静电纺丝的微流注射泵系统的制作方法

本实用新型涉及一种用于静电纺丝的微流注射泵系统的设计，涉及纳米材料制备及医疗器件制造技术领域。

背景技术：

近些年，纳米材料在社会生产生活中得到了广泛应用。静电纺丝技术，是目前材料领域最为常见的一种制备聚合物纳米纤维的方法，将聚合物溶液以一定的速度从带有毛细管的微流泵中推出，将毛细管部分置于强电场中，聚合物溶液会在强电场的作用下，会在毛细管顶端形成泰勒锥；逐渐增大电场强度，至聚合物溶液克服表面张力形成喷射细流；喷射细流在强电场中做不规则运动并分裂成多股细丝纤维，最终在电场的负极形成无纺布形式的纳米纤维。微流注射泵作为静电纺丝过程中重要的给料设备，其运行的精度和稳定性直接影响着产出纳米纤维的品质。目前现有市场的多数的微流泵系统结构复杂、管理控制方式较为单一，不能做到自动实时而准确的反应微流注射泵运行状态。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是为了解决静电纺丝领域中无法自动低速精确给料问题，设计了一种用于静电纺丝的微流注射泵系统，结构简单，在保证运行精度的条件下，还能实时精确的反应系统的运行状态。

一种用于静电纺丝的微流注射泵系统，注射泵系统包括注射泵、驱动板、控制板和上位机，上位机与控制板互联通讯，控制板通过多个驱动板分别连接多个微流注射泵，

所述微流注射泵包括丝杆、步进电机、导轨、滑台、注射泵本体，丝杆、步进电机、导轨均设置在注射泵本体的内部，其中：导轨设置在底部，步进电机设置在导轨的一端，丝杆固定于步进电机并随步进电机的工作转动；注射器通过支架固定在注射泵本体上；滑台上部与注射器的活动塞尾部相固定连接，滑台的下部具有螺纹孔匹配套在丝杆上，滑台的底部设置在导轨上；

步进电机工作带动丝杆转动，丝杆基于滑台的螺纹孔使滑台在导轨上推进或拉回，滑台的推进拉回过程中为注射器的活动塞提供动力实现注射或取液。

步进电机选用两相混合式丝杆步进电机，满足低步距角、转矩大且精度高的要求。

优选的，注射泵本体的内部在丝杆的两端分别设置左限位光耦和右限位光耦，当滑台行进到光耦处立即停止。

优选的，注射泵本体的外部设置前进按钮和后退按钮，分别用于控制步进电机的正反转，便于手动控制。

具体的，所述驱动板为三洋半导体公司的lv8729电机驱动芯片，lv8729芯片的md1-md3引脚都拉为高电平实现128细分驱动模式。

优选的，lv8729芯片支持自动半流锁定，其osc2引脚通过电容c5接地，c5的容值决定进入半流状态的时间间隔；lv8729芯片的vref引脚一方面接电阻r10，另一方面通过电阻r11连接在down引脚，r10＝r11。

优选的，lv8729芯片的osc1引脚通过电容c4接地，c5用于设置电流斩波频率。

具体的，所述控制板为意法半导体公司的stm32f407，基于stm32的定时器功能输出固定频率的脉冲信号控制步进电机，以控制注射器的取液或注射速度。

从stm32定时器引脚输出的脉冲控制信号，经过隔离放大，加在lv8729的stp端，驱动电流分别通入步进电机两相绕组上，从而完成电机驱动，实现注射器的取液或注射速度控制。

优选的，取液或注射速度vs与定时器重装载值arr的关系式为：

式中，a为电机丝杆的螺距；r为注射器内壁半径；m为步进电机驱动设置的细分值；psc为定时器的分频系数；

通过控制arr值来控制微流注射泵系统的取液或注射速度vs。

更优的，取液或注射速度vs的控制过程还包括校准环节，所述校准环节为每次系统运行之前，先试注射vx毫升的蒸馏水，用精密天平称取蒸馏水质量为mx克；加入校准环节后，取液或注射速度vs与定时器重装载值arr的关系式为：

