CN111043270A - 一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，属于机械技术领域。本发明用于实现柱塞杆的往复运动，采用驱动部件配合高精度滚珠丝杠的方式实现，滚珠丝杠副采用丝杠旋转，螺母往复运动的方式，通过螺母往复运动带动柱塞杆往复运动。主要包括：驱动部件、传动轴系、恒温壳体和缓冲部件等组成。驱动部件包括电机和编码器，用于提供柱塞运动的动力和实现位置的准确控制；传动部件是将电机的传转运动转化为柱塞的往复运动；恒温壳体实现对装置温度的控制，从而减少热量对精度带来的影响；缓冲组件用于缓解传动部件在往复过程中加速度频繁交变引入的冲击问题。

Description

一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置
技术领域
本发明涉及一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，属于机械技术领域。
背景技术
液相色谱分析技术是一种应用非常广泛的物质定量或者定性的分析技术，超高效高效液相色谱(UHPLC)在经典液相色谱法的基础上迅速发展起来成为液相色谱领域新型法，主要有高精度输送装置、进样器、色谱柱、检测器和记录仪等部件组成，并具有高压、高灵敏度和高效的特点。目前我国以高效液相色谱技术为主，缺乏具有自主知识产权的UHPLC技术，其中主要原因在于UHPLC的核心关键部件——高精度输送装置技术。
传统的HPLC泵大多采用双缸单电机驱动，通过齿轮、蜗轮蜗杆或者凸轮完成双缸的协同控制，从而实现流体的输送。由于传动环节复杂，传动精度不能满足超高效应用中高精度低脉动的需求。鉴于上述缺点，传统的HPLC泵常用于精度等级要求较低的场合，通常传动精度在1％左右，因此对温度控制的要求并不严格，而高精度输送装置精度需优于0.06％(RSD)，且经计算每升高5℃，精度误差就会升高0.01％(RSD)，因此需进行严格的温度控制，同时需进行刚度和精度的匹配设计。传统的HPLC泵多采用平面接触方式，导致柱塞的轴向变形大，从而损失传动精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，解决适用于超高效液相色谱分析中柱塞高精度运动问题。
本发明的技术解决方案是：一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，包括传动轴系、恒温壳体、轴系缓冲组件、防扭组件、驱动部件；
所述传动轴系包括柱塞、柱塞限位卡圈、滚珠、柱塞压缩弹簧、柱塞限位挡圈、中心主轴、滚珠丝杠、丝杠锁紧螺母、限位卡套、支撑轴承、轴承安装座、轴承内锁紧螺母和轴承外锁紧螺母；滚珠丝杠安装于中心主轴的内腔，丝杠锁紧螺母通过螺纹连接将滚珠丝杠螺母压紧；滚珠丝杠轴端与两个支撑轴承通过圆柱段配合，支撑轴承安装于轴承安装座的内腔内，支撑轴承的内圈与外圈通过轴承内锁紧母和轴承外锁紧母锁紧，支撑轴承预紧力通过支撑轴承的内外圈的轴向长度尺寸配合实现；轴承安装座与中心主轴直径大的一端的外侧之间安装限位卡套，限位卡套通过过盈配合固定安装于轴承安装座上；中心主轴直径小的一端内腔内安装柱塞，柱塞通过圆周均布的滚珠实现轴向限位，保证柱塞的配合球面与中心主轴内腔内锥面贴合，滚珠沿柱塞限位卡圈内的锥面轴向移动实现了柱塞的轴向限位，柱塞压缩弹簧的一个端面与柱塞限位卡圈的内腔端面配合，另一端面与柱塞限位挡圈配合，实现柱塞限位卡圈通过柱塞压缩弹簧压紧在滚珠上，柱塞限位挡圈安装于中心主轴周向外侧的配合安装槽内；
