NI LabVIEW、nEXT世代のターボ分子ポンプのバランス調整に貢献

超高真空ポンプ性能

真空および除害装置の大手メーカーであるエドワーズは、半導体、製薬、太陽光などの世界最先端の産業にサービスを提供し、再生可能エネルギー、遺伝学、幹細胞研究、素粒子物理学などの分野における最先端の研究を促進しています。

革新的な新製品には、60,000rpmで回転するタービンローターを使用して超高真空性能を提供し、ブレード先端の速度が音速の90%近くに達するnEXTターボ分子真空ポンプがあります。

このタイプのポンプは、イオン化された粒子が検出器に到達するのに必要な超高真空環境を提供するために、ポンプが質量分析装置や電子顕微鏡装置に組み込まれる研究室で主に使用されます。しかし、これらのタイプの計測器は振動や電磁妨害に非常に敏感です。このことを考慮して、nEXTポンプは、他のポンプよりも振動および浮遊磁界レベルを大幅に低減するように設計されています。

社内ソリューションの作成

クラス最高の振動性能を達成しながら、F1レーシング・カーのエンジンよりも4倍の速度で回転するポンプの製造は容易ではありません。ポンプのロータは、残留振動レベルが非常に低い非常に厳しい許容範囲内でバランス調整される必要があります。そのため、この振動を測定することで必要なバランス調整の許容範囲を達成することは、既存のバランス調整装置では不可能なことでした。

当然、これらの装置の販売元は新規システムまたはアップグレードの購入を検討しましたが、これらの標準システムはいずれも当社の専門要件を満たすことができないことがすぐに明らかになりました。

製品発売まで数週間しかない中、社内ソリューションの開発が課題となりました。長年にわたり、複数のテストハードウェアベンダーとプログラミング言語を使用してきましたが、LabVIEWシステム設計ソフトウェアを含むナショナルインスツルメンツの製品は、製造テストだけでなく、世界中のサービスセンターやラボでも、継続的な研究開発を促進するための標準として受け入れられています。

「LabVIEWは社内で広く使用されているだけでなく、その使いやすさとNIおよび他社製ハードウェアとの比類のない互換性により、このアプリケーションにとって当然の選択肢となりました。」厳しい信号集録要件を満たすために、NI-9234 4チャンネルDSAを選択しました。このモジュールは、51.2 kS/sのサンプリングレート、24ビット分解能、および102 dBの優れたダイナミック入力レンジという要件を満たしているだけでなく、LabVIEWおよびIEPE信号調節とのシームレスな統合という利点も備えています。加速度計に直接接続できるため、システム全体の構築がシンプルになります。

実装

まず、DSAモジュールとNI音響/振動ツールキットを使用して、コンセプトを検証するためのプロトタイプシステムを作成しました。ポンプ本体に加速度計を取り付け、光センサを使用してポンプロータの位置を検出し、タコメータの速度基準を提供します。光センサは、ロータの各回転で単一の短いパルスを出力するデジタルデバイスです。このようなデジタルセンサをアナログ入力に接続することは、通常実行できません。しかし、Measurement Suiteソフトウェアでは、アナログ領域から元のタコメータ信号を再構築するための関数がいくつか提供されているため、これが可能になりました。計測ソフトウェアパッケージに含まれているNI音響/振動計測アシスタントとNIハードウェアの両方を使用して、数時間でプロトタイプシステムを完成させ、社内ソリューションの実現性を確認しました。

次のステップは、プロトタイプをLabVIEWに移動し、アプリケーション全体の作業を開始することです。音響/振動計測アシスタントは、LabVIEWコードを生成してソフトウェア開発の基盤を提供することで、この作業を簡単に行えました。

ここから、ユーザインタフェース、キャリブレーション関数、製品固有のパラメータを調整するダイアログ、および測定された振動データからポンプ不均衡を計算するコードを追加することは比較的簡単です。これらの計算方法はよく知られており、このトピックに関する広範な文献が利用可能です。しかし、不均衡と補正のために追加する必要がある質量を計算する場合、通常、測定はソースにできる限り近い位置で行われることが前提となります。このケースでは、ロータがポンプハウジング内にあり、直接測定ができないため、実際の不均衡を見積もるプロセスが簡単ではありません。市販のソリューションは、これらの標準慣行からの偏差に対応するように設計されていないため、オペレータは手動で計算を実行して補正する必要があります。当社の社内ソリューションにより、当社のノウハウと実践を取り入れてシステムをより直感的にし、生産ワークフローと製造効率を向上させることができました。さらに、オペレータが必要な補正質量を標準加重から補間するのに役立つ対話式ソフトウェアツールを追加することで、カスタマーエクスペリエンスが向上し、ワークフローのさらなる改善が実現しました。

最後に、LabVIEW固有の並列化と残りの2つのDSA入力を使用して、2つのポンプで同時にバランシングをサポートするようにソフトウェアをスケールしました。そこで、2つのバランス装置を1分の1の価格で開発しました。概念実証から検証、そして実際に動作するソリューションの最終的な提供までの完全な開発には5週間弱かかりました。

メリットを活かす

LabVIEW、NIデータ収集ハードウェア、およびNI Sound and Vibration Measurement Suiteを使用して、市販のシステムを大幅に上回るダイナミック入力レンジを持つ堅牢で使いやすいバランシングシステムを、ごくわずかなコストで、極めて厳しいプロジェクトスケジュール内で開発しました。

カスタムソリューションの作成は、大幅なコスト削減に加え、測定確度の向上、生産ワークフローと効率の改善、サポートの大幅な簡素化（故障した場合は、弊社で修理可能）など、いくつかのメリットをもたらしました。

昨年このソリューションを発表して以来、既存のバランス調整装置に代わる普遍的なソリューションとして、ターボポンプ製品ライン全体でバランス調整をサポートするようアプリケーションを調整してきました。当社の成長に伴い、LabVIEWに組み込まれた配布ツールにより、このソリューションを新しいサービスおよび製造施設に簡単にグローバルに展開できるようになり、エドワーズのグローバルリーダーとしての地位を確保するために必要な大幅なコスト削減と生産プロセスの改善が継続的に提供されます。

作成者​情報:

ジェラルド・ジョンズ
エドワーズ
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