CN109684748B - 一种除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，研究OLOID除藻机的工作原理，推导出OLOID的电机输入速度ω₁与OLOID体的输出速度ω₂间的关系式；步骤2，进行伺服电机速度调试，设定伺服电机1输入速度ω₁为定常速度，通过计算或仿真得到OLOID质心处的速度ω₂曲线；步骤3，从步骤2中ω₂曲线中，找出OLOID最小速度点；步骤4，根据伺服电机可控制速度的特性，按ω_2T‑ω₂的速度补偿形式重新设置伺服电机速度，其中ω_2T为OLOID质心速度的期望值；步骤5，重复步骤2至4，直到OLOID质心速度满足用户的对速度波动的要求，得到OLOID质心速度波动在速度不均匀系数1/10～1/25的范围内。

Description

一种除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法。

背景技术

地球上江河湖海众多，近年来出现的藻类泛滥成灾不仅影响了水体景观及水产养殖的正常生长，而且藻类产生的藻毒素可使人体导致肝癌，构成对人类生存环境的威胁。

除藻法通常分为直接方法和间接方法两大类。直接方法包括物理方法、化学方法和生物方法。物理方法包括机械除藻法、引水冲洗和深水曝气等方法。生物方法包括光源控制方法、以藻制藻、利用滤食性鱼类直接控制蓝藻等方法。间接方法主要包括流域对策和湖内对策等方法。

OLOID除藻机是应用OLOID体这一特殊形状的几何体作为近海除藻机中的执行元件，通过OLOID体的转动对水域搅拌、对海藻绞碎，达到抑制海澡生长、净化水域和增加水体增养量的功能，是集曝气、增养和除藻及抑制藻类过渡繁殖于一体的机械类方法的除藻机，也可用于池塘、河流、养殖场、沼气厂等处的污水处理，属环境保护和环境制理领域。

OLOID体是1929年德国数学家Paul Schatz发现的一种特殊形体的几何结构体，OLOID巧妙的运用流体力学原理，使其在流体运动中最大范围的规避阻力，形成了奇特的流体运行轨迹。Oloid体由两个半径相等的圆盘在相互垂直的两平面内形成的凸包骨架重叠而成。标准Oloid体两圆盘的圆心之间距离等于它们的半径，一个圆盘的1/3的周长嵌入到另一个圆盘中，即从几何学和动力学观点上解释，只需要两个240°且半径相等的圆弧就能构成oloid的形状。

OLOID奇特的成形技术使之边角像刀片一样可以绞碎缠绕的藻类。但OLOID体作为机构的输出构件后，输入构件的运动和OLOID运动变化的不同步使得OLOID的运动不流畅，从而产生运动速度过小时的视觉停顿现象。当在最小速底时若被藻类缠绕，则极易导致除藻机停止工作，从而使投放的大量除藻机因不工作造成对水域的二次污染。

国内未见有OLOID除藻机，专利CN203537872U一种割除水草装置在OLOID体上加装了两把刀具，对OLOID体原有形状的运动流畅性会有所下降。专利CN203540374U-一种可伸缩式搅拌装置和CN203545854U-一种牧场中动物粪便除臭***都只作搅拌用，不能用于有绞碎和较多缠绕的场合。国外AG OLOID公司的专利中未见解决缠绕问题。

目前此类设备在工作时常出现以下问题：

1.用交流电机驱动时OLOID的速度波动太大。oloid体在旋转过程中在某个位置速度瞬时变小出现卡顿，旋转速度不稳定。

2.机器在速度较小出现卡顿的情况下，若此时有藻类缠绕，则极易导致除藻机停止工作出现“死机”，从而对投放大量除藻机的水域造成二次污染。在领海投放大量除藻机的情况下，排除“死机”故障增加了大量维护成本和难度。

3.除藻机通过单个电机进行驱动，无速度补偿功能，难以实现OLOID体输出速度的高稳定性。

4.标准中心距的oloid体虽然结构紧凑，但是与水体的养气交换量小。

发明内容

解决上述问题而进行的，本发明的目的在于提供一种基于OLOID除藻机的防缠绕最小速度设计方法，在综合分析OLOID除藻机工作原理和结构组成的基础上，推导出OLOID除藻机中的双万向节的运动关系式，并综合考虑产品成本、结构稳定性和水体增养量等指标，得到了根据防缠绕最小速度设计方法设计的OLOID除藻机，并完成两类典型的OLOID除藻机实例。

