本文通過大量的調(diào)研工作并根據(jù)真空系統(tǒng)設計原理和設計流程，建立了真空系統(tǒng)設計軟件開發(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)設計應用軟件。軟件主要由啟動模塊、真空室參數(shù)設置模塊、真空泵參數(shù)設置模塊、抽氣時間計算模塊、保存工程模塊等主要模塊組成,適用于各真空段。采用計算機軟件設計真空系統(tǒng)可以提高計算精度，大幅度提高真空系統(tǒng)的設計效率，縮短開發(fā)周期。

1、真空系統(tǒng)設計軟件重要性

　　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)。標準的真空系統(tǒng)設計程序包括：真空室內(nèi)總放氣量的計算；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，并進行流導計算；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，確定各個部分的尺寸；精算各真空泵以達到參數(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。以上設計步驟是標準設計程序中必不可少的，由此可以看出設計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)設計中，由于梯度抽氣的作用，真空室被分為三個真空度，因此在設計此類真空系統(tǒng)中不避免的需要計算系統(tǒng)中各個真空腔的壓力。這些實例都在客觀上加大了真空系統(tǒng)的設計難度。

　　在真空系統(tǒng)設計的過程中，除了設計步驟復雜，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認為其主要問題是理論計算公式繁瑣，完全靠人工計算，耗時較長，準確性難以保證，而且讓一個設計人員了解熟悉各個計算公式需要一段較長的時間。近些年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，開發(fā)相關真空系統(tǒng)設計軟件，使得真空系統(tǒng)設計工作實現(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)設計和優(yōu)化軟件VAKTRAKCODE，它能實現(xiàn)準確而快速地設計計算細長型如存儲環(huán)和束運線的真空系統(tǒng)。Donald J.Santeler 也發(fā)表過關于使用計算機程序設計真空系統(tǒng)的論文，其中涉及到對真空管道流導、真空泵等相關元件參數(shù)進行計算機程序化設計和分析。

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

2、真空系統(tǒng)設計需求分析

　　分析用戶對真空系統(tǒng)的設計要求，是完成真空系統(tǒng)設計工作的前提。對于真空系統(tǒng)設計軟件也是如此，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。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、所設計的真空系統(tǒng)應能滿足抽除大量帶雜質(zhì)氣體的需求等條件，這些都是設計匹配真空系統(tǒng)的前提。

　　根據(jù)真空系統(tǒng)設計原理和不同用戶的實際情況，真空系統(tǒng)設計方面的基本需求概括為以下幾點：

　　(1)在僅知道真空室參數(shù)、工作真空度等相關參數(shù)的情況下，能夠快速地設計出滿足所要求的抽氣時間、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)計算出抽氣時間、真空泵的有效抽速、真空系統(tǒng)中的壓力分布等相關參數(shù)。

　　(3)根據(jù)計算出的各參數(shù)，能迅速粗定各泵或者泵組型號、粗定各導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)設計方案。

　　(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，這個時候本軟件應盡量覆蓋較廣的需求范圍，例如一些多弧離子鍍膜設備需要水冷系統(tǒng)，高真空系統(tǒng)需要預先烘烤等工藝都必須合理的在設計方案中體現(xiàn)。

3、真空系統(tǒng)設計的過程模型

　　真空系統(tǒng)設計需要根據(jù)用戶需求把各真空元件的方案進行集成組合，產(chǎn)生一個到多個可行方案，作為真空系統(tǒng)設計時的備選方案與重要依據(jù)，對這些方案進行評價與決策，選擇綜合最優(yōu)的系統(tǒng)方案。針對上述真空系統(tǒng)設計的特點，在現(xiàn)今流行的幾種應用軟件開發(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。因為螺旋模型是在結(jié)合瀑布模型和快速原型化模型的基礎上增加了“風險分析”內(nèi)容。它系統(tǒng)、順序并兼有“邊開發(fā)，邊評審”的特點，這些都非常適應真空系統(tǒng)設計中備案選擇、依據(jù)與方案評價進行互動式管理的要求。

　　在選擇螺旋模型后，各真空系統(tǒng)元件的方案設計有兩個階段：方案的生成和方案的評價。為了滿足真空系統(tǒng)設計中“邊開發(fā)，邊評審”的特點，在具體制作真空系統(tǒng)設計過程模型前，需要對方案的生成和評價兩個階段進行需求定義。方案的生成過程主要在用戶需求的基礎上，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)行動作、控制部分的要求

　　Bid———行為描述，包括執(zhí)行動作、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過程是以各元件的評價指標集為依據(jù)，對備選方案集進行評估，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 為真空元件的評價矩陣。根據(jù)上述評價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)設計的備選集。它們的評價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)設計方案。

　　筆者綜合上述對方案生成和評價兩個階段的定義和真空系統(tǒng)設計的必要步驟，制定出真空系統(tǒng)設計的過程模型，如圖1 所示。

圖1 真空系統(tǒng)設計過程模型

　　圖1 為真空系統(tǒng)設計方案設計的過程模型，在方案設計階段，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)流導計算、抽氣時間計算模塊對各暫定的真空系統(tǒng)進行參數(shù)分析。最后由評估模塊對分析計算結(jié)果進行其合理性、經(jīng)濟性等方面的評估，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)設計軟件就能達到開發(fā)與評審并行互動的目的。

