NI LabVIEW hilft, die nächste Generation von Turbomolekularpumpen auszubalancieren

Leistung der Ultrahochvakuumpumpe

Edwards, ein führender Hersteller von Vakuum- und Emissionsminderungsgeräten, bedient einige der weltweit fortschrittlichsten Industriezweige wie Halbleiter, Pharma und Solar und ermöglicht Spitzenforschung in Bereichen wie erneuerbare Energien, Genetik, Stammzellenforschung und Teilchenphysik.

Zu den innovativsten Neuheiten des Unternehmens gehört die Turbo-Molekularvakuumpumpe nEXT, die durch den Einsatz eines Turbinenrotors, der sich mit 60.000 U/min dreht, mit einer Schaufelspitzengeschwindigkeit von nahezu 90% der Schallgeschwindigkeit eine ultrahohe Vakuumleistung bietet.

Eine wichtige Anwendung für diese Art von Pumpe ist im Labor, wo die Pumpe in Massenspektrometrie- und Elektronenmikroskopiegeräte integriert wird, um die Ultrahochvakuumumgebung zu schaffen, die benötigt wird, um ionisierte Partikel auf Detektoren gelangen zu lassen. Diese Geräte sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Vibrationen und elektromagnetischen Störungen. Vor diesem Hintergrund wurde die nEXT-Pumpe so konzipiert, dass sie deutlich geringere Schwingungs- und Streumagnetfelder bietet als jede andere Pumpe.

Erstellen einer internen Lösung

Es ist keine einfache Aufgabe, eine Pumpe herzustellen, die eine klassenführende Vibrationsleistung erzielt und gleichzeitig viermal schneller rotiert als ein Formel-1-Rennwagenmotor. Dazu muss der Rotor der Pumpe innerhalb extrem enger Toleranzen ausgewuchtet werden, wobei die Restschwingungen so gering sind, dass die Messung dieser Schwingung zum Erreichen der erforderlichen Auswuchttoleranzen außerhalb der Möglichkeiten unserer bestehenden Auswuchtanlagen lag.

Natürlich wurden die Hersteller dieser Geräte angesprochen, um neue Systeme oder Upgrades zu kaufen, aber es stellte sich schnell heraus, dass keines dieser Standardsysteme unsere speziellen Anforderungen erfüllen würde.

Nach nur wenigen Wochen bis zur Produkteinführung bestand die Herausforderung darin, eine eigene Lösung zu entwickeln. Obwohl wir im Laufe der Jahre mehrere Hersteller von Testhardware und Programmiersprachen verwendet haben, haben sich Produkte von National Instruments, einschließlich LabVIEW System Design Software, in unserem Unternehmen als anerkannte Standards etabliert – nicht nur für Produktionstests, sondern auch in unseren Servicezentren weltweit und in unseren Laboratorien, um die fortlaufende Forschung und Entwicklung zu erleichtern.

Die weite Verbreitung von LabVIEW in unserem Unternehmen zusammen mit seiner Benutzerfreundlichkeit und beispiellosen Kompatibilität mit NI- und Drittanbieterhardware machte es zu einer naheliegenden Wahl für diese Anwendung. Um unsere hohen Anforderungen an die Signalerfassung zu erfüllen, haben wir uns für den 4-Kanal-DSA des Typs NI-9234 entschieden. Neben einer Sample-Rate von 51,2 kS/s, einer Auflösung von 24 Bit und einem hervorragenden dynamischen Eingangsbereich von 102 dB bietet dieses Modul auch die Vorteile einer nahtlosen Integration in LabVIEW und IEPE. Wir können direkt an einen Beschleunigungsmesser anschließen, wodurch der gesamte Systemaufbau vereinfacht wird.

Implementierung

Die Arbeit begann mit der Verwendung des DSA-Moduls zusammen mit dem NI Sound and Vibration Toolkit, um ein Prototypsystem zu erstellen, mit dem das Konzept getestet werden konnte. Am Pumpenkörper wurde ein Beschleunigungsmesser angebracht, und ein Fotosensor wurde verwendet, um die Rotorposition der Pumpe zu erfassen und eine Drehzahlreferenz bereitzustellen. Der Fotosensor ist ein digitales Gerät, das bei jeder Umdrehung des Rotors einen kurzen Impuls ausgibt. Ein solcher digitaler Sensor kann normalerweise nicht mit einem analogen Eingang verbunden werden. Die Measurement-Suite bietet jedoch mehrere Funktionen zur Rekonstruktion des ursprünglichen Tachosignals aus dem analogen Bereich. Sowohl mit dem NI Sound and Vibration Assistant in der Measurement Software Suite als auch mit NI-Hardware haben wir innerhalb weniger Stunden einen funktionierenden Prototyp erstellt, der die Machbarkeit einer internen Lösung beweist.

