四極質(zhì)量分析器陶瓷極座磨床控制系統(tǒng)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(zhì)量分析器陶瓷極座磨床控制系統(tǒng)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(jù)四極質(zhì)量分析器陶瓷極座的磨削工藝需求、磨床結(jié)構(gòu)和IMAC控制器的開放特性，構(gòu)建了基于IPC+IMAC的上下位結(jié)構(gòu)磨床控制系統(tǒng)，開發(fā)了上位控制軟件、下位PLC軟件和磨削工藝軟件。應(yīng)用結(jié)果表明，該極座磨床控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、操作簡單。

四極質(zhì)量分析器；極座；極座磨床；控制系統(tǒng)；IMAC；上下位機結(jié)構(gòu)；PLCC程序

四極質(zhì)譜儀被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生命科學(xué)、新型材料等多個領(lǐng)域[1-2]。四極質(zhì)量分析器是四極質(zhì)譜儀的核心部件，由于生成四極質(zhì)量分析器“理想”四極場的雙曲面極桿加工、裝配都相當(dāng)困難，實際的四極質(zhì)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(zhì)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(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性高，采用陶瓷材料制造的極座具有突出的精度穩(wěn)定性和抗污染能力，陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于四極質(zhì)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(shè)備加工陶瓷極座時存在加工精度不穩(wěn)定與生產(chǎn)效率低下等瓶頸問題。

目前，四極質(zhì)量分析器基本依賴于進口，雖然國內(nèi)部分單位進行過四極質(zhì)量分析器的研制，但均沒有達到批量化生產(chǎn)[6-7]，國內(nèi)尚無生產(chǎn)高精度四極質(zhì)量分析器陶瓷極座的專用工藝裝備的報道，為了能夠?qū)崿F(xiàn)四極質(zhì)量分析器的國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，就必須研制加工四極質(zhì)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(tǒng)開展研究。

1　極座磨床簡介

極座磨床主要由床身、主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣浮系統(tǒng)等組成。具有兩個直線進給軸：X軸、Z軸，兩個回轉(zhuǎn)軸：C軸(加工回轉(zhuǎn)臺)和一個手動精確分度回轉(zhuǎn)臺。主軸為氣動磨頭。極座磨床的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。X軸水平直線運動實現(xiàn)氣動磨頭的徑向進給。Z軸實現(xiàn)加工工藝需要的氣動磨頭上下往復(fù)磨削運動?；剞D(zhuǎn)工作臺連續(xù)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)安裝于水平工作臺上的極座連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。分度回轉(zhuǎn)臺通過精確轉(zhuǎn)動實現(xiàn)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(zhuǎn)。

2　極座磨床控制系統(tǒng)構(gòu)建

2.1控制系統(tǒng)功能分析

極座磨床控制系統(tǒng)是實現(xiàn)極座磨削的控制中樞，極座磨削的工藝流程如圖2。要實現(xiàn)極座磨削加工，控制系統(tǒng)必須具備：磨頭控制、磨削控制、X向微進給、記錄X坐標(biāo)、快速移動到測量位、設(shè)置工藝參數(shù)、建立工件坐標(biāo)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(jiān)測機床狀態(tài)等，控制系統(tǒng)還必須具備實現(xiàn)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(tài)監(jiān)測等功能。

2.2控制器選型

控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，目前，開放式控制器具有支持高級語言、開發(fā)空間大、適應(yīng)性強、成本低等顯著優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于專用裝備控制系統(tǒng)的研制[8-9]。現(xiàn)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(nèi)存、獨立運算能力、支持內(nèi)置PLC和PMC運動程序、擴展性好等優(yōu)點應(yīng)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(tǒng)硬件平臺構(gòu)建

根據(jù)控制功能需求和選擇的運動控制器，構(gòu)建了基于IPC+IMAC控制器的雙CPU上下位機結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。上位機由工業(yè)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(yè)以太網(wǎng)的Modbus/TCP協(xié)議進行通訊。憑借以太網(wǎng)的物理傳輸介質(zhì)和Modbus協(xié)議的開發(fā)性與循環(huán)冗余校驗的糾錯特性保證上下位機數(shù)據(jù)與指令傳輸?shù)膶崟r性和正確性。上位機用于實現(xiàn)系統(tǒng)管理、工藝參數(shù)輸入、狀態(tài)監(jiān)測顯示、磨削控制工藝過程管理等非實時性任務(wù)；下位機用于實現(xiàn)位置控制、速度控制、操作面板MCP的開關(guān)量輸入輸出狀態(tài)處理以及機床邏輯控制等實時性任務(wù)。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3。

2.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

四極質(zhì)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?gòu)建的硬件平臺，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(shè)計原則把控制系統(tǒng)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(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)置、位置坐標(biāo)監(jiān)測顯示、機床狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)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?？刂坪蜋C床故障診斷等功能。固化工藝軟件實現(xiàn)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(xié)同工作實現(xiàn)極座磨削加工。

3　控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1上位控制軟件開發(fā)

上位控制軟件以IMAC控制器的支撐軟件PComm32為基礎(chǔ)，利用VC++6.0開發(fā)軟件在Windows XP操作系統(tǒng)下開發(fā)，開發(fā)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(xiàn)與IMAC控制器的交互。

3.2PLC控制軟件開發(fā)

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

3.3固化工藝軟件開發(fā)

固化工藝軟件實現(xiàn)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(xiàn)。本系統(tǒng)的磨削工藝采用IF…ELSE實現(xiàn)分支控制流，采用WHILE循環(huán)實現(xiàn)等待條件的判斷，采用變量實現(xiàn)固化程序的參數(shù)化，提高磨削工藝靈活性和適應(yīng)性，同時編寫自定義M指令代碼實現(xiàn)主軸控制。編寫完成的磨削運動程序調(diào)試完成后通過PEWIN32調(diào)試環(huán)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(tǒng)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(jié)語

構(gòu)建了基于IPC+IMAC的上、下位機結(jié)構(gòu)極座磨床控制系統(tǒng)，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(xié)同實現(xiàn)了磨床的控制。該機床已成功應(yīng)用于四極質(zhì)量分析器陶瓷極座的批量化生產(chǎn)，長期應(yīng)用表明，該機床控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，簡單易用。

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(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