CN107688292B - 一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统，该方法包括：处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；将第一位移信号和第二位移信号发送至压电陶瓷；本发明可以利用对柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数建立的输入输出模型，确定压电陶瓷的驱动器的输出位移量与柔性机构的最终输出位移量的对应关系，避免了柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高了柔性纳米定位的精确度。

Description

一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，特别涉及一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统。

背景技术

在微纳加工领域，高精度的运动定位系统至关重要。为了能使运动定位精度能达到微纳米级别，常使用压电陶瓷驱动器驱动柔性位移放大机构(简称柔性机构)，其中压电陶瓷驱动器分辨率可达纳米级，但是其行程较小，通常只有几十微米，因此需要结合柔性放大机构增倍其可定位行程，从而该定位系统在硬件上完全符合高精度定位。

现有技术中，对于基于压电陶瓷的柔性定位系统的控制，如图1和图2所示，往往以单一外部位移传感器获得定位系统最终位移信号(柔性机构输出端位移信号)来反馈控制开环压电陶瓷驱动器，从而实现闭环的运动反馈。然而，这种柔性纳米定位方法，忽略了柔性机构的位移传递函数，直接使用电压信号驱动开环压电陶瓷推动柔性机构的输入端，通过柔性铰链的变形在柔性机构的输出端输出较大的位移。输出端的位移信号被位移传感器采集直接用作开环压电陶瓷的位移反馈信号，跳过了柔性位移放大机构。虽然易于控制，但由于柔性机构依靠的金属的弹性变形而产生运动，输入端的位移跟输出端的位移不是简单的线性关系，在开环压电陶瓷驱动器与最终位移输出端之间存在着非线性位移传递函数，会对柔性纳米定位的精确度产生影响。因此，如何避免柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数，对柔性纳米定位的影响，提高柔性纳米定位的精确度，是现今急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统以利用对柔性机构建立的输入输出模型，避免柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高柔性纳米定位的精确度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法，包括：

处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；

将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；

将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷，使所述压电陶瓷根据所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

可选的，当所述压电陶瓷为闭环压电陶瓷时，该方法还包括：

所述闭环压电陶瓷的控制器将所述第一位移信号与所述第二位移信号之和减去所述闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；

将所述第二误差信号输入到所述闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；

将所述驱动信号发送至所述驱动器，以使所述驱动器进行位移，并接收所述驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

可选的，所述输入输出模型具体为所述柔性机构的逆传递函数。

本发明还提供了一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置，包括：

第一获取模块，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；

第二获取模块，用于将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；

发送模块，用于将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷，使所述压电陶瓷根据所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

可选的，所述第一获取模块，包括：

获取子模块，用于将所述目的位移信号输入到所述柔性机构的逆传递函数，获取所述第一位移信号。

此外，本发明还提供了一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位系统，包括：

处理器，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷；

所述压电陶瓷，用于根据接收的所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

可选的，当所述压电陶瓷为闭环压电陶瓷时，所述闭环压电陶瓷，包括：

控制器，用于将所述第一位移信号与所述第二位移信号之和减去所述闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；将所述第二误差信号输入到所述闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；将所述驱动信号发送至所述驱动器，以使所述驱动器进行位移，并接收所述驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

本发明所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法，包括：处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，第一位移信号为柔性机构输出目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；将第一位移信号和第二位移信号发送至压电陶瓷，使压电陶瓷根据第一位移信号和第二位移信号，进行位移；

可见，本发明通过处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号，可以利用对柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数建立的输入输出模型，确定压电陶瓷的驱动器的输出位移量与柔性机构的最终输出位移量的对应关系，避免了柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高了柔性纳米定位的精确度。此外，本发明还提供了一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置及系统，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的基于开环压电陶瓷的柔性纳米定位系统的结构示意图；

图2为现有技术中的基于开环压电陶瓷的柔性纳米定位系统的控制模型示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法的流程图；

图4为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法的系统结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法的系统控制模型示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置的结构图；

图7为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法的流程图。该方法可以包括：

步骤101：处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，第一位移信号为柔性机构输出目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量。

其中，本实施例中所提供的方法中的处理器可以为向压电陶瓷发送控制信号的处理装置，处理器中可以包括输入输出模型和PID控制器，对于处理器的具体型号，可以由设计人员自行设置，如采用与现有技术中如图2所示，包含PID控制器的处理器相同或相似型号。本实施例对此不受任何限制。

可以理解的是，本步骤的目的可以为利用柔性机构的输入输出模型，获取柔性机构输出目的位移信号对应的位移量时，压电陶瓷的驱动器所需输出的位移量对应的第一位移信号。

需要说明的是，对于输入输出模型的具体数学模型的结构和内容，可以由设计人员自行设置，如可以为如图5所示的柔性机构的逆传递函数，只要可以根据需要柔性机构输出的位移量对应的目的位移信号，通过该输入输出模型反算出压电陶瓷的驱动器应输出多少位移量给柔性机构的输入端，本实施例对此不做任何限制。

步骤102：将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号。

其中，本步骤中将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号的方式，可以如图5所示，利用加法器将本次目的位移信号与位移传感器发送的上次第一位移反馈信号相减，获取本次第一误差信号。

具体的，位移传感器发送的第一位移反馈信号可以为位移传感器采集的上次柔性机构的输出端输出的位移量。对于位移传感器采集所述第一位移反馈信号的方式可以采用与现有技术相同或相似的方式，本实施例对此不做任何限制。

可以理解的是，本实施例所提供的方法中将目的位移信号与第一位移反馈信号相减的加法器的具体设置，可以由设计人员自行设置，如可以与现有技术中如图2所示的将电压信号与位移反馈信号相减的加法器相似，只是将电压信号变为目的位移信号。对应的，本实施例中所提供的方法中的PID控制器，可以采用与现有技术中如图2所示的PID控制器相似的方式设置。本实施例对此不做任何限制。

步骤103：将第一位移信号和第二位移信号发送至压电陶瓷，使压电陶瓷根据第一位移信号和第二位移信号，进行位移。

其中，本步骤中的压电陶瓷可以为如现有技术中的开环压电陶瓷，也可以为自身带有闭环位移反馈的闭环压电陶瓷，只要压电陶瓷可以根据第一位移信号和第二位移信号进行对应的位移，也就是驱动压电陶瓷的驱动器输出对应的位移量，对于压电陶瓷的具体类型，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置。

可以理解的是，可以利用闭环压电陶瓷自身所包含的位移反馈，实现带有双反馈信号的柔性纳米定位的精准定位。也就是说，本实施例所提供的方法还可以包括：闭环压电陶瓷的控制器将第一位移信号与第二位移信号之和减去闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；将第二误差信号输入到闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；将驱动信号发送至驱动器，以使驱动器进行位移，并接收驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

具体的，闭环压电陶瓷的控制器可以为闭环压电陶瓷自身的处理装置，可以对闭环压电陶瓷进行位移的驱动器进行控制。控制器可以如图5所示，利用加法器将将第一位移信号与第二位移信号之和减去上次第二位移反馈信号的结果，作为第二误差信号输入到PID闭环控制器，从而获取驱动闭环压电陶瓷的驱动器的驱动信号，然后将驱动信号发送至驱动器，使如图4所示的驱动器(闭环压电陶瓷驱动器)输出对应的位移量(最终位移)，并将该输出位移量作为本次第二位移反馈信号反馈到控制器，为控制器的下次控制提供基础。

相应的，柔性机构可以根据输入端获取的驱动器的输出位移量，在输出端输出相应的位移量。而位移传感器可以采集柔性机构输出端输出的位移量对应的位移信号，作为系统输出和反馈到处理器的本次第一位移反馈信号，为下次处理器获取第一误差信号提供基础，实现柔性机构输出端的位移反馈。

本实施例中，本发明实施例通过处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号，可以利用对柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数建立的输入输出模型，确定压电陶瓷的驱动器的输出位移量与柔性机构的最终输出位移量的对应关系，避免了柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高了柔性纳米定位的精确度。

请参考图6，图6为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置的结构图。该装置可以包括：

第一获取模块101，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，第一位移信号为柔性机构输出目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；

第二获取模块102，用于将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；

发送模块103，用于将第一位移信号和第二位移信号发送至压电陶瓷，使压电陶瓷根据第一位移信号和第二位移信号，进行位移。

可选的，第一获取模块101，可以包括：

获取子模块，用于将目的位移信号输入到柔性机构的逆传递函数，获取第一位移信号。

本实施例中，本发明实施例通过第一获取模块101将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号，可以利用对柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数建立的输入输出模型，确定压电陶瓷的驱动器的输出位移量与柔性机构的最终输出位移量的对应关系，避免了柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高了柔性纳米定位的精确度。

请参考图7，图7为本发明实施例所提供的一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位系统的结构图。该系统可以包括：

处理器100，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，第一位移信号为柔性机构输出目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；将目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；将第一位移信号和第二位移信号发送至压电陶瓷；

压电陶瓷200，用于根据接收的第一位移信号和第二位移信号，进行位移。

可选的，当压电陶瓷200为闭环压电陶瓷时，闭环压电陶瓷，可以包括：

控制器，用于将第一位移信号与第二位移信号之和减去闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；将第二误差信号输入到闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；将驱动信号发送至驱动器，以使驱动器进行位移，并接收驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

本实施例中，本发明实施例通过处理器100将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号，可以利用对柔性机构的输入端位移与最终位移输出端之间存在的非线性位移传递函数建立的输入输出模型，确定压电陶瓷的驱动器的输出位移量与柔性机构的最终输出位移量的对应关系，避免了柔性机构的非线性位移传递函数关系对柔性纳米定位的影响，提高了柔性纳米定位的精确度。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置及系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法、装置及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法，其特征在于，包括：

处理器将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；

将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；其中，所述位移传感器发送的第一位移反馈信号为所述位移传感器采集的上次所述柔性机构输出的位移量；

将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷，使所述压电陶瓷根据所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法，其特征在于，当所述压电陶瓷为闭环压电陶瓷时，还包括：

所述闭环压电陶瓷的控制器将所述第一位移信号与所述第二位移信号之和减去所述闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；

将所述第二误差信号输入到所述闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；

将所述驱动信号发送至所述驱动器，以使所述驱动器进行位移，并接收所述驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷的柔性纳米定位方法，其特征在于，所述输入输出模型具体为所述柔性机构的逆传递函数。

4.一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；

第二获取模块，用于将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；其中，所述位移传感器发送的第一位移反馈信号为所述位移传感器采集的上次所述柔性机构输出的位移量；

发送模块，用于将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷，使所述压电陶瓷根据所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

5.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷的柔性纳米定位装置，其特征在于，所述第一获取模块，包括：

获取子模块，用于将所述目的位移信号输入到所述柔性机构的逆传递函数，获取所述第一位移信号。

6.一种基于压电陶瓷的柔性纳米定位系统，其特征在于，包括：

处理器，用于将目的位移信号输入到柔性机构的输入输出模型，获取第一位移信号；其中，所述第一位移信号为所述柔性机构输出所述目的位移信号对应的压电陶瓷的输出位移量；将所述目的位移信号与位移传感器发送的第一位移反馈信号相减，获取第一误差信号，并将所述第一误差信号输入到PID控制器，获取第二位移信号；将所述第一位移信号和所述第二位移信号发送至所述压电陶瓷；其中，所述位移传感器发送的第一位移反馈信号为所述位移传感器采集的上次所述柔性机构输出的位移量；

所述压电陶瓷，用于根据接收的所述第一位移信号和所述第二位移信号，进行位移。

7.根据权利要求6所述的基于压电陶瓷的柔性纳米定位系统，其特征在于，当所述压电陶瓷为闭环压电陶瓷时，所述闭环压电陶瓷，包括：

控制器，用于将所述第一位移信号与所述第二位移信号之和减去所述闭环压电陶瓷的驱动器发送的上次第二位移反馈信号，获取第二误差信号；将所述第二误差信号输入到所述闭环压电陶瓷的PID闭环控制器，获取驱动信号；将所述驱动信号发送至所述驱动器，以使所述驱动器进行位移，并接收所述驱动器的输出位移量对应的本次第二位移反馈信号。

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