Ακριβής περισταλτική αντλία: 13 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Είμαστε μια φοιτητική ομάδα από διαφορετικούς κλάδους του Πανεπιστημίου RWTH Aachen και δημιουργήσαμε αυτό το έργο στο πλαίσιο του διαγωνισμού iGEM 2017.

Μετά από όλη τη δουλειά που έγινε στην αντλία μας, θα θέλαμε να μοιραστούμε τα αποτελέσματά μας μαζί σας!

Κατασκευάσαμε αυτήν την περισταλτική αντλία ως γενικά εφαρμόσιμη λύση υγρού χειρισμού για κάθε έργο που απαιτεί μεταφορά υγρών. Η αντλία μας είναι ικανή για ακριβή δοσολογία και άντληση, παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα όγκων δοσολογίας και ρυθμών ροής για μεγιστοποίηση πιθανών εφαρμογών. Μέσα από 125 πειράματα δοσολογίας μπορέσαμε να αποδείξουμε και να ποσοτικοποιήσουμε την ακρίβεια της αντλίας μας. Για σωλήνες με εσωτερική διάμετρο 0, 8 mm και όγκο ροής ή δοσολογίας εντός των προδιαγραφών θα μπορούσαμε να δείξουμε ακρίβεια μεγαλύτερη από 2% από την καθορισμένη τιμή. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα των μετρήσεων, η ακρίβεια μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο εάν η ταχύτητα της βαθμονόμησης προσαρμοστεί στην απαιτούμενη παροχή.

Η αντλία μπορεί να ελεγχθεί χωρίς γνώση προγραμματισμού μέσω της ενσωματωμένης οθόνης LCD και περιστροφικού κουμπιού. Επιπλέον, η αντλία μπορεί να ελεγχθεί εξ αποστάσεως μέσω USB με σειριακές εντολές. Αυτός ο απλός τρόπος επικοινωνίας είναι συμβατός με κοινό λογισμικό και γλώσσες προγραμματισμού (MATLAB, LabVIEW, Java, Python, C#, κ.λπ.).

Η αντλία είναι απλή και φθηνή στην κατασκευή, με όλα τα ανταλλακτικά συνολικά κάτω από $ 100 σε σύγκριση με $ 1300 για τη φθηνότερη συγκρίσιμη εμπορική λύση που θα μπορούσαμε να βρούμε. Εκτός από έναν 3D εκτυπωτή, χρειάζονται μόνο κοινά εργαλεία. Το έργο μας είναι ανοιχτού κώδικα από άποψη υλικού και λογισμικού. Παρέχουμε τα αρχεία CAD για τα τρισδιάστατα τυπωμένα μέρη, μια πλήρη λίστα με όλα τα απαιτούμενα εμπορικά εξαρτήματα και τις πηγές τους, καθώς και τον πηγαίο κώδικα που χρησιμοποιείται στην αντλία μας.

Βήμα 1: Ελέγξτε τις προδιαγραφές

Ελέγξτε τις προδιαγραφές και τη συζήτηση για την ακρίβεια που επισυνάπτεται παρακάτω.

Η αντλία πληροί τις απαιτήσεις σας;

Βήμα 2: Συγκέντρωση εξαρτημάτων

1x Arduino Uno R3/ συμβατή πλακέτα 1x Βηματικό μοτέρ (ΠxΥxΒ): 42x42x41 mm, Άξονας (ØxL): 5x22 mm1x Τροφοδοσία 12 V/ 3 A, υποδοχή: 5.5/ 2.1 mm mm3x Ρουλεμάν βελόνας HK 0408 (IØ x OØ x L) 4 mm x 8 mm x 8mm 1x κωδικοποιητής 5 V, 0,01 A, 20 θέσεις διακόπτη, 360 ° 1x σωλήνες αντλίας, πάχος τοιχώματος 1,6 mm, 0,2m4x αυτοκόλλητο πόδι (L x Π x Υ) 12,6 x 12,6 x 5,7 mm3x Ευθεία ακίδα (Ø x L) 4 mm x 14 mm 1x Κουμπί ελέγχου (Ø x H) 16,8 mm x 14,5 mm