本发明提供了一种除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，研究OLOID除藻机的工作原理和结构组成，推导总结出OLOID的电机输入速度ω₁与OLOID体的输出速度ω₂间的关系式：

其中ω₁为输入件电机的角速度，ω₂为OLOID体质心位置的平均角速度，β为输入件电机的旋转中心线与OLOID轴线之间的夹角，φ为输入件电机从初始位置(装置位置所表示的0位置)开始转过的角度；

步骤2，进行伺服电机速度调试，设定伺服电机1输入速度ω₁为定常速度，通过计算或仿真得到OLOID质心处的速度ω₂曲线；

步骤3，从步骤2中ω₂曲线中，找出OLOID最小速度点；

步骤4，根据伺服电机可控制速度的特性，按ω_2T-ω₂的速度补偿形式重新设置伺服电机速度，其中ω_2T为OLOID质心速度的期望值；

步骤5，重复步骤2至4，直到OLOID质心速度满足用户的对速度波动的要求，得到OLOID质心速度波动在速度不均匀系数1/10～1/25的范围内。

在本发明提供的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法中，其特征在于，还包括：

步骤6，通过增大OLOID体的中心距，使得OLOID体的体积增加，增大搅动范围，从而增加水体增养量。

另外，在本发明提供的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法中，其特征在于，还包括：

步骤7，OLIOD体的参数化设计***，具有参数化设计、除藻机的装配和除藻机的实体模型浏览等功能。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，通过设置伺速电机为定常速，用计算分析、计算机仿真等方法得出OLOID的输出速度，分析并调试伺服电机，使除藻机在某一速度达到最小位置时对旋转速度进行补偿，使得除藻机保持匀速旋转，并确保旋转速度达到可以有效绞碎海藻的程度。

重新设计计算了oloid的中心距，增加水体交换量，提高驱动除藻机在水面行进的动力，也提高了水体的氧含量。

附图说明

图1是本发明的实施例一中单伺服电机OLOID除藻机示意图；

图2是本发明的实施例一中OLOID工作原理示意图；

图3是本发明的实施例中通过仿真得出的OLOID质心处的速度ω₂曲线图；

图4是本发明的实施例中通过计算得出的OLOID质心处的速度ω₂曲线图；

图5是本发明的实施例中标准OLOID中心距示意图；

图6是本发明的实施例中非标准OLOID中心距示意图；

图7是本发明的实施例中Oloid体的参数化设计***的屏幕照片；

图8是本发明的实施例二中单伺服电机OLOID除藻机示意图；以及

图9是本发明的实施例三中双伺服电机OLOID除藻机示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法作具体阐述。

针对OLOID体作为机构的输出构件后，输入构件的运动和OLOID运动变化的不同步使得OLOID的运动不流畅，从而产生运动速度过小时的视觉停顿现象，当在最小速度时若被藻类缠绕，则极易导致除藻机停止工作的问题，本发明提出了一种提升OLOID除藻机最小防缠绕工作速度和水体增养量更大的优化设计方法，该方法基于OLOID除藻机的工作原理和结构组成，研究得到电机与OLOID之间的速度关系式。综合考虑产品成本、结构稳定性和水体增养量等指标，得到了OLOID除藻机的防缠绕最小速度和水体增养量更大的优化设计方法。

实施例一

以单伺服电机OLOID除藻机为例，如图1所示，OLOID除藻机包括伺服电机1、套筒联轴器2、联接块3、拔叉4、OLOID体5、拔叉6、联接块7、套筒联轴器8、连架杆9、机架10、伺服电机控制器11。

本发明的技术方案包括如下步骤：

1.研究OLOID除藻机的工作原理和结构组成，推导并总结出OLOID的电机输入速度ω₁与OLOID体的输出速度ω₂间的关系。

OLOID体是1929年德国数学家Paul Schatz发现的一种特殊形体的几何结构体，OLOID巧妙的运用流体力学原理，使其在流体运动中最大范围的规避阻力，形成了奇特的流体运行轨迹。Oloid体由两个半径r相等的圆在相互垂直的两平面内形成的凸包骨架重叠而成。

标准Oloid体两圆的圆心之间距离等于它们的半径，此时，两个圆分别经过另一圆心位置。一个圆的1/3的周长嵌入到另一个圆中，即从几何学和动力学观点上解释，只需要两个240°且半径相等的圆弧就能构成oloid的形状。

