专利名称：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
Λ二工辊线速 ~颤振频率以圆筒磨床为例，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 肩、ο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。
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。
具体实施例方式图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⑴式
C(T) = ^l(\ogSxx(f)) ⑴其中，C(T)为反频谱，Sxx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Sxx为实数且为对称函数，所以C(T)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。另夕卜，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Δ ·，那么在反频谱中将在τ =1/Af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^Γ) = 、^/))获得，其与反频谱最大不同之处在于反频 谱中对Sxx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
5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th ^ RMS(C)-Kyil (2)S卩，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
mP(") = ZCi(m·)
'=I(3)在此m代表计算的反谐波数目，而η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/%)，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η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η的值应在[fs/22]与[fs/10]之间，其中，中括弧[]代表 取整数，fs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⑷ 式
12 3 4
Jo Jo Jo Jo(4)在此Cp为反频谱峰值所在位置，单位为秒;f0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/%或1/2&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/%，2/%，3/%，4/%…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l/f。、2/ f。、3/f。，和4/f。。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4与4，那么所述频谱识别范围上下限应定为[1/ fh，4/f\]。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
7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。
权利要求
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 截断阀值，在步骤(c)中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，所述反谐波峰值位于所述频谱识 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。全文摘要
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。
文档编号B24B5/37GK101898319SQ200910143049
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者吴崇勇 申请人:中国钢铁股份有限公司