精密柱塞计量泵制造技术

一种精密柱塞计量泵，包括驱动机构、密封机构和泵头三部分。驱动机构利用光电编码器精确控制性步进电机的运动，可以有效地避免由于电机失步或空转导致泵出量产生误差；密封机构中的密封圈与柱塞配套实现精密配合，基于不锈钢弹簧抱紧机构的密封圈解决了传统橡胶圈抱紧结构的抱紧力小、易老化的问题，延长了使用寿命；泵头具有水洗密封舱设计，实现了柱塞和密封圈的水洗、密封功能，延长密封寿命；柱塞与胶块加工工艺水平实现了微型精密柱塞计量泵能够提供２０ＭＰａ的压强；同时胶块抛光性能好，有极高的透明度，结构紧凑、体积小、外观精美。本发明专利技术可应用于医疗、卫生、生物及化学领域中流体的精密计量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种流体精密计量输出设备，应用于医疗、卫生、生物及化学领域， 0. luL精度级、耐受20MPa以下、需观察泵舱窗口的流体灌注设备中。
技术介绍
精密柱塞计量泵以其高精度控制流体计量及强耐腐蚀性，如今已被广泛地应用于 包括制药、生物试剂和石油化工行业等领域高精度灌注设备中。作为流体精密计量的理想 设备，经过半个多世纪的实践应用和技术改进，现在计量泵已经进入其高速增长期，形成了 采用柱塞、隔膜两个主流技术为主的产品现状。现在，成熟的动力驱动方式和液体输送端 (泵头)材料技术使得新型计量泵几乎可以完成输送任何常规和特殊介质的要求。但是 医疗、卫生、化学制剂等行业用计量泵的指标，如精度要求相对于其它工业领域更为严格， 能够满足此类应用的精密计量泵的种类相对有限，发展规模及速度不及工业用计量泵。当 前，采用耐强腐蚀性、透明材料研制泵头，采用水洗密封舱机构提升密封性能，分配精度高 达O. luL的紧凑型精密柱塞计量泵在国内尚无先例。在需要高性能、高精度的液体分配应 用场合，尤其是自动灌注设备，对此提出了强烈的技术需求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术通过采用特殊的材质与结构设计，具备高耐磨性、高寿 命、高耐压性、防化学腐蚀等级高的特点，能够达到医疗卫生等行业用水平；同时本专利技术紧 凑的结构设计使其相对于常规计量泵具有突出的小型化、外观精美的特征；此外考虑到提 高计量泵的清洗效率，特别设计了水洗密封舱，令操作人员使用时快捷便利，能够极大地提 高工作效率。 为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为一种微型精密柱塞计量泵，包括依 次连接的驱动机构、密封机构和泵头，所述驱动机构包括安装于连接座上端的步进电机和 与步进电机转轴相连的滚珠丝杠；所述密封机构包括柱塞和密封圈，所述柱塞通过丝杠连 接座与滚珠丝杠相连；所述泵头包括泵舱、流体泵入口端和出口端。所述驱动机构还包括用 于检测柱塞位置的光电位置传感器和安装于步进电机的光电编码器。 所述光电位置传感器，包括安装在连接座上的光电传感器和安装在丝杠连接座上 的挡光柱，其主要功能是定位工作原点。根据需要可以将光电传感器安装在连接座内腔的 靠上位置并定义原点，此时柱塞位于泵舱上端；也可将光电传感器安装在连接座内腔的靠 下位置并定义原点，此时柱塞位于泵舱的下端。 所述光电编码器、步进电机、滚珠丝杠、丝杠连接座以及柱塞装配在沿着柱塞的对 称轴线上。