NI LabVIEW를 사용하여 터보 분자 펌프의 nEXT 세대 균형 조정

초고진공 펌프 성능

진공 및 저감 장비의 선도적인 제조업체인 Edwards는 반도체, 제약, 태양광 등 세계에서 가장 첨단 산업을 지원하며, 재생 에너지, 유전학, 줄기세포 연구, 입자 물리학 등 다양한 분야의 최첨단 연구를 촉진합니다.

회사의 가장 혁신적인 신제품 중 하나는 nEXT 터보 분자 진공 펌프로, 60,000rpm에서 회전하는 터빈 로터를 활용하여 블레이드 팁 속도가 음속의 90%에 근접하는 초고진공 성능을 제공합니다.

이 펌프의 주요 적용 분야는 실험실로, 펌프가 질량 분석기와 전자 현미경 장비에 통합되어 이온화된 입자가 검출기에 도달할 수 있도록 초고진공 환경을 제공합니다. 그러나 이러한 장비들은 진동과 전자기 간섭에 매우 민감합니다. 이를 고려하여 nEXT 펌프는 기존의 다른 펌프보다 훨씬 낮은 진동과 누설 자기장을 제공하도록 설계되었습니다.

사내 솔루션 개발

포뮬라 1 레이싱카 엔진보다 4배 빠른 회전 속도와 최고 수준의 진동 성능을 달성할 수 있는 펌프를 제조하는 것은 쉽지 않은 과제입니다. 펌프의 로터는 매우 엄격한 허용오차 내에서 균형을 맞춰야 하며, 잔류 진동 수준이 너무 낮아 필요한 균형 허용오차를 달성하기 위해 진동을 측정하는 것이 기존 밸런싱 장비의 능력을 초과했습니다.

당연히 이러한 장비의 공급업체에 접근하여 새로운 시스템이나 업그레이드를 구매하려 했으나, 곧 표준 시스템으로는 당사의 특수 요구사항을 충족할 수 없다는 점이 분명해졌습니다.

제품 출시까지 몇 주밖에 남지 않은 상황에서, 사내 솔루션을 개발하는 것이 과제가 되었습니다. 수년간 여러 테스트 하드웨어 공급업체와 프로그래밍 언어를 사용해 왔지만, LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어를 포함한 National Instruments 제품은 생산 테스트뿐만 아니라 전 세계 서비스 센터와 연구실에서 연구 및 개발을 촉진하는 회사의 표준으로 자리잡았습니다.

LabVIEW의 광범위한 사내 활용과 뛰어난 사용 편의성, NI 및 타사 하드웨어와의 탁월한 호환성 덕분에 이 어플리케이션에 가장 적합한 선택이 되었습니다. NI-9234 4채널 DSA를 선택하여 까다로운 신호 캡처 요구사항을 충족했습니다. 51.2 kS/s 샘플링 속도, 24비트 해상도, 우수한 102 dB 동적 입력 범위는 우리의 요구사항을 충분히 만족시켰으며, 이 모듈은 LabVIEW 및 IEPE 신호 컨디셔닝과의 원활한 통합이라는 장점도 제공했습니다. 가속도계에 직접 연결하여 전체 시스템 구축을 단순화할 수 있습니다.

구현

DSA 모듈과 NI Sound and Vibration Toolkit을 사용하여 컨셉을 검증할 수 있는 프로토타입 시스템을 구축하기 시작했습니다. 가속도계를 펌프 본체에 부착하고, 포토 센서를 사용하여 펌프 로터 위치를 감지하고 회전 속도계 기준을 제공했습니다. 포토 센서는 로터가 회전할 때마다 단일 짧은 펄스를 출력하는 디지털 장치입니다. 이러한 디지털 센서를 아날로그 입력에 연결하는 것은 일반적으로 불가능합니다. 그러나 측정 제품군 소프트웨어는 아날로그 영역에서 원래의 회전 신호를 재구성하는 여러 기능을 제공하여 이를 가능하게 했습니다. 측정 소프트웨어 제품군에 포함된 NI Sound and Vibration Assistant와 NI 하드웨어를 모두 사용하여 몇 시간 만에 작동하는 프로토타입 시스템을 구축하여 사내 솔루션의 실현 가능성을 입증했습니다.

