本文通過大量的調(diào)研工作并根據(jù)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)流程，建立了真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的過程模型，采用Visual Basic 6.0 與Access 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件。軟件主要由啟動(dòng)模塊、真空室參數(shù)設(shè)置模塊、真空泵參數(shù)設(shè)置模塊、抽氣時(shí)間計(jì)算模塊、保存工程模塊等主要模塊組成,適用于各真空段。采用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)可以提高計(jì)算精度，大幅度提高真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期。

1、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件重要性

　　真空系統(tǒng)即用于滿足特定真空工藝要求，具有獲得并能測量、控制其真空度的系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序包括：真空室內(nèi)總放氣量的計(jì)算；根據(jù)要求選擇真空閥門、捕集器、除塵器、真空管道等真空元件，并進(jìn)行流導(dǎo)計(jì)算；確定真空室有效抽速；粗選主泵和粗配前級泵等；繪制真空系統(tǒng)裝配草圖，確定各個(gè)部分的尺寸；精算各真空泵以達(dá)到參數(shù)要求；繪制尺寸精確的真空系統(tǒng)裝配圖；拆零件圖；繪制施工圖紙。以上設(shè)計(jì)步驟是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)程序中必不可少的，由此可以看出設(shè)計(jì)出一套滿足客戶需求的真空系統(tǒng)，工作量是很大的。另外，為了滿足某些特定需求真空系統(tǒng)的要求，如ESI 離子阱質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于梯度抽氣的作用，真空室被分為三個(gè)真空度，因此在設(shè)計(jì)此類真空系統(tǒng)中不避免的需要計(jì)算系統(tǒng)中各個(gè)真空腔的壓力。這些實(shí)例都在客觀上加大了真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

　　在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，除了設(shè)計(jì)步驟復(fù)雜，真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為其主要問題是理論計(jì)算公式繁瑣，完全靠人工計(jì)算，耗時(shí)較長，準(zhǔn)確性難以保證，而且讓一個(gè)設(shè)計(jì)人員了解熟悉各個(gè)計(jì)算公式需要一段較長的時(shí)間。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)相關(guān)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，使得真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)程序化，界面化和易操作有了可能，如國外基于DOS 和Windows 操作系統(tǒng)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件VAKTRAKCODE，它能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而快速地設(shè)計(jì)計(jì)算細(xì)長型如存儲(chǔ)環(huán)和束運(yùn)線的真空系統(tǒng)。Donald J.Santeler 也發(fā)表過關(guān)于使用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)的論文，其中涉及到對真空管道流導(dǎo)、真空泵等相關(guān)元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序化設(shè)計(jì)和分析。

　　綜上所述，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)對于相關(guān)設(shè)計(jì)人員來說顯得尤為重要。經(jīng)調(diào)研分析，筆者認(rèn)為真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的構(gòu)架思路應(yīng)為：對真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求分析、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模型的制定、設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)和功能模塊的劃分。鑒于本軟件是面向各個(gè)行業(yè)從業(yè)者，對于滿足各個(gè)真空段系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此選用適用范圍較廣的Visual Basic 6.0 語言以及響應(yīng)速度較快、易維護(hù)的Access2000 數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。

2、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

　　分析用戶對真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，是完成真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的前提。對于真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件也是如此，調(diào)研各行各業(yè)用戶對真空系統(tǒng)的需求，是軟件開發(fā)的立足點(diǎn)。例如，對于真空冶金所用的真空系統(tǒng)，需要了解其真空系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括工作真空段、所設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)應(yīng)能滿足抽除大量帶雜質(zhì)氣體的需求等條件，這些都是設(shè)計(jì)匹配真空系統(tǒng)的前提。

　　根據(jù)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和不同用戶的實(shí)際情況，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的基本需求概括為以下幾點(diǎn)：

　　(1)在僅知道真空室參數(shù)、工作真空度等相關(guān)參數(shù)的情況下，能夠快速地設(shè)計(jì)出滿足所要求的抽氣時(shí)間、極限壓力等工藝要求的真空系統(tǒng)。

　　(2) 能夠根據(jù)所配備的真空系統(tǒng)計(jì)算出抽氣時(shí)間、真空泵的有效抽速、真空系統(tǒng)中的壓力分布等相關(guān)參數(shù)。

　　(3)根據(jù)計(jì)算出的各參數(shù)，能迅速粗定各泵或者泵組型號、粗定各導(dǎo)管閥門等元件型號等并輸出word 或者其它格式數(shù)據(jù)，以便大略確定真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

　　(4)可編輯型數(shù)據(jù)庫，以供各行業(yè)用戶管理適用于自身行業(yè)的軟件數(shù)據(jù)。

　　需要特別考慮的是，某些設(shè)備對真空系統(tǒng)的工藝需求在特定情況下是不可避免的，這個(gè)時(shí)候本軟件應(yīng)盡量覆蓋較廣的需求范圍，例如一些多弧離子鍍膜設(shè)備需要水冷系統(tǒng)，高真空系統(tǒng)需要預(yù)先烘烤等工藝都必須合理的在設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)。

