專利名稱：精密柱塞計(jì)量泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種流體精密計(jì)量輸出設(shè)備，應(yīng)用于醫(yī)療、衛(wèi)生、生物及化學(xué)領(lǐng) 域，0. IuL精度級(jí)、耐受20MPa以下、需觀察泵艙窗口的流體灌注設(shè)備中。
背景技術(shù)：
精密柱塞計(jì)量泵以其高精度控制流體計(jì)量及強(qiáng)耐腐蝕性，如今已被廣泛地應(yīng)用于 包括制藥、生物試劑和石油化工行業(yè)等領(lǐng)域高精度灌注設(shè)備中。作為流體精密計(jì)量的理想 設(shè)備，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的實(shí)踐應(yīng)用和技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)在計(jì)量泵已經(jīng)進(jìn)入其高速增長(zhǎng)期，形成了 采用柱塞、隔膜兩個(gè)主流技術(shù)為主的產(chǎn)品現(xiàn)狀。現(xiàn)在，成熟的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和液體輸送端 (泵頭)材料技術(shù)使得新型計(jì)量泵幾乎可以完成輸送任何常規(guī)和特殊介質(zhì)的要求。但是 醫(yī)療、衛(wèi)生、化學(xué)制劑等行業(yè)用計(jì)量泵的指標(biāo)，如精度要求相對(duì)于其它工業(yè)領(lǐng)域更為嚴(yán)格， 能夠滿足此類應(yīng)用的精密計(jì)量泵的種類相對(duì)有限，發(fā)展規(guī)模及速度不及工業(yè)用計(jì)量泵。當(dāng) 前，采用耐強(qiáng)腐蝕性、透明材料研制泵頭，采用水洗密封艙機(jī)構(gòu)提升密封性能，分配精度高 達(dá)0. IuL的緊湊型精密柱塞計(jì)量泵在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。在需要高性能、高精度的液體分配應(yīng) 用場(chǎng)合，尤其是自動(dòng)灌注設(shè)備，對(duì)此提出了強(qiáng)烈的技術(shù)需求。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型通過(guò)采用特殊的材質(zhì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備高耐磨性、高 壽命、高耐壓性、防化學(xué)腐蝕等級(jí)高的特點(diǎn)，能夠達(dá)到醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)用水平；同時(shí)本實(shí)用 新型緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其相對(duì)于常規(guī)計(jì)量泵具有突出的小型化、外觀精美的特征；此外考 慮到提高計(jì)量泵的清洗效率，特別設(shè)計(jì)了水洗密封艙，令操作人員使用時(shí)快捷便利，能夠極 大地提高工作效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為一種微型精密柱塞計(jì)量泵，包 括依次連接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)和泵頭，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括安裝于連接座上端的步進(jìn)電 機(jī)和與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的滾珠絲杠；所述密封機(jī)構(gòu)包括柱塞和密封圈，所述柱塞通過(guò)絲 杠連接座與滾珠絲杠相連；所述泵頭包括泵艙、流體泵入口端和出口端。所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包 括用于檢測(cè)柱塞位置的光電位置傳感器和安裝于步進(jìn)電機(jī)的光電編碼器。所述光電位置傳感器，包括安裝在連接座上的光電傳感器和安裝在絲杠連接座上 的擋光柱，其主要功能是定位工作原點(diǎn)。