１　引　言

為避免裝載機對火車、卡車等進行裝卸時出現超載等現象，需要掌握貨物的重量。而裝載機始終處於流水作業狀態，難以用固定的衡器對它進行稱重［１］。所以采用動態稱重係統，對裝載貨物的重量進行動態測量，從而能清楚地顯示出所裝載的物料重量，無須停鬥，舉升過程中自動稱重，節省作業時間，提高生產效率。傳統的方法是當動臂上升至兩個磁性接近傳感器所固定的區間時，係統對液壓缸的壓力值進行采樣［２］，稱重結果會有較大偏差。國內動態稱重產品的精度大都在３％～１０％［３］。

在當前測量領域，動態測量受非線性、慣性衝擊和隨機幹擾等因素的影響，研究尚處於初級階段，裝載機的動態稱重的研究尚比較滯後。裝載機本身的工作結構受力相對複雜，且其工作環境複雜惡劣，導致難以建立準確的動力學模型。近年來，不斷湧現各種新的研究成果。ＥＭＤ和遺傳神經網絡等算法被引入裝載機動態稱重中，提高了測量精度。質量測量係統的動力學模型應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用。

２　裝載機工作裝置動力學模型改進

裝載機的工作裝置由動臂、鏟鬥、搖臂和拉杆等組成。與左右動臂相連的舉臂油缸用來完成升降臂作業，與搖臂相連的翻鬥油缸用來完成翻鬥作業［４］。目前應用最為廣泛的稱重方案為根據裝載機非行駛狀態下工作結構的動力學模型計算負載。但實際上，裝載機進行裝卸作業時，不可能保持靜止或勻速行駛狀態，處於變加速的行駛過程中。由於車輛行駛產生的加速度，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模型時加入了車輛行駛加速度。

θ_０為鉸點Ｏ_１、Ｏ_２的連線與水平麵的夾角，θ為動臂相對於水平麵的俯仰角，Ｌ_１、Ｌ_２、Ｂ均為工作裝置的幾何尺寸，由三角關係可以得到Ｌ_３^２＝Ｌ_１^２＋Ｌ_２^２＋２Ｌ_１Ｌ_２ｓｉｎ（θ＋θ_０）。Ｙ為動臂加鏟鬥質量的質心到鉸點Ｏ_１的距離，ｍ_０為動臂加鏟鬥的質量，ｍ為裝載物料的質量。Ｆ為舉升油缸對動臂的壓力，針對的裝載機為雙動臂結構，左右兩側的舉升油缸對稱且為相互連通的同一油路係統，所以隻對其中一側油缸油壓測量便可得知兩側油缸的壓力，故Ｆ＝２（ｐ_１ｓ_１－ｐ_２ｓ_２），其中ｐ_１、ｐ_２分別為舉升油缸進油口和出油口的壓強，ｓ_１、ｓ_２分別為舉升油缸進油口和出油口的截麵積。

動臂舉升時，鏟鬥和物料除了隨動臂進行牽連運動外，還在翻鬥裝置的作用下相對於動臂轉過了一定角度，保持垂直狀態，所以可以將鏟鬥和物料的重力作用視為對動臂的恒外力作用。取裝載機為參考係，假設裝載機這個非慣性係以加速度相對於地麵運動，那麽動臂、鏟鬥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，翻鬥油缸處於鎖閉狀態，使得鏟鬥始終保持垂直方向，因而鏟鬥和物料的慣性力作用於翻鬥機構，並不作用於動臂，所以隻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^［５］：
 

式中：Ｊ_ｗｂ為動臂沿鉸點的轉動慣量，Ｌ_０為加速度計在動臂上安裝位置離鉸點的距離。同時又有：
     

將式（１）（２）兩式聯立，設加速度傳感器測得垂直於動臂方向的加速度為ａＺ，則：ａ_Ｚ＝ａ_舉升－ａ_行駛ｓｉｎθ－ｇｃｏｓθ，可得載重為：

３　動態稱重係統硬件設計

動態稱重係統的硬件設計結構圖，主要分為信號采集模塊、數據處理模塊和功能擴展模塊。
    

３．１　數據處理模塊

數據處理部分的核心采用某公司的ＭＫ１０ＤＮ５１２ＶＬＬ１０微處理器，內核為３２位ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｘ－Ｍ４。ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｘ－Ｍ４具有高能的信號處理功能與Ｃｏｔｅｘ－Ｍ處理器係列的低功耗、低成本和易於使用的優點的組合^［６］。此ＭＣＵ內置５１２ＫＢ　ＦＡＬＳＨ程序存儲器，具有快速、高精度的１６位逐次逼近型模數轉換器（ＳＡＲＡＤＣ），ＦｌｅｘＣＡＮ模塊支持所有的ＣＡＮ２．０總線協議。

３．２　信號采集模塊

舉升油缸油壓的測量采用某公司的ＢＰＭ－Ｔ３２２Ｂ裝載機專用的壓力變送器，具有精度高、抗振動、頻繁衝擊等優點，將壓力信號轉換為１～５Ｖ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，抗幹擾性好，溫度漂移小。安裝時在裝載機一側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。