4、真空系統(tǒng)設計應用軟件的體系結(jié)構(gòu)與功能模塊劃分

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

　　結(jié)構(gòu)體系自底層向上分別是數(shù)據(jù)層、應用層和用戶層，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)、計算參數(shù)、計算結(jié)果的表達與存儲。對于上述數(shù)據(jù)主要通過數(shù)據(jù)庫以及ini 格式的隨機文件、word 文件等介質(zhì)進行存儲。

　　(2) 應用層：是軟件的主要部分，主要包括真空室設置模塊、真空泵參數(shù)模塊、管道閥門模塊、計算模塊、其他真空元件選取模塊等五個主要業(yè)務邏輯，分別實現(xiàn)真空室參數(shù)的設置、真空泵抽速曲線數(shù)值化以及相關參數(shù)的設置、管路設計及閥門的選取、管路流導以及抽氣時間的計算、捕集器及儲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交互界面，以系統(tǒng)示意圖形式對設計過程中各參數(shù)進行設置，可以方便地對各真空元件進行切換設置。根據(jù)上述真空系統(tǒng)的設計過程，設計軟件可以分為以下五個功能模塊：真空室模塊；真空泵模塊；管道閥門模塊；用以計算流態(tài)、流導及抽氣時間的計算模塊和其它真空原件模塊。完整的真空系統(tǒng)設計軟件的功能劃分如圖2 所示。

圖2 真空系統(tǒng)設計應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，軟件設計系統(tǒng)界面采用Visual Basic 6.0 中MDI(Multiple Document Interface)窗體。因為MDI 應用程序是由一個父窗體和若干子窗體組成的，它是一種應用程序中能夠同時處理兩個或者更多個子窗體的界面形式。因此，設計主界面采用MDI 父窗體，其它界面均采用MDI 子窗體。在軟件中的計算過程是模擬人工設計計算過程，相關設計計算公式在相關書籍中均可查閱，故無須再建立復雜的數(shù)學模型。相關計算公式都經(jīng)Visual Basic 6.0 編譯后整合至軟件中對應的功能模塊里。

　　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)和上述各種臨時計算結(jié)果。因為Microsoft Access 2000 支持的數(shù)據(jù)類型十分豐富，維護簡單，費用低廉，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，其主要原因為：VisualBasic 6.0 支持ADO 訪問。同時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)設計軟件的儲存數(shù)據(jù)類型以及輸出文件格式。

5、設計實例

　　采用一套已知的真空系統(tǒng)進行設計計算并對有關數(shù)據(jù)參數(shù)進行實際測量，將設計軟件計算后的各個階段的抽氣時間與實際真空系統(tǒng)測量抽氣時間對比來驗證本軟件的準確性。在此選用JGP-450 型磁控濺射鍍膜機及其配套真空系統(tǒng)作為計算實例，其中的有關參數(shù)見表1。

表1 JGP-450 型磁控濺射鍍膜機的參數(shù)

　　經(jīng)過圖2 中劃分的功能模塊，本次的真空系統(tǒng)設計步驟定為：①設計系統(tǒng)，對管道、是否配備前級泵等進行設置，②對各真空元件進行參數(shù)設置，包括真空室、管道、閥門、真空泵等參數(shù)；③設置起始壓力、預抽壓力、終止壓力等，即可計算出抽氣曲線，④保存工程。按照上述步驟，依次輸入相關參數(shù)，計算出各階段的抽氣時間，然后實際開啟鍍膜機相應的真空系統(tǒng)，計時測量各階段的抽氣時間，所得各數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 JGP-450 真空鍍膜機真空系統(tǒng)抽氣時間的計算值與測量值

　　由表2 可以看出，在粗抽階段的計算值和實驗測量值只相差0.03 min，誤差非常小，可以忽略不計；在精抽階段也只相差0.87 min，相對整個精抽階段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)，流導的計算公式與分子流態(tài)下的流導計算公式存在差異導致的。但是過渡期時間較短，一般可不考慮這部分的誤差。綜上，經(jīng)過實例驗證本軟件的精確度是滿足工程設計要求的。

6、結(jié)論

　　通過實際調(diào)研以及對真空系統(tǒng)設計計算的需求分析，筆者構(gòu)架的真空系統(tǒng)設計軟件合理采用了螺旋過程模型，三層結(jié)構(gòu)體系和五項功能模塊。選用了MDI 窗體進行軟件主界面和各功能模塊窗口的編譯。為了在軟件的設計過程中實現(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)設計軟件的構(gòu)建。所構(gòu)建的真空系統(tǒng)設計軟件的系統(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)化易滿足各個行業(yè)對真空系統(tǒng)設計的需求，并通過實例計算驗證了真空系統(tǒng)設計軟件的計算精確度。