Der nächste Schritt war das Verschieben des Prototyps nach LabVIEW, so dass die Arbeit an der vollständigen Anwendung beginnen konnte. Der Sound and Vibration Assistant hat dies einfach gemacht, indem er für uns den LabVIEW Code erzeugt und die Grundlage für die Entwicklung der Software geschaffen hat.

Von hier aus war es relativ einfach, eine Benutzeroberfläche, Kalibrierfunktionen, Dialoge zur Anpassung produktspezifischer Parameter und den Code zur Berechnung der Pumpenunwucht aus den gemessenen Schwingungsdaten hinzuzufügen. Die Methodik für diese Berechnungen ist bekannt und enthält umfangreiche Literatur zu diesem Thema. Bei der Berechnung des Ungleichgewichts und der Massen, die addiert werden müssen, um es zu korrigieren, wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass Messungen so nah wie möglich an der Quelle durchgeführt werden. In unserem Fall war dies nicht möglich, da sich der Rotor in einem Pumpengehäuse befindet, das verhindert, dass direkt Messungen durchgeführt werden können, was die Schätzung der tatsächlichen Unwucht vereinfacht. Standardmäßige Lösungen sind nicht darauf ausgelegt, diese Abweichungen von der Standardpraxis zu bewältigen, wodurch Bediener gezwungen sind, die Berechnungen manuell durchzuführen. Unsere hauseigene Lösung ermöglichte es uns, Know-how und Praktiken des Unternehmens einzubringen, um das System intuitiver zu gestalten und den Produktionsablauf und die Fertigungseffizienz zu verbessern. Darüber hinaus haben wir durch das Hinzufügen eines interaktiven Software-Tools, das Bedienern hilft, die erforderliche Korrekturmasse aus Standardgewichtungen zu berechnen, das Kundenerlebnis verbessert und weitere Workflow-Verbesserungen erzielt.

Schließlich haben wir die Software unter Verwendung der Parallelität in LabVIEW und der beiden verbleibenden DSA-Eingänge so skaliert, dass das Auswuchten auf zwei Pumpen gleichzeitig unterstützt wird. Daher entwickelten wir zwei Auswuchtanlagen für einen Bruchteil des Preises von einem. Die vollständige Entwicklung vom Proof of Concept über die Validierung bis hin zur endgültigen Lieferung der funktionierenden Lösung dauerte knapp fünf Wochen.

Aufbauend auf den Vorteilen

Mit LabVIEW, NI-Datenerfassungshardware und der NI Sound and Vibration Measurement Suite haben wir ein robustes und benutzerfreundliches Auswuchtsystem mit einem dynamischen Eingangsbereich entwickelt, der den eines handelsüblichen Systems bei weitem übersteigt, zu einem Bruchteil der Kosten und innerhalb eines extrem engen Projektzeitrahmens.

Neben signifikanten Kosteneinsparungen bot die Entwicklung einer kundenspezifischen Lösung mehrere Vorteile, darunter eine verbesserte Messgenauigkeit, Verbesserungen im Produktionsablauf und in der Effizienz sowie eine stark vereinfachte Unterstützung (sollte sie einmal kaputt gehen, können wir sie selbst beheben).

Seit der Einführung der Lösung im vergangenen Jahr sind wir über den ursprünglichen Rahmen hinausgegangen und haben die Anwendung angepasst, um das Auswuchten über unsere gesamte Turbopumpen-Produktpalette hinweg zu unterstützen, um sie als universellen Ersatz für handelsübliche Auswuchtanlagen geeignet zu machen. Im Zuge der Expansion unseres Unternehmens machen es die integrierten Distributionswerkzeuge von LabVIEW einfach, diese Lösung weltweit auf neue Service- und Produktionsstätten zu übertragen und bieten dadurch die erheblichen fortlaufenden Kosteneinsparungen und Produktionsprozessverbesserungen, die erforderlich sind, um Edwards seinen Platz als Weltmarktführer zu sichern.

Informationen zum Autor:

Gerard Johns
Edwards
15 Marshall Road, Hampden Park
East Sussex BN22 9BA
Vereinigtes Königreich
Tel: 01323 525327
gerard.johns@edwardsvacuum.com