四极质量分析器陶瓷极座磨床控制系统研制

唐小会　徐　刚　戴晓静　蓝　河　张连新

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)



四极质量分析器陶瓷极座磨床控制系统研制

唐小会徐刚戴晓静蓝河张连新

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

根据四极质量分析器陶瓷极座的磨削工艺需求、磨床结构和IMAC控制器的开放特性，构建了基于IPC+IMAC的上下位结构磨床控制系统，开发了上位控制软件、下位PLC软件和磨削工艺软件。应用结果表明，该极座磨床控制系统稳定性好、可靠性高、操作简单。

四极质量分析器；极座；极座磨床；控制系统；IMAC；上下位机结构；PLCC程序

四极质谱仪被广泛应用于环境监测、食品安全、生命科学、新型材料等多个领域[1-2]。四极质量分析器是四极质谱仪的核心部件，由于生成四极质量分析器“理想”四极场的双曲面极杆加工、装配都相当困难，实际的四极质谱仪中，常采用圆柱四极杆组件代替双曲面四极杆组件获得近似的四极场[3-4]。因此，四极质量分析器的实际分辨率很大程度上受限于极座的加工精度[5]。

陶瓷材料热膨胀系数小、化学稳定性高，采用陶瓷材料制造的极座具有突出的精度稳定性和抗污染能力，陶瓷材料被广泛应用于四极质量分析器的极座。但陶瓷材料属于脆性材料，硬度高、脆性大，采用通用的制造设备加工陶瓷极座时存在加工精度不稳定与生产效率低下等瓶颈问题。

目前，四极质量分析器基本依赖于进口，虽然国内部分单位进行过四极质量分析器的研制，但均没有达到批量化生产[6-7]，国内尚无生产高精度四极质量分析器陶瓷极座的专用工艺装备的报道，为了能够实现四极质量分析器的国产化、批量化生产，就必须研制加工四极质量分析器陶瓷极座的专用装备。本文就针对陶瓷极座磨床的控制系统开展研究。

1　极座磨床简介

极座磨床主要由床身、主轴系统、控制系统、气浮系统等组成。具有两个直线进给轴：X轴、Z轴，两个回转轴：C轴(加工回转台)和一个手动精确分度回转台。主轴为气动磨头。极座磨床的机械结构如图1所示。X轴水平直线运动实现气动磨头的径向进给。Z轴实现加工工艺需要的气动磨头上下往复磨削运动。回转工作台连续旋转实现安装于水平工作台上的极座连续回转运动。分度回转台通过精确转动实现极座加工工艺分度要求。气动磨头用于带动安装于其上的砂轮高速旋转。

2　极座磨床控制系统构建

2.1控制系统功能分析

极座磨床控制系统是实现极座磨削的控制中枢，极座磨削的工艺流程如图2。要实现极座磨削加工，控制系统必须具备：磨头控制、磨削控制、X向微进给、记录X坐标、快速移动到测量位、设置工艺参数、建立工件坐标系等专用功能，同时为了方便操作者对工件进行粗定位、粗对刀，实时观察磨削情况，监测机床状态等，控制系统还必须具备实现X轴、Z轴的回零控制、点动控制、自动控制、手脉控制、机床的急停控制、气路控制、状态监测等功能。

2.2控制器选型

控制器是控制系统的核心部件，目前，开放式控制器具有支持高级语言、开发空间大、适应性强、成本低等显著优点被广泛应用于专用装备控制系统的研制[8-9]。现在市场上的开放式运动控制器非常多，Delta Tau Data Systems公司的IMAC运动控制器由于具备独立内存、独立运算能力、支持内置PLC和PMC运动程序、扩展性好等优点应用最广。因此，本极座磨床选择IMAC作为运动控制核心。

2.3控制系统硬件平台构建

根据控制功能需求和选择的运动控制器，构建了基于IPC+IMAC控制器的双CPU上下位机结构的控制系统。上位机由工业控制计算机和操作控制面板MCP组成，下位机是由IMAC控制器及扩展板卡等组成，二者通过基于工业以太网的Modbus/TCP协议进行通讯。凭借以太网的物理传输介质和Modbus协议的开发性与循环冗余校验的纠错特性保证上下位机数据与指令传输的实时性和正确性。上位机用于实现系统管理、工艺参数输入、状态监测显示、磨削控制工艺过程管理等非实时性任务；下位机用于实现位置控制、速度控制、操作面板MCP的开关量输入输出状态处理以及机床逻辑控制等实时性任务。控制系统硬件结构如图3。

