專利名稱：研磨狀態(tài)評估方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種研磨狀態(tài)評估方法，明確地說涉及一種利用振動信號評估研磨狀 態(tài)的方法。
背景技術：
在軋輥研磨過程中，研磨裝置(砂輪)與工件(軋輥)之間存在周期性相對運動。 此相對運動會造成研磨深度周期性變異，而在輥面造成波浪形的改變，稱為研磨輥痕，而造 成此類表面缺陷的振動行為稱為研磨顫振。一般來說，研磨輥痕的嚴重程度與研磨顫振能量的大小成正比，而其節(jié)距(λ)與
振動頻率具有一定關系，其關系表示如下
Λ二工輥線速 ~顫振頻率以圓筒磨床為例，其顫振頻率為砂輪轉速的正整數(shù)倍。所以如果知道砂輪轉速和 磨床系統(tǒng)自然頻率，就可預估顫振頻率的范圍，并據(jù)以訂立振動監(jiān)測的頻率范圍，以監(jiān)測顫 振的發(fā)生。所以一般顫振監(jiān)測需要一組振動測量系統(tǒng)，外加一組轉速計以提供轉速相關消 肩、ο因此，常規(guī)研磨過程中的顫振監(jiān)測，需具有多個感測器(轉速計)，增加轉速測量 點以取得轉速信號，因此監(jiān)測系統(tǒng)結構和布線較為復雜，且其維護成本較高。因此，有必要提供一種創(chuàng)新且富有進步性的研磨狀態(tài)評估方法，以解決上述問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種研磨狀態(tài)評估方法，用以評估研磨裝置研磨工件時的研磨狀 態(tài)，所述研磨狀態(tài)評估方法包括以下步驟(a)檢索振動信號；(b)計算所述振動信號 的反頻譜，所述反頻譜具有多個反諧波(rahmonics) ； (c)移除所述反諧波的低反頻率 (quefrency)部分；(d)根據(jù)振幅閾值移除所述反諧波的能量低于所述振幅閾值部分；(e) 根據(jù)設定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設定間隔，計算反頻譜波信號；以及 (f)根據(jù)所述反頻譜波信號評估所述研磨狀態(tài)。本發(fā)明僅需利用振動信號就可估計出研磨裝置的研磨狀態(tài)(例如研磨轉速)。 此外，本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法所估計出的研磨轉速可進一步提供給顫振監(jiān)測、診斷之用， 以作為軟件感測器(soft sensing)。再者，本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法可準確地計算出研 磨裝置的研磨轉速，即使在信號受到強烈干擾的情況下仍十分準確，例如信號受天車移動 強烈干擾，而反頻譜中仍反映正確的轉速消息，因此可省去轉速測量測點，簡化監(jiān)測系統(tǒng)結 構。因此，本發(fā)明可免除常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)中轉速信號的測點，以簡化研磨顫振監(jiān)測系統(tǒng)并減少 感測器(轉速計)數(shù)量、布線和線路維護成本。再者，本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法可評估在 研磨工藝中，所述研磨裝置是否接觸所述工件。
圖1顯示本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法的流程圖；圖2顯示本發(fā)明對數(shù)頻譜的示意圖；圖3顯示本發(fā)明反頻譜的示意圖；圖4顯示本發(fā)明以反諧波數(shù)目和反諧波間隔計算得反諧波峰值的示意圖；以及圖5顯示以本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法計算的研磨轉速與以轉速計測量的研磨轉 速的結果比較圖。
具體實施例方式圖1顯示本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法的流程圖。所述研磨狀態(tài)評估方法用以評估研 磨裝置研磨工件時的研磨狀態(tài)。在本實施例中，所述研磨狀態(tài)評估方法用以評估研磨裝置 的研磨轉速。其中，所述研磨裝置具有最低可能研磨轉速和最高可能研磨轉速。參考步驟 S11，檢索振動信號，其經(jīng)歷檢索時間區(qū)間。其中，所述振動信號可選擇地檢索自所述研磨裝 置或所述工件。參考步驟S12，計算所述振動信號的反頻譜，所述反頻譜具有多個反諧波 (rahmonics)。其中，反頻譜定義具有許多不同版本，但基本精神均為對數(shù)頻譜的傅利葉逆
轉換，表示如以下⑴式
