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１　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)狀態(tài)，難以用固定的衡器對它進行稱重［１］。所以采用動態(tài)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［２］，稱重結(jié)果會有較大偏差。國內(nèi)動態(tài)稱重產(chǎn)品的精度大都在３％～１０％［３］。

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。ＥＭＤ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。

２　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。與左右動臂相連的舉臂油缸用來完成升降臂作業(yè)，與搖臂相連的翻斗油缸用來完成翻斗作業(yè)［４］。目前應(yīng)用最為廣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)的動力學(xué)模型計算負載。但實際上，裝載機進行裝卸作業(yè)時，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。

θ_０為鉸點Ｏ_１、Ｏ_２的連線與水平面的夾角，θ為動臂相對于水平面的俯仰角，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為動臂加鏟斗質(zhì)量的質(zhì)心到鉸點Ｏ_１的距離，ｍ_０為動臂加鏟斗的質(zhì)量，ｍ為裝載物料的質(zhì)量。Ｆ為舉升油缸對動臂的壓力，針對的裝載機為雙動臂結(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，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^［５］：
 

式中：Ｊ_ｗｂ為動臂沿鉸點的轉(zhuǎn)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(lián)立，設(shè)加速度傳感器測得垂直于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(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，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。
    

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?。茫铮簦澹停淳哂懈吣艿男盘柼幚砉δ芘cＣｏｔｅｘ－Ｍ處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合^［６］。此ＭＣＵ內(nèi)置５１２ＫＢ?。疲粒蹋樱瘸绦虼鎯ζ鳎哂锌焖佟⒏呔鹊模保段恢鸫伪平湍?shù)轉(zhuǎn)換器（ＳＡＲＡＤＣ），ＦｌｅｘＣＡＮ模塊支持所有的ＣＡＮ２．０總線協(xié)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、頻繁沖擊等優(yōu)點，將壓力信號轉(zhuǎn)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)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ＡＳ５１４５，能夠在整個３６０°范圍內(nèi)實現(xiàn)高分辨率的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，通過ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ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ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ輸出一幀數(shù)據(jù)。

３．３　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、ＧＰＲＳ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)動元件ＬＰ８５５６完成，背光高亮穩(wěn)定，便于夜間作業(yè)。其最大特點是不需要借助鍵盤、鼠標(biāo)等附加輸入工具，直接實現(xiàn)人機互動^［８］。對于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引腳以及一些簡單的外圍電路完成。

針對傳輸距離、系統(tǒng)成本與維護等一系列問題，基于ＧＰＲＳ傳輸模塊，提出無線傳輸?shù)姆桨?sup>［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?。梗埃埃保福埃埃停龋?，ＳＩＭ９００Ａ有短消息和ＧＰＲＳ?。卜N通信方式，其在ＧＰＲＳ無線網(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之間通過串口連接，采用ＡＴ命令完成對該模塊的控制。

報警模塊由ＧＰＩＯ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?。

４　動態(tài)稱重系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，采用默認區(qū)間進行稱重。 
 

微控制器從ＦｌｅｘＣＡＮ模塊和Ａ／Ｄ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，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)已知的動力學(xué)模型和參數(shù)，解算出鏟斗內(nèi)的載荷重量，并實時在ＬＣＤ屏上顯示單斗重量、累計裝載重量以及車輛信息，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^［１４］。

５　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Ｌ９０Ｅ裝載機上，其額定載重為５ｔ，在裝載現(xiàn)場進行大量實驗，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的地磅稱量得到標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，再將該重量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。
    

６　結(jié)　論

研制的動態(tài)稱重儀表經(jīng)實驗驗證，實現(xiàn)了動態(tài)稱重功能，并獲得良好的測量精度。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ＧＰＲＳ無線通信功能，方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。

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