3、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程模型

　　真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要根據(jù)用戶需求把各真空元件的方案進(jìn)行集成組合，產(chǎn)生一個(gè)到多個(gè)可行方案，作為真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的備選方案與重要依據(jù)，對這些方案進(jìn)行評價(jià)與決策，選擇綜合最優(yōu)的系統(tǒng)方案。針對上述真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在現(xiàn)今流行的幾種應(yīng)用軟件開發(fā)過程模型：瀑布模型、快速原型化模型、增量模型、螺旋模型及構(gòu)件組裝模型中，我們選用螺旋模型。因?yàn)槁菪�模型是在結(jié)合瀑布模型和快速原型化模型的基礎(chǔ)上增加了“風(fēng)險(xiǎn)分析”內(nèi)容。它系統(tǒng)、順序并兼有“邊開發(fā)，邊評審”的特點(diǎn)，這些都非常適應(yīng)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中備案選擇、依據(jù)與方案評價(jià)進(jìn)行互動(dòng)式管理的要求。

　　在選擇螺旋模型后，各真空系統(tǒng)元件的方案設(shè)計(jì)有兩個(gè)階段：方案的生成和方案的評價(jià)。為了滿足真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中“邊開發(fā)，邊評審”的特點(diǎn)，在具體制作真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模型前，需要對方案的生成和評價(jià)兩個(gè)階段進(jìn)行需求定義。方案的生成過程主要在用戶需求的基礎(chǔ)上，通過行為的描述，提出真空系統(tǒng)元件的備選集。從用戶要求到方案備選集的映射過程定義為:

Si = Ks(Rid,Bid) (1)

　　式中Si———真空系統(tǒng)元件的備選方案；

　　Rid———用戶要求，包括執(zhí)行動(dòng)作、控制部分的要求

　　Bid———行為描述，包括執(zhí)行動(dòng)作、控制部分的行為描述

　　Ks———可用數(shù)據(jù)庫，包括真空泵、真空閥門等系統(tǒng)元件的數(shù)據(jù)庫。

　　真空元件的方案評價(jià)過程是以各元件的評價(jià)指標(biāo)集為依據(jù)，對備選方案集進(jìn)行評估，其決策集可以定義如下:

Bi = Ai·Ri (2)

　　式中Bi 為各真空元件方案的決策集，Ai 為真空元件的權(quán)數(shù)分配集，Ri 為真空元件的評價(jià)矩陣。根據(jù)上述評價(jià)方法可以選擇各真空元件的

　　若干優(yōu)越的方案，以此組合成可以滿足要求的完整的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的備選集。它們的評價(jià)過程中的決策集可以定義如下:

B = A·R (3)

　　式中B 為真空系統(tǒng)的決策集，A 為真空系統(tǒng)的權(quán)數(shù)分配集，R 為真空系統(tǒng)的評價(jià)矩陣。比較各方案的決策集，可以求得綜合最優(yōu)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

　　筆者綜合上述對方案生成和評價(jià)兩個(gè)階段的定義和真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要步驟，制定出真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程模型，如圖1 所示。

圖1 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模型

　　圖1 為真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的過程模型，在方案設(shè)計(jì)階段，分析并定義用戶對真空系統(tǒng)的需求，并根據(jù)分析結(jié)果初步確定真空系統(tǒng)。在參數(shù)分析階段，根據(jù)流導(dǎo)計(jì)算、抽氣時(shí)間計(jì)算模塊對各暫定的真空系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)分析。最后由評估模塊對分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行其合理性、經(jīng)濟(jì)性等方面的評估，從而確定出最優(yōu)的真空系統(tǒng)方案。如此選用圖1 所示的過程模型制定出來的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件就能達(dá)到開發(fā)與評審并行互動(dòng)的目的。

4、真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的體系結(jié)構(gòu)與功能模塊劃分

　　整個(gè)軟件設(shè)計(jì)目的是為了更好的幫助真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用完成真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，綜合上述軟件設(shè)計(jì)目的本軟件采用三層體系結(jié)構(gòu)，五個(gè)功能模塊。

　　結(jié)構(gòu)體系自底層向上分別是數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層，其功能分別描述如下：

　　(1) 數(shù)據(jù)層：主要包括各真空元件的參數(shù)、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算結(jié)果的表達(dá)與存儲(chǔ)。對于上述數(shù)據(jù)主要通過數(shù)據(jù)庫以及ini 格式的隨機(jī)文件、word 文件等介質(zhì)進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　(2) 應(yīng)用層：是軟件的主要部分，主要包括真空室設(shè)置模塊、真空泵參數(shù)模塊、管道閥門模塊、計(jì)算模塊、其他真空元件選取模塊等五個(gè)主要業(yè)務(wù)邏輯，分別實(shí)現(xiàn)真空室參數(shù)的設(shè)置、真空泵抽速曲線數(shù)值化以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、管路設(shè)計(jì)及閥門的選取、管路流導(dǎo)以及抽氣時(shí)間的計(jì)算、捕集器及儲(chǔ)氣罐等其他真空元件的選取。

