NI LabVIEW aide à équilibrer la génération nEXT de pompes turbomoléculaires

Performances ultra élevées de la pompe à vide

Edwards, l’un des principaux fabricants d’équipements sous vide et de réduction, dessert certaines des industries les plus avancées au monde, notamment les semi-conducteurs, les produits pharmaceutiques et le solaire, et facilite la recherche de pointe dans des domaines tels que les énergies renouvelables, la génétique, la recherche sur les cellules souches et la physique des particules.

Parmi les nouveaux produits les plus innovants de la société figure la pompe à vide turbomoléculaire nEXT, qui fournit des performances de vide ultra élevées grâce à l’utilisation d’un rotor de turbine tournant à 60 000 tr/min, avec une vitesse d’extrémité de pale approchant 90 % de la vitesse du son.

Une application clé pour ce type de pompe est en laboratoire, où la pompe est incorporée dans un équipement de spectrométrie de masse et de microscopie électronique pour fournir l’environnement de vide ultra poussé nécessaire pour permettre aux particules ionisées d’atteindre les détecteurs. Cependant, ces types d’instruments sont très sensibles aux vibrations et aux interférences électromagnétiques. Dans cette optique, la pompe nEXT a été conçue pour offrir des niveaux de vibrations et de champs magnétiques parasites nettement inférieurs à ceux de toute autre pompe.

Création d’une solution maison

La fabrication d’une pompe capable d’atteindre des performances vibratoires de pointe, tout en tournant quatre fois plus vite qu’un moteur de Formule 1, n’est pas une tâche facile. Cela nécessite que le rotor de la pompe soit équilibré à des tolérances extrêmement strictes, avec des niveaux de vibration résiduels si bas que la mesure de cette vibration, pour atteindre les tolérances d’équilibrage requises, était au-delà des capacités de nos plates-formes d’équilibrage existantes.

Naturellement, les fournisseurs de ces plates-formes ont été approchés, en vue de l’achat de nouveaux systèmes ou de mises à niveau, mais il est rapidement apparu qu’aucun de ces systèmes standard ne serait en mesure de répondre à nos exigences spécialisées.

À quelques semaines du lancement de notre produit, le défi était de développer une solution interne. Bien que nous ayons utilisé plusieurs fournisseurs de matériel de test et langages de programmation au fil des ans, les produits National Instruments, y compris le logiciel de conception de systèmes LabVIEW, sont apparus comme des normes acceptées au sein de notre société - non seulement pour les tests en production, mais également dans nos centres de services à travers le monde et dans nos laboratoires pour faciliter la recherche et le développement continus.

La généralisation de LabVIEW au sein de notre société, associée à sa facilité d'utilisation et à sa compatibilité inégalée avec le matériel NI et tiers, en a fait un choix évident pour cette application. Pour répondre à nos exigences exigeantes en matière de capture de signaux, nous avons choisi le DSA à quatre voies NI-9234. Bien que sa fréquence d'échantillonnage de 51,2 kéch./s, sa résolution de 24 bits et son excellente gamme d'entrée dynamique de 102 dB aient plus que satisfait nos exigences, ce module offrait également les avantages d'une intégration transparente avec le conditionnement de signal LabVIEW et IEPE. Nous pouvons nous connecter directement à un accéléromètre, simplifiant ainsi la construction globale du système.

Implémentation

Le travail a commencé par l’utilisation du module DSA, avec le toolkit NI Sound and Vibration, pour créer un système prototype qui pourrait être utilisé pour prouver le concept. Un accéléromètre a été fixé au corps de la pompe et un capteur photo a été utilisé pour détecter la position du rotor de la pompe et fournir une référence de vitesse de tachymètre. Le capteur photo est un périphérique numérique qui émet une seule impulsion courte à chaque rotation du rotor. La connexion d’un tel capteur numérique à une entrée analogique n’est normalement pas viable. Cependant, le logiciel de la suite Measurement a rendu cela possible en offrant plusieurs fonctions pour reconstruire le signal tachymétrique d’origine à partir du domaine analogique. En utilisant à la fois l’Assistant NI Sound and Vibration inclus dans la suite logicielle de mesure et le matériel NI, nous avons mis en place un système prototype fonctionnel en quelques heures, prouvant la faisabilité d’une solution maison.

