CN101898319B - 研磨状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明的研磨状态评估方法包括以下步骤：(a)检索振动信号；(b)计算所述振动信号的反频谱，所述反频谱具有多个反谐波；(c)移除所述反谐波的低反频率部分；(d)根据振幅阈值移除所述反谐波的能量低于所述振幅阈值部分；(e)根据设定反谐波计算数目的反谐波和所述反谐波的设定间隔，计算反频谱波信号；以及(f)根据所述反频谱波信号评估所述研磨状态。借此，本发明可准确地计算出研磨装置的研磨转速、简化研磨颤振监测系统并减少感测器(转速计)数量、布线和线路维护成本，且可评估所述研磨装置是否接触所述工件。

Description

研磨状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种研磨状态评估方法，明确地说涉及一种利用振动信号评估研磨状态的方法。

背景技术

在轧辊研磨过程中，研磨装置(砂轮)与工件(轧辊)之间存在周期性相对运动。此相对运动会造成研磨深度周期性变异，而在辊面造成波浪形的改变，称为研磨辊痕，而造成此类表面缺陷的振动行为称为研磨颤振。

一般来说，研磨辊痕的严重程度与研磨颤振能量的大小成正比，而其节距(λ)与振动频率具有一定关系，其关系表示如下：

以圆筒磨床为例，其颤振频率为砂轮转速的正整数倍。所以如果知道砂轮转速和磨床系统自然频率，就可预估颤振频率的范围，并据以订立振动监测的频率范围，以监测颤振的发生。所以一般颤振监测需要一组振动测量系统，外加一组转速计以提供转速相关消息。

因此，常规研磨过程中的颤振监测，需具有多个感测器(转速计)，增加转速测量点以取得转速信号，因此监测系统结构和布线较为复杂，且其维护成本较高。

因此，有必要提供一种创新且富有进步性的研磨状态评估方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种研磨状态评估方法，用以评估研磨装置研磨工件时的研磨状态，所述研磨状态评估方法包括以下步骤：(a)检索振动信号；(b)计算所述振动信号的反频谱，所述反频谱具有多个反谐波(rahmonics)；(c)移除所述反谐波的低反频率(quefrency)部分；(d)根据振幅阈值移除所述反谐波的能量低于所述振幅阈值部分；(e)根据设定反谐波计算数目的反谐波和所述反谐波的设定间隔，计算反频谱波信号；以及(f)根据所述反频谱波信号评估所述研磨状态。

本发明仅需利用振动信号就可估计出研磨装置的研磨状态(例如：研磨转速)。此外，本发明研磨状态评估方法所估计出的研磨转速可进一步提供给颤振监测、诊断之用，以作为软件感测器(soft sensing)。再者，本发明的研磨状态评估方法可准确地计算出研磨装置的研磨转速，即使在信号受到强烈干扰的情况下仍十分准确，例如：信号受天车移动强烈干扰，而反频谱中仍反映正确的转速消息，因此可省去转速测量测点，简化监测系统结构。因此，本发明可免除常规监测系统中转速信号的测点，以简化研磨颤振监测系统并减少感测器(转速计)数量、布线和线路维护成本。再者，本发明的研磨状态评估方法可评估在研磨工艺中，所述研磨装置是否接触所述工件。

附图说明

图1显示本发明研磨状态评估方法的流程图；

图2显示本发明对数频谱的示意图；

图3显示本发明反频谱的示意图；

图4显示本发明以反谐波数目和反谐波间隔计算得反谐波峰值的示意图；以及

图5显示以本发明研磨状态评估方法计算的研磨转速与以转速计测量的研磨转速的结果比较图。

具体实施方式

图1显示本发明研磨状态评估方法的流程图。所述研磨状态评估方法用以评估研磨装置研磨工件时的研磨状态。在本实施例中，所述研磨状态评估方法用以评估研磨装置的研磨转速。其中，所述研磨装置具有最低可能研磨转速和最高可能研磨转速。参考步骤S11，检索振动信号，其经历检索时间区间。其中，所述振动信号可选择地检索自所述研磨装置或所述工件。