Καλωδίωση: 1x PCB (Π x Π) 80 mm x 52 mm, Απόσταση επαφών 2,54 mm (CS) 2x Λωρίδα καρφιτσών, ευθεία, CS 2,54, ονομαστικό ρεύμα 3A, 36 ακίδες 1x Λωρίδα υποδοχής, ευθεία, CS 2,54, ονομαστική καμπύλη 3A, 40 ακίδες 1x Καλώδια, διαφορετικά χρώματα (π.χ. Ø 2,5 mm, διατομή 0, 5 mm²) Θερμοσυρρίκνωση (κατάλληλο για καλώδια, π.χ. Ø 3 mm)

Βίδες: 4x M3, L = 25 mm (μήκος χωρίς κεφαλή), ISO 4762 (εξάγωνη κεφαλή) 7x M3, L = 16 mm, ISO 4762 (εξάγωνη κεφαλή) 16x M3, L = 8 mm, ISO 4762 (εξάγωνη κεφαλή) 4x Μικρή βίδα (για LCD, Ø 2-2,5mm, L = 3-6 mm) 1x M3, L = 10mm βίδα λαβής, DIN 9161x M3, παξιμάδι, ISO 4032

Τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη: (Thingiverse) 1x Case_main2 x Case_side (δεν απαιτείται 3D εκτύπωση => φρεζάρισμα/κοπή/πριόνισμα) 1x Pump_case_bottom1x Pump_case_top_120 ° 1x Bearing_mount_bottom1x Bearing_mount_top

Βήμα 3: Δημοσίευση επεξεργασίας τρισδιάστατων εκτυπώσεων

Τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη πρέπει να καθαριστούν μετά την εκτύπωση για να αφαιρεθούν τυχόν υπολείμματα από τη διαδικασία εκτύπωσης. Τα εργαλεία που προτείνουμε για μεταεπεξεργασία είναι ένα μικρό αρχείο και ένας κόφτης νημάτων για νήματα Μ3. Μετά τη διαδικασία εκτύπωσης, οι περισσότερες από τις οπές πρέπει να διευρυνθούν χρησιμοποιώντας κατάλληλο τρυπάνι. Για τις οπές που περιέχουν βίδες Μ3, πρέπει να κοπεί ένα σπείρωμα με τον προαναφερθέντα κόφτη νήματος.

Βήμα 4: Καλώδια και καλωδίωση

Ο πυρήνας του κυκλώματος αποτελείται από το Arduino και μια σανίδα. Στον πίνακα είναι το πρόγραμμα οδήγησης βηματικού κινητήρα, το τρίμερ για την οθόνη LCD, ο πυκνωτής 47μF και συνδέσεις για την τροφοδοσία των διαφόρων εξαρτημάτων. Για να απενεργοποιήσετε το Arduino μέσω του διακόπτη τροφοδοσίας, η παροχή ρεύματος του Arduino διακόπηκε και οδηγήθηκε στο Perfboard. Για το σκοπό αυτό, η δίοδος που βρίσκεται στο Arduino ακριβώς πίσω από το βύσμα τροφοδοσίας ήταν χωρίς συγκόλληση και μεταφέρθηκε στον πίνακα.

Βήμα 5: Ρυθμίσεις υλικού

Υπάρχουν τρεις ρυθμίσεις που πρέπει να γίνουν απευθείας στο κύκλωμα.

Πρώτα πρέπει να οριστεί το τρέχον όριο για τον οδηγό βηματικού κινητήρα, προσαρμόζοντας τη μικρή βίδα στο A4988. Για παράδειγμα, εάν η τάση V_ref μεταξύ βίδας και GND στην κατάσταση ενεργοποίησης είναι 1V, το τρέχον όριο είναι διπλάσιο της τιμής: I_max = 2A (αυτή είναι η τιμή που χρησιμοποιήσαμε). Όσο υψηλότερο είναι το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροπή του κινητήρα, επιτρέποντας υψηλότερες ταχύτητες και ρυθμούς ροής. Ωστόσο, αυξάνεται επίσης η κατανάλωση ενέργειας και η ανάπτυξη θερμότητας.

