一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统

1.本发明涉及纳米定位装置领域，特别涉及一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统。


背景技术：

2.近年来，随着工业领域如超精密加工、超精密测量和机器人系统对定位精度的要求不断提高，纳米定位技术获得了飞速发展。纳米定位技术也广泛应用于超精加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等各个领域，但是在大范围的纳米级精度定位的实现上仍然存在技术壁垒，因此如何设计一款结构原理简单，可实施性强的纳米定位系统成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统。本发明可以通过微流控泵和多个微流控阀的配合对活塞杆实现定位，具有定位精度高的特点。
4.本发明的技术方案：一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统，包括微流控泵和液压油缸，液压油缸内设有活动连接的活塞杆，活塞杆两侧的液压油缸内腔分别为左腔和右腔；所述微流控泵的两侧均设有过液口，两过液口上分别设有与左腔相连的第一调节管路和与右腔相连的第二调节管路，第一调节管路和第二调节管路上设有多阀组控制管路和单阀组控制管路；所述多阀组控制管路包括设置于第一调节管路和第二调节管路上的第一微流控阀，第一调节管路和第二调节管路上还设有与第一微流控阀相并联的第一单向阀，第一单向阀的出口与微流控泵相对应。
5.上述的一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统中，所述单阀组控制管路包括设置于第一调节管路或第二调节管路上的相并联的第一流动管路和第二流动管路，第一流动管路上设有相串联的第二单向阀和第三单向阀，第二单向阀和第三单向阀的出口相对，第二流动管路上设有开口相反的第四单向阀和第五单向阀，第四单向阀的出口与微流控泵相对应，第二单向阀和第三单向阀之间的第一流动管路与第四单向阀和第五单向阀之间的第二流动管路上共同设有第二微流控阀。
6.前述的一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统中，还包括储油容器，储油容器的出口设有与第一调节管路相连的第一补油管路和与第二调节管路相连的第二补油管路，第一补油管路和第二补油管路上均设有入口朝向储油容器的第六单向阀；所述微流控泵的两过液口上均设有与储油容器入口相连的进油管路，进油管路上均设有出口与储油容器对应的第七单向阀，第七单向阀与储油容器之间的进油管路上设有溢流阀。
7.前述的一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统中，所述第一微流控阀和第二微流控阀的机构一致，包括外壳，外壳内设有阀套，阀套内设有滑动连接的阀芯，外壳内设有将阀芯围合的电磁螺线圈，电磁螺线圈的端部设有引线。
8.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明包括微流控泵和液压油缸，液压油缸内设有活动连接的活塞杆，活塞杆两侧的液压油缸内腔分别为左腔和右腔；所述微流控泵的两侧均设有过液口，两过液口上分别设有与左腔相连的第一调节管路和与右腔相连的第二调节管路，第一调节管路和第二调节管路上设有多阀组控制管路和单阀组控制管路；所述多阀组控制管路包括设置于第一调节管路和第二调节管路上的第一微流控阀，第一调节管路和第二调节管路上还设有与第一微流控阀相并联的第一单向阀，第一单向阀的出口与微流控泵相对应；启动微流控泵，使其与第一调节管路对应侧的过液口为吸液口，另一侧过液口为出液口，其产生的恒定压力使液体到达第二调节管路的第一微流控阀内，控制打开第二调节管路的第一微流控阀同时关闭第一调节管路的第一微流控阀，液体经开启侧的第一微流控阀进入到液压油缸的右腔，而左腔的液体则经过第一调节管路上的第一单向阀流入微流控泵的吸液口，实现液体的流动循环，开启侧的第一微流控阀对流出的液体进行流量调节，使得进入右腔的液体体积得到控制，流入的液体与活塞杆之间产生作用推动活塞杆左移来进行定位，活塞杆右移同理，交换微流控泵的吸液口和出液口方向，依靠流入液体体积与活塞杆作用面面积的配合来实现高精度的定位效果，使用便捷。
9.2、本发明单阀组控制管路包括设置于第一调节管路或第二调节管路上的相并联的第一流动管路和第二流动管路，第一流动管路上设有相串联的第二单向阀和第三单向阀，第二单向阀和第三单向阀的出口相对，第二流动管路上设有开口相反的第四单向阀和第五单向阀，第四单向阀的出口与微流控泵相对应，第二单向阀和第三单向阀之间的第一流动管路与第四单向阀和第五单向阀之间的第二流动管路上共同设有第二微流控阀，控制第一流动管路和第二流动管路所在侧的微流控泵过液口为吸液口，此时从液压油缸内流出的液体经对角设置的第三单向阀和第四单向阀流回微流控泵内，反之对换微流控泵的吸液口和出液口方向则通过第二单向阀和第五单向阀来实现液体的流动循环，进而可以控制活塞杆的移动方向，且同样依靠第二微流控阀的流量调节来改变流入液体体积，并使其与活塞杆作用面面积的配合来实现高精度的定位效果。