参考步骤S12，计算所述振动信号的反频谱，所述反频谱具有多个反谐波(rahmonics)。其中，反频谱定义具有许多不同版本，但基本精神均为对数频谱的傅利叶逆转换，表示如以下(1)式：

其中，C(τ)为反频谱，S_xx为双边功率谱(double-sided power spectrum)，且上式(1)为后续法则开发主要延用的计算基准。由于S_xx为实数且为对称函数，所以C(τ)也是一个实数且为对称函数。如果原始波形有N点，那么最后反频谱会有N/2点，而其解析度与取样率相同。

另外，反频谱强调了频谱中等间隔的谱线，在某种程度上与自相关谱(autocorrelation)相同，所以在上式(1)中τ代表的意义即为信号中某一成份重复的周期。如果在频谱中等间隔谱线的间隔为Δf，那么在反频谱中将在τ＝1/Δf出现波峰。参考图2，在对数频谱中可发现的确存在等间隔信号(等间隔波峰)。参考图3，而在反频谱中则可更清楚发现频谱中显示出等间隔成份(波峰P₁到P₇)。

虽然反频谱与自相关谱非常相似，但在颤振分析上，自相关谱非常不适当，原因如下：

自相关谱的计算可由

获得，其与反频谱最大不同之处在于反频谱中对S_xx取对数(log)，而log可将信号中较微弱的信号突显出来，使得反频谱在倍频的检测上优于自相关谱。此外，在自相关谱当中完全无法显示出明显重复周期，而仅能呈现出线性频谱中主要峰值成份。再者，当能量集中时，自相关谱易受主要频率所影响而无法显示出能量较小的等间隔信号。而颤振的发生通常有能量集中的现象，因此，即使自相关谱与反频谱非常相近，但自相关谱非常不适用于颤振分析。

参考步骤S13，移除所述反谐波的低反频率(quefrency)部分。在反频谱转换过程中，通常低反频率部分的噪音非常大，这是因为频谱中较高频间隔的成份不多。另外，反谐波的反振幅(gamitude)随反频率增加而递减，因此在较高反频率部分的信噪比低也不利于辨别。

在本实施例中，移除所述反谐波的低反频率部分的步骤，是根据所述最高可能研磨转速计算低反频率截断阀值，再根据所述低反频率截断阀值将低于所述低反频率截断阀值的反频谱值设为0，以移除所述反频谱的低反频率部分。

参考步骤S14，根据振幅阈值移除所述反谐波的能量低于所述振幅阈值部分。经由移除所述反频谱的较低能量成份可使判断上更为容易。将反频谱中等反谐波的反振幅大小比所述振幅阈值低者设为0、比所述振幅阈值高者维持原大小，即可得到反频谱波形C。其中，反频谱的波形是少数几个宽度非常窄的突波，所以反频谱中的噪音最低限度(noise floor)能量几乎相当于反谐波的反振幅的均方根(RMS)值，因此所述振幅阈值的大小可以定为等效峰值。在本实施例中，所述振幅阈值(th)可以下(2)式表示：

$\mathrm{th}=\mathrm{RMS}\left(C\right)\×\sqrt{2}---\left(2\right)$

即，所述振幅阈值位于噪音最低限度最大处。

参考步骤S15，根据设定反谐波计算数目的反谐波和所述反谐波的设定间隔，计算反频谱波信号。在本实施例中，所计算的所述反频谱波信号具有多个反谐波峰值。其中，所述设定间隔是根据所述最低可能研磨转速、所述最高可能研磨转速和所述振动信号的取样率计算而得，而所述设定间隔为整数，且所述设定间隔介于所述取样率与所述最高可能研磨转速的比值和所述取样率与所述最低可能研磨转速的比值之间。优选地，所述设定反谐波计算数目选择为4，所述反谐波的所述设定间隔选择为1到4。

在步骤S15中，进一步定义峰值匹配函数(peak match function)，如以下(3)式：

$P\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_1\left(\mathrm{ni}\right)---\left(3\right)$

