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裝載機(jī)是一種非常常見的工程機(jī)械， 它被廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。 隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展， 裝載機(jī)的需求量也在逐年增加。但是目前在國(guó)內(nèi)、 外大多數(shù)裝載機(jī)上還都沒(méi)有一種比較精確的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)， 在一些需要對(duì)貨物重量進(jìn)行稱量的場(chǎng)合， 目前只能將裝載機(jī)駛離工作地點(diǎn)進(jìn)行離線測(cè)量，因而嚴(yán)重降低了工作效率。 另外， 在對(duì)卡車或火車進(jìn)行裝載時(shí)， 由于對(duì)貨物重量無(wú)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(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在裝載機(jī)將貨物舉起的同時(shí)稱量出貨物的重量，將會(huì)有很大的現(xiàn)實(shí)意義，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）可大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減輕司機(jī)和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而節(jié)省大量的人力和物力； （2）可以預(yù)防因過(guò)載而造成的危險(xiǎn)事故的發(fā)生， 將增強(qiáng)操作的安全性； （3）可將裝載機(jī)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(chǎng)合。（4） 研制的裝載機(jī)動(dòng)態(tài)載重測(cè)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(yùn)輸車輛， 將大大提高工程車輛的使用性能和自動(dòng)化程度。 總之， 裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)若能研制成功， 將會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測(cè)量方案的設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)現(xiàn)方案

通過(guò)調(diào)研， 我們發(fā)現(xiàn)在目前國(guó)內(nèi)外已有的裝載機(jī)稱重測(cè)量系統(tǒng)中， 主要有以下3種實(shí)現(xiàn)方式 [1-3] ：

（1）通過(guò)應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)。有研究者將應(yīng)變片加裝于裝載機(jī)鏟斗的支撐鉸鏈處或動(dòng)臂梁上實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)載重測(cè)量。 但這種實(shí)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(dòng)臂梁上， 則載重量與貼于動(dòng)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(jì)算不準(zhǔn)確， 從而使測(cè)量精度得不到保證。

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)特殊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。有些研究者設(shè)計(jì)一種安裝于裝載機(jī)工作裝置上的平行4 連桿機(jī)構(gòu)，使動(dòng)臂在舉升過(guò)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(wèn)題是所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置復(fù)雜， 安裝困難且影響裝載機(jī)的正常工作范圍，因此不宜采用。

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

考慮到前兩種實(shí)現(xiàn)方式所存在的不足之處， 同時(shí)裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)的規(guī)范性也決定了載重量與動(dòng)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(shí)現(xiàn)方案。

1.2 測(cè)量方法

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

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料[3-5]， 我們發(fā)現(xiàn)， 裝載機(jī)舉起一定重量的物塊時(shí)，動(dòng)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(shí)線、 點(diǎn)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(zhǎng)趨勢(shì)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(cè)量的方法，即將行程的開始和終了階段的測(cè)量值排除， 不將其引入計(jì)算， 而在動(dòng)臂舉升過(guò)程的P－·L曲線中選取線性和平行性較好的一段， 作為計(jì)算的依據(jù)， 這樣一來(lái)，便可以忽略舉升角加速度·的影響。

 在不同的載荷下， 裝載機(jī)動(dòng)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(duì)曲線進(jìn)行標(biāo)定 （即通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，例如2.4噸和3.29噸， 得到上方實(shí)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(chǔ)起來(lái)） ， 然后再測(cè)量待測(cè)重物， 得到實(shí)測(cè)的動(dòng)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(yùn)算后取平均值，從而可計(jì)算出物料的重量， 理論上可以獲得很高的測(cè)量精度， 并且計(jì)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(cè)量——曲線標(biāo)定——比例線性運(yùn)算”的方法作為本裝載機(jī)動(dòng)態(tài)載重系統(tǒng)的測(cè)量方案。

2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件平臺(tái)總體框架

在測(cè)量方案確定后， 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)決定了整個(gè)系統(tǒng)的成敗， 下面將介紹針對(duì)這種方案的硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