根據(jù)需要可以將光電傳感器安裝在連接座內(nèi)腔的 靠上位置并定義原點(diǎn)，此時(shí)柱塞位于泵艙上端；也可將光電傳感器安裝在連接座內(nèi)腔的靠 下位置并定義原點(diǎn)，此時(shí)柱塞位于泵艙的下端。所述光電編碼器、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、絲杠連接座以及柱塞裝配在沿著柱塞的對(duì) 稱軸線上。其中，絲杠連接座的上端連接滾珠絲杠，下端連接柱塞，三者的準(zhǔn)直度、同軸度要 求達(dá)到50um，否則較低的同軸度和準(zhǔn)直度將增加驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力，同時(shí)加大密封圈的磨損， 降低裝置的分配精度和壽命。所述步進(jìn)電機(jī)是一種將電機(jī)扭矩力轉(zhuǎn)化成滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng) 并產(chǎn)生直線方向推力的器件。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)光電編碼器累計(jì)滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)滾
3珠絲杠的螺距參數(shù)計(jì)算出行程累計(jì)量，從而精確控制步進(jìn)電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離。通過(guò)安裝 在連接座上的光電位置傳感器準(zhǔn)確確定柱塞運(yùn)動(dòng)行程的原點(diǎn)位置，從而可以閉環(huán)地獲得整 個(gè)有效行程上柱塞的行進(jìn)距離。當(dāng)電機(jī)滾珠絲杠出現(xiàn)丟步或者空轉(zhuǎn)時(shí)，行程量并不反映到 光電編碼器的旋轉(zhuǎn)角度累計(jì)數(shù)值中，即通過(guò)光電編碼器和閉環(huán)控制，能夠有效消除由于電 機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的失步或負(fù)載過(guò)大產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的行程誤差，從而從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 本身消除泵出誤差的系統(tǒng)因素。采用不同精度的滾珠絲杠、不同直徑柱塞和不同角分辨能 力的步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)消除上述系統(tǒng)誤差，可以獲得不同的泵出精度。假設(shè)柱塞直徑確定為 5mm,當(dāng)采用0. 79375mm螺距的滾珠絲杠(l/4-32inch)，步進(jìn)電機(jī)的角分辨能力為1. 8度，可 計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行1步泵出的流體為0. 077ul ；當(dāng)采用0. 635mm螺距滾珠絲杠(l/4-40inch)， 步進(jìn)電機(jī)的角分辨率為0. 9度，可計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行1步泵出的流體為0. 031ul。所述柱塞、滾珠絲杠由絲杠連接座連接成一個(gè)連接體，為了盡量減少上述連接體 受步進(jìn)電機(jī)推力后在中部產(chǎn)生彈性形變，影響位置精度，在絲杠連接座外設(shè)置了柱塞套筒， 柱塞套筒的側(cè)壁開設(shè)有對(duì)稱分布的兩道滑槽，在所述絲杠連接座上安裝有軸承安裝軸，軸 承安裝軸的兩端分別裝設(shè)有滾珠軸承。當(dāng)絲杠連接座上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述滾珠軸承在柱塞套 筒的滑槽內(nèi)作相應(yīng)滾動(dòng)，使得絲杠連接座的運(yùn)動(dòng)限定在柱塞套筒的兩個(gè)對(duì)稱槽內(nèi)，由于運(yùn) 動(dòng)的形式是滾珠軸承在槽內(nèi)滾動(dòng)，有效的減少了摩擦阻力。柱塞套筒采用高硬度、耐磨性能 好、耐化學(xué)腐蝕性能良好的強(qiáng)化聚甲醛材料，通過(guò)數(shù)控車床精密加工制成。