選用旋轉磁編碼器測量動臂的俯仰角度，磁編碼設計采用無接觸式的磁編碼器芯片ＡＳ５１４５，能夠在整個３６０°範圍內實現高分辨率的旋轉位置編碼，提供１２位分辨率的瞬時位置指示^［７］。安裝時通過機械傳動裝置，使磁編碼器與動臂同軸轉動，通過ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ發出一幀數據，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Ｘ、Ｙ軸也保持水平即加速度為０且Ｘ軸與動臂平行。Ｚ軸方向的加速度測量值即指示垂直於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ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ輸出一幀數據。

３．３　功能擴展模塊

功能擴展模塊主要包括數據顯示與人機交互、ＧＰＲＳ無線通信及係統報警。數據顯示與人機交互模塊選用３．２寸的電阻式觸摸屏ＩＮＡＮＢＯ－Ｔ３２－ＩＬＩ９３２０－Ｖ１２，背光的亮暗調節選用背光源驅動元件ＬＰ８５５６完成，背光高亮穩定，便於夜間作業。其最大特點是不需要借助鍵盤、鼠標等附加輸入工具，直接實現人機互動^［８］。對於ＬＣＤ的觸屏位置坐標的確定，根據電阻屏的原理^［９］，由ＭＣＵ的觸摸傳感輸入（ＴＳＩ）引腳和ＡＤＣ引腳以及一些簡單的外圍電路完成。

針對傳輸距離、係統成本與維護等一係列問題，基於ＧＰＲＳ傳輸模塊，提出無線傳輸的方案^［１０］。ＧＰＲＳ無線通信采用某公司的ＳＩＭ９００Ａ芯片完成。其工作頻率為ＧＳＭ／ＧＰＲＳ　９００／１８００ＭＨｚ，ＳＩＭ９００Ａ有短消息和ＧＰＲＳ　２種通信方式，其在ＧＰＲＳ無線網絡連接條件下，可嵌入ＴＣＰ／ＵＤＰ協議、ＦＴＰ／ＨＴＴＰ等協議的數據通信^［１１］。ＭＣＵ之間通過串口連接，采用ＡＴ命令完成對該模塊的控製。

報警模塊由ＧＰＩＯ口通過驅動電路驅動蜂鳴器發出噪聲，提醒駕駛員係統異常或是物料超重。

４　動態稱重係統軟件設計

係統開機上電後進行自檢，主要檢查與三個傳感器的數據通信是否正常，若有故障發出警報。裝載機駕駛員通過觸摸屏錄入車輛信息及作業信息，並且通過觸摸屏完成係統配置，包括零點配置及有效稱重區間配置。在進行動態稱重前需選定有效稱重區間，即動臂向上舉升過程中，隻采用某一角度區間內的信號作為有效的輸入值，低於或高於這個角度區間均為無效數據。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，隻取滿足動態稱重條件的舉升工況進行信號采集。若不設置，采用默認區間進行稱重。 
 

微控製器從ＦｌｅｘＣＡＮ模塊和Ａ／Ｄ轉換模塊得到傳感器信號值。信號采集中會受到噪聲幹擾，係統采用數字濾波，不僅對抑製噪聲、消除幹擾能夠起到輔助作用，而且對提高儀表的測量精度、減小測量誤差具有重要作用^［１２］。采用遞推平均濾波法對傳感器采集的信號進行濾波處理。該種方法對周期性幹擾有良好的抑製作用，而且平滑度較高^［１３］。根據已知的動力學模型和參數，解算出鏟鬥內的載荷重量，並實時在ＬＣＤ屏上顯示單鬥重量、累計裝載重量以及車輛信息，並當裝載質量超限時發出警報信號，並根據需要將這些信息通過無線傳輸給控製中心。

無線模塊接收控製中心通過網絡發來的指令，同時也向控製中心發送裝載機工作情況及稱重數據。傳輸距離不受限製，便於控製中心同時管理多台裝載機，提高了管理效率^［１４］。

５　實驗分析及誤差補償

稱重儀表設計完成後，將傳感器及儀表安裝在沃爾沃Ｌ９０Ｅ裝載機上，其額定載重為５ｔ，在裝載現場進行大量實驗，對稱重儀表的功能進行驗證並且進行質量標定實驗。由於裝載機動態稱重係統的誤差來源複雜，本係統需要提前定標，將一係列幹擾誤差記錄下來，然後在使用過程中根據需要讀取記錄下來的誤差進行真實值的補償，故需要將這些幹擾誤差數據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量由小到大，從１００ｋｇ到５ｔ，每組質量相差１0０ｋｇ左右。將沙土由分度為１ｋｇ的地磅稱量得到標準質量，再將該重量的沙土由裝載機舉升，通過動態稱重係統測量出質量。

實驗得到的標準質量和動態稱重係統測量出的質量一一對應，按大小順序存儲在磁電存儲器中，將以上存儲的數據稱為定標表用於誤差補償。

質量標定完成後，動態稱重係統根據模型解算出質量後，執行查表程序，首先確定出該質量處於磁電中存儲的定標表的哪兩個測量值之間以及與它們對應的標準質量，然後利用最小二乘擬合，從而得到誤差補償後質量。
    

６　結　論

研製的動態稱重儀表經實驗驗證，實現了動態稱重功能，並獲得良好的測量精度。驗證了該係統設計的合理性，可應用於生產實際中。完成了人機界麵的設計，使得該儀表可以輸入作業及車輛等信息，並根據實際情況完成配置。儀表擴展了ＧＰＲＳ無線通信功能，方便對多台裝載機的管理與調度。該儀表小巧、操作方便，具有良好的穩定性和擴展性，具有廣闊的應用前景。

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