我們?cè)谟布O(shè)計(jì)的過(guò)程中以上述的測(cè)量方案為依托， 主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是： （1） 載重測(cè)量信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理、計(jì)算； （2）實(shí)現(xiàn)對(duì)載重測(cè)量過(guò)程的控制； （3）有用數(shù)據(jù)和報(bào)表的存儲(chǔ)、打印； （4）遠(yuǎn)程和本地通訊傳輸； （5）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能。

針對(duì)上述5點(diǎn)功能要求，整個(gè)硬件平臺(tái)分為以下幾個(gè)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(jì)。

2.2 各部分電路簡(jiǎn)介

(1) 核心電路

主要由嵌入式ARM 微處理器和FLASH 存儲(chǔ)器組成， 是整個(gè)硬件平臺(tái)的核心。 主要功能是： （1） 將標(biāo)定曲線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH 存儲(chǔ)器中以用于稱重時(shí)的計(jì)算過(guò)程； （2）將A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定的方法進(jìn)行計(jì)算以得到最終的結(jié)果， 即裝載機(jī)的實(shí)際載重量； （3）對(duì)外圍電路中的各部分模塊進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

在核心電路中選用了ARM32 位嵌入式微處理器HMS30C7202，因?yàn)槠涔δ軓?qiáng)大且易擴(kuò)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(lái)，通過(guò)編寫較為簡(jiǎn)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(shí)鐘電路等組成。其中，壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器各兩個(gè)，分別用于進(jìn)油口和出油口。壓力傳感器安裝于動(dòng)臂油缸中，它將油壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器則將舉升液壓缸油壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以用于之后的計(jì)算。 接近開關(guān)傳感器用于控制在動(dòng)臂舉升過(guò)程中的區(qū)段測(cè)量， 它向核心電路發(fā)送一個(gè)開關(guān)信號(hào)， 若鏟斗已處于可用于區(qū)段測(cè)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(hào)，最大輸入壓力為50MP（500bar） ，毫伏級(jí)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(dá)24位， 測(cè)量精度較高， 而且還具有信號(hào)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(tái)與PC機(jī)之間的通訊， 實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與其它上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程傳輸； （2）鍵盤及其接口，用于用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制， 以便于進(jìn)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(jī)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(jī)主要是在戶外工作，若選用彩色顯示器很可能會(huì)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(shí)際需求出發(fā)，決定擴(kuò)展一個(gè)5×4矩陣的鍵盤， 以及一個(gè)與串行口相連的漢字熱敏微型打印機(jī)；另外加入了CAN 總線通訊驅(qū)動(dòng)芯片TJA1050 和MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以實(shí)現(xiàn)本平臺(tái)的通訊功能。

(4) 電源電路

由幾個(gè)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供，為標(biāo)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(lái)為接近開關(guān)傳感器供電，5V電壓用來(lái)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(jí)應(yīng)用的設(shè)計(jì)

考慮到裝載機(jī)這一特定研究對(duì)象的工作環(huán)境的惡劣性，因而在本稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之初，便以面向工業(yè)級(jí)應(yīng)用作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

由于本系統(tǒng)是由裝載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)因負(fù)載突變、 以及操作不當(dāng)?shù)仍蚩赡軙?huì)產(chǎn)生電源沖擊。面對(duì)這種情況，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源電路時(shí)決定選擇具有寬電壓輸入的穩(wěn)壓電源模塊， 以此來(lái)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(dú)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(duì)硬件平臺(tái)做了特殊的絕緣處理， 以求將溫度和濕度對(duì)系統(tǒng)的影響降到最低。

另外，在機(jī)殼的設(shè)計(jì)過(guò)程中也加入了防水，防塵和抗震的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)， 防護(hù)等級(jí)已達(dá)到IP64級(jí)， 這樣可使系統(tǒng)更加堅(jiān)固耐用。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

在本系統(tǒng)研制完成后， 我們?cè)谏綎|臨工現(xiàn)場(chǎng)將其安裝在ZL50F型裝載機(jī)上，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

如表1所示，我們用本系統(tǒng)測(cè)量了10斗沙土，并同時(shí)使用分度值為1kg的地磅進(jìn)行測(cè)量。以下是將兩種測(cè)量方法進(jìn)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(jì)誤差在±1％以內(nèi)， 可見其測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，從而驗(yàn)證了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，可以將本系統(tǒng)投入到實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中。

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