C(T) = ^l(\ogSxx(f)) ⑴其中，C(T)為反頻譜，Sxx為雙邊功率譜(double-sided power spectrum)，且上 式(1)為后續(xù)法則開發(fā)主要延用的計算基準。由于Sxx為實數(shù)且為對稱函數(shù)，所以C(T)也 是一個實數(shù)且為對稱函數(shù)。如果原始波形有N點，那么最后反頻譜會有N/2點，而其解析度 與取樣率相同。另夕卜，反頻譜強調了頻譜中等間隔的譜線，在某種程度上與自相關譜 (autocorrelation)相同，所以在上式(1)中τ代表的意義即為信號中某一成份重復的周 期。如果在頻譜中等間隔譜線的間隔為Δ ·，那么在反頻譜中將在τ =1/Af出現(xiàn)波峰。 參考圖2，在對數(shù)頻譜中可發(fā)現(xiàn)的確存在等間隔信號(等間隔波峰)。參考圖3，而在反頻譜 中則可更清楚發(fā)現(xiàn)頻譜中顯示出等間隔成份(波峰P1到P7)。雖然反頻譜與自相關譜非常相似，但在顫振分析上，自相關譜非常不適當，原因如 下自相關譜的計算可由^Γ) = 、^/))獲得，其與反頻譜最大不同之處在于反頻 譜中對Sxx取對數(shù)(log)，而log可將信號中較微弱的信號突顯出來，使得反頻譜在倍頻的 檢測上優(yōu)于自相關譜。此外，在自相關譜當中完全無法顯示出明顯重復周期，而僅能呈現(xiàn)出 線性頻譜中主要峰值成份。再者，當能量集中時，自相關譜易受主要頻率所影響而無法顯示 出能量較小的等間隔信號。而顫振的發(fā)生通常有能量集中的現(xiàn)象，因此，即使自相關譜與反 頻譜非常相近，但自相關譜非常不適用于顫振分析。參考步驟S13，移除所述反諧波的低反頻率(quefrency)部分。在反頻譜轉換過程 中，通常低反頻率部分的噪音非常大，這是因為頻譜中較高頻間隔的成份不多。另外，反諧
5波的反振幅(gamitude)隨反頻率增加而遞減，因此在較高反頻率部分的信噪比低也不利 于辨別。在本實施例中，移除所述反諧波的低反頻率部分的步驟，是根據(jù)所述最高可能研 磨轉速計算低反頻率截斷閥值，再根據(jù)所述低反頻率截斷閥值將低于所述低反頻率截斷閥 值的反頻譜值設為0，以移除所述反頻譜的低反頻率部分。參考步驟S14，根據(jù)振幅閾值移除所述反諧波的能量低于所述振幅閾值部分。經(jīng) 由移除所述反頻譜的較低能量成份可使判斷上更為容易。將反頻譜中等反諧波的反振幅大 小比所述振幅閾值低者設為0、比所述振幅閾值高者維持原大小，即可得到反頻譜波形C。 其中，反頻譜的波形是少數(shù)幾個寬度非常窄的突波，所以反頻譜中的噪音最低限度(noise floor)能量幾乎相當于反諧波的反振幅的均方根(RMS)值，因此所述振幅閾值的大小可以 定為等效峰值。在本實施例中，所述振幅閾值(th)可以下(2)式表示th ^ RMS(C)-Kyil (2)S卩，所述振幅閾值位于噪音最低限度最大處。參考步驟S15，根據(jù)設定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設定間隔，計算 反頻譜波信號。在本實施例中，所計算的所述反頻譜波信號具有多個反諧波峰值。其中，所 述設定間隔是根據(jù)所述最低可能研磨轉速、所述最高可能研磨轉速和所述振動信號的取樣 率計算而得，而所述設定間隔為整數(shù)，且所述設定間隔介于所述取樣率與所述最高可能研 磨轉速的比值和所述取樣率與所述最低可能研磨轉速的比值之間。優(yōu)選地，所述設定反諧 波計算數(shù)目選擇為4，所述反諧波的所述設定間隔選擇為1到4。在步驟S15中，進一步定義峰值匹配函數(shù)(peak match function)，如以下(3)式
mP(") = ZCi(m·)
'=I(3)在此m代表計算的反諧波數(shù)目，而η是所述反諧波的間隔。其中，m越大代表考慮 的突波越多，越可以突顯研磨轉速的倒數(shù)(1/%)，然而，一般經(jīng)驗顯示，反頻譜中突波約可 出現(xiàn)4個，因此m的值優(yōu)選取4。而η與研磨轉速相關，其應對應在所述最高可能研磨轉速 的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉速的倒數(shù)之間(秒)。要注意的是，在反頻譜中橫軸為時間且 其解析度為原始取樣頻率，所以η的值應在[fs/22]與[fs/10]之間，其中，中括弧[]代表 取整數(shù)，fs為取樣率。另外，在本實施例中，優(yōu)選地另外包括根據(jù)所述最低可能研磨轉速和所述最高可 能研磨轉速計算頻譜識別范圍的步驟，其中，所述頻譜識別范圍介于所述最高可能研磨轉 速的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉速的倒數(shù)之間(秒)。參考圖4，其顯示本發(fā)明反頻譜中計算的反諧波數(shù)目為4，反諧波間隔為1到4的 示意圖，其中箭頭處代表由反頻譜波C中選取的C1的點。配合參考圖4和步驟S15，在峰值 匹配函數(shù)中，所述選取的C1的點中最大值所在位置即為研磨轉速的倒數(shù)。而在反頻譜中，所 求得的所述反諧波峰值呈等間隔分布，且所述反諧波峰值位于所述頻譜識別范圍內。其中， 所述間隔即為所述反頻譜的某一成份(在本發(fā)明中是所述研磨裝置的研磨轉速)重復的周 期。參考步驟S16，根據(jù)所述反頻譜波信號評估所述研磨狀態(tài)。在本實施例中，其是根 據(jù)所述反諧波峰值對應所述檢索時間區(qū)間的檢索時間，計算所述研磨轉速。其中，所述反諧波峰值對應所述檢索時間區(qū)間的所述檢索時間為所述研磨轉速倒數(shù)的整數(shù)倍。因此，當研磨裝置與工件接觸，反頻譜中會出現(xiàn)研磨轉速倒數(shù)的成份，如以下⑷ 式
