四極質量分析器陶瓷極座磨床控制系統研制

唐小會　徐　剛　戴曉靜　藍　河　張連新

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

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四極質量分析器陶瓷極座磨床控制系統研制

唐小會徐剛戴曉靜藍河張連新

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

根據四極質量分析器陶瓷極座的磨削工藝需求、磨床結構和IMAC控制器的開放特性，構建了基于IPC+IMAC的上下位結構磨床控制系統，開發了上位控制軟件、下位PLC軟件和磨削工藝軟件。應用結果表明，該極座磨床控制系統穩定性好、可靠性高、操作簡單。

四極質量分析器；極座；極座磨床；控制系統；IMAC；上下位機結構；PLCC程序

四極質譜儀被廣泛應用于環境監測、食品安全、生命科學、新型材料等多個領域[1-2]。四極質量分析器是四極質譜儀的核心部件，由于生成四極質量分析器“理想”四極場的雙曲面極桿加工、裝配都相當困難，實際的四極質譜儀中，常采用圓柱四極桿組件代替雙曲面四極桿組件獲得近似的四極場[3-4]。因此，四極質量分析器的實際分辨率很大程度上受限于極座的加工精度[5]。

陶瓷材料熱膨脹系數小、化學穩定性高，采用陶瓷材料制造的極座具有突出的精度穩定性和抗污染能力，陶瓷材料被廣泛應用于四極質量分析器的極座。但陶瓷材料屬于脆性材料，硬度高、脆性大，采用通用的制造設備加工陶瓷極座時存在加工精度不穩定與生產效率低下等瓶頸問題。

目前，四極質量分析器基本依賴于進口，雖然國內部分單位進行過四極質量分析器的研制，但均沒有達到批量化生產[6-7]，國內尚無生產高精度四極質量分析器陶瓷極座的專用工藝裝備的報道，為了能夠實現四極質量分析器的國產化、批量化生產，就必須研制加工四極質量分析器陶瓷極座的專用裝備。本文就針對陶瓷極座磨床的控制系統開展研究。

1　極座磨床簡介

極座磨床主要由床身、主軸系統、控制系統、氣浮系統等組成。具有兩個直線進給軸：X軸、Z軸，兩個回轉軸：C軸(加工回轉臺)和一個手動精確分度回轉臺。主軸為氣動磨頭。極座磨床的機械結構如圖1所示。X軸水平直線運動實現氣動磨頭的徑向進給。Z軸實現加工工藝需要的氣動磨頭上下往復磨削運動?；剞D工作臺連續旋轉實現安裝于水平工作臺上的極座連續回轉運動。分度回轉臺通過精確轉動實現極座加工工藝分度要求。氣動磨頭用于帶動安裝于其上的砂輪高速旋轉。

2　極座磨床控制系統構建

2.1控制系統功能分析

極座磨床控制系統是實現極座磨削的控制中樞，極座磨削的工藝流程如圖2。要實現極座磨削加工，控制系統必須具備：磨頭控制、磨削控制、X向微進給、記錄X坐標、快速移動到測量位、設置工藝參數、建立工件坐標系等專用功能，同時為了方便操作者對工件進行粗定位、粗對刀，實時觀察磨削情況，監測機床狀態等，控制系統還必須具備實現X軸、Z軸的回零控制、點動控制、自動控制、手脈控制、機床的急?？刂?、氣路控制、狀態監測等功能。

2.2控制器選型

控制器是控制系統的核心部件，目前，開放式控制器具有支持高級語言、開發空間大、適應性強、成本低等顯著優點被廣泛應用于專用裝備控制系統的研制[8-9]。現在市場上的開放式運動控制器非常多，Delta Tau Data Systems公司的IMAC運動控制器由于具備獨立內存、獨立運算能力、支持內置PLC和PMC運動程序、擴展性好等優點應用最廣。因此，本極座磨床選擇IMAC作為運動控制核心。

2.3控制系統硬件平臺構建

根據控制功能需求和選擇的運動控制器，構建了基于IPC+IMAC控制器的雙CPU上下位機結構的控制系統。上位機由工業控制計算機和操作控制面板MCP組成，下位機是由IMAC控制器及擴展板卡等組成，二者通過基于工業以太網的Modbus/TCP協議進行通訊。憑借以太網的物理傳輸介質和Modbus協議的開發性與循環冗余校驗的糾錯特性保證上下位機數據與指令傳輸的實時性和正確性。上位機用于實現系統管理、工藝參數輸入、狀態監測顯示、磨削控制工藝過程管理等非實時性任務；下位機用于實現位置控制、速度控制、操作面板MCP的開關量輸入輸出狀態處理以及機床邏輯控制等實時性任務。控制系統硬件結構如圖3。

