微量注射泵用直线超声电机的结构设计_李南安.pdf

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pre- pressure application device; micro- injection pump 随着科技的发展， 很多领域需要对流体的流量或 流速进行精确控制。如在化学工程领域对微量化学元 素的检测和分析需要精准控制液态试剂的用量; 在生 物医学领域药剂的配制需要精确控制药液的流量与流 速。微量注射泵是一种新型泵力仪器， 能将少量药剂 按要求精准、 均匀、 持续地泵入 ［1 －3 ］。现有微量注射泵 主要将步进电机作为驱动器。作为电磁电机， 步进电 机往往会有惯性并伴随磁场干扰， 这些特性限制了其 在精度更高无磁干扰环境下的应用。 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发 弹性体振动， 并通过摩擦传动实现动子宏观运动的新 型电机。与电磁电机相比， 超声电机具有速度低、 推力 大、 精度高、 无电磁干扰等特点， 适用于驱动微量注射 泵 ［4 －7 ］。2016 年 Lei［8 ］将压电作动器应用于微量注射 泵的设计中， 利用位移放大器将压电作动器的微小位 移放大为注射器活塞的径向位移。此微量注射泵注射 分辨率理论能达到 0． 265 nl， 它表明超声电机作为微量 注射泵的驱动电机有良好的应用前景。2005 年美国 DA Henderson［9 ］提出了螺纹杆直线超声电机并申请了 专利。2009 年张健滔等 ［10 ］设计的基于一阶弯振螺纹 杆直线超声电机， 电机的最大输出力为 5． 2 N， 无载荷 作用下输出速度为7 mm/s。医用微量注射泵所需推力 大约为 5 N， 因其输出力较小， 很难满足不同粘稠度液 ChaoXing 体的注射所需推力。 现有螺纹杆直线超声电机动子直接采用螺栓整体 结构， 没有预压力调节装置， 导致电机输出力小， 运动 状态受负载影响大。针对现有螺纹杆直线超声电机不 能施加预压力的现状。笔者提出了一款新螺杆直线超 声电机， 该电机采用动子分体式设计， 将动子分为三个 部分， 增加了预压力施加部件， 实现了预压力可控。通 过调整预压力部件， 可实现较大的轴向输出力。该电 机结构简单紧凑， 便于安装。 针对上述螺杆直线超声电机， 这项研究首先通过 有限元仿真分析确定了电机工作模态， 设计并制造了 样机; 然后通过实验研究了预压力对螺纹杆直线超声 电机输出性能的影响规律， 确定其最佳预压力; 最后设 计了一款超声电机驱动的微量注射泵。 1电机结构 1． 1传统电机的限制 传统的螺纹杆直线超声电机没有预压力施加装 置， 如图 1 是张健滔所设计的螺纹杆直线超声电机。 电机由定子和动子组成， 定子为长 30 mm 宽 13 mm 中 空四棱柱， 动子为一根长 60 mm 的螺纹杆， 电机通过螺 纹副驱动动子旋转。由于电机没有预压力调节装置， 预压力预压力为定/动子之间的装配力， 因此， 预压力 小， 也不可控制， 导致电机的推力小， 运动状态受负载 影响大。它难以满足微量注射泵对各种液体注射 要求。 图 1螺纹杆直线超声电机 Fig． 1 Lead screw linear ultrasonic motor 1． 2电机结构 针对微量注射泵所需驱动力较大、 电机便于安装 要求， 电机定子采用左右对称结构， 中间有圆弧型凹槽 用于电机的安装固定， 电机动子由套筒、 动子主轴、 预 压力螺栓、 预压力螺母组成。定子为 13 mm 13 mm 72 mm 的四棱柱， 动子主轴为 120 mm 一端粗一端细螺 纹杆; 套筒长50 mm， 有外螺纹。电机结构如图2 所示。 该电机动子结构如图 3 所示， 安装完成后套筒和 动子主轴左端有 2 mm 的缝隙， 动子在定子内部时， 通 过调整预压力螺母， 使套筒和主轴油有相对运动的趋 势， 从而增大定动子螺纹副之间的压力。 图 2电机结构 Fig． 2 Structure of the motor 图 3动子结构 Fig． 3 Structure of the rotor 1． 3电机的工作原理 电机通过压电陶瓷的逆压电效应激发定子两个互 相正交的三阶弯曲模态， 激发定子端部的摇头运动， 动 子与定子两端接触点的摩擦使动子沿着周向旋转。