所述恒温壳体包括滑动轴承防尘圈、前限位螺钉、滑动轴承、壳体铜套、后限位螺钉和壳体；壳体铜套安装于壳体上方的配合槽内，滑动轴承通过外圆柱面与壳体内孔过盈配合，安装于壳体内腔内，滑动轴承一端端面与壳体内腔端面贴合；前限位螺钉和后限位螺钉分别安装于壳体上表面对应的配合螺纹孔内，前限位螺钉还与滑动轴承通过孔轴配合安装，配合壳体内腔端面，从而限制壳体铜套的轴向运动；滑动轴承防尘圈安装于滑动轴承内腔配合槽内，用于防止外部多余物进入滑动轴承内部；
传动轴系通过滑动轴承的内腔与中心主轴外径配合安装于恒温壳体内腔内，轴承安装座与壳体螺纹连接固定；
所述轴系缓冲组件安装在传动轴系的柱塞所在的一侧，实现传动轴系平稳运动；
所述防扭组件安装于中心主轴与滚珠丝杠对应的配合面内，起到中心主轴和防止滚珠丝杠螺母旋转的作用；
所述驱动部件通过滚珠丝杠连接，用于为滚珠丝杠提供动力。
进一步地，所述轴系缓冲组件安装在传动轴系的柱塞1所在的一侧；所述轴系缓冲组件包括缓冲弹簧限位挡圈、缓冲弹簧前挡圈、缓冲弹簧和缓冲弹簧后挡圈；缓冲弹簧限位挡圈安装于壳体内腔配合安装槽内，缓冲弹簧前挡圈直径大的一个端面与缓冲弹簧限位挡圈内侧端面贴合；缓冲弹簧安装于缓冲弹簧前挡圈和缓冲弹簧后挡圈之间，一端与缓冲弹簧挡圈平面贴合，另一端与缓冲弹簧后挡圈平面贴合，缓冲弹簧后挡圈的内腔与中心主轴配合面配合，且其直径大的一个端面与中心主轴配合端面贴合。
进一步地，所述防扭组件包括防扭轴和防扭轴承，防扭轴承内圈与防扭轴配合面配合安装，防扭轴承外圈与壳体铜套的内槽配合。
进一步地，所述驱动部件包括防尘盖、电机、驱动连接架和联轴器组成，联轴器连接滚珠丝杠的传动轴与电机的传动轴，驱动连接架一端通过螺钉与电机连接，另一端通过螺钉与壳体连接。
进一步地，还包括隔热垫，所述隔热垫位于壳体与驱动连接架之间。
进一步地，所述滑动轴承设置三道存脂槽，用于存放润滑脂，同时用于容尘。
进一步地，所述滚珠设有三个。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)机构简化
在驱动方式方面，摒弃了传统HPLC泵的单驱控制的设计方法，采用了双缸双驱动的设计方式，双缸协同控制完成流动介质的输送，实现了主缸与副缸柱塞的精确定位。在传动机构设计方面，采用电机直接驱动高精度丝杠的方式，减少传动链复杂造成的精度损失。在传动精度保证方面，针对主要误差影响因素是丝杠螺距累积误差，通过利用反向间隙补偿技术误实现了传动轴系的高精度输出。
(2)轴向消隙与缓冲
为了保证高精度的要求，传动轴系设计过程中采用了高精度的消隙滚珠丝杠，合理设计高精度轴承的内外圈尺寸进行预紧消隙。传动轴系与柱塞均采用弹簧消隙的方式进行轴向间隙的消除。同时，针对驱动载荷换向、变化范围大、精度极高的特点，设计了缓冲驱动部件对传动轴系进行缓冲处理，以减少轴系的脉动率。
(3)多途径热管理
由于高精度输送装置极高精度的要求，每升高5℃，精度误差就会升高0.01％(RSD)，因此需进行多途径热管理，通过对壳体与滑动轴承进行构型设计从而增大散热面积，对驱动部件进行隔热设计，从而实现了传动轴系温度变化在可控范围，降低温度变化对轴系输出精度的影响。
(4)轴系刚度与精度匹配
为了避免长距离小间隙滑动副与双角接触球轴承出现过定位的风险，角接触球轴承设计时将力作用点汇于一点，实现一点刚度支撑和长距离小间隙滑动副支撑，保证轴系刚度的同时，也满足了轴系精度的要求。
在柱塞接口设计中，与传统平面接触方式不同，采用了锥面接触的方式，通过配磨确保柱塞与锥面配合面贴合，该构型大大降低了柱塞的轴向变形，由此减少了柱塞变形造成流量输出的精度损失。
