CN103511216B - 注射泵、注射系统及注射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种注射泵，包括：基座；安装在所述基座上的电机、注射器管压块、三根X向平行的导向杆；受所述电机驱动的丝杠；注射器柄装配机构，其具有三个导向孔、一个注射器柄限位槽和一个驱动孔；所述丝杠与所述驱动孔配合形成丝杠副，所述导向杆与所述导向孔配合形成滑动副；所述三个导向孔的中心位于等边三角形的三个顶点上，所述驱动孔的中心位于所述等边三角形的中心位置，所述注射器柄限位槽的对称轴与所述等边三角形的Z向中线重合。本发明还提供了能够实现并行控制的注射系统和注射方法。本发明具有注射精度高、通用性强的优点。

Description

注射泵、注射系统及注射方法

技术领域

本发明涉及化学材料的注入领域，具体涉及化学实验中流体化学药品的注射装置、注射系统及注射方法。

背景技术

随着近些年微流控芯片广泛用于各种化工实验及检测中，在一个实验中，可能会需要多药品的注入速率、注入的先后顺序、有时要在实验的过程中实现几种药品按不同比例同时注入，因此，这对注射系统的性能要求越来越严格，既要求它们能按设定的注射速率准确注射，又要求操作者可以很便捷设置各台泵的协同工作。

目前国内外虽然存在着一些注射泵系统，但他们在电路控制单元的设计大部分设计以一台泵为中心，然后通过泵的级联去控制其它泵，这样设计给需要多台泵协同工作的操作者操作带来了很多操作不便。同时，它们在泵体的设计中一般采用电机丝杆和两个导向杆处在同一个水平面上，这样在电机推进过程中，电机作用在注射器上的推力效率不高。一般采用的步进电机实时测速系统精度不够高，同时，大部分不方便在电脑上直接操作。

例如在申请号：201310042655.0、申请日：2013-02-04、发明名称：“一种注射泵传动装置”的中国发明专利申请中，推杆与两根导轨同处于同一XY平面上，同时，丝杠（丝杆）基本也位于XY平面上或者离开较小距离，从而实现了结构的紧凑。但是，正如在本说明书的图1中原理性示出的，在实际工作中，注射器装夹到注射泵上后，丝杠3要带动驱动机构4运动以推动注射器柄X向运动将药品推出注射器。此时，注射器柄会给驱动机构4一个反作用力f，该作用力f使得驱动机构4倾向于朝着图1中的箭头A方向翻转，从而在驱动机构4与丝杠3的配合位置C处及与导轨或者推杆1、2的配合位置B处产生应力集中，从而加速B、C位置处的磨损。在此情况下，对注射器进行初始装夹时，驱动机构4仍然保持如图1中实线所示的正确位置，但开始工作后，在f作用下，驱动机构将发生如图1中的虚线所示的倾斜，从而影响注射精度。在驱动机构4不直接与导轨、丝杠配合的情况下，f的作用还是最终会传导到与导轨、丝杠配合的其它部件上，因此同样会产生上述问题，本文不再详细描述。而在上述发明专利申请中，所公开的注射泵属于医疗器械领域，在对人体注射时，是缓慢匀速推动注射器柄的，首先，反作用力f并不大，因此磨损慢；其次，注射量取决于医生所开的药剂用量，一般要求将注射器内的药物全部推入人体即可，精度要求并不高，少量的磨损是能够被接受的。而在化工领域，化学药品的注射时一般需要较大的推进力（例如高压推进），因此f也较大，磨损快，而且经常会进行微量注射，对精度要求高，因而磨损会对注射精度产生很大影响，进而影响到化学实验结果、检测结果。

在申请号：201210516343.4、申请日：2012-12-05、发明名称：“一种气相色谱仪进样系统及处理方法”的中国发明专利申请中，通过控制系统来控制换向装置动作，从而将不同的被测样品注入到色谱柱中进行分析，保证了样品注射的同时性和精确性。但是，该控制系统实现的是单行控制，在同一时间点只能保证一种被测样品的注入，而在化学实验中，经常需要多种化学药品同时注入，或者在某一时间段内，既有多种化学药品的同时注入，又有某种化学药品的阶段性注入，并且化学药品注入的先后顺序有着严格要求，注入速度也各不相同，因此需要对化学药品的注入进行并行控制。