再 通过螺纹副转换为动子的轴向直线运动。 图 4电机驱动原理 Fig． 4 The working principle of actuator 以定子轴向方向作为 Z 轴， 以定子端部平面作为 XOY 平面建立坐标轴， 如图 4 所示， 对定子端任意一点 s 的运动轨迹进行分析， 虚线表示定子驱动端面平衡位 置， 实线表示经过时间 t 后端面位置。s0为 s 经过 t 时 间后位置。设定子的三阶弯曲振动为 ω， 电机相互垂 直方向上的陶瓷片分别记为 A 相和 B 相， 当 A 相以电 压 sin ωt 单独激励时， 定子将会产生弯曲共振。s 点在 X， Z 方向位移响应分别表示为 ux， uz1， 定子端面的弯转 角度可表示为 β， 则有 ux Wscos ωt 1 uz1 － rβ0cos θsin ωt 2 β β0sin ωt 3 式中 β0为定子端面最大弯转角度; Ws为端平面位移 最大值。当 B 相以 cos ωt 激励时， s 点在 Y， Z 方向位移 响应分别表示为 uy， uz2， 相应有 uy Wscos ωt 4 uz2 － rβ0sin θcos ωt 5 当 A、 B 两相同时激励时， s 点在 Z 方向位移响应表示 为 uz ， 有 uz uz1 uz2 － rβ0sin ωt θ 6 422振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 由式 6 可知， 因 s 点为定子端部内圆周上任意一点， 且 s 点在 Z 方向的位移响应与实践 t 和位置角度 θ 相 关， 因此定子在轴线方向将产生驱动行波。将 ux和 uy 沿径向分解， 得 s 点径向位移响应 ur ur uxcos θ uysin θ W0cos ωt θ 7 将 ux和 uy沿切向分解， 得到 s 点的切向位移响应 u τ uτ uycos θ － uxsin θ W0cos ωt θ 8 合成径向和 Z 向的位移响应， 定义 Z1为合成位移响应 的方向， 则合成 Z1方向的位移响应为 uZ1u2 z u2 槡 τ rβ 0 2 W2 槡 ssin ωt θ 9 得到 P 点的运动轨迹方程为 u2 τ W2 s u2 Z1 u2 s Rβs 2 1 10 根据式 10 可知， s 点的运动轨迹为空间椭圆， 可将其 分解得到 YOZ 平面的有效驱动椭圆， 运行轨迹示意图 如图 5 所示。 图 5定子端点运动轨迹分析 Fig． 5 Stator endpoint motion trajectory analysis 2定子结构 定子的结构直接决定电机的性能和电机的体积。 为满足输出力和便于安装要求， 定子采用左右对称结 构， 左右均为 30 m 四棱柱， 中间采用圆形凹槽用于安 装以减小夹持对定子模态影响。 定子结构的改变导致定子固有频率的改变， 需要 对定子建立有限元模型， 进行模态分析， 确定其工作模 态。本电机利用定子两个相互垂直的三阶弯曲振动模 态进行驱动。利用 ANSYSWORKBENCH 软件对螺纹 杆直线超声电机定子进行模态分析， 如图 6 所示， 选定 其工作模态频率为 32． 37 kHz。 图 6定子工作模态 Fig． 6 Working mode of stator 3实验研究 3． 1定子模态实验 利用 PSV 激光多普勒测振仪对加工好的定子进行 了模态实验， 定子的工作振型如图 7 所示。定子的三 阶弯振模态频率分别为为 32 672 Hz 和 31 251 Hz， 两 相谐振频率一致性良好， 如图 8 所示。有限元计算结 果与模态实验结果在误差允许范围内吻合。 图 7定子振型 Fig． 7 Mode shape of stator 图 8定子扫频 Fig． 8 Frequency sweep of stator 3． 2机械输出特性实验 样机如图 9 所示， 为验证预压力施加装置对电机 性能的影响， 首先使用 LC1015 测力仪对样机进行输出 力测试， 激励电压峰值设为 250 V， 激励频率设为 32． 810 kHz。研究输出力与弹簧施加压力之间的关 系， 预压力弹簧施加压力由预压力弹簧压缩量计算出。 