附图说明
附图1是传动轴系剖视图。
附图2是恒温壳体剖视图。
附图3是一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置剖视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，
一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，详述如下：
(1)一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置用于实现柱塞杆的往复运动，采用驱动部件配合高精度滚珠丝杠的方式实现，滚珠丝杠副采用丝杠旋转，螺母往复运动的方式，通过螺母往复运动带动柱塞杆往复运动。主要包括：驱动部件、传动轴系、恒温壳体和缓冲部件等组成。驱动部件包括电机和编码器，用于提供柱塞运动的动力和实现位置的准确控制；传动部件是将电机的传转运动转化为柱塞的往复运动；恒温壳体实现对装置温度的控制，从而减少热量对精度带来的影响；缓冲组件用于缓解传动部件在往复过程中加速度频繁交变引入的冲击问题。
(2)如附图1所示，传动轴系由柱塞1、柱塞限位卡圈2、滚珠3、柱塞压缩弹簧4、柱塞限位挡圈5、中心主轴6、滚珠丝杠7、丝杠锁紧螺母8、限位卡套9、支撑轴承10、轴承安装座11、轴承外锁紧螺母12和轴承内锁紧螺母13组成。滚珠丝杠7安装于中心主轴6的内腔，丝杠锁紧螺母8通过螺纹连接将滚珠丝杠7螺母压紧。滚珠丝杠7轴端与两个支撑轴承10通过圆柱段配合，支撑轴承10安装于轴承安装座11的内腔内，支撑轴承10的内圈与外圈通过轴承外锁紧母12和轴承内锁紧母13锁紧，支撑轴承预紧力通过配膜轴支撑轴承10的内外圈实现。轴承安装座11与中心主轴6直径大的一侧端面之间安装限位卡套9.，限位卡套通过过盈配合固定安装于轴承安装座11上。中心主轴6直径小的一侧内腔内安装柱塞1、柱塞通过圆周均布的3个滚珠3实现轴向限位，保证柱塞1的配合球面与中心主轴6内腔内锥面贴合，滚珠3沿柱塞限位卡圈2内的锥面轴向移动实现了柱塞的轴向限位，柱塞限位卡圈2的轴向系统通过柱塞压缩弹簧4实现，柱塞压缩弹簧丝的一个端面与柱塞限位卡圈2的内腔端面配合，另一端面与柱塞限位挡圈2配合，柱塞限位挡圈6安装于中心主轴6配合安装槽内。
(2)如附图2所示，恒温壳体由滑动轴承防尘圈14、前限位螺钉15、滑动轴承16、壳体铜套17、后限位螺钉18和壳体19组成。壳体铜套17安装与壳体19上方的配合槽内，滑动轴承16通过外圆柱面与壳体19内孔过盈配合，安装于壳体19内腔内，滑动轴承16一端端面与壳体19内腔端面贴合。前限位螺钉15和后限位螺钉18分别安装于壳体19上表面对应的配合螺纹孔内，前限位螺钉15还有滑动轴承16通过孔轴配合安装，配合壳体19内腔端面，从而限制铜套的轴向运动。防尘圈14安装于滑动轴承16内腔配合槽内，用于防止外部多余物进入滑动轴承内部。滑动轴承16设置3道存脂槽，用于存放润滑脂，同时具有一定的容尘作用。
(3)如附图3所示，传动轴系通过滑动轴承16的内腔与中心主轴6外径配合安装于恒温壳体内腔内，轴承安装座11与壳体19螺纹连接固定。
传动轴系柱塞配合侧安装轴系缓冲组件，包括缓冲弹簧限位挡圈20、缓冲弹簧前挡圈21、缓冲弹簧22和缓冲弹簧后挡圈23组成。缓冲弹簧限位挡圈20安装与壳体19内腔配合安装槽内，缓冲弹簧前挡圈21大端面与缓冲弹簧限位挡圈20内侧端面贴合、缓冲弹簧22安装与缓冲弹簧前挡圈21和缓冲弹簧后挡圈23之间，一端与缓冲弹簧挡圈21平面贴合，另一端与缓冲弹簧后挡圈23平面贴合，缓冲弹簧后挡圈23的内腔与中心主轴6配合面配合，且其大端面与中心主轴配合端面配合。