再者，一般的注射器柄存在两种形式，一种如常见的医疗注射器，在注射器柄末端设置端板，这常见于医疗用注射器；另一种是注射器柄后端具有螺丝孔。这两种形式在实验中均常用到，但一般的注射泵的驱动机构只适合推动单一种类的注射器，通用性不强。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种注射精度更高的注射泵。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种注射泵，包括：基座；安装在所述基座上的电机、注射器管压块、三根X向平行的导向杆；受所述电机驱动的丝杠；注射器柄装配机构，其具有三个导向孔、一个注射器柄限位槽和一个驱动孔；所述丝杠与所述驱动孔配合形成丝杠副，所述导向杆与所述导向孔配合形成滑动副；所述三个导向孔的中心位于等边三角形的三个顶点上，所述驱动孔的中心位于所述等边三角形的中心位置，所述注射器柄限位槽的对称轴与所述等边三角形的Z向中线重合。

优选地，所述注射器柄限位槽包括竖直槽和/或T形槽。

优选地，上述注射泵还包括注射器柄压块，所述注射器柄压块与所述三根导向杆中的至少两根为滑动配合，所述注射器柄压块与所述注射器柄装配机构通过螺栓紧固，且所述注射器柄压块上开有台阶槽。

优选地，所述注射器柄压块上具有左、右限位杆。

优选地，所述注射器柄限位槽包括竖直槽和T形槽，所述竖直槽为开在所述T形槽的底壁上的长孔。

本发明的另一目的是提供一种能够实现并行控制、并且注射精度高的注射系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种注射系统，包括：如上所述的注射泵；控制单元；旋转编码器；所述控制单元与多台所述注射泵电连接，并根据所设定的时序参数、注射速度参数控制多台所述注射泵的工作状态，所述旋转编码器与所述控制单元和所述电机电连接从而将所述电机的转速反馈给所述控制单元。

优选地，所述控制单元具有人机交互界面。

优选地，所述控制单元具有与电脑的通讯接口。

本发明的第三个目的是提供一种对化学药品进行并行控制、精确注入的方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种注射方法，包括的步骤有：

将容纳有不同液体的注射器安装到各所述注射泵上；

依次设置每台注射泵的工作参数，包括起始时间、终止时间、注射速度；

完成所有注射泵的设置后，起动注射；

注射终止。

优选地，在设置每台注射泵的工作参数前，还存在选择所述注射系统进入单台工作模式或者多台工作模式的步骤。

本发明的有益效果在于：

由于注射器柄装配机构（其也是注射器柄的驱动机构）的三个导向孔的中心位于等边三角形的三个顶点上，并且驱动孔的中心位于所述等边三角形的中心位置，因此丝杠的推力在三个导向孔处是均匀分配的，而由于注射器柄限位槽的对称轴与等边三角形的Z向中线重合，因此注射器柄的反作用力f被最大限度地平均分散至三个导向孔和驱动孔位置，从而在这些位置所产生的应力集中均很小，从而减轻了磨损，使得注射器柄装配机构不至于发生倾斜，注射器柄装配机构的实际行程与设定的注射量严格对应，从而提高了注射精度。

进一步地，本发明针对不同的注射器柄形式，设置了不同的注射器柄限位槽，提高了通用性。

进一步地，当存在T形槽时，同时增加了注射器柄压块，保证在注射器柄末端为端板时，装夹后注射方向平行于X向，提高了注射精度，而且压块上的台阶槽适于不同容量的注射器的定位，提高了通用性，并具有辅助定位保证注射方向平行X向的功能。

进一步地，注射器柄压块上的限位杆能够确保压块与注射器柄装配机构之间的相对位置不变，在装夹注射器时容易将注射器调水平（平行X向）。

进一步地，同时采用本发明的T形槽与竖直槽结构，通用性更强，加工更简单。

另一方面，本发明的注射系统采用闭环反馈自动控制，并且控制单元具有时序参数设置功能，在提高注射精度的同时，能够实现多台注射泵的并行控制，实现不同药品按照不同速度、不同顺序的注入。