絲杠連接座和滾 珠軸承均采用316L不銹鋼材料，防腐性能良好。所述密封機(jī)構(gòu)還包括位于泵艙上方的水洗密封機(jī)構(gòu)，由上密封圈、下密封圈、水洗 密封艙體、0型圈、上墊片、下墊片組成。水洗密封艙有上、下兩個(gè)密封圈結(jié)構(gòu)，將柱塞的一 段密封于水洗密封艙中，0型圈裝配在水洗密封艙邊緣的槽內(nèi)，目的是使得整個(gè)水洗密封艙 機(jī)構(gòu)對(duì)于水洗密封艙上部處于完全密封狀態(tài)，艙內(nèi)的水蒸氣不能進(jìn)入驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。水洗密 封艙的側(cè)部有進(jìn)水口和出水口，可對(duì)柱塞、上密封圈、下密封圈和水洗密封艙內(nèi)壁定期進(jìn)行 清洗，主要是清洗柱塞從泵艙中帶出的溶液析晶物質(zhì)，防止析晶物質(zhì)腐蝕和磨損密封表面。 同時(shí)可預(yù)先保存少量的超純水起到水封作用，防止柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將空氣附帶入泵艙內(nèi)，從 而能夠延長(zhǎng)密封器件的工作壽命。所述上、下密封圈為采用不銹鋼彈簧自抱緊機(jī)構(gòu)的密封圈，這種結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理 和傳統(tǒng)的密封圈結(jié)構(gòu)不同，它由密封圈座和不銹鋼彈簧組成。當(dāng)泵艙內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí)，液體將 進(jìn)入不銹鋼彈簧所在的空腔，產(chǎn)生徑向張力。密封圈采用的不銹鋼鋼絲材料為316L，耐腐蝕 性很強(qiáng)，密封圈材料采用高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，耐磨性能和耐腐蝕性能好，解決了傳統(tǒng)橡膠 圈抱緊結(jié)構(gòu)的抱緊力小、不耐磨損、易老化的問(wèn)題，采用本密封結(jié)構(gòu)能耐受20MPa以上的壓 強(qiáng)并保持長(zhǎng)壽命。微型精密柱塞計(jì)量泵還包括排氣裝置，當(dāng)泵艙內(nèi)有氣體需要排出時(shí)，首先將流體 泵入口端接單向閥，任一流體泵出口端接電磁閥模塊，其余出口端用死堵密封。控制柱塞向 上運(yùn)動(dòng)時(shí)電磁閥模塊閥門關(guān)閉，液體經(jīng)單向閥由流體泵入口端進(jìn)入泵艙，柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí) 電磁閥模塊閥門打開，由于單向閥作用，液體只能從接電磁閥模塊的流體泵出口端流出，柱 塞如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到氣泡排凈。所述泵頭使用高純度且高強(qiáng)度的透明材料，如有機(jī)玻璃或者半透明聚醚酰亞胺 (Ultem/PEI)材料、聚礬、聚碳酸酯材料，為提高耐受壓強(qiáng)使用厚壁結(jié)構(gòu)，一般20MPa以上需
4要使用10mm-12mm的厚壁；30MPa以上使用環(huán)境，壁厚需要增加到15mm-18mm。使用本實(shí)用新 型指出的聚醚酰亞胺(Ultem/PEI)制造的泵頭，能夠使得本泵耐受化學(xué)腐蝕力高達(dá)lmol/L 的硫酸、氫氧化鈉的應(yīng)用環(huán)境。泵頭的加工是本專利申請(qǐng)?zhí)岢龅奶厥夤に?，采用的特殊加?工藝是高精密度數(shù)控機(jī)床精密加工，表面精銑，然后光學(xué)拋光，最后進(jìn)行材料退火。泵頭采 用透明無(wú)色有機(jī)玻璃，加工工藝中的技術(shù)難點(diǎn)包括泵頭的高透光性和其上較深小孔的鉆孔 工藝。同時(shí)經(jīng)過(guò)精密加工和表面光學(xué)拋光的透明泵頭，能直接觀察到泵艙內(nèi)氣泡、雜質(zhì)等細(xì) 節(jié)，為需要排氣泡的應(yīng)用環(huán)境排出氣泡提供了觀察窗口功能，整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、外觀 精美。所述泵頭上的流體泵出口端、入口端的數(shù)量可根據(jù)需要增減，一般為2-4個(gè)。