台造型的几何轮廓及轧辊表面力学性能及表面质量。
(2)现有加工过程中，辊面微型凸台的无序分布疏密失控，无法保证箔材表面黏着性能的均匀性。
解决以上问题及缺陷的难度为：传统长脉冲激光加工中有融化区，喷融材料生成表面残渣，重铸层影响力学性能，热影响区域大，导致周边褶皱，进一步恶化表面质量，难点在于控制激光对加工区域的热作用；传统的无序微造型分布是通过激光镜头随机振动实现的，导致微造型的无序分布不可控，容易造成微造型距离过近，甚至重合，即使缩小镜头震动幅度也无法避免微造型分布失控，还引起无序分布的不充分。
解决以上问题及缺陷的意义为：本方法采用刻蚀辅助飞秒激光工艺对轧辊表面进行精确的微观造型加工。因飞秒激光具有峰值功率高、热影响区小等特征，既可保证加工区域的力学性能，又可实现微造型较高的几何精度及良好的表面质量；本方法采用CVT图，可有效地控制轧辊表面的微造型充分无序的分布。本方法的意义在于提升了轧辊微造型加工精度及表面质量，保证辊面微造型无序分布的可控性和充分性，进而实现其后续轧制产品的性能提升。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法、装置及应用。所述技术方案如下：
根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法，该飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法还包括：
步骤一：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
步骤二：根据步骤一的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
步骤三：计算各Voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将Voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
步骤四：将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。
在一个实施例中，所述步骤一：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数，其具体为：
获取参数包括：辊长L、辊径R、基本加工单元边长a,平均图元长度e及平均微造型基础面积s。
在一个实施例中，所述步骤二：根据步骤一的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形，其具体为：
在欧几里德平面上给出了一组有限的点{p1，...，pn}：
(1)首先在数据集中随机选定k个初始点；
(2)计算k个站点的Voronoi图；
(3)整合Voronoi图的每个单元格，并计算其质心(Cx,Cy)：
(4)然后将每个站点(k)移动到其Voronoi单元的质心。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种适用上述的飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型系统，该微造型系统包括：
参数获取系统，用于获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
模型生成系统，用于根据参数获取系统的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
模型分析系统：用于计算各Voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将Voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
微造型凸台的位置坐标输出系统，用于将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种适用于根据上述的飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型设备，该设备包括：
底座；
辊安装单元，所述辊安装单元设置于底座上；
飞秒激光加工单元，所述飞秒激光加工单元设置于底座的一端，且沿底座的长度方向往复运动。
在一个实施例中，所述飞秒激光加工单元包括：
限位双轨，所述限位双轨设置于底座上；
驱动电机，所述驱动电机设置于限位双轨的一端；
机械手组件，所述机械手组件设置于驱动电机的驱动端；
激光头组件，所述激光头组件安装于机械手组件上。
在一个实施例中，所述机械手组件包括：
机械手组件包括机械手滑块以及造型驱动结构，其中，
所述机械手滑块安装在驱动电机的驱动端；
所述造型驱动结构设置于机械手滑块上。
在一个实施例中，所述造型驱动结构上设有用于安装激光头组件的安装部。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种根据上述的飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法在集流体箔材表面形貌处理领域的应用。
本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1、本发明的加工方法基于飞秒激光加工技术进行设计，将飞秒激光与集流体表面微造型结合，飞秒激光的烧蚀和溅射区域较小，受热效应影响也较小，使得箔材具有更好的力学性能。
2、本发明的采用Lloyd’s算法生成CVT图，进行微造型分布设计，能够形成形貌和分布可控的无序分布的微型凸台，各向同性度较好。
3、通过本发明的制备方法，可设定基本加工单元，在保持微型结构完整性的同时，显著提高加工效率。
综上，此发明将飞秒激光加工的优势和轧辊表面微观造型特点相结合，可精确、高效地加工得到表面微观形貌良好的集流体表面微观造型轧辊。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明所述一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的步骤流程图；
图2是本发明所述采用Lloyd’s算法布点流程图；
图3是本发明所述基本加工单元的CVT图
图4是本发明所述用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备的第一结构示意图；
图5是图4的A部放大示意图；
图6是本发明所述用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备的第二结构示意图；