2.4控制系統軟件設計

四極質量分析器陶瓷極座磨床是專門用于磨削陶瓷極座的專用磨床，功能單一且工藝需求固定?；跇嫿ǖ挠布脚_，在滿足極座磨床控制軟件功能、性能的前提下，按軟件簡單易用的設計原則把控制系統軟件分解為3個部分：上位控制軟件、PLC控制軟件和固化工藝軟件。其中上位軟件實現工藝參數設置、位置坐標監測顯示、機床狀態監測顯示以及磨削控制過程的人機交互操作等功能，PLC控制軟件實現操作面板MCP的回零控制、點動控制、手脈控制、自動控制、氣路控制、急停控制和機床故障診斷等功能。固化工藝軟件實現極座磨削加工的粗磨削工藝、精磨削工藝以及輔助工藝等，具體如圖4。極座磨床通過上位控制軟件、PLC控制軟件和固化工藝軟件與硬件平臺的協同工作實現極座磨削加工。

3　控制系統軟件開發

3.1上位控制軟件開發

上位控制軟件以IMAC控制器的支撐軟件PComm32為基礎，利用VC++6.0開發軟件在Windows XP操作系統下開發，開發的人機交互主界面如圖5。上位控制軟件部署在工控機中，通過IMAC通訊軟件實現與IMAC控制器的交互。

3.2PLC控制軟件開發

IMAC支持非同步執行的32個內置PLC程序和32個內置PLCC程序，PLCC程序是編譯后下載至內存的，而PLC程序相當于解釋性語言，使用PLCC程序可以大幅度提高程序執行速度[11]。因此本控制系統的內置式PLC控制軟件采用PLCC程序實現。根據PLCC程序的運行特性(分時輪循運行)和模塊化設計思想把PLC控制軟件設計為多個PLCC程序，然后下載到IMAC控制器，通過設置合適的I5參數協同ENABLE PLCC n和DISABLE PLCC n控制指令實現操作面板MCP的實時邏輯控制。

3.3固化工藝軟件開發

固化工藝軟件實現磨削工藝以及其他輔助工藝等。采用IMAC支持的類似Basic等高級機器語言的運動程序語言實現。本系統的磨削工藝采用IF…ELSE實現分支控制流，采用WHILE循環實現等待條件的判斷，采用變量實現固化程序的參數化，提高磨削工藝靈活性和適應性，同時編寫自定義M指令代碼實現主軸控制。編寫完成的磨削運動程序調試完成后通過PEWIN32調試環境下載到IMAC控制器并一直駐留在IMAC控制器中。操作者只需要在控制系統主界面點擊“磨孔”按鈕就可以啟動磨孔運動程序，完成極座磨削加工。

4　結語

構建了基于IPC+IMAC的上、下位機結構極座磨床控制系統，通過研制的上位控制軟件、PLC控制軟件和固化工藝軟件的協同實現了磨床的控制。該機床已成功應用于四極質量分析器陶瓷極座的批量化生產，長期應用表明，該機床控制系統穩定性好、可靠性高，簡單易用。

[1]王桂友，減斌，顧昭.質譜儀技術發展與應用[[J].現代科學儀器，2009(6) :124-128.

[2]金欽漢.分析儀器的發展趨勢和幾種有價值的分析儀器技術明[J].現代科學儀器，2006(4): 17-19.

[3]方向，覃麗麗，白崗. 四極桿質量分析器的研究現狀及進展[J].質譜學報，2005, 26(4):234-242.

[4] 吳定柱，劉興寶，蔣家東，等.雙曲面四極質量分析器制造工藝研究[J].機械設計與制造,2013(10):122-127.

[5] 江游，方向，張小華，等. 幾何誤差對四極桿質量分析器分辨率的影響.[J].儀器代表學報，2007，28(8)：152-155.

[6]劉靖.聚光科技和天瑞儀器的優勢與特點[J]. 分析儀器,2012(5): 8-9

[7]劉召貴.關于國內分析儀器企業如何發展的思考[J]. 分析儀器,2010(1): 10-11.

[8] 唐小會，吉方，王亞軍, 等. 基于UMAC的通用層次式控制系統研究[J].機械設計與制造,2013(2):80-82.

[9] 王恒,陳懇.基于設計模式的開放式數控系統軟件技術研究[J].中國制造業信息化，2005,34(8) : 113-116.

[10] 王正兵,任偲.第二講開放式數控系統的核心—開放式控制器[J].制造技術與機床,2002(1) : 43-44.

[11] PMAC2 USER’S MANUAL[Z].DELTA TAU Data Systems, Inc. 1998.

(編輯孫德茂)

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Development of grinder control system for ceramic pole base in quadrupole mass filter

TANG Xiaohui, XU Gang, DAI Xiaojing, LAN He, ZHANG Lianxin

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, CAEP, Mianyang 621900, CHN)

According to the grinding process of the ceramic pole base in the quadrupole mass filter, the structure of the grinder and the open property of IMAC, the grinder control system is constructed based on IPC and IMAC, which has the upper and lower position machine structure. The control system software are developed, which included the upper position machine control program, the lower PLC program and the grinding process program. The actual application states that the control software can run stably and reliably, also can be easy to use.

quadrupole mass filter; pole base;pole base grinder;control system; IMAC; upper and lower position machine structure; PLCC program

TP273

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.015

2016-03-06)

160826