在此m代表计算的反谐波数目，而n是所述反谐波的间隔。其中，m越大代表考虑的突波越多，越可以突显研磨转速的倒数(1/f₀)，然而，一般经验显示，反频谱中突波约可出现4个，因此m的值优选取4。而n与研磨转速相关，其应对应在所述最高可能研磨转速的倒数与所述最低可能研磨转速的倒数之间(秒)。要注意的是，在反频谱中横轴为时间且其解析度为原始取样频率，所以n的值应在[f_s/22]与[f_s/10]之间，其中，中括弧[]代表取整数，f_s为取样率。

另外，在本实施例中，优选地另外包括根据所述最低可能研磨转速和所述最高可能研磨转速计算频谱识别范围的步骤，其中，所述频谱识别范围介于所述最高可能研磨转速的倒数与所述最低可能研磨转速的倒数之间(秒)。

参考图4，其显示本发明反频谱中计算的反谐波数目为4，反谐波间隔为1到4的示意图，其中箭头处代表由反频谱波C中选取的C₁的点。配合参考图4和步骤S15，在峰值匹配函数中，所述选取的C₁的点中最大值所在位置即为研磨转速的倒数。而在反频谱中，所求得的所述反谐波峰值呈等间隔分布，且所述反谐波峰值位于所述频谱识别范围内。其中，所述间隔即为所述反频谱的某一成份(在本发明中是所述研磨装置的研磨转速)重复的周期。

参考步骤S16，根据所述反频谱波信号评估所述研磨状态。在本实施例中，其是根据所述反谐波峰值对应所述检索时间区间的检索时间，计算所述研磨转速。其中，所述反谐波峰值对应所述检索时间区间的所述检索时间为所述研磨转速倒数的整数倍。

因此，当研磨装置与工件接触，反频谱中会出现研磨转速倒数的成份，如以下(4)式：

$C_p=\frac{1}{f_o},\frac{2}{f_o},\frac{3}{f_o},\frac{4}{f_o}...---\left(4\right)$

在此C_p为反频谱峰值所在位置，单位为秒；f_o为研磨装置的一倍研磨转速，单位为Hz。

要注意的是，反频谱中的反振幅最大者不一定在主要研磨转速倒数，有时会出现在2/f₀或1/2/f₀或其它与研磨转速不相干的位置上。因此，不可直接以反频谱中的反振幅最大峰值位置来决定主要研磨转速。要强调的是，在反频谱中，所述反谐波峰值呈等间隔分布，即，所述反谐波峰值出现在1/f₀，2/f₀，3/f₀，4/f₀…的位置。根据此特性，可以强化研磨转速相关的信号。

由观察经验和实际验证，所述反谐波峰值较明显者为前面四个反谐波，即1/f_o、2/f_o、3/f_o，和4/f_o。所以在辨别所述反谐波峰值之前，优选先定义出一个频谱识别范围，所述识别范围与研磨频率(工作频率)有关。如果研磨装置的最低可能研磨转速与最高可能研磨转速(研磨装置的主轴转速)分别为f_l与f_h，那么所述频谱识别范围上下限应定为[1/f_h，4/f_l]。例如：如果磨床的主轴的最低可能研磨转速与最高可能研磨转速范围在10到22Hz之间，可以限定所述频谱识别范围在45到400毫秒(msec)之间。

要注意的是，一般研磨装置的(例如：砂轮)空转时主要呈现研磨装置的动平衡不良信号，其频率集中于单一频率，因此在反频谱中并不会出现明显成份，即在反频谱中无任何消息。因此，如果在步骤S15中所计算的所述反频谱波信号不具等间隔分布的反谐波峰值，那么在步骤S16中评估所述研磨状态为所述研磨装置不接触所述工件。

然而，在研磨过程中，研磨装置的主轴因研磨力的关系发生稍微弯曲变形，在旋转时产生转速倍频，因此可以本发明的研磨状态评估方法计算出研磨装置的研磨转速。因此，本发明的研磨状态评估方法除了可准确地计算出研磨装置的研磨转速，还可判断研磨装置是否接触工件。