接口 可以在材料強(qiáng)度范圍內(nèi)根據(jù)需要放置在任何位置，接口可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為各種密封連接形 式，常見的為螺紋壓緊的面密封或者錐端密封形式?？扇芜x其一作為流體泵入口端；其余接 口作為流體泵出口端。使用時(shí)一般根據(jù)需要裝配某個(gè)方向的單向閥或者電磁閥。所述柱塞和上、下密封圈高精密配合再與泵頭結(jié)合，為確保組件的壽命，要求所使 用的密封圈抱緊力適中且抱緊力分布均勻。所述柱塞為高硬度耐磨材料，可根據(jù)硬度、耐酸堿性和成本需求選用氧化鋁陶瓷、 氧化鋯陶瓷、藍(lán)寶石、經(jīng)表面淬火和氮化處理的高性能不銹鋼等材料。對(duì)其主要技術(shù)要求是 高的直線度、圓度和表面粗糙度。為了保證其與密封圈的精密配合并保持長(zhǎng)的壽命，直線 度一般要求在0. 02以上水平，圓度一般要求0. 01-0. 02或更高水平，表面粗糙度不能大于 0. Ium,當(dāng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作壓強(qiáng)為20MPa時(shí)，要求精密加工和拋光使得表面光潔度達(dá)到Ra = 0. 025/um水平，更高的工作壓強(qiáng)需要進(jìn)一步提升柱塞的表面光潔度。本實(shí)用新型可提供0. Iul以上到泵艙總?cè)萘康姆峙渚?。泵艙的容量，可根?jù)需 要改變泵艙的內(nèi)徑和增大柱塞的直徑改變?？梢哉{(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流體泵出速度，根據(jù)需要流速范圍在0. lul/s-500ul/s 內(nèi)可調(diào)。以步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步所能泵出的流體量為精密柱塞計(jì)量泵的精度，改變電機(jī)每周 期步數(shù)、改變精密絲杠型號(hào)、減少柱塞直徑，可以進(jìn)一步提高整個(gè)行程的整步數(shù)，從而提高 單步的泵出精度。最大工作壓強(qiáng)由步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠能提供的最大推力以及柱塞的橫截面積決 定，減小柱塞的橫截面積和提高電機(jī)的推力，能夠進(jìn)一步提高輸出壓強(qiáng)。本實(shí)用新型總體外形尺寸一般可控制在總長(zhǎng)150-220mm左右，截面徑度不超過(guò) 65mm,總質(zhì)量不超過(guò)lOOOg，結(jié)構(gòu)緊湊、精致。如果要求較低的場(chǎng)合可不使用水洗密封艙和光 電編碼器，則結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步緊湊，長(zhǎng)度可以控制在120mm以內(nèi)。按照本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的額定 壓強(qiáng)內(nèi)柱塞往復(fù)運(yùn)行次數(shù)累計(jì)壽命一般可達(dá)50萬(wàn)次以上。各方面工藝條件保障較高的能 達(dá)到100萬(wàn)次以上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是(1)柱塞材料和工藝。柱塞材料具有表面硬度高、物理化學(xué)特性穩(wěn)定、耐腐蝕、耐 磨、折彎強(qiáng)度較大及抗壓能力強(qiáng)等特點(diǎn)。選用的藍(lán)寶石柱塞其硬度達(dá)到9，使得泵體能夠提 供高達(dá)20MPa的壓強(qiáng)。同時(shí)柱塞有高的圓柱度、直線度和表面光潔度(表面粗糙度Ra = 0. 025-0. 012/um)。[0022](2)密封圈與柱塞配套實(shí)現(xiàn)精密配合，基于不銹鋼彈簧抱緊機(jī)構(gòu)的密封圈解決了 傳統(tǒng)橡膠圈抱緊結(jié)構(gòu)的抱緊力較小、易老化的問(wèn)題。作為本實(shí)用新型關(guān)鍵密封套件，為了保 證更長(zhǎng)的使用壽命，當(dāng)密封圈內(nèi)壁磨損后有自抱緊功能，即當(dāng)柱塞與之磨損一段時(shí)間之后， 其自抱緊結(jié)構(gòu)仍能使得密封圈和柱塞之間有良好的密封性能。