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裝載機是一種非常常見的工程機械， 它被廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展， 裝載機的需求量也在逐年增加。但是目前在國內(nèi)、 外大多數(shù)裝載機上還都沒有一種比較精確的動態(tài)稱重系統(tǒng)， 在一些需要對貨物重量進行稱量的場合， 目前只能將裝載機駛離工作地點進行離線測量，因而嚴重降低了工作效率。 另外， 在對卡車或火車進行裝載時， 由于對貨物重量無法掌控，因而容易造成超載，存在著很大的安全隱患。

如果能夠成功研制一種裝載機動態(tài)稱重系統(tǒng)實現(xiàn)在裝載機將貨物舉起的同時稱量出貨物的重量，將會有很大的現(xiàn)實意義，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）可大幅度提高勞動生產(chǎn)率、減輕司機和工人的勞動強度，從而節(jié)省大量的人力和物力； （2）可以預(yù)防因過載而造成的危險事故的發(fā)生， 將增強操作的安全性； （3）可將裝載機的使用范圍拓寬到諸如建筑、 化工、 釀造業(yè)等需要按重量比例配料的場合。（4） 研制的裝載機動態(tài)載重測量系統(tǒng)還可推廣應(yīng)用到叉車、大型翻斗車、自卸車等裝卸車輛和所有運輸車輛， 將大大提高工程車輛的使用性能和自動化程度。 總之， 裝載機動態(tài)稱重系統(tǒng)若能研制成功， 將會帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 裝載機動態(tài)稱重系統(tǒng)測量方案的設(shè)計

1.1 實現(xiàn)方案

通過調(diào)研， 我們發(fā)現(xiàn)在目前國內(nèi)外已有的裝載機稱重測量系統(tǒng)中， 主要有以下3種實現(xiàn)方式 [1-3] ：

（1）通過應(yīng)變片實現(xiàn)。有研究者將應(yīng)變片加裝于裝載機鏟斗的支撐鉸鏈處或動臂梁上實現(xiàn)裝載機載重測量。 但這種實現(xiàn)方式存在著很大的不足之處，若將應(yīng)變片裝于支撐鉸鏈處， 雖然很直觀而且也能夠獲得較高的精度，但其使用壽命得不到保證；若裝于動臂梁上， 則載重量與貼于動臂梁上應(yīng)變片的應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系難以確定且計算不準確， 從而使測量精度得不到保證。

（2）通過設(shè)計特殊機構(gòu)實現(xiàn)。有些研究者設(shè)計一種安裝于裝載機工作裝置上的平行4 連桿機構(gòu)，使動臂在舉升過程中鏟斗中物料重量始終以垂直向下方向作用于傳感器， 所存在的問題是所設(shè)計的機械裝置復(fù)雜， 安裝困難且影響裝載機的正常工作范圍，因此不宜采用。

（3） 采用在動臂舉升液壓缸內(nèi)加裝壓力傳感器的方法， 通過測量液壓缸中的油壓間接得到裝載機的載重量。

考慮到前兩種實現(xiàn)方式所存在的不足之處， 同時裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)的規(guī)范性也決定了載重量與動臂舉升液壓缸壓力的函數(shù)關(guān)系式是可以確定的，因此我們選擇第3種方法作為實現(xiàn)方案。

1.2 測量方法

在制定了合適的實現(xiàn)方案之后， 首要的任務(wù)就是要找到裝載機動臂油缸油壓和載重量之間的關(guān)系，并設(shè)計出一種既能保證測量速度又能獲得較高測量精度的測量方法。其次，應(yīng)當考慮該方法的可行性和適用性，也就是既要便于通過硬件實現(xiàn)，又要考慮工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的簡單易用性。

通過查閱文獻資料[3-5]， 我們發(fā)現(xiàn)， 裝載機舉起一定重量的物塊時，動臂油缸的壓力值P是在不斷變化的，壓力值P和活塞桿的行程·L之間也并非完全的線性關(guān)系。 實線、 點劃線和虛線分別表示載重量為空載、半載和滿載情況下的P－·L曲線。 從圖中可以看出在行程的初始階段和終了階段，由于受到角加速度?的影響， P－·L曲線呈非線性，但是在其余絕大部分行程中，曲線均是呈線性增長趨勢的，而且3條曲線大致呈平行關(guān)系。