图7是图6的B部放大示意图；
图8是本发明所述用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备的主视图；
图9是本发明所述用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备的工作流程图。
图10是本发明所述用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备的一体图。
附图标记：
1、底座 2、限位双轨 3、驱动电机
4、伺服电机 5、三爪卡盘 6、机械手滑块
7、激光头组件 8、工作台 9、防护罩
10、待加工辊 11、激光头调节电机 12、安装板
13、调节板 14、支撑板 1501、滑块
1502、嵌装槽 16、防护罩 17、挡门
18、滑动槽
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明公开实施例所提供的技术方案涉及一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法、装置及应用，尤其涉及集流体表面微造型领域。在相关技术中，现有加工过程难以集流体表面微造型轧辊辊面微凸台造型的几何轮廓及轧辊表面力学性能及表面质量；现有加工过程中，辊面微型凸台的无序分布疏密失控，无法保证箔材表面黏着性能的均匀性。基于此，本公开技术方案所提供的一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法，将飞秒激光加工的优势和轧辊表面微观造型特点相结合，可精确、高效地加工得到表面微观形貌良好的集流体表面微观造型轧辊。
图1示例性示出了本发明公开技术方案所提供的一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的步骤流程图。根据图1至图10可知，该飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法还包括：
步骤S01：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
步骤S02：根据步骤S01的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
步骤S03：计算各Voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将Voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
步骤S04：将基本加工单元中最终确定的图元面积服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。
在一个实施例中，所述步骤S01：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数，其具体为：
获取参数包括：辊长L、辊径R、基本加工单元边长a,平均图元长度e及平均微造型基础面积s。
在一个实施例中，所述步骤S02：根据步骤一的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形，其具体为：
在欧几里德平面上给出了一组有限的点{p1，...，pn}。
(1)首先在数据集中随机选定k个初始点
(2)计算k个站点的Voronoi图。
(3)整合Voronoi图的每个单元格，并计算其质心(Cx,Cy)：
具体计算方法如下：
(4)然后将每个站点(k)移动到其Voronoi单元的质心。
利用Lloyd’s算法；
经迭代计算，获取Voronoi图元面积服从正态分布时的种子点集。
实施例二：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种适用实施例一中的飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型系统，该微造型系统包括：
参数获取系统，用于获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
模型生成系统，用于根据参数获取系统的参数以及Lloyd’s算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
模型分析系统：用于计算各Voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将Voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
微造型凸台的位置坐标输出系统，用于将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。
实施例三：
本实施例提供一种用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备，该设备适用于实施例一提供的用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型方法，本实施例中的用飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型设备包括：
底座1，需要进一步指出的是，底座1安装在车间的工作台8的上表面，
辊安装单元安装在底座1上，位于中心位置，底座1上设有限位双轨2，限位双轨2的一对轨道分别设置在底座1的相对两端边缘处；轨道的下方设有支撑件16，支撑件16的高度可以根据待加工辊5的具体参数进行定制，从而满足机械手滑块6沿限位双轨2的长度往复运动时，与待加工辊5的距离适中，提高飞秒激光头在造型时的精确度；
辊安装单元还包括：
伺服电机固定部以及辊芯安装部，伺服电机固定部上设有支撑板14，驱动电机的主机部分安装在支撑板14上，驱动电机4的旋转端与辊芯安装部相对设置，驱动电机4的旋转端上安装三爪卡盘5，驱动电机4旋转时，三爪卡盘5与驱动电机4同轴转动，三爪卡盘5的执行端安装等角度设置的三个爪体，三个爪体均为连续凸台，连续凸台从三爪卡盘5的连接部分的边缘处向连接部分的中心延伸，三个爪体共同卡紧辊芯；
辊芯安装部位于距离三爪卡盘5大于待加工辊5的长度的位置，
该装置进行微造型流程的第一步骤：
待加工辊5放置时，将两端分别与伺服电机固定部和辊芯安装部相对布置，待加工辊5的一端插入到三爪卡盘5的爪体内进行卡紧，另一端装配到辊芯安装部上，然后进行待加工辊5的装配精度的检测，利用激光测距传感器检测安装其安装精度(测距激光头置于辊芯安装部，通过测量待加工辊原位转动一周的辊端面与激光头的距离及其变化来判断安装精度是否合格)，根据检测信号调整待加工辊的安装位置，直至检测精度达到标准值；此处利用设置在激光头组件上的激光头调节电机，将激光发射端进行初始位置调整；