10.3、本发明还包括储油容器，储油容器的出口设有与第一调节管路相连的第一补油管路和与第二调节管路相连的第二补油管路，第一补油管路和第二补油管路上均设有入口朝向储油容器的第六单向阀；所述微流控泵的两过液口上均设有与储油容器入口相连的进油管路，进油管路上均设有出口与储油容器对应的第七单向阀，第七单向阀与储油容器之间的进油管路上设有溢流阀；第一补油管路以及第二补油管路可以对第一调节管路和第二调节管路内损失的液体进行补充，使整个系统内充满液体，减小误差，提升使用的可靠性。
附图说明
11.图1是本发明结构示意图；图2是本发明单阀组控制管路的结构示意图；图3是本发明第一微流控制阀和第二微流控制阀的结构示意图；图4是本发明电信号的波形示意图。
12.附图中的标记为：1-微流控泵；2-液压油缸；3-活塞杆；4-左腔；5-右腔；6-过液口；7-第一调节管路；8-第二调节管路；9-多阀组控制管路；10-单阀组控制管路；11-第一微流控阀；12-第一单向阀；13-第一流动管路；14-第二流动管路；15-第二单向阀；16-第三单向
阀；17-第四单向阀；18-第五单向阀；19-第二微流控阀；20-储油容器；21-第一补油管路；22-第二补油管路；23-第六单向阀；24-进油管路；25-第七单向阀；26-溢流阀；27-外壳；28-阀套；29-阀芯；30-电磁螺线圈；31-引线。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
14.实施例：一种基于流体控制的大范围纳米级定位系统，如附图1所示，包括微流控泵1和液压油缸2，液压油缸2内设有活动连接的活塞杆3，活塞杆3两侧的液压油缸2内腔分别为左腔4和右腔5；所述微流控泵1的两侧均设有过液口6，两过液口6上分别设有与左腔4相连的第一调节管路7和与右腔5相连的第二调节管路8，第一调节管路7和第二调节管路8上设有多阀组控制管路9和单阀组控制管路10；所述多阀组控制管路9包括设置于第一调节管路7和第二调节管路8上的第一微流控阀11，第一调节管路7和第二调节管路8上还设有与第一微流控阀11相并联的第一单向阀12，第一单向阀12的出口与微流控泵1相对应；如附图2所示，所述单阀组控制管路10包括设置于第一调节管路7或第二调节管路8上的相并联的第一流动管路13和第二流动管路14，第一流动管路13上设有相串联的第二单向阀15和第三单向阀16，第二单向阀15和第三单向阀16的出口相对，第二流动管路14上设有开口相反的第四单向阀17和第五单向阀18，第四单向阀17的出口与微流控泵1相对应，第二单向阀15和第三单向阀16之间的第一流动管路13与第四单向阀17和第五单向阀18之间的第二流动管路14上共同设有第二微流控阀19；还包括储油容器20，储油容器20的出口设有与第一调节管路7相连的第一补油管路21和与第二调节管路8相连的第二补油管路22，第一补油管路21和第二补油管路22上均设有入口朝向储油容器20的第六单向阀23；所述微流控泵1的两过液口6上均设有与储油容器20入口相连的进油管路24，进油管路24上均设有出口与储油容器20对应的第七单向阀25，第七单向阀25与储油容器20之间的进油管路24上设有溢流阀26，用于保护泵出口的安全保护并且可实现压力设置，当工作时，溢流阀的压力高于第一微流控阀和第二微流控阀工作时的压力值，确保液体可以流入液压油缸内；如附图3所示，所述第一微流控阀11和第二微流控阀19的机构一致，包括外壳27，外壳27内设有阀套28，阀套28内设有滑动连接的阀芯29，外壳27内设有将阀芯29围合的电磁螺线圈30，电磁螺线圈30的端部设有引线31，如附图4所示，通过引线对电磁螺线圈赋予一个固定的电信号频率，进而带动阀芯轴向往复运动，通过调节电信号的频率和占空比α= th/t，控制阀芯对进液口和出液口的通断，其中频率控制进液口和出液口的开启频率，占空比实现开启时间的控制，实现流量通断或大小控制，由于阀芯的质量小，因此阀芯的往复运动较快，可行性高。
15.工作原理：启动微流控泵，使其与第一调节管路对应侧的过液口为吸液口，另一侧过液口为出液口，其产生的恒定压力使液体到达第二调节管路的第一微流控阀内，控制打开第二调节管路的第一微流控阀同时关闭第一调节管路的第一微流控阀，液体经开启侧的第一微流控阀进入到液压油缸的右腔，而左腔的液体则经过第一调节管路上的第一单向阀流入微流控泵的吸液口，实现液体的流动循环，开启侧的第一微流控阀对流出的液体进行流量调节，使得进入右腔的液体体积得到控制，流入的液体与活塞杆之间产生作用推动活塞杆左移来进行定位，活塞杆右移同理，交换微流控泵的吸液口和出液口方向；在一定压力
下，第一微流控阀在外围电路的驱动下，实现微升流量的输出，假设电磁驱动式微流控阀的流量为qf，液压油缸的活塞杆有效作用面积为a，根据流量守恒，活塞杆运动的速度v的表达式如下：ν=qf/a，其中qf的量纲为微升，若流量为qf的变化范围为0.01-1μl/s，活塞直径为50-100mm，由公式可推断出活塞杆运动的速度范围为：1.3nm/s-500nm/s，从而实现液压油缸的活塞杆实现纳米级的精度定位。