此外密封圈材料具有耐磨、 耐腐蝕、耐油、彈性和硬度適中等特點(diǎn)。(3)柱塞、絲杠連接座和絲杠3個(gè)零件的裝配具有高準(zhǔn)直度、同軸度，這個(gè)準(zhǔn)直度 和同軸度達(dá)到50um。(4)所述柱塞、滾珠絲杠由絲杠連接座連接成一個(gè)連接體。為了盡量減少較長(zhǎng)的上 述連接體受步進(jìn)電機(jī)推力后中部產(chǎn)生彈性形變，影響位置精度，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了柱塞套 筒。柱塞套筒的側(cè)壁開設(shè)有對(duì)稱分布的兩道滑槽，在所述絲杠連接座上安裝有軸承安裝軸， 軸承安裝軸的兩端分別裝設(shè)有滾珠軸承。當(dāng)絲杠連接座上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述滾珠軸承在柱塞 套筒的滑槽內(nèi)作相應(yīng)滾動(dòng)，使得絲杠連接座的運(yùn)動(dòng)限定在柱塞套筒的兩個(gè)對(duì)稱槽內(nèi)，由于 運(yùn)動(dòng)的形式是滾珠軸承在槽內(nèi)滾動(dòng)，有效的減少了摩擦阻力。柱塞套筒采用高硬度、耐磨性 能好、耐化學(xué)腐蝕性能良好的強(qiáng)化聚甲醛材料，通過(guò)數(shù)控車床精密加工制成的。絲杠連接座 和滾珠軸承均采用316L不銹鋼材料，防腐性能良好。(5)水洗密封艙實(shí)現(xiàn)了柱塞和密封圈的水洗、水封功能。定期清洗柱塞和密封圈的 目的是去除沉積物，延長(zhǎng)密封壽命。水封功能是指清洗完成后可貯存一定量的超純水在水 洗密封艙中，對(duì)柱塞密封圈配合起到水密封作用，防止柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將空氣附帶入泵艙內(nèi)。(6)高水平的泵頭的特殊加工工藝。采用的特殊加工工藝是高精密度數(shù)控機(jī)床 精密加工，表面使用刀刃完整性良好的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行精銑，然后進(jìn)行光學(xué)拋光，最后 進(jìn)行材料退火，退火溫度一般最高不能超過(guò)80度。泵頭采用透明無(wú)色有機(jī)玻璃，加工工 藝中的技術(shù)難點(diǎn)包括泵頭的高透光性和其上較深小孔的鉆孔工藝。一般小孔的直徑在 0. 5mm-2. 0mm之間，深度在30mm左右，表面粗糙度Ra要求達(dá)到0. 0250/um或更高，表觀效果 透明性良好。通用的鉆頭長(zhǎng)度達(dá)不到要求，必須定制專門的長(zhǎng)鉆頭和絞刀。此工藝水平提 高了泵艙內(nèi)壁光潔度，有利于氣泡排出，大大縮短了完全排除氣泡的時(shí)間。采用較小孔徑的 目的是為了提高分配精度，減少死體積容量。對(duì)于一般的場(chǎng)合，可以適當(dāng)增大小孔的直徑。(7)高的耐壓性。高水平的柱塞、泵頭加工工藝在大扭矩輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下能 夠提供超過(guò)20MPa的壓強(qiáng)。(8)利用光電編碼器構(gòu)成的閉環(huán)行程控制消除了步進(jìn)電機(jī)因空轉(zhuǎn)、失步導(dǎo)致的計(jì) 量誤差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體泵出量0. 07-0. 1 u 1/步的精度控制。(9)同時(shí)泵頭拋光性能好，有極高的透明度，結(jié)構(gòu)緊湊，相對(duì)于常規(guī)的工業(yè)用計(jì)量 泵體積小、外觀精美。