实验结果如图 10 所示。 图 9样机照片 Fig． 9 Photo of prototype 522第 2 期李南安等微量注射泵用直线超声电机的结构设计 ChaoXing 图 10输出力与预压力关系 Fig． 10 Relationship between output force and pre- pressure 然后对样机进行速度测试， 实验装置如图 11 所 示。由信号发生器 AFG3022B 产生电激励信号， 经过 功率放大器 HFVP － 153 放大电压， 驱动样机运动。 采用高速激光位移传感器 KEYENCE LK- H150 测量 动子端点的速度， 由 PC 收集、 处理采样数据并绘制速 度曲线。激励电压峰峰值设为 250 V， 激励频率为 32 810 Hz， 。实验结果如图 12 所示。 图 11电机输出性能实验平台 Fig． 11 Motor experiment plat 图 12输出速度与预压力关系 Fig． 12 Relationship between output speed and pre- pressure 由图 10、 图 12 可以看出， 在驱动电压 150 V、 驱动 频率32． 81 kHz 恒定， 预压力与堵推力的关系在开始阶 段堵推力随着预压力的增大而增大， 在预压力为 33． 9 N左右的时候达到最大堵推力 21 N， 再随着预压 力的增加堵推力随之下降， 当预压力为 55 N 时， 动子 将停止运动。在驱动电压、 驱动频率不变、 电机空载的 条件下， 预压力与轴向动子速度随着预压力的增大而 逐渐减小趋势。由于预压弹簧的线性压缩长度为 7 mm， 在预压力大于 50 N 时， 电机速度骤变为 0。 4微量注射泵设计 整机的设计分别为直线轴承、 基座、 注射器夹持 座、 驱动超声电机。超声电机推动直线轴承， 直线轴承 消除电机扭矩向前推动注射器活塞， 注射器针筒由注 射器夹持座固定， 注射器针柄由注射器前盖板压紧。 样机 如 图 13 所 示， 长 230 mm， 宽 40 mm， 高 50 mm。相比较于传统步进电机微量注射泵， 结构更加 紧凑、 简单， 且具有抗磁干扰能力。体积更小， 比市场 上销售的微量注射泵 SY － 1200 体积小两倍以上。行 程为 25 mm， 位移分辨率达到微米级别， 满足各种微量 药物的注射要求。 图 13微量注射泵样机照片 Fig． 13 Photo of microinjection pump prototype 5结论 基于螺纹杆直线超声电机的驱动原理， 设计了一 款可施加预压力的螺纹杆直线超声电机。实验研究了 预压力的施加与堵推力、 输出速度的关系。实验结果 表明， 在一定范围内， 开始堵推力随着预压力的施加而 增加， 之后随着预压力的增大而减小。预压力增大到 33． 9 N 时堵推力最大 21 N; 输出速度随着预压力的增 大而减小。将螺纹杆直线超声电机作为微量注射泵的 驱动电机， 设计了一种新型微量注射泵， 具有结构简 单、 体积小、 精度高、 抗磁干扰等优点。 参 考 文 献 ［1］ 郭应美． 微量注射泵在尼莫地平静脉给药中的应用［J］ ． 基层医学论坛， 2005， 9 5 443 －443． GUO Yingmei． The application of micro- injection pump in Nimodipine administration through vein［J］ ． Public Medical Forum Magazine， 2005， 9 5 443 －443． ［2］ 陈曦， 王清， 蔡姗姗． 微量注射泵的设计与实现［J］ ． 化工 自动化及仪表， 2014 ， 41 3 290 －293 ． CHENXi，WANGQing，CAIShanshan．Designand implementation of micro- injection pumps［J］ ． Control and Instruments in Chemical Industry， 2014， 41 3 290 －293． 下转第 261 页 622振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing