【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁执行器结构设计领域，尤其涉及一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法。
技术介绍
1、具有弹性行为的末端执行器能够表现出顺应性，避免工件与工具的过度接触、提升机器人加工的精度。电磁执行器是一种应用于高精度加工领域的执行器，能够应用于高精密加工的机器人末端力控等领域。但是由于电磁执行器中涉及大量的电磁尺寸参数，不同的参数会影响电磁执行器的性能。尽管现有学者提出了很多结构形式的电磁执行器模型，并且推导出了磁场的模型，通过优化磁场得到电磁执行器。但是也存在一些局限性：
2、（1）现有设计方法覆盖参数不全面、不完整。
3、（2）设计目标分步，先设计永磁体等尺寸，再设计线圈等尺寸，过程繁琐。
4、（3）现有的电磁执行器设计电磁结构复杂，参数难以确定，需要一套完整的整体参数设计与优化方法。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，该方法具体包括：
3、s1：确定电磁执行器物理结构模型；
4、s2：建立电磁执行器磁场数学模型；
5、s3：建立洛伦兹力的数学模型并得到优化目标函数；
6、s4：使用自适应边界的pso算法进行优化设计；
7、s5：建立参数化的有限元模型；
8、s6：使用有限元模型迭代
9、s7：其他结构设计与仿真。
10、进一步，所述s1确定电磁执行器物理结构模型，依赖于电磁设计的需求，需求可以分为两种，一种是恒推力常数，一种是恒刚度系数常数；
11、所述推力常数定义为力与电流的比值,其单位为；刚度系数常数定义为刚度系数与电流的比值，其单位为。
12、进一步，所述s2中电磁执行器的物理模型建立磁场数学模型的方法包含电流元法、磁荷法；在模型建立过程中，仅考虑运动方向有关的磁场方向值，其他方向的磁场大小忽略；所建立的数学模型包含所有永磁体的形状尺寸以及永磁体之间的相对位置尺寸以及线圈理想尺寸；
13、以两组磁体组成的洛伦兹电机为例，其建立的数学模型为：
14、
15、其中
16、
17、
18、
19、
20、
21、式中，a,b为永磁体的长和宽，hm为永磁体的高，l为两组磁体之间的距离，h为上下永磁体间气隙长度(即一组磁体中的两个磁体间的距离),h表示两平行铁磁边界之间的距离，i表示镜像的次数，为真空磁导率，永磁体剩余磁化强度，br为材料剩余磁化密度（与材料有关）。表示为笛卡尔坐标下位置为x,y,z点处z方向的磁场大小。
22、进一步，所述s3中建立洛伦兹力的数学模型建立依赖于s1步骤中建立的磁场计算公式；洛伦兹力的数学模型建立推导为：
23、
24、式中ofc表示推力常数，，为线圈截面的长和宽，为线圈的填充密度与加工工艺有关，为线圈有效出力边的长度，为线圈有效边体积内的磁场平均值，可以通过s2中得到的数学模型离散求平均得到，为线圈漆包线的选型最小值。
25、进一步，所述s3中的优化目标函数，不同需求得到的目标函数不同；
26、针对于恒推力常数的需求通过计算推力常数的均值和方差可以得到寻优的目标：
27、
28、
29、n表示位移范围内的离散位移点，与计算的离散程度有关。表示i位置处的推力常数大小，表示推力常数的均值，表示推力常数的方差；
30、针对于恒刚度系数常数的需求通过计算整个行程范围内的推力常数后进行线性回归拟合，得到斜率为刚度常数,其单位为n/(a*mm)；得到相关系数（为1时表示线性）；pearson相关系数，相关系数用于描述两个连续型变量之间的线性相关程度及相关方向，它的取值在[-1,1]之间，拟合的刚度表达式为：
31、
32、相关系数表达式为：
33、
34、式中表示位置,表示平均位置，表示在位置处的推力常数，n为总的数据点数，与计算的离散程度有关。
35、进一步，所述s4中，使用自适应边界的pso算法进行优化设计在优化过程中优先生成固定边界参数，然后更新自适应边界参数的边界，最终生成自适应边界参数；
36、其边界更新原理如下：如气隙长度和线圈的界面长度存在约束其中max为上界设定参数，min为考虑线圈支架厚度的参数；由于的尺寸上界受到h的约束，故在生成h参数值之后，将的上界更新为h，然后生成参数值；
37、固定边界参数为与其他参数不存在相互约束，或者设定为优先生成的参数，是除线圈参数外的其他参数；自适应边界参数是指其他生成的参数会与其形成约束，而需要最后生成的参数，包括，，；
38、使用自适应边界的pso算法完成优化后，能够得到指定指标下的参数解，解集包含所有永磁体的形状尺寸以及永磁体之间的相对位置尺寸以及线圈理想尺寸。
39、进一步，所述s4步骤中建立的有限元模型除了基本的永磁体、线圈理想参数尺寸，还行需要建立包括导磁铁轭厚度、嵌入深度、线圈圆角的参数化有限元模型；
40、进一步，所述s5步骤是使用s4步骤中建立的有限元模型进行迭代仿真，得到行程范围内不同导磁铁轭厚度、嵌入深度、线圈圆角参数下的推力；
41、所述s5步骤中得到的推力进行数据处理得到不同配置下的：推力常数均值、推力常数方差（或者拟合刚度以及线性度）；根据不同配置的结果和目标选取最适宜的导磁铁轭厚度、嵌入深度、线圈圆角参数。
