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１　引　言

為避免裝載機(jī)對(duì)火車(chē)、卡車(chē)等進(jìn)行裝卸時(shí)出現(xiàn)超載等現(xiàn)象，需要掌握貨物的重量。而裝載機(jī)始終處于流水作業(yè)狀態(tài)，難以用固定的衡器對(duì)它進(jìn)行稱(chēng)重［１］。所以采用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，對(duì)裝載貨物的重量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而能清楚地顯示出所裝載的物料重量，無(wú)須停斗，舉升過(guò)程中自動(dòng)稱(chēng)重，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的方法是當(dāng)動(dòng)臂上升至兩個(gè)磁性接近傳感器所固定的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)對(duì)液壓缸的壓力值進(jìn)行采樣［２］，稱(chēng)重結(jié)果會(huì)有較大偏差。國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重產(chǎn)品的精度大都在３％～１０％［３］。

在當(dāng)前測(cè)量領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)測(cè)量受非線(xiàn)性、慣性沖擊和隨機(jī)干擾等因素的影響，研究尚處于初級(jí)階段，裝載機(jī)的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的研究尚比較滯后。裝載機(jī)本身的工作結(jié)構(gòu)受力相對(duì)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(dòng)力學(xué)模型。近年來(lái)，不斷涌現(xiàn)各種新的研究成果。ＥＭＤ和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法被引入裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重中，提高了測(cè)量精度。質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用到工程實(shí)際中還是存在諸多問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)一步完善才能加以應(yīng)用。

２　裝載機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型改進(jìn)

裝載機(jī)的工作裝置由動(dòng)臂、鏟斗、搖臂和拉桿等組成。與左右動(dòng)臂相連的舉臂油缸用來(lái)完成升降臂作業(yè)，與搖臂相連的翻斗油缸用來(lái)完成翻斗作業(yè)［４］。目前應(yīng)用最為廣泛的稱(chēng)重方案為根據(jù)裝載機(jī)非行駛狀態(tài)下工作結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算負(fù)載。但實(shí)際上，裝載機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，不可能保持靜止或勻速行駛狀態(tài)，處于變加速的行駛過(guò)程中。由于車(chē)輛行駛產(chǎn)生的加速度，對(duì)工作裝置存在慣性作用，若不加以考慮，必定會(huì)影響測(cè)量精度，故本文建立裝載機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型時(shí)加入了車(chē)輛行駛加速度。

θ_０為鉸點(diǎn)Ｏ_１、Ｏ_２的連線(xiàn)與水平面的夾角，θ為動(dòng)臂相對(duì)于水平面的俯仰角，Ｌ_１、Ｌ_２、Ｂ均為工作裝置的幾何尺寸，由三角關(guān)系可以得到Ｌ_３^２＝Ｌ_１^２＋Ｌ_２^２＋２Ｌ_１Ｌ_２ｓｉｎ（θ＋θ_０）。Ｙ為動(dòng)臂加鏟斗質(zhì)量的質(zhì)心到鉸點(diǎn)Ｏ_１的距離，ｍ_０為動(dòng)臂加鏟斗的質(zhì)量，ｍ為裝載物料的質(zhì)量。Ｆ為舉升油缸對(duì)動(dòng)臂的壓力，針對(duì)的裝載機(jī)為雙動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)的舉升油缸對(duì)稱(chēng)且為相互連通的同一油路系統(tǒng)，所以只對(duì)其中一側(cè)油缸油壓測(cè)量便可得知兩側(cè)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(jìn)油口和出油口的壓強(qiáng)，ｓ_１、ｓ_２分別為舉升油缸進(jìn)油口和出油口的截面積。

動(dòng)臂舉升時(shí)，鏟斗和物料除了隨動(dòng)臂進(jìn)行牽連運(yùn)動(dòng)外，還在翻斗裝置的作用下相對(duì)于動(dòng)臂轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)動(dòng)臂的恒外力作用。取裝載機(jī)為參考系，假設(shè)裝載機(jī)這個(gè)非慣性系以加速度相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)，那么動(dòng)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(dòng)臂舉升過(guò)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(jī)構(gòu)，并不作用于動(dòng)臂，所以只考慮動(dòng)臂受到的慣性力。