　　(3) 用戶層：建立用戶友好的人機(jī)交互界面，以系統(tǒng)示意圖形式對設(shè)計(jì)過程中各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以方便地對各真空元件進(jìn)行切換設(shè)置。根據(jù)上述真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)軟件可以分為以下五個(gè)功能模塊：真空室模塊；真空泵模塊；管道閥門模塊；用以計(jì)算流態(tài)、流導(dǎo)及抽氣時(shí)間的計(jì)算模塊和其它真空原件模塊。完整的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的功能劃分如圖2 所示。

圖2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的功能框架圖

　　根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)體系和模塊劃分，軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面采用Visual Basic 6.0 中MDI(Multiple Document Interface)窗體。因?yàn)镸DI 應(yīng)用程序是由一個(gè)父窗體和若干子窗體組成的，它是一種應(yīng)用程序中能夠同時(shí)處理兩個(gè)或者更多個(gè)子窗體的界面形式。因此，設(shè)計(jì)主界面采用MDI 父窗體，其它界面均采用MDI 子窗體。在軟件中的計(jì)算過程是模擬人工設(shè)計(jì)計(jì)算過程，相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算公式在相關(guān)書籍中均可查閱，故無須再建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。相關(guān)計(jì)算公式都經(jīng)Visual Basic 6.0 編譯后整合至軟件中對應(yīng)的功能模塊里。

　　此外構(gòu)建軟件還需要建立數(shù)據(jù)庫，保存一些真空元件的技術(shù)參數(shù)和上述各種臨時(shí)計(jì)算結(jié)果。因?yàn)镸icrosoft Access 2000 支持的數(shù)據(jù)類型十分豐富，維護(hù)簡單，費(fèi)用低廉，因此選用此數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫之后，選擇ADO 訪問接口把Access數(shù)據(jù)庫同軟件連接起來，其主要原因?yàn)椋篤isualBasic 6.0 支持ADO 訪問。同時(shí)ADO 訪問接口是現(xiàn)今Microsoft 公司支持的操作較為有效、訪問較直接的數(shù)據(jù)訪問編譯模式， 另外ADO 適用于Excel 表格、文本文件、圖形文件等數(shù)據(jù)文件。如此可以完善真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)類型以及輸出文件格式。

5、設(shè)計(jì)實(shí)例

　　采用一套已知的真空系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并對有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量，將設(shè)計(jì)軟件計(jì)算后的各個(gè)階段的抽氣時(shí)間與實(shí)際真空系統(tǒng)測量抽氣時(shí)間對比來驗(yàn)證本軟件的準(zhǔn)確性。在此選用JGP-450 型磁控濺射鍍膜機(jī)及其配套真空系統(tǒng)作為計(jì)算實(shí)例，其中的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 JGP-450 型磁控濺射鍍膜機(jī)的參數(shù)

　　經(jīng)過圖2 中劃分的功能模塊，本次的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟定為：①設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對管道、是否配備前級泵等進(jìn)行設(shè)置，②對各真空元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括真空室、管道、閥門、真空泵等參數(shù)；③設(shè)置起始壓力、預(yù)抽壓力、終止壓力等，即可計(jì)算出抽氣曲線，④保存工程。按照上述步驟，依次輸入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出各階段的抽氣時(shí)間，然后實(shí)際開啟鍍膜機(jī)相應(yīng)的真空系統(tǒng)，計(jì)時(shí)測量各階段的抽氣時(shí)間，所得各數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 JGP-450 真空鍍膜機(jī)真空系統(tǒng)抽氣時(shí)間的計(jì)算值與測量值

　　由表2 可以看出，在粗抽階段的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值只相差0.03 min，誤差非常小，可以忽略不計(jì)；在精抽階段也只相差0.87 min，相對整個(gè)精抽階段22.15 min 而言，誤差率在3.92%左右。經(jīng)分析，主要是在粘滯流- 分子流這段過渡區(qū)域內(nèi)，流導(dǎo)的計(jì)算公式與分子流態(tài)下的流導(dǎo)計(jì)算公式存在差異導(dǎo)致的。但是過渡期時(shí)間較短，一般可不考慮這部分的誤差。綜上，經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證本軟件的精確度是滿足工程設(shè)計(jì)要求的。

6、結(jié)論

　　通過實(shí)際調(diào)研以及對真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的需求分析，筆者構(gòu)架的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件合理采用了螺旋過程模型，三層結(jié)構(gòu)體系和五項(xiàng)功能模塊。選用了MDI 窗體進(jìn)行軟件主界面和各功能模塊窗口的編譯。為了在軟件的設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)類型的保存和輸出，選用Microsoft Access2000 數(shù)據(jù)庫和ADO 訪問接口來完成真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的構(gòu)建。所構(gòu)建的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的系統(tǒng)操作界面人性化，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)易管理，功能模塊參數(shù)化易滿足各個(gè)行業(yè)對真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，并通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算精確度。