防扭组件包括防扭轴26和防扭轴承27，其作用是限制中心主轴6沿轴向旋转，防扭轴承27内径与防扭轴轴承配合面配合安装后，防扭组件外圈与壳体铜套17的内槽配合，防扭轴组件安装于中心主轴6与滚珠丝杠7对应的配合面内，起到中心主轴和防止滚珠丝杠7螺母旋转的作用。
驱动部件包括隔热垫28、防尘盖29、电机30、驱动连接架31和联轴器32组成，联轴器32连接滚珠丝杠7的传动轴与电机30的传动轴，驱动连接架31一端通过螺钉与电机30连接，另一端通过螺钉与壳体19连接，在壳体19与驱动连接架31之间增加隔热垫28。
(4)如附图3所示，出于保护柱塞的安全性考虑，传动轴系设置了机械前零点和机械后零点，机械前零点通过防撞螺钉25实现，防撞螺钉25安装于中心主轴6配合的螺纹孔内，当运动前零点控制失效时，防撞螺钉25会与滑动轴承16相撞而停机。机械后零件通过限位卡套9实现，当运动后零点控制失效时，中心主轴6会与限位卡套9相撞而停机，通过合理的尺寸链设计可以保证柱塞1在运动过程中既不会与柱塞配合零件的端面相撞，也可保证柱塞1不从柱塞配合零件的配合孔内脱出。
(5)如附图3所示，为了防止多余物进入传动轴系内部，在壳体9上面安装壳体防尘网24，防尘网需具备一定透气率，既能满足装置透气需求，也能满足防尘需求。在驱动连接架31四侧安装连接架防尘网29，保证美观和隔离多余物的同时，也方便后期维修。
(6)为实现高精度的传动，设计中需考虑装置温度变化，主要是考虑控制传动轴系的温度变化，设置隔热垫28的作用是确保驱动部件产生的热量不能全部传递给恒温壳体。同时壳体9需采用热导率较高的材料，并增大壳体9的散热面积和质量，滑动轴承16采用具有自润滑和高导热率的材料，保证轴系润滑系数低的情况下还具备高导热的功能。
(7)如附图3所示，缓冲部件位于液体与机械传动部件的分界容器内，为保证装置长寿命工作，需采用耐腐蚀性的材料，且在该容腔内壳体9上设置倒流槽，确保多余液体沿倒流槽流出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：包括传动轴系、恒温壳体、轴系缓冲组件、防扭组件、驱动部件；
所述传动轴系包括柱塞(1)、柱塞限位卡圈(2)、滚珠(3)、柱塞压缩弹簧(4)、柱塞限位挡圈(5)、中心主轴(6)、滚珠丝杠(7)、丝杠锁紧螺母(8)、限位卡套(9)、支撑轴承(10)、轴承安装座(11)、轴承外锁紧螺母(12)和轴承内锁紧螺母(13)；滚珠丝杠(7)安装于中心主轴(6)的内腔，丝杠锁紧螺母(8)通过螺纹连接将滚珠丝杠(7)螺母压紧；滚珠丝杠(7)轴端与两个支撑轴承(10)通过圆柱段配合，支撑轴承(10)安装于轴承安装座(11)的内腔内，支撑轴承(10)的内圈与外圈通过轴承外锁紧母(12)和轴承内锁紧母(13)锁紧，支撑轴承预紧力通过支撑轴承(10)的内外圈的轴向长度尺寸配合实现；轴承安装座(11)与中心主轴(6)直径大的一端的外侧之间安装限位卡套(9)，限位卡套(9)通过过盈配合固定安装于轴承安装座(11)上；中心主轴(6)直径小的一端内腔内安装柱塞(1)，柱塞(1)通过圆周均布的滚珠(3)实现轴向限位，保证柱塞(1)的配合球面与中心主轴(6)内腔内锥面贴合，滚珠(3)沿柱塞限位卡圈(2)内的锥面轴向移动实现了柱塞的轴向限位，柱塞压缩弹簧(4)的一个端面与柱塞限位卡圈(2)的内腔端面配合，另一端面与柱塞限位挡圈(2)配合，实现柱塞限位卡圈(2)通过柱塞压缩弹簧(4)压紧在滚珠(3)上，柱塞限位挡圈(5)安装于中心主轴(6)周向外侧的配合安装槽内；