Επιπλέον, η λειτουργία του βηματικού κινητήρα μπορεί να ρυθμιστεί μέσω των τριών ακίδων που βρίσκονται στην επάνω αριστερή γωνία του οδηγού βηματικού κινητήρα (MS1, MS2, MS3). Όταν το MS2 είναι στα + 5V, όπως φαίνεται στο διάγραμμα καλωδίωσης, ο κινητήρας λειτουργεί σε τέταρτο βήμα, που χρησιμοποιήσαμε. Αυτό σημαίνει ότι ακριβώς ένα βήμα (1,8 °) εκτελείται για τέσσερις παλμούς που λαμβάνει ο οδηγός βηματικού κινητήρα στον πείρο ΒΗΜΑ.

Ως τελευταία τιμή που πρέπει να οριστεί, το τρίμερ στον πίνακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση της αντίθεσης της οθόνης LCD.

Βήμα 6: Δοκιμή κυκλώματος και εξαρτημάτων

Πριν από τη συναρμολόγηση συνιστάται η δοκιμή των εξαρτημάτων και του κυκλώματος σε μια σανίδα ψωμιού. Με αυτόν τον τρόπο, είναι ευκολότερο να βρείτε και να διορθώσετε πιθανά λάθη.

Μπορείτε ήδη να ανεβάσετε το λογισμικό μας στο Arduino, για να δοκιμάσετε όλες τις λειτουργίες εκ των προτέρων. Δημοσιεύσαμε τον πηγαίο κώδικα στο GitHub:

github.com/iGEM-Aachen/Open-Source-Peristaltic-Pump

Βήμα 7: Συναρμολόγηση

Το βίντεο δείχνει τη συναρμολόγηση των εξαρτημάτων στην προβλεπόμενη ακολουθία χωρίς καλωδίωση. Όλοι οι σύνδεσμοι πρέπει πρώτα να στερεωθούν στα εξαρτήματα. Η καλωδίωση γίνεται καλύτερα στο σημείο όπου έχουν τοποθετηθεί όλα τα εξαρτήματα, αλλά τα πλευρικά τοιχώματα δεν έχουν ακόμη στερεωθεί. Οι δυσπρόσιτες βίδες μπορούν εύκολα να φτάσουν με ένα εξάγωνο κλειδί.

1. Τοποθετήστε το διακόπτη τροφοδοσίας και τον κωδικοποιητή στην καθορισμένη οπή και στερεώστε τα στη θήκη. Συνδέστε το κουμπί ελέγχου στον κωδικοποιητή - προσέξτε - μόλις συνδέσετε το κουμπί, μπορεί να καταστρέψει τον κωδικοποιητή εάν προσπαθήσετε να τον αφαιρέσετε ξανά.

2. Συνδέστε την οθόνη LCD με μικρές βίδες, βεβαιωθείτε ότι έχετε κολλήσει την αντίσταση και την καλωδίωση στην οθόνη πριν από τη συναρμολόγηση.

3. Στερεώστε την πλακέτα Arduino Uno στη θήκη χρησιμοποιώντας βίδες M3 8 mm.

4. Τοποθετήστε το μοτέρ και τοποθετήστε το στη θήκη μαζί με το τρισδιάστατο τμήμα εκτύπωσης (Pump_case_bottom) χρησιμοποιώντας τέσσερις βίδες M3 10 mm.

5. Συνδέστε τον πίνακα με τη θήκη - βεβαιωθείτε ότι έχετε κολλήσει όλα τα εξαρτήματα στον πίνακα, όπως φαίνεται στο διάγραμμα καλωδίωσης.

6. Καλωδίστε τα ηλεκτρονικά μέρη στο εσωτερικό της θήκης.

7. Κλείστε τη θήκη προσθέτοντας τα πλαϊνά πάνελ χρησιμοποιώντας βίδες M3 10x8 mm.