該情況表明，若采用區(qū)段內(nèi)測量的方法，即將行程的開始和終了階段的測量值排除， 不將其引入計算， 而在動臂舉升過程的P－·L曲線中選取線性和平行性較好的一段， 作為計算的依據(jù)， 這樣一來，便可以忽略舉升角加速度·的影響。

 在不同的載荷下， 裝載機動臂油缸油壓基本保持著較好的比例關(guān)系，因而我們可以先對曲線進行標定 （即通過測量兩個標準質(zhì)量塊，例如2.4噸和3.29噸， 得到上方實線和下方短劃線兩條P－·L曲線，并將該曲線上的數(shù)據(jù)存儲起來） ， 然后再測量待測重物， 得到實測的動臂油缸壓力曲線（中間的虛線曲線） ，將3組數(shù)據(jù)經(jīng)比例線性運算后取平均值，從而可計算出物料的重量， 理論上可以獲得很高的測量精度， 并且計算量也不大， 具有很好的可行性。 鑒于此， 我們決定采用上述的 “區(qū)段測量——曲線標定——比例線性運算”的方法作為本裝載機動態(tài)載重系統(tǒng)的測量方案。

2 硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件平臺總體框架

在測量方案確定后， 硬件平臺的設(shè)計決定了整個系統(tǒng)的成敗， 下面將介紹針對這種方案的硬件平臺的設(shè)計。

我們在硬件設(shè)計的過程中以上述的測量方案為依托， 主要設(shè)計目標是： （1） 載重測量信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理、計算； （2）實現(xiàn)對載重測量過程的控制； （3）有用數(shù)據(jù)和報表的存儲、打印； （4）遠程和本地通訊傳輸； （5）實現(xiàn)人機交互等功能。

針對上述5點功能要求，整個硬件平臺分為以下幾個部分：電源電路， 采樣電路， 核心電路， 外圍電路。 下面分別介紹這幾部分電路的功能和設(shè)計。

2.2 各部分電路簡介

(1) 核心電路

主要由嵌入式ARM 微處理器和FLASH 存儲器組成， 是整個硬件平臺的核心。 主要功能是： （1） 將標定曲線的數(shù)據(jù)存儲在FLASH 存儲器中以用于稱重時的計算過程； （2）將A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定的方法進行計算以得到最終的結(jié)果， 即裝載機的實際載重量； （3）對外圍電路中的各部分模塊進行控制，以實現(xiàn)人機交互功能。

在核心電路中選用了ARM32 位嵌入式微處理器HMS30C7202，因為其功能強大且易擴展；片上操作系統(tǒng)選用了·C/OS操作系統(tǒng)，并使用miniGUI構(gòu)造圖形用戶界面，這樣一來，通過編寫較為簡單的應(yīng)用程序即可以使用戶獲得較為美觀和方便的操作界面。

(2) 采樣電路

由壓力傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、接近開關(guān)傳感器和時鐘電路等組成。其中，壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器各兩個，分別用于進油口和出油口。壓力傳感器安裝于動臂油缸中，它將油壓轉(zhuǎn)換為電信號，而A/D轉(zhuǎn)換器則將舉升液壓缸油壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以用于之后的計算。 接近開關(guān)傳感器用于控制在動臂舉升過程中的區(qū)段測量， 它向核心電路發(fā)送一個開關(guān)信號， 若鏟斗已處于可用于區(qū)段測量的范圍內(nèi)則該開關(guān)量的值為1，否則為0。

壓力傳感器選用了某公司的 H 8 /500bar型號，最大輸入壓力為50MP（500bar） ，毫伏級輸出，靈敏度為±2％。A/D 轉(zhuǎn)換器選用了AD7730 [6] 型電橋傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 其分辨率最高可達24位， 測量精度較高， 而且還具有信號放大和濾波等功能。

(3) 外圍電路

主要包括以下幾部分： （1）通訊接口，包括串口模塊和CAN總線模塊，其中串口模塊用于本平臺與PC機之間的通訊， 實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的下載和上傳等功能；CAN 總線模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)與其它上位機之間的遠程傳輸； （2）鍵盤及其接口，用于用戶對系統(tǒng)進行控制， 以便于進行輸入、 控制等各種操作 ；（3）LCD顯示器及其接口，用于顯示稱重結(jié)果以及相關(guān)操作參數(shù)； （4）打印機及其接口，用于打印最終結(jié)果，以便于使用者記錄和保存。