式中，δ＝vx/mx。

优选的，选用mcgs触摸屏作为系统的上位机，运算并发送用户控制指令，并实时监控注射泵系统的运行状况，上位机对应一或多个注射泵，上位机通过485总线向控制板发送控制指令，定义modbus通讯协议，数据传输按照“地址码+功能码+数据长度+2字节数据位+crc16校验位”的格式，一次通讯传输7个字节，其中地址码分别对应同的主控芯片地址，功能码则对应电机包括正、反转、停止及复位的不同状态，数据长度2字节，数据位为控制电机运行参数高、低字节；crc16校验确保数据传输准确。

本实用新型的有益效果

本微流注射泵主体使用精密、低步距角步进电机，各机械部件精密贴合，用高精度步进电机驱动芯片lv8729对电机实现高细分驱动。提高了微流注射注射泵的精度，且在保证运行精度的条件下，可选的注射速度范围宽，完全满足静电纺丝的要求；同时使用高清触摸屏作为系统上位机，操作方便，同时能实时反馈系统的运行状况及注射执行进度，更加直观的反应给料状况，实现自动化，提高工作效率。又支持一台上位机控制多台微流泵系统，分别支持手动与自动两种运行模式，可控性强，且成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构示意图

图2为本实用新型微流注射泵的主体结构示意图

图3为本实用新型在静电纺丝领域的应用原理图

图4为本实用新型微流泵电机驱动板电路示意图

图5为本实用新型微流泵系统控制板控制电路示意图

图6为本实用新型微流泵系统运行流程图

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

如图1所示：所述的微流注射泵系统设计主要结构包括微流注射泵、步进电机驱动(lv8729驱动板，三洋半导体公司的lv8729电机驱动芯片)、下位机主控模块(stm32控制板，意法半导体公司的stm32f407)及上位机(mcgs触摸屏)。所述的微流注射泵主体设计如下：

如图2所示：所述的微流泵系统选用两相混合式丝杆步进电机2作为系统主体核心，电机2必须满足低步距角、转矩大且精度高；作为一种较好的实施例，选用一款惠斯通的42步进电机作为注射泵系统的电机2，该型步进电机2的固定步距角为1.8°，电机在不加细分驱动的情况下，当通电状态改变一次，转子转动1.8°。转子转动一周需要200个步进脉冲信号。由于控制的电机速度较低，要对电机进行细分驱动，在加入细分驱动技术后，电机的步距角会相应减小，在m细分驱动下，电机的步距角θ为1.8°/m，转子转动一周需要200m个步进脉冲信号。该型电机有定位精度高，转动惯量低等优点。为进一步提高注射泵的精度，与步进电机一体的丝杆1选用滚珠丝杆，作为一种较好的实施例，选择导程2mm的滚珠丝杆。

所述的电机丝杆1连接注射泵本体5外部的滑台4，滑台4下方有起支撑作用的直线导轨3，丝杆1转动带动滑台4前、后移动，滑台4上方安装有夹持装置，用来固定注射器6的活动塞6-1；将注射器6空筒固定在微流泵顶端，注射器6的活动塞6-1卡入滑台4的夹持装置，滑台4移动进而推、拉注射器活动塞6-1，完成注射器6取液及注射；

所述的滑台4的行程两端各放置一个限位开关(7-1；7-2)，当滑台4行进到光耦处立即停止，保护注射器6与滑台4。作为一种较好的实施例，本实用新型的微流泵系统采用itr9606槽型对射光电传感器作为限位开关，在滑台4上与光电开关u型槽的对应位置安装一个金属挡板。当金属挡板未到达限位处，限位开关信号输出为低电平；当金属挡板到达限位处，接收端无法接收到光信号，限位开关信号输出为高电平。所有限位开关的信号输出c端均连接到stm32的普通io引脚。

