NI LabVIEW 有助於平衡渦輪分子幫浦的 nEXT 產生效能

超高真空幫浦效能

Edwards 是真空與消除設備的領導製造商,為全球一些最先進的產業提供服務,包括半導體、製藥與太陽能產業,並且促進再生能源、基因學、幹細胞研究以及粒子物理等領域的尖端研究。

該公司最創新的新產品之一就是 nEXT 渦輪分子真空幫浦,這款幫浦運用渦輪轉子以 60,000 rpm 的速度旋轉,提供超高真空效能,其刀尖速度接近聲音的 90%。

這類幫浦的主要用途在於實驗室,該實驗室會將幫浦整合到質量光譜與電子顯微鏡設備中,以提供超高真空環境,讓電離粒子能夠抵達偵測器。不過,這類儀器對振動與電磁干擾非常敏感。因此,相較於其他任何替代幫浦,nEXT 幫浦的振動與偏移磁場可大幅降低。

建立內部解決方案

要製造能達到領先業界的振動效能且旋轉速度比 Formula 1 賽車引擎快四倍的幫浦,並不是一項容易的工作。要做到這一點,就必須在極為緊密的容許範圍內平衡幫浦轉子,而殘餘振動準位如此低,以達到所需的平衡容許範圍,量測此振動的能力遠超過我們現有的任何平衡設備。

當然,他們會向這些設備的供應商採購新系統或升級,但很快就會發現這些標準系統都無法滿足我們的專業需求。

在產品上市前的短短數週內,我們必須開發內部解決方案。過去幾年來,NI 已採用多家測試硬體供應商與程式設計語言,但包括 LabVIEW 系統設計軟體在內的 NI 產品已成為我們公司所接受的標準,不但適用於生產測試,還適用於全球服務中心與實驗室,以促進持續的研究與開發。

公司內部廣泛使用 LabVIEW,加上其易用性與與 NI 及第三方硬體無可比擬的相容性,因此成為這類應用的明顯選擇。為因應我們嚴苛的訊號收集需求,我們選擇了 NI-9234 四通道 DSA。此模組具備 51.2 kS/s 的取樣率、24 位元解析度與出色的 102 dB 動態輸入範圍,更可滿足我們的需求,同時也具備與 LabVIEW 與 IEPE 訊號處理無縫整合的優勢。我們可以直接連接至加速規,進而簡化整體系統組建。

實作方式

開始使用 DSA 模組與 NI 聲音與振動工具組,以建立可用於證明概念的系統原型。將加速規安裝在幫浦車身上,並使用相片感測器來偵測幫浦轉子位置,並提供轉速計的速度參考。光感測器是數位裝置,可在轉子每個旋轉時輸出一個短脈衝。通常無法將此類型的數位感測器連接至類比輸入。不過,量測套件軟體提供多個函式,可從類比網域重建原始的轉接器訊號,因此得以達成此一目的。使用量測軟體套件中的 NI 聲音與振動小幫手,以及 NI 硬體,我們在數小時內完成了可行的原型驗證系統,證明了內部解決方案的可行性。

接下來要將原型轉移至 LabVIEW,才能著手開發完整的應用程式。聲音與振動 (Sound and Vibration) 小幫手為我們產生了 LabVIEW 程式碼,並且為開發軟體奠定基礎,因此更輕鬆。

從這裡,您可以相對簡單地新增使用者介面、校準函式、調整特定產品參數的對話框,以及根據量測振動資料計算幫浦不均的程式碼。這些計算方法已廣為人所知，且本主題的資料相當豐富。然而,計算不平衡與修正不平衡時必須相加的質量時,通常會認為任何量測作業都會盡可能靠近來源。在我們的案例中,由於轉子位於幫浦機箱內,因此無法直接進行量測,因此不易評估實際失衡。現成可用的解決方案並非專為因應這類標準實務差異而設計,因此操作人員必須手動執行計算以進行補償。我們的內部解決方案讓我們能整合公司的專業知識與實務,讓系統更為直覺式,同時提升生產工作流程與製造效率。此外，我們新增了互動式軟體工具，以協助操作人員使用標準權重來完成所需的修正質量，進而提升客戶體驗，並進一步改善工作流程。

最後,我們使用 LabVIEW 內建的平行機制,以及 2 個剩餘的 DSA 輸入,將軟體擴充為同時支援 2 個幫浦的平衡。因此,我們以單一的價格開發出 2 組平衡設備。從概念證明到驗證與最終交付運作解決方案的完整開發作業,只需不到五週的時間。

建立優勢

我們運用 LabVIEW、NI Data Acquisition 硬體與 NI Sound and Vibration Measurement Suite 開發出一套易於使用的穩定平衡系統,其動態輸入範圍遠遠超過任何商用系統的輸入範圍,成本相當低,專案時程極為緊迫。

除了大幅節省成本之外,生產客製化解決方案還能發揮數項優勢,包括提升量測準確度、提升生產工作流程與效率,以及大幅簡化支援 (如果有故障情況,我們可以自行修復)。

自去年推出此解決方案之後,我們已超越原始簡介,並且調整了應用程式,以支援整個渦輪幫浦系列的平衡,使其適用於現成可用平衡設備的通用替換。隨著公司擴大,LabVIEW 的內建經銷工具可讓我們輕鬆將此解決方案在全球部署至新的服務與製造設施,進而大幅節省成本並改善生產流程,以確保 Edwards 成為全球領導者。

作者資訊：

Gerard Johns
Edwards
漢普登公園 15 Marshall Road
East Sussex BN22 9BA
英國
電話：01323 525327
gerard.johns@edwardsvacuum.com