12 3 4
Jo Jo Jo Jo(4)在此Cp為反頻譜峰值所在位置，單位為秒;f0為研磨裝置的一倍研磨轉速，單位為 Hz。要注意的是，反頻譜中的反振幅最大者不一定在主要研磨轉速倒數(shù)，有時會出現(xiàn) 在2/%或1/2&或其它與研磨轉速不相干的位置上。因此，不可直接以反頻譜中的反振幅 最大峰值位置來決定主要研磨轉速。要強調的是，在反頻譜中，所述反諧波峰值呈等間隔分 布，即，所述反諧波峰值出現(xiàn)在1/%，2/%，3/%，4/%…的位置。根據(jù)此特性，可以強化研磨 轉速相關的信號。由觀察經(jīng)驗和實際驗證，所述反諧波峰值較明顯者為前面四個反諧波，即l/f。、2/ f。、3/f。，和4/f。。所以在辨別所述反諧波峰值之前，優(yōu)選先定義出一個頻譜識別范圍，所述 識別范圍與研磨頻率(工作頻率)有關。如果研磨裝置的最低可能研磨轉速與最高可能研 磨轉速(研磨裝置的主軸轉速)分別為4與4，那么所述頻譜識別范圍上下限應定為[1/ fh，4/f\]。例如如果磨床的主軸的最低可能研磨轉速與最高可能研磨轉速范圍在10到 22Hz之間，可以限定所述頻譜識別范圍在45到400毫秒(msec)之間。要注意的是，一般研磨裝置的(例如砂輪)空轉時主要呈現(xiàn)研磨裝置的動平衡不 良信號，其頻率集中于單一頻率，因此在反頻譜中并不會出現(xiàn)明顯成份，即在反頻譜中無任 何消息。因此，如果在步驟S15中所計算的所述反頻譜波信號不具等間隔分布的反諧波峰 值，那么在步驟S16中評估所述研磨狀態(tài)為所述研磨裝置不接觸所述工件。然而，在研磨過程中，研磨裝置的主軸因研磨力的關系發(fā)生稍微彎曲變形，在旋轉 時產生轉速倍頻，因此可以本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法計算出研磨裝置的研磨轉速。因此， 本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法除了可準確地計算出研磨裝置的研磨轉速，還可判斷研磨裝置 是否接觸工件。參考圖5，其顯示以本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法計算的研磨轉速與以轉速計測量的 研磨轉速的結果比較圖，其中，比對數(shù)據(jù)為286筆。在286筆數(shù)據(jù)中，誤差小于者共有 280筆，占總筆數(shù)的97. 6%，顯示本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法確實可準確地計算出研磨裝 置的研磨轉速。本發(fā)明僅需利用振動信號即可估計出研磨裝置的研磨狀態(tài)(例如研磨轉速)。 此外，本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法所估計出的研磨轉速可進一步提供給顫振監(jiān)測、診斷之用， 以作為軟件感測器(soft sensing)。再者，本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法可準確地計算出研 磨裝置的研磨轉速，即使在信號受到強烈干擾的情況下仍十分準確，例如信號受天車移動 強烈干擾，而反頻譜中仍反映正確的轉速消息，因此可省去轉速測量測點，簡化監(jiān)測系統(tǒng)結 構。因此，本發(fā)明可免除常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)中轉速信號的測點，以簡化研磨顫振監(jiān)測系統(tǒng)并減少 感測器(轉速計)數(shù)量、布線和線路維護成本。再者，本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法可評估在 研磨工藝中，所述研磨裝置是否接觸所述工件。上述實施例僅為了說明本發(fā)明的原理及其功效，并非限制本發(fā)明。因此所屬領域
7的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神的情況下對上述實施例進行修改和變化。本發(fā)明的權利 范圍應如所附權利要求書所列。
權利要求