考慮到裝載機主要是在戶外工作，若選用彩色顯示器很可能會產(chǎn)生反光而使用戶看不清屏幕上的顯示，因此選用了16位輝度的單色LCD顯示；從實際需求出發(fā)，決定擴展一個5×4矩陣的鍵盤， 以及一個與串行口相連的漢字熱敏微型打印機；另外加入了CAN 總線通訊驅(qū)動芯片TJA1050 和MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以實現(xiàn)本平臺的通訊功能。

(4) 電源電路

由幾個電壓轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成， 主要功能是為采樣電路，核心電路和外圍電路供電。其輸入電壓由裝載機發(fā)動機提供，為標稱24V，輸出電壓由其余各部分電路的需要而定，為12V和5V。12V電壓用來為接近開關(guān)傳感器供電，5V電壓用來為核心電路、A/D 轉(zhuǎn)換器及LCD 顯示器等其他器件供電。

2.3 面向工業(yè)級應(yīng)用的設(shè)計

考慮到裝載機這一特定研究對象的工作環(huán)境的惡劣性，因而在本稱重系統(tǒng)的設(shè)計之初，便以面向工業(yè)級應(yīng)用作為設(shè)計的出發(fā)點。

由于本系統(tǒng)是由裝載機發(fā)動機供電， 可能因其供電不穩(wěn)定而使電源模塊輸入范圍變得很寬， 同時因負載突變、 以及操作不當?shù)仍蚩赡軙a(chǎn)生電源沖擊。面對這種情況，我們在設(shè)計電源電路時決定選擇具有寬電壓輸入的穩(wěn)壓電源模塊， 以此來增加系統(tǒng)的可靠性。 因而我們選用了輸入電壓范圍在18－36V之間的電源模塊為壓力傳感器供電，這樣可以適應(yīng)電壓的變化。另外，由該模塊單獨為壓力傳感器供電，也可起到隔離的效果。

考慮到本系統(tǒng)主要在戶外使用， 因此對硬件平臺做了特殊的絕緣處理， 以求將溫度和濕度對系統(tǒng)的影響降到最低。

另外，在機殼的設(shè)計過程中也加入了防水，防塵和抗震的設(shè)計環(huán)節(jié)， 防護等級已達到IP64級， 這樣可使系統(tǒng)更加堅固耐用。

3 實驗驗證與結(jié)論

在本系統(tǒng)研制完成后， 我們在山東臨工現(xiàn)場將其安裝在ZL50F型裝載機上，通過大量的實驗對系統(tǒng)的性能進行了驗證。

如表1所示，我們用本系統(tǒng)測量了10斗沙土，并同時使用分度值為1kg的地磅進行測量。以下是將兩種測量方法進行比較后所得的結(jié)果：

可以看出， 本系統(tǒng)的單斗最大誤差控制在±5％以內(nèi)， 累計誤差在±1％以內(nèi)， 可見其測量精度已經(jīng)達到了較高的水平，從而驗證了本系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，可以將本系統(tǒng)投入到實際的生產(chǎn)應(yīng)用中。

參考文獻:

[1] 常軼. 裝載機智能稱重系統(tǒng)的研制[D]. 北京,北京科技大學土木與環(huán)境工程學院,1998.

[2] 蔡菲娜, 梁利華. 裝載機智能測重裝置的研制[J]. 工程機械,2003(9):20-22.

[3] 王偉, 王田苗, 魏洪興, 陳殿生. 裝載機動臂舉升角加速度對動態(tài)載重測量的影響研究[Z]. 北京, 北京航空航天大學,2005.

[4] 劉傳榕, 李學忠. 裝載機載重測量系統(tǒng)數(shù)學模型[J]. 工程機械,1997(1):11-12.

[5] 徐士良, 計算機常用算法[M]. 北京, 清華大學出版社, 1995,187-196.

[6] 劉書明, 劉斌. 高性能模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件[M]. 西安電子科技大學出版社,2000.

 

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