8. Συναρμολογήστε τη βάση ρουλεμάν όπως φαίνεται στο βίντεο και συνδέστε την στον άξονα του κινητήρα χρησιμοποιώντας μια βίδα τριβής 3 mm

9. Τέλος, συνδέστε το στήριγμα μετρητή για τη συγκράτηση του σωλήνα (Pump_case_top_120 °) με δύο βίδες M3 25 mm και τοποθετήστε τη σωλήνωση. Τοποθετήστε δύο βίδες M3 25 mm για να διατηρήσετε τη σωλήνωση στη θέση της κατά τη διαδικασία της αντλίας

Βήμα 8: Εισαγωγή σωλήνων

Βήμα 9: Εξοικειωθείτε με τη διεπαφή χρήστη (χειροκίνητος έλεγχος)

Η διεπαφή χρήστη παρέχει έναν ολοκληρωμένο έλεγχο της περισταλτικής αντλίας. Αποτελείται από οθόνη LCD, κουμπί ελέγχου και διακόπτη τροφοδοσίας. Το κουμπί ελέγχου μπορεί να γυρίσει ή να ωθηθεί.

Γυρίζοντας το κουμπί μπορείτε να επιλέξετε από διαφορετικά στοιχεία μενού, το στοιχείο μενού στην επάνω γραμμή είναι επί του παρόντος επιλεγμένο. Πιέζοντας το κουμπί ενεργοποιείται το επιλεγμένο στοιχείο μενού, το οποίο υποδεικνύεται από ένα ορθογώνιο που αναβοσβήνει. Το ορθογώνιο που αναβοσβήνει υποδηλώνει ότι το στοιχείο μενού είναι ενεργοποιημένο.

Μόλις ενεργοποιηθεί το στοιχείο μενού, ξεκινά ανάλογα με το επιλεγμένο στοιχείο είτε μια ενέργεια είτε επιτρέπει την αλλαγή της αντίστοιχης τιμής περιστρέφοντας το κουμπί. Για όλα τα στοιχεία μενού που συνδέονται με μια αριθμητική τιμή, το κουμπί μπορεί να κρατηθεί για να μηδενίσει την τιμή στο μηδέν ή να διπλασιαστεί για να αυξηθεί η τιμή κατά το ένα δέκατο της μέγιστης τιμής του. Για να ορίσετε την επιλεγμένη τιμή και να απενεργοποιήσετε ένα στοιχείο μενού, το κουμπί πρέπει να πιεστεί για δεύτερη φορά.

Ο διακόπτης τροφοδοσίας θα κλείσει αμέσως την αντλία και όλα τα εξαρτήματά της (Arduino, βηματικό μοτέρ, πρόγραμμα οδήγησης μοτέρ, οθόνη LCD), εκτός εάν η αντλία είναι συνδεδεμένη μέσω USB. Το Arduino και η οθόνη LCD μπορούν να τροφοδοτηθούν από USB, έτσι ώστε ο διακόπτης λειτουργίας να μην τους επηρεάσει.

Το μενού αντλιών περιέχει 10 στοιχεία, τα οποία παρατίθενται και περιγράφονται παρακάτω:

0 | Ξεκινήστε την άντληση, ο τρόπος λειτουργίας εξαρτάται από τη λειτουργία που επιλέγεται στη λειτουργία "6"

1 | ΌγκοςΡυθμίστε τον όγκο δοσολογίας, λαμβάνεται υπόψη μόνο εάν έχει επιλεγεί η "Δόση" στη λειτουργία "6"

2 | V. Unit: Ρυθμίστε τη μονάδα έντασης, οι επιλογές είναι: "mL": mL "uL": μL "σήψη": περιστροφές (της αντλίας)

3 | Ταχύτητα Ρυθμίστε τον ρυθμό ροής, λαμβάνεται υπόψη μόνο εάν έχει επιλεγεί "Δόση" ή "Αντλία" στη λειτουργία "6"

4 | S. Unit: Ρυθμίστε τη μονάδα έντασης, οι επιλογές είναι: "mL/min": mL/min "uL/min": µL/min "rpm": περιστροφές/min

5 | Κατεύθυνση: Επιλέξτε κατεύθυνση άντλησης: "CW" για δεξιόστροφη περιστροφή, "CCW" αριστερόστροφα