2.4控制系统软件设计

四极质量分析器陶瓷极座磨床是专门用于磨削陶瓷极座的专用磨床，功能单一且工艺需求固定。基于构建的硬件平台，在满足极座磨床控制软件功能、性能的前提下，按软件简单易用的设计原则把控制系统软件分解为3个部分：上位控制软件、PLC控制软件和固化工艺软件。其中上位软件实现工艺参数设置、位置坐标监测显示、机床状态监测显示以及磨削控制过程的人机交互操作等功能，PLC控制软件实现操作面板MCP的回零控制、点动控制、手脉控制、自动控制、气路控制、急停控制和机床故障诊断等功能。固化工艺软件实现极座磨削加工的粗磨削工艺、精磨削工艺以及辅助工艺等，具体如图4。极座磨床通过上位控制软件、PLC控制软件和固化工艺软件与硬件平台的协同工作实现极座磨削加工。

3　控制系统软件开发

3.1上位控制软件开发

上位控制软件以IMAC控制器的支撑软件PComm32为基础，利用VC++6.0开发软件在Windows XP操作系统下开发，开发的人机交互主界面如图5。上位控制软件部署在工控机中，通过IMAC通讯软件实现与IMAC控制器的交互。

3.2PLC控制软件开发

IMAC支持非同步执行的32个内置PLC程序和32个内置PLCC程序，PLCC程序是编译后下载至内存的，而PLC程序相当于解释性语言，使用PLCC程序可以大幅度提高程序执行速度[11]。因此本控制系统的内置式PLC控制软件采用PLCC程序实现。根据PLCC程序的运行特性(分时轮循运行)和模块化设计思想把PLC控制软件设计为多个PLCC程序，然后下载到IMAC控制器，通过设置合适的I5参数协同ENABLE PLCC n和DISABLE PLCC n控制指令实现操作面板MCP的实时逻辑控制。

3.3固化工艺软件开发

固化工艺软件实现磨削工艺以及其他辅助工艺等。采用IMAC支持的类似Basic等高级机器语言的运动程序语言实现。本系统的磨削工艺采用IF…ELSE实现分支控制流，采用WHILE循环实现等待条件的判断，采用变量实现固化程序的参数化，提高磨削工艺灵活性和适应性，同时编写自定义M指令代码实现主轴控制。编写完成的磨削运动程序调试完成后通过PEWIN32调试环境下载到IMAC控制器并一直驻留在IMAC控制器中。操作者只需要在控制系统主界面点击“磨孔”按钮就可以启动磨孔运动程序，完成极座磨削加工。

4　结语

构建了基于IPC+IMAC的上、下位机结构极座磨床控制系统，通过研制的上位控制软件、PLC控制软件和固化工艺软件的协同实现了磨床的控制。该机床已成功应用于四极质量分析器陶瓷极座的批量化生产，长期应用表明，该机床控制系统稳定性好、可靠性高，简单易用。

[1]王桂友，减斌，顾昭.质谱仪技术发展与应用[[J].现代科学仪器，2009(6) :124-128.

[2]金钦汉.分析仪器的发展趋势和几种有价值的分析仪器技术明[J].现代科学仪器，2006(4): 17-19.

[3]方向，覃丽丽，白岗. 四极杆质量分析器的研究现状及进展[J].质谱学报，2005, 26(4):234-242.

[4] 吴定柱，刘兴宝，蒋家东，等.双曲面四极质量分析器制造工艺研究[J].机械设计与制造,2013(10):122-127.

[5] 江游，方向，张小华，等. 几何误差对四极杆质量分析器分辨率的影响.[J].仪器代表学报，2007，28(8)：152-155.

[6]刘靖.聚光科技和天瑞仪器的优势与特点[J]. 分析仪器,2012(5): 8-9

[7]刘召贵.关于国内分析仪器企业如何发展的思考[J]. 分析仪器,2010(1): 10-11.

[8] 唐小会，吉方，王亚军, 等. 基于UMAC的通用层次式控制系统研究[J].机械设计与制造,2013(2):80-82.

[9] 王恒,陈恳.基于设计模式的开放式数控系统软件技术研究[J].中国制造业信息化，2005,34(8) : 113-116.

[10] 王正兵,任偲.第二讲开放式数控系统的核心—开放式控制器[J].制造技术与机床,2002(1) : 43-44.

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

(编辑孙德茂)

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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