其中，丝杠连接座的上端连接滚珠丝杠，下端连接柱塞，三者的准直度、同轴度要 求达到50um，否则较低的同轴度和准直度将增加驱动机构的阻力，同时加大密封圈的磨损， 降低装置的分配精度和寿命。所述步进电机是一种将电机扭矩力转化成滚珠丝杠直线运动 并产生直线方向推力的器件。驱动机构通过光电编码器累计滚珠丝杠的旋转角度，根据滚珠丝杠的螺距参数计算出行程累计量，从而精确控制步进电机的往复运动距离。通过安装 在连接座上的光电位置传感器准确确定柱塞运动行程的原点位置，从而可以闭环地获得整 个有效行程上柱塞的行进距离。当电机滚珠丝杠出现丢步或者空转时，行程量并不反映到 光电编码器的旋转角度累计数值中，即通过光电编码器和闭环控制，能够有效消除由于电 机启动或运动过程中出现的失步或负载过大产生的空转产生的行程误差，从而从驱动机构 本身消除泵出误差的系统因素。采用不同精度的滚珠丝杠、不同直径柱塞和不同角分辨能 力的步进电机，通过消除上述系统误差，可以获得不同的泵出精度。假设柱塞直径确定为 5mm，当采用0. 79375mm螺距的滚珠丝杠(1/4-32inch)，步进电机的角分辨能力为1. 8度，可 计算出电机运行1步泵出的流体为0. 077ul ;当采用0. 635mm螺距滚珠丝杠(1/4-40inch)， 步进电机的角分辨率为0. 9度，可计算出电机运行1步泵出的流体为0. 031ul。 所述柱塞、滚珠丝杠由丝杠连接座连接成一个连接体，为了尽量减少上述连接体 受步进电机推力后在中部产生弹性形变，影响位置精度，在丝杠连接座外设置了柱塞套筒， 柱塞套筒的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座上安装有轴承安装轴，轴 承安装轴的两端分别装设有滚珠轴承。当丝杠连接座上下运动时，所述滚珠轴承在柱塞套 筒的滑槽内作相应滚动，使得丝杠连接座的运动限定在柱塞套筒的两个对称槽内，由于运 动的形式是滚珠轴承在槽内滚动，有效的减少了摩擦阻力。柱塞套筒采用高硬度、耐磨性能 好、耐化学腐蚀性能良好的强化聚甲醛材料，通过数控车床精密加工制成。丝杠连接座和滚 珠轴承均采用316L不锈钢材料，防腐性能良好。 所述密封机构还包括位于泵舱上方的水洗密封机构，由上密封圈、下密封圈、水洗 密封舱体、0型圈、上垫片、下垫片组成。水洗密封舱有上、下两个密封圈结构，将柱塞的一 段密封于水洗密封舱中，0型圈装配在水洗密封舱边缘的槽内，目的是使得整个水洗密封舱 机构对于水洗密封舱上部处于完全密封状态，舱内的水蒸气不能进入驱动机构中。水洗密 封舱的侧部有进水口和出水口 ，可对柱塞、上密封圈、下密封圈和水洗密封舱内壁定期进行 清洗，主要是清洗柱塞从泵舱中带出的溶液析晶物质，防止析晶物质腐蚀和磨损密封表面。 同时可预先保存少量的超纯水起到水封作用，防止柱塞往复运动将空气附带入泵舱内，从 而能够延长密封器件的工作寿命。 所述上、下密封圈为采用不锈钢弹簧自抱紧机构的密封圈，这种结构的密封机理 和传统的密封圈结构不同，它由密封圈座和不锈钢弹簧组成。当泵舱内压强增大时，液体将 进入不锈钢弹簧所在的空腔，产生径向张力。密封圈采用的不锈钢钢丝材料为316L，耐腐蚀 性很强，密封圈材料采用高强高模聚乙烯纤维，耐磨性能和耐腐蚀性能好，解决了传统橡胶 圈抱紧结构的抱紧力小、不耐磨损、易老化的问题，采用本密封结构能耐受20MPa以上的压 强并保持长寿命。 微型精密柱塞计量泵还包括排气装置，当泵舱内有气体需要排出时，首先将流体 泵入口端接单向阀，任一流体泵出口端接电磁阀模块，其余出口端用死堵密封。