进一步地，控制单元的人机交互界面便于操作。

进一步地，控制单元与电脑通讯后，能够在电脑上直接对注射泵进行编程，提高了方便性和可控性。

进一步地，本发明还能够选择注射系统为单台工作模式或者多台工作模式，通用性强。

附图说明

接下来将结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明，其中：

图1是现有技术的注射泵的受力原理图；

图2是本发明的实施例的注射泵的轴测视图；

图3是本发明的实施例的注射器柄装配机构的左视图；

图4是本发明的实施例的注射泵的轴测视图，为了清晰，其中省略了部分部件；

图5是图4中的注射泵另一角度的轴测视图；

图6是本发明的实施例的注射系统的结构原理图。

上图中标记说明：导轨或者推杆1、2，丝杠3，驱动机构4，注射泵100、200，基座110，注射器管压块120，注射器柄压块130，左限位杆131，右限位杆132，螺纹孔133、134，台阶槽135，左导向杆141，右导向杆142，下导向杆143，注射器柄装配机构150，左导向孔151，右导向孔152，下导向孔153，驱动孔154，螺母155，右限位孔156，左限位孔157，通孔158、159，T形槽1510，竖直槽1511，电机160，旋转编码器170，丝杠180，控制单元300，电脑400。

具体实施方式

在接下来的描述中，为了清晰，建立了三维坐标系，其中，X向指的是注射泵的长度方向（注射方向），Z向指的是注射泵的高度方向（上下方向），Y向指的是注射泵的宽度方向（左右方向）。

参考图1，现有技术中的注射泵，一般采用两根导轨，并且两根导轨（或者称为导向杆）或者推杆1、2平行布置在同一平面内，用于推动注射器柄的驱动机构4受丝杠3的驱动沿X方向运动，并且一般处于降低尺寸的考虑，丝杠3距离两根导轨1、2所在的平面的Z向距离并不会很大。注射器（未示出）装夹到注射泵上后，丝杠3要带动驱动机构4运动以推动注射器柄X向运动将药品推出注射器。此时，注射器柄会给驱动机构4一个反作用力f，该作用力f使得驱动机构4倾向于朝着图1中的箭头A方向翻转，从而在驱动机构4与丝杠3的配合位置C处及与导轨或者推杆1、2的配合位置B处产生应力集中，从而加速B、C位置处的磨损。在此情况下，对注射器进行初始装夹时，驱动机构4仍然保持如图1中实线所示的正确位置，但开始工作后，在f作用下，驱动机构将发生如图1中的虚线所示的倾斜，从而影响注射精度。在驱动机构4不直接与导轨、丝杠配合的情况下，f的作用还是最终会传导到与导轨、丝杠配合的其它部件上，因此同样会产生上述问题，本文不再详细描述。如果在医疗领域，采用现有技术的注射泵在对人体注射时，是缓慢匀速推动注射器柄的，首先，反作用力f并不大，因此磨损慢；其次，注射量取决于医生所开的药剂用量，一般要求将注射器内的药物全部推入人体即可，精度要求并不高，少量的磨损是能够被接受的。而在化工领域，化学药品的注射时一般需要较大的推进力（例如高压推进），因此f也较大，磨损快，而且经常会进行微量注射，对精度要求高，因而磨损会对注射精度产生很大影响，进而影响到化学实验结果、检测结果。

参考图2，注射泵100包括基座110，安装在基座110上的电机160、注射器管压块120，左导向杆141、右导向杆142、下导向杆143（图4及图5中示出）。三根导向杆141、142、143在基座110上X向平行布置，并与注射器柄装配机构150滑动配合形成一对滑动副。丝杠180受电机160驱动，并且丝杠180与注射器柄装配机构150配合形成一对丝杠副。工作时，将注射器（未示出）装夹到注射泵100上，利用注射器管压块120压住注射器的前端，注射器柄装配机构150用于固定注射器柄。电机160为动力源，电机160的转动经丝杠180转换为注射器柄装配机构150的X向直线运动，从而推动注射器柄，使注射器中的化学药品注入实验装置或者检测装置。因此，注射器柄装配机构150也是驱动机构。