OLOID工作原理如图2所示,伺服电机1和联接块3通过套筒联轴器2刚性联接，转化为图2中标注的“电机1+联接块3”,连接机架的连架杆9和联接块7通过套筒联轴器8刚性联接，转化为图2中标注的“连架杆9+联接块7”，“电机1+联接块3”与拔叉4组成了十字轴式万向连轴节，和“连架杆9+联接块7”与拔叉7组成了十字轴式万向连轴节。

根据机械原理中十字轴式万向连轴节运动速度及相关理论知识，得出OLOID的电机输入速度ω₁与OLOID体的输出速度ω₂间的关系式：

式中：ω₁为输入件伺服电机1的角速度，ω₂为OLOID体质心位置的平均角速度，β为输入件电机的旋转中心线与OLOID轴线之间的夹角，

为输入件伺服电机1从初始位置(装置位置所表示的0位置)开始转过的角度。

2.伺服电机速度调试

(1)找出OLOID最小速度点。

设定伺服电机1输入速度ω₁为定常速度，通过三维实体建模和仿真得出如图3所示的OLOID质心处的速度ω₂曲线。

通过公式(1)求解得曲线如图4所示,通过比较图3和图4，可以发现计算验证最小速度位置与仿真结果是一致的，实施例中，采用Matlab软件对公式(1)进行求解。

图3中横坐标的的时间为0位置与图2中的电机初始位置相对应。由图3可以看出，当伺服电机平均转速为ω₁，除藻机工作周期T为1/ω₁，在每个周期的T/5和4T/5这两个时刻，oloid速度最小，就是卡顿位置，整个工作周期中OLOID的速度波动很大。

(2)通过伺服电机可控制速度的特性，按ω_2T-ω₂的速度补偿形式重新设置伺服电机速度，其中ω_2T为OLOID质心速度的期望值。

(3)重复步骤(1)和(2)，直到OLOID质心速度满足用户的对速度波动的要求，得到OLOID质心速度波动在速度不均匀系数1/10～1/25的范围内。

3.增大OLOID体的中心距，可增加OLOID体的体积，增大搅动范围，从而增加水体增养量。

如图5所示，设组成Oloid体的两等径圆半径为r，OLOID体两圆的中心距为a＝r。用步骤2的方法调试OLOID除藻机，得到结论：当中心距为1.4a时，可得到体积大且最小防缠绕速度满足要求的OLOID除藻机，如图6所示，中心距为1.4a。

4.OLOID除藻机的参数化设计。

为快速响应不同客户对设备的不同要求，本发明还设计了Oloid体的参数化设计***。

***包括：OLIOD体的参数化设计、除藻机的装配和除藻机的实体模型浏览等功能。

如图7所示，应用本***仅需输入少量参数便可自动生成Oloid头的三维模型与除藻机的三维装配体。

实施例二

本实施例采用实施例一中的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法设计一种伺服电机驱动的防缠绕OLOID除藻机。

本实施例选用伺服电机作为驱动装置，在旋转到速度最小位置时，提高最小速度，防止缠绕。通过设置伺速电机为等速，用计算分析和计算机仿真方法得出OLOID的输出速度，分析并调试伺服电机，使除藻机在某一速度达到最小位置时对旋转速度进行补偿，并尽可能的保持匀速旋转，确保旋转速度达到可以有效绞碎海藻的程度。重新设计计算了oloid的中心距，增加水体交换量，提高驱动除藻机在水面行进的动力，也提高了水体的氧含量。

如图8所示，伺服电机驱动的防缠绕OLOID除藻机100包括机架1a、伺服电机2a、伺服电机控制器3a、套筒联轴器4a、套筒联轴器14a，联接销轴5a、联接销轴13a,联接块6a、联接块12a，装有深沟球轴承的隔圈7a、隔圈11a,拔叉8a、拔叉10a、OLOID体9a以及连架杆15a。