L'étape suivante consistait à déplacer le prototype vers LabVIEW, afin que le travail sur l'application complète puisse commencer. Sound and Vibration Assistant a facilité la tâche en générant le code LabVIEW pour nous et en fournissant une base pour le développement du logiciel.

De là, il était relativement simple d’ajouter une interface utilisateur, des fonctions d’étalonnage, des boîtes de dialogue pour ajuster les paramètres spécifiques au produit et le code pour calculer le déséquilibre de la pompe à partir des données de vibration mesurées. La méthodologie de ces calculs est bien connue, et de nombreux ouvrages sont disponibles à ce sujet. Cependant, lors du calcul du déséquilibre et des masses à ajouter pour le corriger, il est généralement considéré comme acquis que les mesures seront effectuées le plus près possible de la source. Dans notre cas, cela n’a pas été possible parce que le rotor est contenu dans un carter de pompe qui empêche les mesures d’être effectuées directement, ce qui rend le processus d’estimation du déséquilibre réel moins simple. Les solutions prêtes à l’emploi ne sont pas conçues pour faire face à ces écarts par rapport aux pratiques standard, qui obligent les opérateurs à compenser en effectuant les calculs manuellement. Notre solution interne nous a permis d’intégrer le savoir-faire et les pratiques de l’entreprise pour rendre le système plus intuitif et améliorer le flux de production et l’efficacité de la fabrication. De plus, en ajoutant un outil logiciel interactif pour aider les opérateurs à compenser la masse de correction requise à partir des pondérations standard, nous avons amélioré l’expérience client et amélioré davantage le flux de travail.

Enfin, en utilisant le parallélisme inhérent à LabVIEW et aux deux entrées DSA restantes, nous avons mis à l’échelle le logiciel pour supporter l’équilibrage sur deux pompes en même temps. Par conséquent, nous avons développé deux plates-formes d’équilibrage pour une fraction du prix d’une. Le développement complet, de la preuve de concept à la validation et à la livraison finale de la solution de travail, a pris un peu moins de cinq semaines.

Tirer parti des avantages

En utilisant LabVIEW, le matériel d’acquisition de données NI et la suite NI Sound and Vibration Measurement, nous avons développé un système d’équilibrage robuste et convivial avec une gamme d’entrée dynamique dépassant de loin celle de tout système disponible sur le marché, à une fraction du coût et dans un délai de projet extrêmement serré.

En plus d’importantes économies de coûts, la production d’une solution personnalisée a fourni plusieurs avantages, notamment une meilleure précision des mesures, des améliorations du flux de travail et de l’efficacité de la production, et un support considérablement simplifié (si jamais elle se brise, nous pouvons la corriger nous-mêmes).

Depuis l’introduction de la solution l’année dernière, nous sommes allés au-delà du brief d’origine et avons adapté l’application pour prendre en charge l’équilibrage sur l’ensemble de notre gamme de produits de pompe turbo afin de la rendre adaptée en remplacement universel des plates-formes d’équilibrage prêtes à l’emploi. À mesure que notre société se développe, les outils de distribution intégrés de LabVIEW facilitent le déploiement de cette solution à l’échelle mondiale dans de nouvelles installations de service et de fabrication, offrant ainsi les économies de coûts continues substantielles et les améliorations de processus de production nécessaires pour aider Edwards à assurer sa place de leader mondial.

Informations sur l’auteur :

Gerard Johns
Edwards
15 Marshall Road, Hampden Park
East Sussex BN22 9BA
Royaume-Uni
Tél. : 01323 525327
gerard.johns@edwardsvacuum.com