裝載機是一種非常常見的工程機械， 它被廣泛的應用於國民經濟的各個生產領域。 隨著我國現代化建設事業的發展， 裝載機的需求量也在逐年增加。但是目前在國內、 外大多數裝載機上還都沒有一種比較精確的動態稱重係統， 在一些需要對貨物重量進行稱量的場合， 目前隻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， 由於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。

如果能夠成功研製一種裝載機動態稱重係統實現在裝載機將貨物舉起的同時稱量出貨物的重量，將會有很大的現實意義，主要表現在以下幾方麵：（1）可大幅度提高勞動生產率、減輕司機和工人的勞動強度，從而節省大量的人力和物力； （2）可以預防因過載而造成的危險事故的發生， 將增強操作的安全性； （3）可將裝載機的使用範圍拓寬到諸如建築、 化工、 釀造業等需要按重量比例配料的場合。（4） 研製的裝載機動態載重測量係統還可推廣應用到叉車、大型翻鬥車、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， 裝載機動態稱重係統若能研製成功， 將會帶來顯著的經濟效益和社會效益。

1 裝載機動態稱重係統測量方案的設計

1.1 實現方案

通過調研， 我們發現在目前國內外已有的裝載機稱重測量係統中， 主要有以下3種實現方式 [1-3] ：

（1）通過應變片實現。有研究者將應變片加裝於裝載機鏟鬥的支撐鉸鏈處或動臂梁上實現裝載機載重測量。 但這種實現方式存在著很大的不足之處，若將應變片裝於支撐鉸鏈處， 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；若裝於動臂梁上， 則載重量與貼於動臂梁上應變片的應變之間的函數關係難以確定且計算不準確， 從而使測量精度得不到保證。

（2）通過設計特殊機構實現。有些研究者設計一種安裝於裝載機工作裝置上的平行4 連杆機構，使動臂在舉升過程中鏟鬥中物料重量始終以垂直向下方向作用於傳感器， 所存在的問題是所設計的機械裝置複雜， 安裝困難且影響裝載機的正常工作範圍，因此不宜采用。

（3） 采用在動臂舉升液壓缸內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。

考慮到前兩種實現方式所存在的不足之處， 同時裝載機工作裝置結構的規範性也決定了載重量與動臂舉升液壓缸壓力的函數關係式是可以確定的，因此我們選擇第3種方法作為實現方案。

1.2 測量方法

在製定了合適的實現方案之後， 首要的任務就是要找到裝載機動臂油缸油壓和載重量之間的關係，並設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，應當考慮該方法的可行性和適用性，也就是既要便於通過硬件實現，又要考慮工業現場應用的簡單易用性。

通過查閱文獻資料[3-5]， 我們發現， 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和活塞杆的行程·L之間也並非完全的線性關係。 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，由於受到角加速度?的影響， P－·L曲線呈非線性，但是在其餘絕大部分行程中，曲線均是呈線性增長趨勢的，而且3條曲線大致呈平行關係。

該情況表明，若采用區段內測量的方法，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， 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係，因而我們可以先對曲線進行標定 （即通過測量兩個標準質量塊，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，並將該曲線上的數據存儲起來） ， 然後再測量待測重物， 得到實測的動臂油缸壓力曲線（中間的虛線曲線） ，將3組數據經比例線性運算後取平均值，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， 並且計算量也不大， 具有很好的可行性。 鑒於此， 我們決定采用上述的 “區段測量——曲線標定——比例線性運算”的方法作為本裝載機動態載重係統的測量方案。

2 硬件平台的設計與實現

2.1 硬件平台總體框架

在測量方案確定後， 硬件平台的設計決定了整個係統的成敗， 下麵將介紹針對這種方案的硬件平台的設計。

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

針對上述5點功能要求，整個硬件平台分為以下幾個部分：電源電路， 采樣電路， 核心電路， 外圍電路。 下麵分別介紹這幾部分電路的功能和設計。

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， 是整個硬件平台的核心。 主要功能是： （1） 將標定曲線的數據存儲在FLASH 存儲器中以用於稱重時的計算過程； （2）將A/D轉換器得到的數據按預定的方法進行計算以得到最終的結果， 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製，以實現人機交互功能。