以動(dòng)臂為研究對(duì)象做受力分析，動(dòng)臂所受的合力矩為^［５］：
 

式中：Ｊ_ｗｂ為動(dòng)臂沿鉸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ｌ_０為加速度計(jì)在動(dòng)臂上安裝位置離鉸點(diǎn)的距離。同時(shí)又有：
     

將式（１）（２）兩式聯(lián)立，設(shè)加速度傳感器測(cè)得垂直于動(dòng)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(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，主要分為信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和功能擴(kuò)展模塊。
    

３．１　數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理部分的核心采用某公司的ＭＫ１０ＤＮ５１２ＶＬＬ１０微處理器，內(nèi)核為３２位ＡＲＭ?。茫铮簦澹停?。ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｘ－Ｍ４具有高能的信號(hào)處理功能與Ｃｏｔｅｘ－Ｍ處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合^［６］。此ＭＣＵ內(nèi)置５１２ＫＢ　ＦＡＬＳＨ程序存儲(chǔ)器，具有快速、高精度的１６位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＳＡＲＡＤＣ），ＦｌｅｘＣＡＮ模塊支持所有的ＣＡＮ２．０總線(xiàn)協(xié)議。

３．２　信號(hào)采集模塊

舉升油缸油壓的測(cè)量采用某公司的ＢＰＭ－Ｔ３２２Ｂ裝載機(jī)專(zhuān)用的壓力變送器，具有精度高、抗振動(dòng)、頻繁沖擊等優(yōu)點(diǎn)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為１～５Ｖ的電壓信號(hào)輸出，稱(chēng)重儀表可以直接采集電壓信號(hào)，無(wú)需放大，抗干擾性好，溫度漂移小。安裝時(shí)在裝載機(jī)一側(cè)的動(dòng)臂舉升油缸的液壓回路上的進(jìn)油口和出油口各安裝一個(gè)，差分便可得到壓力信號(hào)。

選用旋轉(zhuǎn)磁編碼器測(cè)量動(dòng)臂的俯仰角度，磁編碼設(shè)計(jì)采用無(wú)接觸式的磁編碼器芯片ＡＳ５１４５，能夠在整個(gè)３６０°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率的旋轉(zhuǎn)位置編碼，提供１２位分辨率的瞬時(shí)位置指示^［７］。安裝時(shí)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置，使磁編碼器與動(dòng)臂同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ發(fā)出一幀數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出動(dòng)臂的角度位置信息。

選用三軸加速度計(jì)，輸出三軸方向加速度值，安裝在動(dòng)臂上。安裝時(shí)保證動(dòng)臂水平時(shí)加速度計(jì)的Ｘ、Ｙ軸也保持水平即加速度為０且Ｘ軸與動(dòng)臂平行。Ｚ軸方向的加速度測(cè)量值即指示垂直于動(dòng)臂方向的加速度值，為重力加速度、車(chē)輛行駛加速度和動(dòng)臂舉升加速度的合加速度，也由ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ輸出一幀數(shù)據(jù)。

３．３　功能擴(kuò)展模塊

功能擴(kuò)展模塊主要包括數(shù)據(jù)顯示與人機(jī)交互、ＧＰＲＳ無(wú)線(xiàn)通信及系統(tǒng)報(bào)警。數(shù)據(jù)顯示與人機(jī)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(diào)節(jié)選用背光源驅(qū)動(dòng)元件ＬＰ８５５６完成，背光高亮穩(wěn)定，便于夜間作業(yè)。其最大特點(diǎn)是不需要借助鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等附加輸入工具，直接實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)^［８］。對(duì)于ＬＣＤ的觸屏位置坐標(biāo)的確定，根據(jù)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(jiǎn)單的外圍電路完成。

針對(duì)傳輸距離、系統(tǒng)成本與維護(hù)等一系列問(wèn)題，基于ＧＰＲＳ傳輸模塊，提出無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆桨?sup>［１０］。ＧＰＲＳ無(wú)線(xiàn)通信采用某公司的ＳＩＭ９００Ａ芯片完成。其工作頻率為ＧＳＭ／ＧＰＲＳ?。梗埃埃保福埃埃停龋樱桑停梗埃埃劣卸滔⒑停牵校遥印。卜N通信方式，其在ＧＰＲＳ無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接條件下，可嵌入ＴＣＰ／ＵＤＰ協(xié)議、ＦＴＰ／ＨＴＴＰ等協(xié)議的數(shù)據(jù)通信^［１１］。ＭＣＵ之間通過(guò)串口連接，采用ＡＴ命令完成對(duì)該模塊的控制。