圖1是本實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵的泵頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵的密封機(jī)構(gòu)工作原理示意圖；圖5是本實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵的柱塞套筒結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)合圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)用新型所述微型精密柱塞計(jì)量泵包括依次連接的 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、密封機(jī)構(gòu)2和泵頭3，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1包括安裝于連接座10上端的步進(jìn)電機(jī)15 和與步進(jìn)電機(jī)15轉(zhuǎn)軸相連的滾珠絲杠13 ；所述密封機(jī)構(gòu)2包括柱塞17、上密封圈35和下 密封圈19，所述柱塞17通過(guò)絲杠連接座11與滾珠絲杠13相連；所述泵頭3包括泵艙23、 流體泵入口端28和出口端24。所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1還包括用于檢測(cè)柱塞17位置的光電位置傳感器和安裝于步進(jìn)電 機(jī)15的光電編碼器14 ；所述光電位置傳感器包括安裝在連接座10上的光電傳感器16和 安裝在絲杠連接座11上的擋光柱；所述光電編碼器14累計(jì)滾珠絲杠13的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù) 滾珠絲杠13的螺距參數(shù)計(jì)算出行程累計(jì)量，精確控制步進(jìn)電機(jī)15的往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離，所述光 電位置傳感器將柱塞17的有效行進(jìn)距離反饋給光電編碼器14。上電運(yùn)行對(duì)流體泵出量計(jì) 量時(shí)，首先要使柱塞17回到上端原點(diǎn)，即泵頭3頂部位置，作為工作起始點(diǎn)。柱塞17向下 運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器14開始記錄，步進(jìn)電機(jī)15通過(guò)滾珠絲杠13每推動(dòng)柱塞17前進(jìn)一步， 光電編碼器14計(jì)數(shù)值增加1。消除了步進(jìn)電機(jī)15因空轉(zhuǎn)、失步導(dǎo)致的計(jì)量誤差。所述柱塞 17通過(guò)絲杠連接座11與滾珠絲杠13相連，泵頭3采用無(wú)色透明有機(jī)玻璃便于觀察泵艙23 內(nèi)柱塞17運(yùn)動(dòng)、液體余量及是否存在氣泡等情況。水洗密封艙由上密封圈35、下密封圈19、水洗密封艙體18、0型圈6、上墊片4和下 墊片8組成；所述上密封圈35和下密封圈19將柱塞17的一部分密封于水洗密封艙體18 中，所述0型圈6裝配在水洗密封艙體18邊緣的槽內(nèi)，在水洗密封艙的側(cè)部開設(shè)有入口端 29和出口端32?？筛鶕?jù)需要外接入口端轉(zhuǎn)接頭和出口端轉(zhuǎn)接頭，兩個(gè)接口直接與水洗密封 艙艙體18通路。計(jì)量泵使用前后通過(guò)密封機(jī)構(gòu)2的水洗密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行清洗。由水洗密封艙的入口 端29處注入超純水，溶解和清除掉沉積在柱塞17和上密封圈35和下密封圈19上的殘?jiān)?廢水從水洗密封艙的出口端32流出，反復(fù)進(jìn)行該過(guò)程，實(shí)現(xiàn)柱塞17、上密封圈35和下密封 圈19的清洗。清洗完成后可貯存一定量的超純水在水洗密封艙體18中，起到水密封作用， 防止柱塞17往復(fù)運(yùn)動(dòng)將空氣附帶入泵艙23內(nèi)。泵艙23內(nèi)存在氣泡時(shí)需先將氣泡排除，否 則氣泡自身的可壓縮性將使精密計(jì)量產(chǎn)生誤差。排氣時(shí)出口端24用死堵密封，使得泵艙23與外界大氣壓隔斷，電磁閥模塊31安 裝于流體泵出口端25，控制電磁閥模塊31的閥門處于打開狀態(tài)，柱塞17先運(yùn)動(dòng)至泵艙23 底部最大行程處，再控制電磁閥模塊31的閥門關(guān)閉，控制柱塞17向上運(yùn)動(dòng)至原點(diǎn)，液體由 單向閥30吸入，充滿泵艙23。若仍存在氣泡，電磁閥模塊31閥門打開，由于單向閥30的作 用，液體只能從出口端24流出。柱塞17如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到氣泡排凈。從泵頭3可以清晰 地觀察到排氣泡情況。