裝載機動態(tài)稱重儀表的設(shè)計與實現(xiàn)

1、裝載機動態(tài)稱重儀表的設(shè)計與實現(xiàn)朱婧王益?。ǎ┠暇├砉ご髮W(xué)自動化學(xué)院南京摘要：為提高裝載機動態(tài)稱重系統(tǒng)的精度，在裝載機工作裝置的動力學(xué)模型中加入了車輛行駛加速度，以補償慣性力對稱重結(jié)果的影響，完善了動力學(xué)模型。提出了動態(tài)稱重儀表的軟硬件設(shè)計方案，分別利用磁編碼器、壓力變送器、加速傳感器，測量動臂的俯仰角度、舉升油缸的油壓及垂直于動臂方向的加速度，傳感器信號經(jīng)濾波處理后根據(jù)模型解算出裝載的物料重?zé)o線傳輸?shù)葦U展功能，并采用實驗定標(biāo)的方法補償測量誤差，經(jīng)驗證系統(tǒng)獲得量。實現(xiàn)了裝載機動態(tài)稱重功能及顯示、良好的測量精度。動力學(xué)模型；測量精度關(guān)鍵詞：動態(tài)稱重；中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：（

2、，），：，：；引言為避免裝載機對火車、卡車等進行裝卸時出現(xiàn)超載等現(xiàn)象，需要掌握貨物的重量。而裝載機始終處于流水作業(yè)。所以采用動態(tài)狀態(tài)，難以用固定的衡器對它進行稱重干擾等因素的影響，研究尚處于初級階段，裝載機的動態(tài)稱重的研究尚比較滯后。裝載機本身的工作結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜，且其工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，導(dǎo)致難以建立準(zhǔn)確的動力學(xué)模型。近年來，不斷涌現(xiàn)各種新的研究成果。和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法被引入裝載機動態(tài)稱重中，提高了測量精度。質(zhì)量測量系統(tǒng)的動力學(xué)模型應(yīng)用到工程實際中還是存在諸多問題，需要對其進一步完善才能加以應(yīng)用。稱重系統(tǒng)，對裝載貨物的重量進行動態(tài)測量，從而能清楚地顯示出所裝載的物料重量，無須停斗，舉升過程中

3、自動稱重，節(jié)省作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的方法是當(dāng)動臂上升至兩個磁性接近傳感器所固定的區(qū)間時，系統(tǒng)對液，壓缸的壓力值進行采樣稱重結(jié)果會有較大偏差。國內(nèi)裝載機工作裝置動力學(xué)模型改進裝載機的工作裝置由動臂、鏟斗、搖臂和拉桿等組成。與搖臂與左右動臂相連的舉臂油缸用來完成升降臂作業(yè)，。目前應(yīng)用最為廣相連的翻斗油缸用來完成翻斗作業(yè)動態(tài)稱重產(chǎn)品的精度大都在。在當(dāng)前測量領(lǐng)域，動態(tài)測量受非線性、慣性沖擊和隨機收稿日期：中國科技核心期刊國外電子測量技術(shù)泛的稱重方案為根據(jù)裝載機非行駛狀態(tài)下工作結(jié)構(gòu)的動裝載機進行裝卸作業(yè)時，力學(xué)模型計算負(fù)載。但實際上，不可能保持靜止或勻速行駛狀態(tài)，處于變加速的行駛過程中。由于車輛

4、行駛產(chǎn)生的加速度，對工作裝置存在慣性作用，若不加以考慮，必定會影響測量精度，故本文建立裝載機工作裝置動力學(xué)模型時加入了車輛行駛加速度。裝載機工作裝置的幾何示意圖及受力分析如圖所示?？傻幂d重為：（）（）（）動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計動態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖所示，主要分為信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和功能擴展模塊。圖裝載機工作裝置幾何示意圖及受力分析圖中的連線與水平面的夾角，為為鉸點、動臂相對于水平面的俯仰角，均為工作裝置的、幾何尺寸，由三角關(guān)系可以得到圖動態(tài)稱重系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)（。為動臂加鏟斗質(zhì)量的質(zhì)心到鉸點的距）離，為動臂加鏟斗的質(zhì)量，為裝載物料的質(zhì)量。為舉升油缸對動臂的壓力，針對的裝載機為雙

5、動臂結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的舉升油缸對稱且為相互連通的同一油路系統(tǒng)，所以只對其中一側(cè)油缸油壓測量便可得知兩側(cè)油缸的壓力，（故其中）、分別為舉升油缸進油口和出油口的壓強，、分別為舉升油缸進油口和出油口的截面積。動臂舉升時，鏟斗和物料除了隨動臂進行牽連運動外，還在翻斗裝置的作用下相對于動臂轉(zhuǎn)過了一定角度，保持垂直狀態(tài)，所以可以將鏟斗和物料的重力作用視為對動臂的恒外力作用。取裝載機為參考系，假設(shè)裝載機這個非慣性系以加速度相對于地面運動，那么動臂、鏟斗和物料將受到與該加速度方向相反的慣性力作用。動臂舉升過程中，翻斗油缸處于鎖閉狀態(tài)，使得鏟斗始終保持垂直方向，因而鏟斗和物料的慣性力作用于翻斗機構(gòu)，并不作用于動臂