一種研磨狀態(tài)評估方法，其用以評估研磨裝置研磨工件時的研磨狀態(tài)，所述研磨狀態(tài)評估方法包括以下步驟(a)檢索振動信號；(b)計算所述振動信號的反頻譜，所述反頻譜具有多個反諧波；(c)移除所述反諧波的低反頻率部分；(d)根據(jù)振幅閾值移除所述反諧波的能量低于所述振幅閾值部分；(e)根據(jù)設定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設定間隔，計算反頻譜波信號；以及(f)根據(jù)所述反頻譜波信號評估所述研磨狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在步驟(e)中如果所述反頻譜波信號不具等間隔 分布的反諧波峰值，那么在步驟(f)中將所述研磨狀態(tài)評估為所述研磨裝置不接觸所述工 件。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中在步驟(a)中，從所述研磨裝置或所述工件檢索所 述振動信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述研磨狀態(tài)顯示所述研磨裝置的研磨轉速，在 步驟(a)中檢索所述振動信號經(jīng)歷檢索時間區(qū)間，在步驟(e)中所述反頻譜波信號具有多 個反諧波峰值，在步驟(f)中根據(jù)所述反諧波峰值對應所述檢索時間區(qū)間的檢索時間評估 所述研磨轉速。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟(a)中，從所述研磨裝置或所述工件檢索所 述振動信號。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述研磨裝置具有最低可能研磨轉速和最高可能 研磨轉速。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其另外包括根據(jù)所述最高可能研磨轉速計算低反頻率 截斷閥值，在步驟(c)中將低于所述低反頻率截斷閥值的反頻譜值設為0，以移除所述反諧 波的低反頻率部分。
8.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟(d)中根據(jù)所述反諧波的反振幅均方根值 計算所述振幅閾值。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中在步驟(d)中將所述反諧波的反振幅低于所述振 幅閾值部分設為0。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其另外包括根據(jù)所述最低可能研磨轉速和所述最高 可能研磨轉速計算頻譜識別范圍的步驟。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述頻譜識別范圍介于所述最高可能研磨轉速 的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉速的倒數(shù)之間。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中在步驟(e)中，所述反諧波峰值位于所述頻譜識 別范圍內。
13.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中在步驟(e)中根據(jù)所述最低可能研磨轉速、所述 最高可能研磨轉速和所述振動信號的取樣率，計算所述反諧波的所述設定間隔，其中所述 設定間隔為整數(shù)，且所述設定間隔介于所述取樣率與所述最高可能研磨轉速的比值和所述 取樣率與所述最低可能研磨轉速的比值之間。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中在步驟(e)中所述設定反諧波計算數(shù)目為4，所 述反諧波的所述設定間隔為1到4。
15.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟(e)中，所述反諧波峰值呈等間隔分布。
16.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中在步驟(f)中，所述反諧波峰值對應所述檢索時 間區(qū)間的所述檢索時間為所述研磨轉速倒數(shù)的整數(shù)倍。
17.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中步驟(e)另外包括定義峰值匹配函數(shù)的步驟，用 以計算所述反諧波峰值產生的數(shù)目和位置。全文摘要
本發(fā)明的研磨狀態(tài)評估方法包括以下步驟(a)檢索振動信號；(b)計算所述振動信號的反頻譜，所述反頻譜具有多個反諧波；(c)移除所述反諧波的低反頻率部分；(d)根據(jù)振幅閾值移除所述反諧波的能量低于所述振幅閾值部分；(e)根據(jù)設定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設定間隔，計算反頻譜波信號；以及(f)根據(jù)所述反頻譜波信號評估所述研磨狀態(tài)。借此，本發(fā)明可準確地計算出研磨裝置的研磨轉速、簡化研磨顫振監(jiān)測系統(tǒng)并減少感測器(轉速計)數(shù)量、布線和線路維護成本，且可評估所述研磨裝置是否接觸所述工件。
文檔編號B24B5/37GK101898319SQ200910143049
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月25日
發(fā)明者吳崇勇 申請人:中國鋼鐵股份有限公司