本實(shí)例選用藍(lán)寶石柱塞17，泵艙23容積385ul，采用600N的直線步進(jìn)電機(jī)15，柱 塞17直徑為5mm，能夠提供20MPa的穩(wěn)定壓強(qiáng)。步進(jìn)電機(jī)15采用1/4-32型精密絲杠13， 總行程20mm，步進(jìn)電機(jī)15每周期分200步，整步/行程范圍可達(dá)5000整步/行程，本實(shí)例 精度為0. 07ul/步。調(diào)整步進(jìn)電機(jī)15轉(zhuǎn)速可以控制流體泵出速度，根據(jù)需要流速范圍在0. lul/s-500ul/s 內(nèi)可調(diào)。本實(shí)用新型輸出壓強(qiáng)的紋波系數(shù)由步進(jìn)電機(jī)15的穩(wěn)定性、滾珠絲杠13的材料強(qiáng) 度、柱塞17直線度決定，按照本實(shí)用新型的要求實(shí)施紋波系數(shù)所小于0. 1%。如圖4所示，密封機(jī)構(gòu)的上密封圈35和下密封圈19為采用不銹鋼彈簧21自抱緊 機(jī)構(gòu)的密封圈，這種結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理和傳統(tǒng)的密封圈結(jié)構(gòu)不同，它由密封圈座20和不銹鋼 彈簧21組成。當(dāng)泵艙23內(nèi)壓強(qiáng)增大時(shí)，液體將進(jìn)入不銹鋼彈簧21所在的空腔，產(chǎn)生徑向 張力。密封圈采用的不銹鋼鋼絲材料為316L，耐腐蝕性很強(qiáng)，密封圈材料采用高強(qiáng)高模聚乙 烯纖維，耐磨性能和耐腐蝕性能好，解決了傳統(tǒng)橡膠圈抱緊結(jié)構(gòu)的抱緊力小、不耐磨損、易 老化的問(wèn)題，采用本密封結(jié)構(gòu)能耐受20MPa以上的壓強(qiáng)并保持長(zhǎng)壽命。結(jié)合圖5所示，柱塞17、滾珠絲杠13由絲杠連接座11連接成一個(gè)連接體，為了盡 量減少較長(zhǎng)的上述連接體受步進(jìn)電機(jī)15推力后中部產(chǎn)生彈性形變，影響位置精度，本實(shí)用 新型設(shè)計(jì)了柱塞套筒33。柱塞套筒33的側(cè)壁開設(shè)有對(duì)稱分布的兩道滑槽，在所述絲杠連接 座11上安裝有軸承安裝軸12，軸承安裝軸12的兩端分別裝設(shè)有滾珠軸承34。當(dāng)絲杠連接 座11上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述滾珠軸承34在柱塞套筒33的滑槽內(nèi)作相應(yīng)滾動(dòng)，使得絲杠連接座 11的運(yùn)動(dòng)限定在柱塞套筒33的兩個(gè)對(duì)稱槽內(nèi)，由于運(yùn)動(dòng)的形式是滾珠軸承34在槽內(nèi)滾動(dòng)， 有效的減少了摩擦阻力。柱塞套筒33采用高硬度、耐磨性能好、耐化學(xué)腐蝕性能良好的強(qiáng) 化聚甲醛材料，通過(guò)數(shù)控車床精密加工制成的。絲杠連接座11和滾珠軸承34均采用316L 不銹鋼材料，防腐性能良好。以上所述實(shí)施方式僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施 例，對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本實(shí)用新型原理的前提下對(duì)它所做的任何顯 而易見的改動(dòng)，都屬于本實(shí)用新型的構(gòu)思和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
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權(quán)利要求一種精密柱塞計(jì)量泵，包括依次連接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)、密封機(jī)構(gòu)(2)和泵頭(3)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)包括安裝于連接座(10)上端的步進(jìn)電機(jī)(15)和與步進(jìn)電機(jī)(15)轉(zhuǎn)軸相連的滾珠絲杠(13)；所述密封機(jī)構(gòu)(2)包括柱塞(17)和密封圈，所述柱塞(17)通過(guò)絲杠連接座(11)與滾珠絲杠(13)相連；所述泵頭(3)包括泵倉(cāng)(23)、流體泵入口端(28)和出口端(24)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括用于檢測(cè)柱塞(17)位置的光電位置傳感器和安裝于步進(jìn)電機(jī)(15)的光電編碼器(14)；所述光電位置傳感器包括安裝在連接座(10)上的光電傳感器(16)和安裝在絲杠連接座(11)上的擋光柱。