所述的微流泵本体顶端有前进按钮8-1、后退按钮8-2，用于手动控制；按钮一端接地，一端连接到stm32的普通io引脚。

如图3所示：本实用新型主要用于制备纳米纤维的静电纺丝领域。接受装置10和注射器6之间形成强电场；微流注射泵9作用于注射器6，将注射器6中存储的聚合物溶液11以静电纺丝的工艺要求流速(0.1ml/h～50/h)射出，故注射泵系统技术核心就是要对电机实现精确控制以达到对流体流速的高精度控制。

由于对注射的速度与精度要求非常高，故需要对步进电机进行细分驱动。作为一种较好的实施例，如图4所示，选用三洋半导体公司的lv8729电机驱动芯片，lv8729是一款高精度双极性电流型步进电机控制芯片。可以输出最高达1.8a的驱动电流，支持1、2、4、8、16、32、64和128这八种细分驱动模式；同时该芯片还具有过流、过热自动关断电流输出并发出警报的功能；内部功率电路与逻辑电路共用一个24v供电电源，这使得外部电路设计更加简洁。

lv8729的md1～md3这三个引脚用于设置驱动的细分模式，考虑到本系统的注射速度宜控制在0.1ml/h～50ml/h，所以采用128细分驱动模式，将md1～md3都上拉为高电平，在128细分驱动模式下，电机的步距角约等于0.014°。

lv8729的驱动电流大小由vref引脚的电位值和rf1、rf2引脚上的采样电阻共同决定。输出电流io为：io＝vref/(5rf)，作为一种较好的实施例，本系统采用的42步进电机额定驱动电流为1.2a，使用2w阻值为0.2欧的采样电阻，计算可得，vref＝1.2v,由5v通过电阻r6、r7、r8分压获得。作为一种较好的实施例，r6取2.2k，r7、r8取1k。

此外，所述的驱动芯片还支持自动半流锁定，进入半流状态的时间间隔由osc2上外接的电容c5容值决定，取c5＝1500pf，则转入半流的时间间隔为0.6s。r10与r11阻值相同，构成了分压电路，当驱动芯片每隔0.6s检测不到步进脉冲信号，vref将为0.6v，驱动电流自然也将为0.6a，这样有利于减少步进电机和驱动系统的发热量，提高系统稳定性。

所述的驱动芯片osc1脚外接电容c4用于设置电流斩波频率，通常设置在40khz～125khz的范围内，开关频率越高，热损耗越严重；开关频率越低，输出驱动电流波动越大。要尽可能减小驱动芯片的发热量，作为一种较好的实施例，将斩波频率设置在50khz，则c4的容值为：

c4＝10×10^-6/fcp＝200pf。emo引脚上的发光二极管d1用作驱动系统的报警指示灯，当驱动芯片正常工作时，emo脚上拉为高电平，当芯片出现过流、过热等情况时，d1亮起报警。

所述的驱动芯片的st脚用于控制步进电机启停，f/r脚控制电机正反转，stp脚接收控制控制电机转速的脉冲信号。其控制信号分别来源于下位机主控模块的clk、dir与en引脚。由于主控模块的供电电源为3.3v，而本驱动芯片逻辑电路电压为5v。所以主控模块与驱动模块之间必须隔离以消除控制电路与驱动电路之间的串扰，作为一种较好的实施例，选用东芝公司的p521型光耦用作信号隔离，其中clk必须接主控芯片定时器引脚，而dir与en连接普通gpio口即可。

本实用新型的下位机主控模块选用意法半导体公司的stm32f407作为主控芯片，如图5所示的，在本实施例中，一个下位机主控模块控制两台微流注射泵。其中手动操作按钮与限位开关，全部作为中断事件触发。连接按钮的gpio管脚，配置为上拉高电平，下降沿触发外部中断，执行手动前进与后退动作。连接限位开关的gpio管脚，配置为下拉低电平，上升沿触发外部中断，控制电机停止。