所述恒温壳体包括滑动轴承防尘圈(14)、前限位螺钉(15)、滑动轴承(16)、壳体铜套(17)、后限位螺钉(18)和壳体(19)；壳体铜套(17)安装于壳体(19)上方的配合槽内，滑动轴承(16)通过外圆柱面与壳体(19)内孔过盈配合，安装于壳体(19)内腔内，滑动轴承(16)一端端面与壳体(16)内腔端面贴合；前限位螺钉(15)和后限位螺钉(18)分别安装于壳体(19)上表面对应的配合螺纹孔内，前限位螺钉(15)还与滑动轴承16通过孔轴配合安装，配合壳体19)内腔端面，从而限制壳体铜套(17)的轴向运动；滑动轴承防尘圈(14)安装于滑动轴承(16)内腔配合槽内，用于防止外部多余物进入滑动轴承(16)内部；
传动轴系通过滑动轴承(16)的内腔与中心主轴(6)外径配合安装于恒温壳体内腔内，轴承安装座(11)与壳体(19)螺纹连接固定；
所述轴系缓冲组件安装在传动轴系的柱塞(1)所在的一侧，实现传动轴系平稳运动；
所述防扭组件安装于中心主轴(6)与滚珠丝杠(7)对应的配合面内，起到中心主轴和防止滚珠丝杠(7)螺母旋转的作用；
所述驱动部件通过滚珠丝杠(7)连接，用于为滚珠丝杠(7)提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：所述轴系缓冲组件安装在传动轴系的柱塞1所在的一侧；所述轴系缓冲组件包括缓冲弹簧限位挡圈(20)、缓冲弹簧前挡圈(21)、缓冲弹簧(22)和缓冲弹簧后挡圈(23)；缓冲弹簧限位挡圈(20)安装于壳体(19)内腔配合安装槽内，缓冲弹簧前挡圈(21)直径大的一个端面与缓冲弹簧限位挡圈(20)内侧端面贴合；缓冲弹簧(22)安装于缓冲弹簧前挡圈(21)和缓冲弹簧后挡圈(23)之间，一端与缓冲弹簧挡圈(21)平面贴合，另一端与缓冲弹簧后挡圈(23)平面贴合，缓冲弹簧后挡圈(23)的内腔与中心主轴(6)配合面配合，且其直径大的一个端面与中心主轴(6)配合端面贴合。
3.根据权利要求1所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：所述防扭组件包括防扭轴(26)和防扭轴承(27)，防扭轴承(27)内圈与防扭轴(26)配合面配合安装，防扭轴承(27)外圈与壳体铜套(17)的内槽配合。
4.根据权利要求1所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：所述驱动部件包括防尘盖(29)、电机(30)、驱动连接架(31)和联轴器(32)组成，联轴器(32)连接滚珠丝杠(7)的传动轴与电机(30)的传动轴，驱动连接架(31)一端通过螺钉与电机(30)连接，另一端通过螺钉与壳体(19)连接。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：还包括隔热垫(28)，所述隔热垫(28)位于壳体(19)与驱动连接架(31)之间。
6.根据权利要求1～4任一项所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：所述滑动轴承(16)设置三道存脂槽，用于存放润滑脂，同时用于容尘。
7.根据权利要求1～4任一项所述的一种适用于超高压双自由度串联协同的高精度输送装置，其特征在于：所述滚珠(3)设有三个。
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