2.如權(quán)利要求1所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述絲杠連接座(11)外設(shè)置有 柱塞套筒(33)，所述柱塞套筒(33)的側(cè)壁開設(shè)有對(duì)稱分布的兩道滑槽，在所述絲杠連接座 (11)上安裝有軸承安裝軸(12)，軸承安裝軸(12)的兩端分別裝設(shè)有滾珠軸承(34)。
3.如權(quán)利要求1所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述密封機(jī)構(gòu)包括位于泵倉(cāng) (23)上方的水洗密封艙，所述水洗密封艙由上密封圈(35)、下密封圈(19)、水洗密封艙體(18)、0型圈(6)、上墊片(4)和下墊片(8)組成；所述上密封圈(35)和下密封圈(19)將柱 塞(17)的一部分密封于水洗密封艙體(18)中，所述0型圈(6)裝配在水洗密封艙體(18) 邊緣的槽內(nèi)，在水洗密封艙的側(cè)部開設(shè)有入口端(29)和出口端(32)。
4.如權(quán)利要求3所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述上密封圈(35)和下密封圈(19)為帶有自抱緊機(jī)構(gòu)的密封圈，由密封圈座(20)和不銹鋼彈簧(21)組成。
5.如權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述微型精密 柱塞計(jì)量泵還包括排氣裝置，所述排氣裝置包括安裝于泵頭流體泵入口端(28)的單向閥 (30)和安裝于流體泵出口端(25)的電磁閥模塊(31)。
6.如權(quán)利要求1所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述泵頭(3)的材料為無(wú)色透 明有機(jī)玻璃、聚醚酰亞胺或聚碳酸酯。
7.如權(quán)利要求1所述的精密柱塞計(jì)量泵，其特征在于所述泵頭(3)的流體泵出口端 為兩個(gè)以上。
專利摘要一種精密柱塞計(jì)量泵，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)和泵頭三部分。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用光電編碼器精確控制性步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可以有效地避免由于電機(jī)失步或空轉(zhuǎn)導(dǎo)致泵出量產(chǎn)生誤差；密封機(jī)構(gòu)中的密封圈與柱塞配套實(shí)現(xiàn)精密配合，基于不銹鋼彈簧抱緊機(jī)構(gòu)的密封圈解決了傳統(tǒng)橡膠圈抱緊結(jié)構(gòu)的抱緊力小、易老化的問(wèn)題，延長(zhǎng)了使用壽命；泵頭具有水洗密封艙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了柱塞和密封圈的水洗、密封功能，延長(zhǎng)密封壽命；柱塞與膠塊加工工藝水平實(shí)現(xiàn)了微型精密柱塞計(jì)量泵能夠提供20MPa的壓強(qiáng)；同時(shí)膠塊拋光性能好，有極高的透明度，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、外觀精美。本實(shí)用新型可應(yīng)用于醫(yī)療、衛(wèi)生、生物及化學(xué)領(lǐng)域中流體的精密計(jì)量。
文檔編號(hào)F04B13/00GK201650642SQ20092027118
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者常海龍, 龐曉東, 李英, 滕莉, 許正光, 鄭國(guó)華, 阮德林 申請(qǐng)人:公安部第一研究所;北京中盾安民分析技術(shù)有限公司