本实用新型利用stm32的定时器功能输出固定频率的脉冲信号控制步进电机。而脉冲频率与定时器的重装载值arr和分频系数psc这两个系数有关。配置的定时器时钟频率为f，则输出的脉冲频率f1为：f1＝f/(arr+1)(psc+1)；推导出该系统的溶液注射速度vs与定时器重装载值arr的关系式为：

其中a为电机丝杆的螺距；r为注射器内壁半径；m为步进电机驱动设置的细分值。

作为一种较好的实施例，本实用新型选取丝杆螺距2mm，电机驱动器细分128，定时器分频系数psc为1499；定时器时钟频率84mhz。

控制arr值即可控制微流泵的注射速度，但由于微流泵系统在运行中可能会存在误差，所以系统必须加入校准环节，在每次系统运行之前，先试注射vx毫升的蒸馏水，用0.0001g的精密天平称取蒸馏水质量为mx克。取系统校准系数为δ，则令：δ＝vx/mx，当系统零误差状态下，δ＝1。实验中，取定时器的分频系数psc为固定值，当δ越大，电机转速越慢，所以校准提高电机转速。当δ越小，电机转速越快，所以校准降低电机转速。考虑到arr值与校准系数δ近似成线性关系。在加入了校准系数后，

所述的微流泵系统使用mcgs触摸屏作为上位机，运算并发送用户控制指令，并实时监控注射泵系统的运行状况；上位机与下位机的stm32通过485串口发送控制指令，且支持一对多的控制模式，即一台上位机同时控制多台微流泵。本实施例为一拖二的微流泵系统，定义modbus通讯协议，数据传输按照“地址码+功能码+数据长度+2字节数据位+crc16校验位”的格式，一次通讯传输7个字节，其中地址码分别对应同的主控芯片地址，功能码则对应电机正、反转、停止及复位等不同状态，数据长度2字节，数据位为控制电机运行参数高、低字节。最后对所数据进行crc16校验，确保数据传输准确。下位机接收到“010102arrharrlcrchcrcl”指令，泵1开始注射溶液；接收到“010202arrharrlcrchcrcl”指令，泵1开始吸取溶液；接收到“010302arrharrlcrchcrcl”指令，泵2开始注射溶液；接收到“010402arrharrlcrchcrcl”指令，泵2开始吸取溶液；接收到“0105020000crchcrcl”指令，泵1停止运行；接收到“0106020000crchcrcl”指令，泵2停止运行；其中当系统工作在自动运行模式中，不得通过手动按键调节。

如图6所示，所述的微流泵系统的控制流程有以下几个步骤：

步骤一：在每次系统正式投入运行之前，先试注射vx毫升的蒸馏水，用0.0001g的精密天平称取蒸馏水质量为mx克，得到系统校准系数为δ＝vx/mx。

步骤二：用户通过上位机选择注射泵的推、拉动作，并设定好注射容量，溶液注射速度，以及所用注射器型号。将下位机stm32脉冲输出引脚定时器的时钟频率f和分频系数psc设为固定值，由上位机计算出单次电机控制所需参数arr及定时时间t。

步骤三：判定上位机求取的arr值是否超出限位。由于系统的其他参数均为固定值，arr与注射速度vs近似成反比。而根据所定义的modbus通讯协议，单次传输的数据位不得超过16位，所以arr的取值范围为：0～65535，为便于生成脉冲波形，左右各留有余量，规定arr的下限值取为10，上限值取为65530。当计算出的arr值超限，系统报警提示并无法继续运行；arr值落在限位区间以内则可执行以下步骤。

步骤四：开始运行后，上位机将步骤三中计算所得的定时器重装载值arr，电机正、反转状态通过485串口，发送至下位机，将stm32对应定时器的参数重新赋值，生成所需的步进电机驱动信号，电机开始运行同时上位机开始执行对应的循环策略：循环策略执行间隔为1秒，注射剩余时间递减1。当注射时间清零，上位机发送电机停止命令，单次注射完成。

步骤五：如步骤四所述，微流泵正常运行中，用户暂停注射泵，上位机发送电机停止命令，同时跳出循环策略，等待注射泵重新启动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神做举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。