42、进一步，所述s7中其他结构包括支撑结构、散热结构等，可以使用有限元模型进行验证。
43、本专利技术另一目的在于提供一种实施所述一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法的一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化系统，该系统包括：
44、模型确定模块，用于确定电磁执行器物理结构模型；
45、磁场数学模型建立模块，与模型确定模块连接，用于建立电磁执行器磁场数学模型；
46、函数优化模块，用于建立洛伦兹力的数学模型并得到优化目标函数；
47、优化设计模块，用于使用自适应边界的pso算法进行优化设计；
48、有限元模型建立模块，用于建立参数化的有限元模型；
49、参数优化模块，使用有限元模型迭代优化其他参数；
50、仿真模块，用于其他结构设计与仿真。
51、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
52、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
【技术保护点】
1.一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，该方法具体包括：
2.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S1确定电磁执行器物理结构模型，依赖于电磁设计的需求，需求可以分为两种，一种是恒推力常数，一种是恒刚度系数常数；
3.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S2中电磁执行器的物理模型建立磁场数学模型的方法包含电流元法、磁荷法；在模型建立过程中，仅考虑运动方向有关的磁场方向值，其他方向的磁场大小忽略；所建立的数学模型包含所有永磁体的形状尺寸以及永磁体之间的相对位置尺寸以及线圈理想尺寸；
4.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S3中建立洛伦兹力的数学模型建立依赖于S1步骤中建立的磁场计算公式；洛伦兹力的数学模型建立推导为：
5.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S3中的优化目标函数，不同需求得到的目标函数不同；
6.
7.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S4步骤中建立的有限元模型除了基本的永磁体、线圈理想参数尺寸，还行需要建立包括导磁铁轭厚度、嵌入深度、线圈圆角的参数化有限元模型。
8.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S5步骤是使用S4步骤中建立的有限元模型进行迭代仿真，得到行程范围内不同导磁铁轭厚度、嵌入深度、线圈圆角参数下的推力；
9.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述S7中其他结构包括支撑结构、散热结构等，可以使用有限元模型进行验证。
10.一种实施如权利要求1-7任意一项所述一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法的一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化系统，其特征在于，该系统包括：
...【技术特征摘要】
1.一种平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，该方法具体包括：
2.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述s1确定电磁执行器物理结构模型，依赖于电磁设计的需求，需求可以分为两种，一种是恒推力常数，一种是恒刚度系数常数；
3.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述s2中电磁执行器的物理模型建立磁场数学模型的方法包含电流元法、磁荷法；在模型建立过程中，仅考虑运动方向有关的磁场方向值，其他方向的磁场大小忽略；所建立的数学模型包含所有永磁体的形状尺寸以及永磁体之间的相对位置尺寸以及线圈理想尺寸；
4.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述s3中建立洛伦兹力的数学模型建立依赖于s1步骤中建立的磁场计算公式；洛伦兹力的数学模型建立推导为：
5.如权利要求1所述平板式音圈电磁式力控执行器结构参数设计与优化方法，其特征在于，所述s3中的优化目标函数，不同需求得到的目标函数不同；
6.如权利要求1所...
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