報(bào)警模塊由ＧＰＩＯ口通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出噪聲，提醒駕駛員系統(tǒng)異常或是物料超重。

４　動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電后進(jìn)行自檢，主要檢查與三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通信是否正常，若有故障發(fā)出警報(bào)。裝載機(jī)駕駛員通過(guò)觸摸屏錄入車(chē)輛信息及作業(yè)信息，并且通過(guò)觸摸屏完成系統(tǒng)配置，包括零點(diǎn)配置及有效稱(chēng)重區(qū)間配置。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重前需選定有效稱(chēng)重區(qū)間，即動(dòng)臂向上舉升過(guò)程中，只采用某一角度區(qū)間內(nèi)的信號(hào)作為有效的輸入值，低于或高于這個(gè)角度區(qū)間均為無(wú)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(dòng)臂下降工況，只取滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)稱(chēng)重條件的舉升工況進(jìn)行信號(hào)采集。若不設(shè)置，采用默認(rèn)區(qū)間進(jìn)行稱(chēng)重。 
 

微控制器從ＦｌｅｘＣＡＮ模塊和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模塊得到傳感器信號(hào)值。信號(hào)采集中會(huì)受到噪聲干擾，系統(tǒng)采用數(shù)字濾波，不僅對(duì)抑制噪聲、消除干擾能夠起到輔助作用，而且對(duì)提高儀表的測(cè)量精度、減小測(cè)量誤差具有重要作用^［１２］。采用遞推平均濾波法對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。該種方法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，而且平滑度較高^［１３］。根據(jù)已知的動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)，解算出鏟斗內(nèi)的載荷重量，并實(shí)時(shí)在ＬＣＤ屏上顯示單斗重量、累計(jì)裝載重量以及車(chē)輛信息，并當(dāng)裝載質(zhì)量超限時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并根據(jù)需要將這些信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給控制中心。

無(wú)線(xiàn)模塊接收控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的指令，同時(shí)也向控制中心發(fā)送裝載機(jī)工作情況及稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)。傳輸距離不受限制，便于控制中心同時(shí)管理多臺(tái)裝載機(jī)，提高了管理效率^［１４］。

５　實(shí)驗(yàn)分析及誤差補(bǔ)償

稱(chēng)重儀表設(shè)計(jì)完成后，將傳感器及儀表安裝在沃爾沃Ｌ９０Ｅ裝載機(jī)上，其額定載重為５ｔ，在裝載現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)稱(chēng)重儀表的功能進(jìn)行驗(yàn)證并且進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。由于裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)的誤差來(lái)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(lái)，然后在使用過(guò)程中根據(jù)需要讀取記錄下來(lái)的誤差進(jìn)行真實(shí)值的補(bǔ)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(chǔ)器中。

選取的裝載對(duì)象為沙土，每次實(shí)驗(yàn)稱(chēng)量的沙土質(zhì)量由小到大，從１００ｋｇ到５ｔ，每組質(zhì)量相差１0０ｋｇ左右。將沙土由分度為１ｋｇ的地磅稱(chēng)量得到標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，再將該重量的沙土由裝載機(jī)舉升，通過(guò)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量出質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量出的質(zhì)量一一對(duì)應(yīng)，按大小順序存儲(chǔ)在磁電存儲(chǔ)器中，將以上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)稱(chēng)為定標(biāo)表用于誤差補(bǔ)償。

質(zhì)量標(biāo)定完成后，動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(chǔ)的定標(biāo)表的哪兩個(gè)測(cè)量值之間以及與它們對(duì)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(bǔ)償后質(zhì)量。
    

６　結(jié)　論

研制的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重功能，并獲得良好的測(cè)量精度。驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，可應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。完成了人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，使得該儀表可以輸入作業(yè)及車(chē)輛等信息，并根據(jù)實(shí)際情況完成配置。儀表擴(kuò)展了ＧＰＲＳ無(wú)線(xiàn)通信功能，方便對(duì)多臺(tái)裝載機(jī)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(kuò)展性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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