6 | Λειτουργία: Ρύθμιση τρόπου λειτουργίας: "Δόση": δοσολογήστε τον επιλεγμένο όγκο (1 | Ένταση) στον επιλεγμένο ρυθμό ροής (3 | Ταχύτητα) κατά την εκκίνηση "Αντλία": αντλία συνεχώς στον επιλεγμένο ρυθμό ροής (3 | Ταχύτητα) όταν ξεκίνησε "Cal.": Βαθμονόμηση, η αντλία θα εκτελέσει 30 περιστροφές σε 30 δευτερόλεπτα όταν ξεκινήσει

7 | Cal. Ρυθμίστε τον όγκο βαθμονόμησης σε mL. Για βαθμονόμηση, η αντλία λειτουργεί μία φορά στη λειτουργία βαθμονόμησης και μετράται ο όγκος βαθμονόμησης που αντλήθηκε.

8 | Αποθήκευση ρύθμισης. Αποθηκεύστε όλες τις ρυθμίσεις στο Arduinos EEPROM, οι τιμές διατηρούνται κατά την απενεργοποίηση και επαναφορτώνεται, όταν ενεργοποιηθεί ξανά

9 | USB CtrlΕνεργοποίηση ελέγχου USB: Η αντλία αντιδρά σε σειριακές εντολές που αποστέλλονται μέσω USB

Βήμα 10: Βαθμονόμηση και δοκιμή δοσολογίας

Η σωστή βαθμονόμηση πριν από την χρήση της αντλίας είναι ζωτικής σημασίας για ακριβή δοσολογία και άντληση. Η βαθμονόμηση θα πει στην αντλία πόση ποσότητα υγρού κινείται ανά περιστροφή, έτσι ώστε η αντλία να μπορεί να υπολογίσει πόσες περιστροφές και ποια ταχύτητα χρειάζονται για να ικανοποιηθούν οι καθορισμένες τιμές. Για να ξεκινήσετε τη βαθμονόμηση, επιλέξτε τη λειτουργία "Cal". και ξεκινήστε την άντληση ή την αποστολή της εντολής βαθμονόμησης μέσω USB. Ο τυπικός κύκλος βαθμονόμησης θα εκτελέσει 30 περιστροφές σε 30 δευτερόλεπτα. Ο όγκος του υγρού που αντλείται κατά τη διάρκεια αυτού του κύκλου (όγκος βαθμονόμησης) πρέπει να μετρηθεί με ακρίβεια. Βεβαιωθείτε ότι η μέτρηση δεν επηρεάζεται από σταγόνες που κολλάνε στο σωλήνα, το βάρος του ίδιου του σωλήνα ή άλλες παρεμβολές. Σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε μια κλίμακα μικρογραμμαρίων για βαθμονόμηση, καθώς μπορείτε εύκολα να υπολογίσετε τον όγκο, εάν είναι γνωστή η πυκνότητα και το βάρος της αντλούμενης ποσότητας υγρού. Μόλις μετρήσετε την ένταση βαθμονόμησης, μπορείτε να ρυθμίσετε την αντλία, ορίζοντας την τιμή του στοιχείου μενού "7 | Cal". ή να το επισυνάψετε στις σειριακές εντολές σας.

Λάβετε υπόψη ότι οποιαδήποτε αλλαγή μετά τη βαθμονόμηση στη βάση σωλήνων ή τη διαφορά πίεσης θα επηρεάσει την ακρίβεια της αντλίας. Προσπαθήστε να κάνετε τη βαθμονόμηση πάντα στις ίδιες συνθήκες, στις οποίες η αντλία θα χρησιμοποιηθεί αργότερα. Εάν αφαιρέσετε τη σωλήνωση και την εγκαταστήσετε ξανά στην αντλία, η τιμή βαθμονόμησης θα αλλάξει έως και 10%, καθώς σε μικρές διαφορές τοποθέτησης και δύναμης που εφαρμόζονται στις βίδες. Το τράβηγμα του σωλήνα θα αλλάξει επίσης τη θέση και συνεπώς την τιμή βαθμονόμησης. Εάν η βαθμονόμηση πραγματοποιηθεί χωρίς διαφορά πίεσης και η αντλία χρησιμοποιηθεί αργότερα για την άντληση υγρών σε άλλη πίεση, θα επηρεάσει την ακρίβεια. Θυμηθείτε ακόμη και μια διαφορά στάθμης ενός μέτρου μπορεί να δημιουργήσει μια διαφορά πίεσης 0,1 bar, η οποία θα έχει μια μικρή επίδραση στην τιμή βαθμονόμησης, ακόμη και αν η αντλία μπορεί να φτάσει σε πίεση τουλάχιστον 1,5 bar χρησιμοποιώντας τη σωλήνωση 0,8 mm.