控制柱塞向 上运动时电磁阀模块阀门关闭，液体经单向阀由流体泵入口端进入泵舱，柱塞向下运动时 电磁阀模块阀门打开，由于单向阀作用，液体只能从接电磁阀模块的流体泵出口端流出，柱 塞如此往复运动，直到气泡排净。 所述泵头使用高纯度且高强度的透明材料，如有机玻璃或者半透明聚醚酰亚胺 (Ultem/PEI)材料、聚矾、聚碳酸酯材料，为提高耐受压强使用厚壁结构，一般20MPa以上需要使用10mnTl2mm的厚壁；30MPa以上使用环境，壁厚需要增加到15mnTl8mm。使用本专利技术指出的聚醚酰亚胺(Ultem/PET)制造的泵头，能够使得本泵耐受化学腐蚀力高达lmol/L的硫酸、氢氧化钠的应用环境。泵头的加工是本专利提出的特殊工艺，采用的特殊加工工艺是高精密度数控机床精密加工，表面精铣，然后光学抛光，最后进行材料退火。泵头采用透明无色有机玻璃，加工工艺中的技术难点包括泵头的高透光性和其上较深小孔的钻孔工艺。同时经过精密加工和表面光学抛光的透明泵头，能直接观察到泵舱内气泡、杂质等细节，为需要排气泡的应用环境排出气泡提供了观察窗口功能，整体结构紧凑、体积小、外观精美。 所述泵头上的流体泵出口端、入口端的数量可根据需要增减，一般为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精密柱塞计量泵，包括依次连接的驱动机构（１）、密封机构（２）和泵头（３），所述驱动机构（１）包括安装于连接座（１０）上端的步进电机（１５）和与步进电机（１５）转轴相连的滚珠丝杠（１３）；所述密封机构（２）包括柱塞（１７）和密封圈，所述柱塞（１７）通过丝杠连接座（１１）与滚珠丝杠（１３）相连；所述泵头（３）包括泵仓（２３）、流体泵入口端（２８）和出口端（２４），其特征在于：所述驱动机构还包括用于检测柱塞（１７）位置的光电位置传感器和安装于步进电机（１５）的光电编码器（１４）；所述光电位置传感器包括安装在连接座（１０）上的光电传感器（１６）和安装在丝杠连接座（１１）上的挡光柱。

【技术特征摘要】
一种精密柱塞计量泵，包括依次连接的驱动机构(1)、密封机构(2)和泵头(3)，所述驱动机构(1)包括安装于连接座(10)上端的步进电机(15)和与步进电机(15)转轴相连的滚珠丝杠(13)；所述密封机构(2)包括柱塞(17)和密封圈，所述柱塞(17)通过丝杠连接座(11)与滚珠丝杠(13)相连；所述泵头(3)包括泵仓(23)、流体泵入口端(28)和出口端(24)，其特征在于所述驱动机构还包括用于检测柱塞(17)位置的光电位置传感器和安装于步进电机(15)的光电编码器(14)；所述光电位置传感器包括安装在连接座(10)上的光电传感器(16)和安装在丝杠连接座(11)上的挡光柱。2. 如权利要求l所述的精密柱塞计量泵，其特征在于所述丝杠连接座(11)外设置有 柱塞套筒(33)，所述柱塞套筒(33)的侧壁开设有对称分布的两道滑槽，在所述丝杠连接座 (11)上安装有轴承安装轴(12)，轴承安装轴(12)的两端分别装设有滚珠轴承(34)。3. 如权利要求1所述的精密柱塞计量泵，其特征在于所述密封机构包括位于泵仓 (23)...

【专利技术属性】
技术研发人员：许正光，常海龙，滕莉，李英，郑国华，阮德林，庞晓东，
申请(专利权)人：公安部第一研究所，北京中盾安民分析技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]