6、，所以只考慮動臂受到的慣性力。以動臂為研究對象做受力分析，動臂所受的合力：矩為數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理部分的核心采用公司的內(nèi)核為微處理器，位。具有高能的信號處理功能與低成本和易于使用的優(yōu)點的組處理器系列的低功耗、。此合具有快內(nèi)置程序存儲器，速、高精度的位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）模塊支持所有的總線協(xié)議。信號采集模塊舉升油缸油壓的測量采用博航公司的具有精度高、抗振動、頻繁裝載機專用的壓力變送器，沖擊等優(yōu)點，將壓力信號轉(zhuǎn)換為的電壓信號輸出，稱重儀表可以直接采集電壓信號，無需放大，抗干擾性好，溫度漂移小。安裝時在裝載機一側(cè)的動臂舉升油缸的液壓回路上的進油口和出油口各安裝一個，差分便可得到壓力信號。選用旋轉(zhuǎn)

7、磁編碼器測量動臂的俯仰角度，磁編碼設(shè)計，采用無接觸式的磁編碼器芯片能夠在整個°范圍內(nèi)實現(xiàn)高分辨率的旋轉(zhuǎn)位置編碼，提供位分辨率。安裝時通過機械傳動裝置，的瞬時位置指示使磁編碼）（行駛（）（）式中：為動臂沿鉸點的轉(zhuǎn)動慣量，為加速度計在動臂上安裝位置離鉸點的距離。同時又有：器與動臂同軸轉(zhuǎn)動，通過接口每隔發(fā)出一幀數(shù)據(jù)，實時輸出動臂的角度位置信息。選用三軸加速度計，輸出三軸方向加速度值，安裝在動臂上。安裝時保證動臂水平時加速度計的、軸也保持水平即加速度為且軸與動臂平行。軸方向的加速度測量值即指示垂直于動臂方向的加速度值，為重力加速度、車輛行駛加速度和動臂舉升加速度的合加速度，也由接口每隔輸出一

8、幀數(shù)據(jù)。中國科技核心期刊舉升（）（）將式（兩式聯(lián)立，設(shè)加速度傳感器測得垂直于動臂方向的加速度為則：行駛舉升，國外電子測量技術(shù)功能擴展模塊功能擴展模塊主要包括數(shù)據(jù)顯示與人機交互、無線通信及系統(tǒng)報警。數(shù)據(jù)顯示與人機交互模塊選用寸的，背光的亮暗調(diào)節(jié)電阻式觸摸屏選用背光源驅(qū)動元件背光高亮穩(wěn)定，便于夜間完成，作業(yè)。其最大特點是不需要借助鍵盤、鼠標(biāo)等附加輸入工具，。對于直接實現(xiàn)人機互動根的觸屏位置坐標(biāo)的確定，）據(jù)電阻屏的原理由引腳和的觸摸傳感輸入（引腳以及一些簡單的外圍電路完成。微控制器從模塊和轉(zhuǎn)換模塊得到傳感器信號值。信號采集中會受到噪聲干擾，系統(tǒng)采用數(shù)字濾波，不僅對抑制噪聲、消除干擾能夠起到輔助作用，

9、而且。對提高儀表的測量精度、減小測量誤差具有重要作用采用遞推平均濾波法對傳感器采集的信號進行濾波處理。該種方法對周期性干擾有良好的抑制作用，而且平滑度較。根據(jù)已知的動力學(xué)模型和參數(shù)，解算出鏟斗內(nèi)的高載荷重量，并實時在累計裝載重屏上顯示單斗重量、量以及車輛信息，并當(dāng)裝載質(zhì)量超限時發(fā)出警報信號，并根據(jù)需要將這些信息通過無線傳輸給控制中心。無線模塊接收控制中心通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的指令，同時也向控制中心發(fā)送裝載機工作情況及稱重數(shù)據(jù)。傳輸距離不受限制，便于控制中心同時管理多臺裝載機，提高了管。理效率針對傳輸距離、系統(tǒng)成本與維護等一系列問題，基于。無線通信采用芯片完成。其工作頻公司的，率為有短消息和其在可種通信