结合图3、图4、图5，注射器柄装配机构150的三个导向孔分别为左导向孔151、右导向孔152和下导向孔153，三个导向孔的中心C1、C2、C3位于等边三角形（如图3中的虚线所示）的三个顶点上，而驱动孔154的中心H位于该等边三角形的中心位置。因此，丝杠180的推力在三个导向孔151、152、153处是均匀分配的。左导向杆141与左导向孔151滑动配合、右导向杆142与右导向孔152滑动配合、下导向杆153与下导向孔153滑动配合，丝杠180与驱动孔154配合。为了增加耐磨性，导向孔151、152、153内还能够设置铜套（未示出）。本领域普通技术人员能够很容易地想象，为了实现丝杠传动，既能在驱动孔154内安装螺母155，也能够直接在驱动孔154内机加工内螺纹，在本说明书中统称为丝杠160与驱动孔154配合形成丝杠副。为了提高通用性，在本发明中，注射器柄限位槽采用了两种形式：一种是T形槽1510（从俯视角度看的话，其大致为T形），适用于装配具有端板的注射器柄；另一种是竖直槽1511，适用于注射器柄末端具有螺纹孔的情况。本领域普通技术人员能够很容易地想象，两种形式的注射器柄限位槽既能够单独采用，也能够同时采用，或者加工出其它形状的限位槽。但从提高通用性的角度来看，优选同时采用T形槽1510和竖直槽1511，此时，竖直槽1511本身是开在T形槽1510的底壁上的一个长孔，因此两个限位槽能够被视为一体，并且从机加工的角度讲，例如通过铣削加工限位槽时，铣刀在铣削T形槽1510的基础上局部增加铣刀进给量就能铣削出竖直槽1511，容易实现。并且，注射器柄限位槽1510、1511的对称轴与上述等边三角形的Z向中线重合，如图3中的长点划线所示出的。因此，图1中所示出的注射器柄的反作用力f被最大限度地平均分散至三个导向孔和驱动孔位置，从而在这些位置所产生的应力集中均很小，并且，丝杠180的中心线与下导向孔153的中心线之间的距离要大于其与注射器柄中心线的距离，根据杠杆原理，下导向杆143所述的滑动摩擦力最小，而两个水平的导向杆141、142的滑动摩擦力平均，大大减小了磨损程度，使得注射器柄装配机构150不至于发生如图1中虚线所示的倾斜，注射器柄装配机构150的实际行程与设定的注射量严格对应，从而提高了注射精度。

同时，由于采用了T形槽1510，本发明还设置了与之配合的注射器柄压块130。注射器柄压块130与左导向杆141、右导向杆142为滑动配合。注射器柄压块130上开有螺纹孔133、134，相应地，注射器柄装配机构150上开有通孔158、159，注射器柄的端板卡入T形槽1510后，采用螺栓穿过通孔158、159拧入螺纹孔133、134，从而使注射器柄压块130压住注射器柄。为了保证注射器柄压块130与注射器柄装配机构150之间的相对位置不变，在装夹注射器时容易将注射器调水平（平行X向），在注射器柄压块130上还设置了左限位杆131和右限位杆132，相应地，注射器柄装配机构150上设置了左限位孔157和右限位孔156。并且，为了适应不同容量的注射器（其管径也不同），在注射器柄压块130上开有台阶槽135。

参考图6，在本发明的实施例中，控制单元300与两台注射泵100、200电连接，用于控制两台注射泵的电机160的工作。本领域普通技术人员应当理解，控制单元300也能够控制一台或者更多数量的注射泵，但在化工领域，为了实现多种化学药品的注入，应当由控制单元300控制两台及以上注射泵的注入。在注射泵100、200上，还安装有旋转编码器170，用于测量电机160的转速。同时，旋转编码器170还与控制单元300点连接，将所测得的转速信号反馈给控制单元300。控制单元300根据所设定的时序参数、注射速度参数控制注射泵100、200的工作状态，在工作过程中，旋转编码器170将电机160的转速反馈给控制单元300，控制单元300根据反馈的速度值和预先设置的速度相比较，运用一些智能算法（目前主要采用的算法为比例-积分-微分控制算法，简称PID控制算法），算出下一步给电机160驱动的信号使电机转速更接近理论值，从而提高了注射精度。而且，控制单元300具有人机交互界面，便于操作人员的现场参数输入。作为进一步的优选方案，控制单元300还提供了与电脑400的通讯接口，在一些有电脑400的场合，可以把控制单元300接到电脑400上，然后在电脑400上设置注射泵100、200的运行程序，这样，控制单元300本身可以不具备人机交互界面，而以便携式的电脑来控制，有利于控制单元300的小型化，尤其在一些需要电脑400同时控制其它仪器的场合，可以在电脑400上实现对整个系统的操作，提高通用性。