需要进一步指出的是，工作台8上设有防护罩16，防护罩16上设有开口，开口处设有可遮蔽或滑离开口处的挡门17，挡门17沿防护罩16上表面形成的滑动槽18的延伸方向滑动，实现遮蔽开口或者滑离开口。
飞秒激光加工单元还包括：
驱动电机3，伺服电机3设置于底座1的靠近辊芯安装部的一端，驱动电机3的驱动端与机械手滑块6固定连接，在驱动电机3的带动下，机械手滑块6作为带动激光头组件的承载体，沿待加工辊10的母线方向前进或后退；
需要进一步指出的是，机械手滑块6的下表面两端分别设有一对滑块1501，每对滑块1501均嵌入限位双轨2的一对嵌装槽1502内，此处设计滑块1501的位移相对只能待加工辊5的母线方向运动，减小在机械传动过程中产生的径向位移，
相应的该装置进行微造型流程的第二步骤：
启动激光头组件的激光器以及控制该激光头组件的操作面板，发送微造型启动指令，伺服电机4启动，带动待加工辊5沿轧辊母线方向移动，执行实施例一中的微造型方法所生成的控制程序，判断激光头组件7的激光器是否到达预设位置，此时传感器的检测为实时检测，如果达到预设位置，即加工辊的初始位置，传感器检测到位，当到达该位置时，激光快门开启，进行雕刻标线，在实施例一中的将基本加工单元中最终确定的图元面积服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，生成相应的圆柱坐标位置进行雕刻，直至激光头移动至新的加工单元列初始位置；伺服电机4转动单位加工角度，激光在待加工辊5外圆柱进行微造型；
相应的该装置进行微造型流程的第三步骤：
检测激光头的轴向位移是否达到加工单元预设值，如果没有达到预设值，则激光继续在待加工辊5的外圆柱面微造型，如果达到预设值，则判断待加工辊5转动角度是否达到加工单元预设值，如果没有达到适，则加工辊5继续转动单位加工角度；如果达到预设值，则判断激光头是否完成一个加工单元列，若没有完成，则激光头移动至该列下一单元初始位置，如果完成，则判断加工面是否整体完成，如果未整体完成，则激光头移动至新的加工单元列初始位置，进行激光在待加工辊5外圆柱进行微造型动作，如果已整体完成，则伺服电机4停止，实现待加工辊5停止转动，激光快门关闭且归位，微造型操作结束。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法，其特征在于，该飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法还包括：
步骤一：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
步骤二：根据步骤一的参数以及Lloyd’s 算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
步骤三：计算各voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
步骤四：将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标；
所述步骤二：根据步骤一的参数以及Lloyd’s 算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形，其具体为：
在欧几里德平面上给出了一组有限的点{p1，...，pn}：
（1）首先在数据集中随机选定k个初始点；
（2）计算k个站点的Voronoi图；
（3）整合Voronoi图的每个单元格，并计算其质心（Cx,Cy）：
,/> （1）
（4）然后将每个站点移动到其Voronoi单元的质心。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法，其特征在于，所述步骤一：获取辊面微造型分布及基础面积计算参数，其具体为：
获取参数包括：辊长L、辊径R、基本加工单元边长a,平均图元长度e及平均微造型基础面积s。
3.一种适用于根据权利要求1-2任一所述的一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型系统，其特征在于，该微造型系统包括：
参数获取系统，用于获取辊面微造型分布及基础面积计算参数；
模型生成系统，用于根据参数获取系统的参数以及Lloyd’s 算法，建立二维平面内随机布点模型，生成CVT图形；
模型分析系统：用于计算各voronoi图元的面积和质心,统计学分析所有多边形的面积是否符合正态分布；如果不符合正态分布，则将voronoi图元种子点移动到质心，重新生成CVT图；如果符合正态分布，则计算各图元内的微造型基底面积；
微造型凸台的位置坐标输出系统，用于将基本加工单元中最终确定的服从正态分布的CVT图元的质心点集坐标映射到轧辊辊面，并生成相应的圆柱坐标。
4.一种适用于根据权利要求1-2所述的一种飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型设备，其特征在于，该设备包括：
底座；
辊安装单元，所述辊安装单元设置于底座上；
飞秒激光加工单元，所述飞秒激光加工单元设置于底座的一端，且沿底座的长度方向往复运动。
5.根据权利要求4所述的一种适用于飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型设备，其特征在于，所述飞秒激光加工单元包括：
限位双轨，所述限位双轨设置于底座上；
驱动电机，所述驱动电机设置于限位双轨的一端；
机械手组件，所述机械手组件设置于驱动电机的驱动端；
激光头组件，所述激光头组件安装于机械手组件上。
6.根据权利要求5所述的适用于飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型设备，其特征在于，所述机械手组件包括：
机械手滑块以及造型驱动结构，其中，
所述机械手滑块安装在驱动电机的驱动端；
所述造型驱动结构设置于机械手滑块上。
7.根据权利要求6所述的一种适用于飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法的微造型设备，其特征在于，所述造型驱动结构上设有用于安装激光头组件的安装部。
8.一种根据权利要求1-2任一所述的飞秒激光进行轧辊辊面无序微造型的方法在集流体箔材表面形貌处理领域的应用。
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