伺服电机2a、伺服电机控制器3a分别设置在机架1a上，伺服电机2a的输出轴、伺服电机控制器3a中的连架杆15a分别垂直穿过机架1a底部，均露出机架1a。

OLOID体9a的一端与拔叉8a活动连接，另一端与拔叉10a活动连接。

两个隔圈7a分别设置在联接块6a中，两个隔圈11a分别设置在联接块12a中，联接块6a与拔叉8a活动连接，联接块12a与拔叉10a活动连接。

联接销轴5a、联接销轴13a分别活动连接联接块6a、联接块12a。

套筒联轴器4a连接联接销轴5a和伺服电机2a的输出轴。

套筒联轴器14a分别连接联接销轴13a和连架杆15a。

伺服电机2a和伺服电机控制器3a按供应商对产品的使用要求正确连接好。伺服电机2a和联接销轴5a通过套筒联轴器4a联接在一起，穿过机架1a的电机安装孔固定在机架1a上，伺服电机2a旋转带动联接销轴5a旋转。同样方法将连架杆15a和联接销轴13a通过套筒联轴器14a联接在一起，穿过机架1a上的安装孔固定在机架1a上，作为机构中的从动件能够旋转。OLOID体9a的一端与拔叉8a活动连接，另一端与拔叉10a活动连接。装有深沟球轴承的隔圈7a安装在联接块6a中，并和拔叉8a活动连接。联接块6a和拔叉8a连接后具有上下、左右、前后三个方向的旋转运动,组成了十字轴万向节结构。同样，装有深沟球轴承的隔圈11a安装在联接块12a中，并和拔叉10a活动连接。联接块12a和拔叉10a连接后组成了另一个十字轴万向节结构。

当伺服驱动器3a驱动伺服电机2a开始工作时，通过伺服驱动器3a的输入端口设置伺服电机2a的运行速度,通过套筒联轴器4a带动联接销轴5a产生旋转运动，再带动联接块6a和拔叉8a组成的十字轴万向节结构运动，在联接块12a和拔叉10a组成的十字轴万向节结构及连架杆15a的约束下，OLOID体9a产生周期性的旋转和摆动。

本实施例中的oloid体按中心距可以分为二种形式：

1.标准OLOID:两半径为r的等径圆组成，两圆分别经过另一圆圆心位置，两圆心间的标准中心距a＝r。OLOID总长3a。标准oloid体结构紧凑，但是与水体交换量小，一次性处理藻类水域的面积小。

2.非标准OLOID：两半径为r的等径圆组成，两圆都不经过另一圆圆心位置，两圆心间的中心距为标准中心距的1.4倍。OLOID总长3.4r。此oloid体不仅与水体交换量大，驱动除藻机的行进动力和OLOID的速度均匀性综合效果也较好。

实施例三

本实施例采用实施例一中的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法设计一种双伺服电机驱动的防缠绕OLOID除藻机。

本实施例选用两个伺服电机，通过伺服电机可控制速度的特性，当oloid在某个位置旋转时出现最小速度时，通过伺服***的控制提高在旋转到此位置的速度。因为伺服电机是一个典型的闭环反馈***，减速齿轮组由电机驱动，其终端即输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于0，从而达到使伺服电机精确定位与定速的目的。因此当oloid头在转到最低速度时，此时伺服电机增强脉冲信号提高转速，从而提高了原本在此位置的最小转速，防止因速度低导致的缠绕。所以把原本的从动机构添加伺服电机，对旋转速度进行补偿，提高绞碎藻类的工作动力，可以有效地解决了在某个位置速度瞬时减小出现卡顿从而被缠绕的问题。

本实施例通过计算加仿真得到了最小速度的位置，对伺服电机的控制***进行设置。

当伺服电机进入正常工作时，以图2为oloid除藻机速度的初始位置，当伺服电机平均转速为常值ω₁时，oloid质心的平均速度如图3所示，由图3可以看出，时间周期为T＝1/ω₁，在每个周期的T/5以及4T/5这两个时刻，oloid速度最小，就是卡顿位置。

通过伺服电机功率计算，选取小体积、高精度高转速交流伺服电机型号：60CB040C-2DE6E，额定功率为400w。通过伺服电机可控制速度的特性，按ω_8T-ω₈的速度补偿形式重新设置如图9中的伺服电机2的速度，其中ω_8T为OLOID质心速度的期望值,ω₈为图3所示的电机速度为常数时的OLOID质心速度。再次通过计算加仿真检验OLOID质心速度，按0.2*(ω_8T-ω₈)并提前1/4相位设置伺服电机4的速度作速度补偿。双电机驱动加补偿的形式提高了OLOID质心运动速度的稳定性。双伺服电机对称布置的方式也增加了设备的平稳性。

标准oloid结构紧凑运动特性好，但是与水体交换量小。在本发明中用双伺服电机解决了最小防缠绕速度后，为了增加水体交换量，重新设计计算了oloid的中心距得到非标准型号oloid，将标准OLOID中心距增大40％，与原来的标准oloid结构及水体相比，水体交换量提高了约25％，其形状如图6所示。

如图9所示，双伺服电机驱动的防缠绕OLOID除藻机200包括机架1b、伺服电机2b、伺服电机16b、伺服电机控制器3b、伺服电机控制器15b、套筒联轴器4b、套筒联轴器14b、联接销轴5b、联接销轴13b、联接块6b、联接块12b、装有深沟球轴承的隔圈7b、装有深沟球轴承的隔圈11b、拔叉8b、拔叉10b、OLOID体9b。