利用本发明的注射系统进行化学药品的注射时，步骤如下：

（1）将容纳有不同液体的注射器安装到各注射泵100、200上。

（2）进入控制单元300的操作界面，选择单台工作模式或者多台工作模式。

（3）以时间为主线设置程序，首先选择第一台注射泵100，按后再选择具体的时间段，再设置注射泵100在这段时间完成任务所需要的参数，然后进入下一个时间段设置，直到把注射泵所有时间段参数包括注射起始时间、终止时间、注射速度等设置完毕，才能进入下一台注射泵200的参数设置，设置和注射泵100的顺序和步骤相同，然后依次类推。虽然每台注射泵是单独输入参数的，但每台注射泵的参数是按照整个系统所要完成的任务而设置的参数，因此，可以通过调整每台注射泵的参数设置，从而简单的实现不同注射泵的注射先后顺序和注射速率。

（4）完成所有注射泵的设置后，起动注射。

（5）注射终止。

由上述可知，本发明的注射系统尤其适合于需要实现各种浓度变化注射液的场合。

虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不被限定于上述实施例，本领域普通技术人员能够容易地对其进行等效替换和变型，但并不离开本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种注射泵，包括：

基座；

安装在所述基座上的电机、注射器管压块、三根X向平行的导向杆；

受所述电机驱动的丝杠；

控制单元，所述控制单元控制所述电机的工作；

注射器柄装配机构，其具有三个导向孔、一个注射器柄限位槽和一个驱动孔；

所述丝杠与所述驱动孔配合形成丝杠副，所述导向杆与所述导向孔配合形成滑动副；

其特征在于，所述三个导向孔的中心位于等边三角形的三个顶点上，所述驱动孔的中心位于所述等边三角形的中心位置，所述注射器柄限位槽的对称轴与所述等边三角形的Z向中线重合。

2.根据权利要求1所述的注射泵，其特征在于，所述注射器柄限位槽包括竖直槽和/或T形槽。

3.根据权利要求2所述的注射泵，其特征在于，还包括注射器柄压块，所述注射器柄压块与所述三根导向杆中的至少两根为滑动配合，所述注射器柄压块与所述注射器柄装配机构通过螺栓紧固，且所述注射器柄压块上开有台阶槽。

4.根据权利要求3所述的注射泵，其特征在于，所述注射器柄压块上具有左、右限位杆。

5.根据权利要求2或3所述的注射泵，其特征在于，所述注射器柄限位槽包括竖直槽和T形槽，所述竖直槽为开在所述T形槽的底壁上的长孔。

6.一种注射系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中的任一项所述的注射泵；

控制单元；

旋转编码器；

所述控制单元与多台所述注射泵电连接，并根据所设定的时序参数、注射速度参数控制多台所述注射泵的工作状态，所述旋转编码器与所述控制单元和所述电机电连接从而将所述电机的转速反馈给所述控制单元。

7.根据权利要求6所述的注射系统，其特征在于，所述控制单元具有人机交互界面。

8.根据权利要求6或7所述的注射系统，其特征在于，所述控制单元具有与电脑的通讯接口。

9.一种采用如权利要求6至8中的任一项所述注射系统进行的注射方法，其特征在于，包括的步骤有：

将容纳有不同液体的注射器装夹到各所述注射泵上；

依次设置每台所述注射泵的工作参数，包括起始时间、终止时间、注射速度；

完成所有所述注射泵的设置后，起动注射；

注射终止。

10.根据权利要求9所述的注射方法，其特征在于，在设置每台所述注射泵的工作参数前，还存在选择所述注射系统进入单台工作模式或者多台工作模式的步骤。