Βήμα 11: Σειριακή διεπαφή - Τηλεχειριστήριο μέσω USB

Η σειριακή διεπαφή βασίζεται στη σειριακή διεπαφή επικοινωνίας του Arduino μέσω USB (Baud 9600, 8 bit δεδομένων, χωρίς ισοτιμία, ένα bit stop). Οποιοδήποτε λογισμικό ή γλώσσα προγραμματισμού ικανή να γράψει δεδομένα σε σειριακή θύρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επικοινωνία με την αντλία (MATLAB, LabVIEW, Java, python, C#, κ.λπ.). Όλες οι λειτουργίες της αντλίας είναι προσβάσιμες στέλνοντας την αντίστοιχη εντολή στην αντλία, στο τέλος κάθε εντολής απαιτείται ένας νέος χαρακτήρας γραμμής '\ n' (ASCII 10).

Δόση: d (όγκος σε μL), (ταχύτητα σε μL/min), (όγκος βαθμονόμησης σε μL) '\ n'

π.χ.: d1000, 2000, 1462 '\ n' (δοσολογία 1mL στα 2mL/min, όγκος βαθμονόμησης = 1.462mL)

Αντλία: p (ταχύτητα σε μL/min), (όγκος βαθμονόμησης σε μL) '\ n'

π.χ.: p2000, 1462 '\ n' (αντλία στα 2mL/min, όγκος βαθμονόμησης = 1,462mL)

Βαθμονόμηση: c '\ n'

Διακοπή: x '\ n'

Το περιβάλλον Arduino (Arduino IDE) διαθέτει ενσωματωμένη σειριακή οθόνη, η οποία μπορεί να διαβάζει και να γράφει σειριακά δεδομένα, επομένως οι σειριακές εντολές μπορούν να δοκιμαστούν χωρίς γραπτό κώδικα.

Βήμα 12: Μοιραστείτε τις εμπειρίες σας και βελτιώστε την αντλία

Εάν έχετε δημιουργήσει την αντλία μας, μοιραστείτε τις εμπειρίες και τις βελτιώσεις σας σε λογισμικό και υλικό σε:

Thingiverse (τρισδιάστατα τυπωμένα μέρη)

GitHub (λογισμικό)

Οδηγίες (οδηγίες, καλωδίωση, γενικά)

Βήμα 13: Είστε περίεργοι για το IGEM;

Το iGEM (International Genetically Engineered Machine) Foundation είναι ένας ανεξάρτητος, μη κερδοσκοπικός οργανισμός αφιερωμένος στην εκπαίδευση και τον ανταγωνισμό, την πρόοδο της συνθετικής βιολογίας και την ανάπτυξη μιας ανοιχτής κοινότητας και συνεργασίας.

Το iGEM τρέχει τρία κύρια προγράμματα: τον διαγωνισμό iGEM - έναν διεθνή διαγωνισμό για φοιτητές που ενδιαφέρονται για τον τομέα της συνθετικής βιολογίας. το πρόγραμμα εργαστηρίων - ένα πρόγραμμα για τα ακαδημαϊκά εργαστήρια να χρησιμοποιούν τους ίδιους πόρους με τις ομάδες του διαγωνισμού · και το Μητρώο τυποποιημένων βιολογικών μερών - μια αυξανόμενη συλλογή γενετικών τμημάτων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή βιολογικών συσκευών και συστημάτων.

igem.org/Main_Page