参考图5，其显示以本发明研磨状态评估方法计算的研磨转速与以转速计测量的研磨转速的结果比较图，其中，比对数据为286笔。在286笔数据中，误差小于1％者共有280笔，占总笔数的97.6％，显示本发明的研磨状态评估方法确实可准确地计算出研磨装置的研磨转速。

本发明仅需利用振动信号即可估计出研磨装置的研磨状态(例如：研磨转速)。此外，本发明研磨状态评估方法所估计出的研磨转速可进一步提供给颤振监测、诊断之用，以作为软件感测器(soft sensing)。再者，本发明的研磨状态评估方法可准确地计算出研磨装置的研磨转速，即使在信号受到强烈干扰的情况下仍十分准确，例如：信号受天车移动强烈干扰，而反频谱中仍反映正确的转速消息，因此可省去转速测量测点，简化监测系统结构。因此，本发明可免除常规监测系统中转速信号的测点，以简化研磨颤振监测系统并减少感测器(转速计)数量、布线和线路维护成本。再者，本发明的研磨状态评估方法可评估在研磨工艺中，所述研磨装置是否接触所述工件。

上述实施例仅为了说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明。因此所属领域的技术人员在不脱离本发明的精神的情况下对上述实施例进行修改和变化。本发明的权利范围应如所附权利要求书所列。

Claims (17)

1.一种研磨状态评估方法，其用以评估研磨装置研磨工件时的研磨状态，所述研磨状态评估方法包括以下步骤：

(a)检索振动信号；

(b)计算所述振动信号的反频谱，所述反频谱具有多个反谐波；

(c)移除所述反谐波的低反频率部分；

(d)根据振幅阈值移除所述反谐波的能量低于所述振幅阈值部分；

(e)根据设定反谐波计算数目的反谐波和所述反谐波的设定间隔，计算反频谱波信号；以及

(f)根据所述反频谱波信号评估所述研磨状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(e)中如果所述反频谱波信号不具等间隔分布的反谐波峰值，那么在步骤(f)中将所述研磨状态评估为所述研磨装置不接触所述工件。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤(a)中，从所述研磨装置或所述工件检索所述振动信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述研磨状态显示所述研磨装置的研磨转速，在步骤(a)中检索所述振动信号经历检索时间区间，在步骤(e)中所述反频谱波信号具有多个反谐波峰值，在步骤(f)中根据所述反谐波峰值对应所述检索时间区间的检索时间评估所述研磨转速。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤(a)中，从所述研磨装置或所述工件检索所述振动信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述研磨装置具有最低可能研磨转速和最高可能研磨转速。

7.根据权利要求6所述的方法，其另外包括根据所述最高可能研磨转速计算低反频率截断阈值，在步骤(c)中将低于所述低反频率截断阈值的反频谱值设为0，以移除所述反谐波的低反频率部分。

8.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤(d)中根据所述反谐波的反振幅均方根值计算所述振幅阈值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在步骤(d)中将所述反谐波的反振幅低于所述振幅阈值部分设为0。 

10.根据权利要求6所述的方法，其另外包括根据所述最低可能研磨转速和所述最高可能研磨转速计算频谱识别范围的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述频谱识别范围介于所述最高可能研磨转速的倒数与所述最低可能研磨转速的倒数之间。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在步骤(e)中，所述反谐波峰值对应的时间点落在所述频谱识别范围内。

13.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤(e)中根据所述最低可能研磨转速、所述最高可能研磨转速和所述振动信号的取样率，计算所述反谐波的所述设定间隔，其中所述设定间隔为整数，且所述设定间隔介于所述取样率与所述最高可能研磨转速的比值和所述取样率与所述最低可能研磨转速的比值之间。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在步骤(e)中所述设定反谐波计算数目为4，所述反谐波的所述设定间隔为1到4。

15.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤(e)中，所述反谐波峰值呈等间隔分布。

16.根据权利要求4所述的方法，其中在步骤(f)中，所述反谐波峰值对应所述检索时间区间的所述检索时间为所述研磨转速倒数的整数倍。

17.根据权利要求4所述的方法，其中步骤(e)另外包括定义峰值匹配函数的步骤，用以计算所述反谐波峰值产生的数目和位置。 

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