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；片上操作係統選用了·C/OS操作係統，並使用miniGUI構造圖形用戶界麵，這樣一來，通過編寫較為簡單的應用程序即可以使用戶獲得較為美觀和方便的操作界麵。

(2) 采樣電路

由壓力傳感器、A/D 轉換器、接近開關傳感器和時鍾電路等組成。其中，壓力傳感器和A/D轉換器各兩個，分別用於進油口和出油口。壓力傳感器安裝於動臂油缸中，它將油壓轉換為電信號，而A/D轉換器則將舉升液壓缸油壓模擬信號轉換為數字量以用於之後的計算。 接近開關傳感器用於控製在動臂舉升過程中的區段測量， 它向核心電路發送一個開關信號， 若鏟鬥已處於可用於區段測量的範圍內則該開關量的值為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 轉換器選用了AD7730 [6] 型電橋傳感器模數轉換電路。 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，其中串口模塊用於本平台與PC機之間的通訊， 實現程序和數據的下載和上傳等功能；CAN 總線模塊用於實現數據與其它上位機之間的遠程傳輸； （2）鍵盤及其接口，用於用戶對係統進行控製， 以便於進行輸入、 控製等各種操作 ；（3）LCD顯示器及其接口，用於顯示稱重結果以及相關操作參數； （4）打印機及其接口，用於打印最終結果，以便於使用者記錄和保存。

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，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 總線通訊驅動芯片TJA1050 和MAX3232電平轉換芯片，以實現本平台的通訊功能。

(4) 電源電路

由幾個電壓轉換模塊構成， 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動機提供，為標稱24V，輸出電壓由其餘各部分電路的需要而定，為12V和5V。12V電壓用來為接近開關傳感器供電，5V電壓用來為核心電路、A/D 轉換器及LCD 顯示器等其他器件供電。

2.3 麵向工業級應用的設計

考慮到裝載機這一特定研究對象的工作環境的惡劣性，因而在本稱重係統的設計之初，便以麵向工業級應用作為設計的出發點。

由於本係統是由裝載機發動機供電， 可能因其供電不穩定而使電源模塊輸入範圍變得很寬， 同時因負載突變、 以及操作不當等原因可能會產生電源衝擊。麵對這種情況，我們在設計電源電路時決定選擇具有寬電壓輸入的穩壓電源模塊， 以此來增加係統的可靠性。 因而我們選用了輸入電壓範圍在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。

考慮到本係統主要在戶外使用， 因此對硬件平台做了特殊的絕緣處理， 以求將溫度和濕度對係統的影響降到最低。

另外，在機殼的設計過程中也加入了防水，防塵和抗震的設計環節， 防護等級已達到IP64級， 這樣可使係統更加堅固耐用。

3 實驗驗證與結論

在本係統研製完成後， 我們在山東臨工現場將其安裝在ZL50F型裝載機上，通過大量的實驗對係統的性能進行了驗證。

如表1所示，我們用本係統測量了10鬥沙土，並同時使用分度值為1kg的地磅進行測量。以下是將兩種測量方法進行比較後所得的結果：

可以看出， 本係統的單鬥最大誤差控製在±5％以內， 累計誤差在±1％以內， 可見其測量精度已經達到了較高的水平，從而驗證了本係統的設計是成功的，可以將本係統投入到實際的生產應用中。

參考文獻:

[1] 常軼. 裝載機智能稱重係統的研製[D]. 北京,北京科技大學土木與環境工程學院,1998.

[2] 蔡菲娜, 梁利華. 裝載機智能測重裝置的研製[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. 裝載機載重測量係統數學模型[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. 高性能模數與數模轉換器件[M]. 西安電子科技大學出版社,2000.

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