다음 단계는 프로토타입을 LabVIEW로 이전하여 전체 어플리케이션 개발을 시작하는 것이었습니다. Sound and Vibration Assistant는 LabVIEW 코드를 생성하고 소프트웨어 개발의 기반을 제공하여 이 과정을 쉽게 만들었습니다.

여기서 사용자 인터페이스, 교정 기능, 제품별 파라미터 조정 대화창, 측정된 진동 데이터로부터 펌프 불균형을 계산하는 코드를 비교적 쉽게 추가할 수 있었습니다. 이러한 계산 방법은 잘 알려져 있으며, 이 주제에 대한 방대한 문헌이 존재합니다. 그러나 불균형과 이를 수정하기 위해 추가해야 하는 질량을 계산할 때, 일반적으로 모든 측정이 소스에 최대한 근접하게 이루어진다고 간주합니다. 우리의 경우, 로터가 펌프 하우징 내부에 있어 직접 측정이 불가능하므로 실제 불균형을 추정하는 과정이 덜 직관적입니다. 기존 기성 솔루션은 이러한 표준 관행에서 벗어난 상황을 처리하도록 설계되어 있지 않아, 운영자가 수동으로 계산을 수행하여 보완해야 합니다. 사내 솔루션을 통해 회사의 노하우와 관행을 통합하여 시스템을 더욱 직관적으로 만들고 생산 작업 흐름과 제조 효율성을 향상시킬 수 있었습니다. 또한 운영자가 표준 중량으로 필요한 보정 질량을 구성할 수 있도록 대화형 소프트웨어 도구를 추가하여 고객 경험을 향상시키고 워크플로우를 더욱 개선했습니다.

마지막으로, LabVIEW의 고유한 병렬 처리 기능과 남은 두 개의 DSA 입력을 활용하여 소프트웨어를 확장해 두 펌프에서 동시에 밸런싱을 지원할 수 있게 했습니다. 따라서 두 개의 밸런싱 장비를 하나 가격의 일부 비용으로 개발할 수 있었습니다. 개념 검증부터 최종 솔루션의 검증 및 납품까지 전체 개발 기간은 5주 미만이었습니다.

이점 활용

LabVIEW, NI 데이터 수집 하드웨어, NI Sound and Vibration Measurement Suite를 사용하여, 상업적으로 이용 가능한 어떤 시스템보다도 동적 입력 범위가 훨씬 뛰어난 강력하고 사용자 친화적인 밸런싱 시스템을 극히 제한된 프로젝트 일정 내에 훨씬 적은 비용으로 개발했습니다.

상당한 비용 절감 외에도, 맞춤형 솔루션 제작은 측정 정확도 향상, 생산 작업 흐름 및 효율성 개선, 지원의 대폭 단순화 등 여러 이점을 제공했습니다(고장이 발생하면 직접 수리할 수 있습니다).

작년에 솔루션을 도입한 이후, 원래의 목적을 넘어 전체 터보 펌프 제품군에서 밸런싱을 지원하도록 어플리케이션을 확장하여 기존 기성 밸런싱 장비의 범용 대체품으로 적합하게 만들었습니다. 회사가 확장됨에 따라 LabVIEW의 내장 배포 도구를 통해 새로운 서비스 및 제조 시설에 전 세계적으로 이 솔루션을 쉽게 배포할 수 있으며, 이를 통해 Edwards가 글로벌 리더로 자리잡는 데 필요한 지속적인 비용 절감과 생산 프로세스 개선을 제공합니다.

저자 정보:

Gerard Johns
Edwards
15 Marshall Road, 햄프덴 파크
East Sussex BN22 9BA
영국
전화: 01323 525327
gerard.johns@edwardsvacuum.com