10、方式，無線網(wǎng)絡(luò)連接條件下，嵌入?yún)f(xié)議、等協(xié)議的數(shù)據(jù)通。信采用命令完成對該之間通過串口連接，提出無線傳輸?shù)姆桨競鬏斈K，實驗分析及誤差補償稱重儀表設(shè)計完成后，將傳感器及儀表安裝在沃爾沃，其額定載重為在裝載現(xiàn)場進行大量裝載機上，實驗，對稱重儀表的功能進行驗證并且進行質(zhì)量標(biāo)定實驗。由于裝載機動態(tài)稱重系統(tǒng)的誤差來源復(fù)雜，本系統(tǒng)需要提前定標(biāo)，將一系列干擾誤差記錄下來，然后在使用過程中根據(jù)需要讀取記錄下來的誤差進行真實值的補償，故需要將這些干擾誤差數(shù)據(jù)保存在掉電不丟失的磁電存儲器中。選取的裝載對象為沙土，每次實驗稱量的沙土質(zhì)量由，小到大，從每組質(zhì)量相差左右。將到沙土由分度為再將該重的地磅稱量得到標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，量

11、的沙土由裝載機舉升，通過動態(tài)稱重系統(tǒng)測量出質(zhì)量。實驗得到的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和動態(tài)稱重系統(tǒng)測量出的質(zhì)量一一對應(yīng)，按大小順序存儲在磁電存儲器中，將以上存儲的數(shù)據(jù)稱為定標(biāo)表用于誤差補償。質(zhì)量標(biāo)定完成后，動態(tài)稱重系統(tǒng)根據(jù)模型解算出質(zhì)量后，執(zhí)行查表程序，首先確定出該質(zhì)量處于磁電中存儲的定標(biāo)表的哪兩個測量值之間以及與它們對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，然后利用最小二乘擬合，從而得到誤差補償后質(zhì)量。表為動態(tài)稱重儀對物料重量的測量結(jié)果，單斗誤差控制在±左右。表動態(tài)稱重儀測量結(jié)果動態(tài)稱重結(jié)果地磅稱重結(jié)果誤差（）模塊的控制。報警模塊由口通過驅(qū)動電路驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出噪聲，提醒駕駛員系統(tǒng)異?；蚴俏锪铣亍討B(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件

12、流程圖如圖所示。系統(tǒng)開機上電后進行自檢，主要檢查與三個傳感器的數(shù)據(jù)通信是否正常，若有故障發(fā)出警報。裝載機駕駛員通過觸摸屏錄入車輛信息及作業(yè)信息，并且通過觸摸屏完成系統(tǒng)配置，包括零點配置及有效稱重區(qū)間配置。在進行動態(tài)稱重前需選定有效稱重區(qū)間，即動臂向上舉升過程中，只采用某一角度區(qū)間內(nèi)的信號作為有效的輸入值，低于或高于這個角度區(qū)間均為無效數(shù)據(jù)。這種做法可以避免插入工況、鏟裝工況、卸載工況、動臂下降工況，只取滿足動態(tài)稱重條件的舉升工況進行信號采集。若不設(shè)置，采用默認(rèn)區(qū)間進行稱重。圖系統(tǒng)軟件設(shè)計流程中國科技核心期刊國外電子測量技術(shù)結(jié)論實現(xiàn)了動態(tài)稱重研制的動態(tài)稱重儀表經(jīng)實驗驗證，功能，并獲得良好的測量精

13、度。驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性，可應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。完成了人機界面的設(shè)計，使得該儀表可以輸入作業(yè)及車輛等信息，并根據(jù)實際情況完成配置。儀表擴展了方無線通信功能，便對多臺裝載機的管理與調(diào)度。該儀表小巧、操作方便，具有良好的穩(wěn)定性和擴展性，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻魏先民經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在稱重檢測中的應(yīng)用研究：（）自動化儀表，中原鄭州：王凱裝載機智能動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計工學(xué)院，高宇輪式裝載機動態(tài)稱重的理論分析和實驗研究吉林大學(xué)，長春：西安：楊波波裝載機車載自動稱重儀系統(tǒng)研究長安大學(xué)，李學(xué)忠裝載機載重測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型劉傳榕，）：工程機械，（吳瑾，蔣銀珍嵌入式系統(tǒng)原理與實踐王宜懷，北京：電子工微控制器業(yè)出版社，：王樹潔，等增量式編碼器自動檢測王希軍，杜穎財，：系統(tǒng)）電子測量與儀器學(xué)報，（耿琳，黃再輝，等基于液晶和觸摸屏的數(shù)黃松濤，字電源人機交互系統(tǒng)設(shè)計電子測量技術(shù)，：），（蘇王富東電阻式觸摸屏與單片機的接口技術(shù)：（）州大學(xué)學(xué)報：工科版，陳曉艷，房曉東，高偉，等太陽能熱水系統(tǒng)能耗的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計國外電子測量技術(shù)，：（）陳愚，蘇