伺服电机2b、伺服电机16b、伺服电机控制器3b、伺服电机控制器15b分别设置在机架1b上，伺服电机2b的输出轴、伺服电机16b的输出轴分别垂直穿过机架1b的底部，均露出机架1b。

OLOID体9b的一端与拔叉8b活动连接，另一端与拔叉10b活动连接。

两个隔圈7b分别设置在联接块6b中，两个隔圈11b分别设置在联接块12b中，联接块6b与拔叉8b活动连接，联接块12b与拔叉10b活动连接。

联接销轴5b、联接销轴13b分别活动连接联接块6b、联接块12b。

套筒联轴器4b分别连接联接销轴5b和伺服电机2b的输出轴，套筒联轴器14b分别连接联接销轴13b和伺服电机16b的输出轴。

伺服电机2b和伺服电机控制器3b、伺服电机16b和伺服电机控制器15b分别按供应商对产品的使用要求正确连接好。伺服电机2b和联接销轴5b通过套筒联轴器4b联接在一起，穿过机架1b的电机安装孔固定在机架1b上，伺服电机2b旋转带动联接销轴5b旋转。同样方法将伺服电机16b和联接销轴13b通过套筒联轴器14b联接在一起，穿过机架1b上的安装孔固定在机架1b上，伺服电机16b带动联接销轴13b作速度补偿旋转。OLOID体9b的一端与拔叉8b活动连接，另一端与拔叉10b活动连接。装有深沟球轴承的隔圈7b安装在联接块6b中，并和拔叉8b活动连接。联接块6b和拔叉8b连接后具有上下、左右、前后三个方向的旋转运动,组成了十字轴万向节结构。同样，装有深沟球轴承的隔圈11b安装在联接块12b中，并和拔叉10b活动连接。联接块12b和拔叉10b连接后组成了另一个十字轴万向节结构。

当伺服驱动器3b驱动伺服电机2b开始工作时，通过伺服驱动器3b的输入端口设置伺服电机2b的驱动运行速度,通过伺服驱动器15b的输入端口设置伺服电机16b的补偿速度。通过套筒联轴器4b带动联接销轴5b产生旋转运动，再带动联接块6b和拔叉8b组成的十字轴万向节结构运动，在联接块12b和拔叉10b组成的十字轴万向节结构及伺服电机16b补偿速度的共同作用下，OLOID体9a产生较平稳的周期性旋转和摆动。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，通过设置伺速电机为定常速，用计算分析、计算机仿真等方法得出OLOID的输出速度，分析并调试伺服电机，使除藻机在某一速度达到最小位置时对旋转速度进行补偿，使得除藻机保持平稳旋转，并确保旋转速度达到可以有效绞碎海藻的程度。

另外，重新设计了oloid的中心距，能够增加水体交换量，提高驱动除藻机在水面行进的动力，也提高了水体的氧含量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，研究OLOID除藻机的工作原理和结构组成，推导总结出OLOID的电机输入速度ω₁与OLOID体的输出速度ω₂间的关系式：

其中ω₁为输入件电机的角速度，ω₂为OLOID体的输出速度，取OLOID质心位置的平均角速度，β为输入件电机的旋转中心线与OLOID轴线之间的夹角，

为输入件电机从初始位置开始转过的角度；

步骤2，进行伺服电机速度调试，设定伺服电机1输入速度ω₁为定常速度，通过计算或仿真得到OLOID体的输出速度ω₂曲线；

步骤3，从步骤2中所述ω₂曲线中，找出OLOID最小速度点；

步骤4，根据伺服电机可控制速度的特性，按ω_2T-ω₂的速度补偿形式重新设置伺服电机速度，其中ω_2T为OLOID质心速度的期望值；

步骤5，重复步骤2至4，直到OLOID质心速度满足用户的对速度波动的要求，得到OLOID质心速度波动在速度不均匀系数1/10～1/25的范围内。

2.根据权利要求1所述的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，其特征在于，还包括：

步骤6，通过增大OLOID体的中心距，使得OLOID体的体积增加，增大搅动范围，从而增加水体增养量。

3.根据权利要求1所述的除藻机防缠绕最小速度的优化设计方法，其特征在于，还包括：

步骤7，OLIOD体的参数化设计***，具有参数化设计、除藻机的装配和除藻机的实体模型浏览功能。

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