專利名稱：研磨狀態(tài)評估方法
技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
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(guān)系，其關(guān)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(zhuǎn)速的正整數(shù)倍。所以如果知道砂輪轉(zhuǎn)速和 磨床系統(tǒng)自然頻率，就可預(yù)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(zhuǎn)速計以提供轉(zhuǎn)速相關(guān)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(zhuǎn)速計)，增加轉(zhuǎn)速測量 點以取得轉(zhuǎn)速信號，因此監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布線較為復(fù)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(nèi)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(shè)定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設(shè)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(zhuǎn)速)。 此外，本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法所估計出的研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速消息，因此可省去轉(zhuǎn)速測量測點，簡化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)。因此，本發(fā)明可免除常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速與以轉(zhuǎn)速計測量的研磨轉(zhuǎn) 速的結(jié)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(zhuǎn)速。其中，所述研磨裝置具有最低可能研磨轉(zhuǎn)速和最高可能研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)了頻譜中等間隔的譜線，在某種程度上與自相關(guān)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(fù)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(guān)譜非常相似，但在顫振分析上，自相關(guān)譜非常不適當，原因如 下自相關(guān)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(guān)譜。此外，在自相關(guān)譜當中完全無法顯示出明顯重復(fù)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(guān)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(guān)譜與反 頻譜非常相近，但自相關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設(shè)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(shè)定間隔是根據(jù)所述最低可能研磨轉(zhuǎn)速、所述最高可能研磨轉(zhuǎn)速和所述振動信號的取樣 率計算而得，而所述設(shè)定間隔為整數(shù)，且所述設(shè)定間隔介于所述取樣率與所述最高可能研 磨轉(zhuǎn)速的比值和所述取樣率與所述最低可能研磨轉(zhuǎn)速的比值之間。優(yōu)選地，所述設(shè)定反諧 波計算數(shù)目選擇為4，所述反諧波的所述設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速相關(guān)，其應(yīng)對應(yīng)在所述最高可能研磨轉(zhuǎn)速 的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)速和所述最高可 能研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 速的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)。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(zhuǎn)速)重復(fù)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(yīng)所述檢索時間區(qū)間的檢索時間，計算所述研磨轉(zhuǎn)速。其中，所述反諧波峰值對應(yīng)所述檢索時間區(qū)間的所述檢索時間為所述研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速倒數(shù)，有時會出現(xiàn) 在2/%或1/2&或其它與研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。要強調(diào)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(zhuǎn)速相關(guān)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(guān)。如果研磨裝置的最低可能研磨轉(zhuǎn)速與最高可能研 磨轉(zhuǎn)速(研磨裝置的主軸轉(zhuǎn)速)分別為4與4，那么所述頻譜識別范圍上下限應(yīng)定為[1/ fh，4/f\]。例如如果磨床的主軸的最低可能研磨轉(zhuǎn)速與最高可能研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)系發(fā)生稍微彎曲變形，在旋轉(zhuǎn) 時產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速與以轉(zhuǎn)速計測量的 研磨轉(zhuǎn)速的結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速)。 此外，本發(fā)明研磨狀態(tài)評估方法所估計出的研磨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速消息，因此可省去轉(zhuǎn)速測量測點，簡化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)。因此，本發(fā)明可免除常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域
7的技術(shù)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(quán)利 范圍應(yīng)如所附權(quán)利要求書所列。
權(quán)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(shè)定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設(shè)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(quán)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(quán)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(quán)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(zhuǎn)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(yīng)所述檢索時間區(qū)間的檢索時間評估 所述研磨轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)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(quán)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(zhuǎn)速和最高可能 研磨轉(zhuǎn)速。
7.根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)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(shè)為0，以移除所述反諧 波的低反頻率部分。
8.根據(jù)權(quán)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(quán)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(shè)為0。
10.根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)速和所述最高 可能研磨轉(zhuǎn)速計算頻譜識別范圍的步驟。
11.根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)速 的倒數(shù)與所述最低可能研磨轉(zhuǎn)速的倒數(shù)之間。
12.根據(jù)權(quán)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(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)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(zhuǎn)速、所述 最高可能研磨轉(zhuǎn)速和所述振動信號的取樣率，計算所述反諧波的所述設(shè)定間隔，其中所述 設(shè)定間隔為整數(shù)，且所述設(shè)定間隔介于所述取樣率與所述最高可能研磨轉(zhuǎn)速的比值和所述 取樣率與所述最低可能研磨轉(zhuǎn)速的比值之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在步驟(e)中所述設(shè)定反諧波計算數(shù)目為4，所 述反諧波的所述設(shè)定間隔為1到4。
15.根據(jù)權(quán)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(quán)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(yīng)所述檢索時 間區(qū)間的所述檢索時間為所述研磨轉(zhuǎn)速倒數(shù)的整數(shù)倍。
17.根據(jù)權(quán)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(chǎn)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(shè)定反諧波計算數(shù)目的反諧波和所述反諧波的設(shè)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(zhuǎn)速、簡化研磨顫振監(jiān)測系統(tǒng)并減少感測器(轉(zhuǎn)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(quán)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