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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)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 隨著我國現(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。但是目前在國內(nèi)、 外大多數(shù)裝載機(jī)上還都沒有一種比較精確的動態(tài)稱重系統(tǒng)， 在一些需要對貨物重量進(jìn)行稱量的場合， 目前只能將裝載機(jī)駛離工作地點進(jìn)行離線測量， 因而嚴(yán)重降低了工作效率。 另外， 在對卡車或火車進(jìn)行裝載時， 由于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。

如果能夠成功研制一種裝載機(jī)動態(tài)稱重系統(tǒng)實現(xiàn)在裝載機(jī)將貨物舉起的同時稱量出貨物的重量，將會有很大的現(xiàn)實意義，主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）可大幅度提高勞動生產(chǎn)率、減輕司機(jī)和工人的勞動強(qiáng)度，從而節(jié)省大量的人力和物力； （2）可以預(yù)防因過載而造成的危險事故的發(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合。（4） 研制的裝載機(jī)動態(tài)載重測量系統(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化程度。 總之， 裝載機(jī)動態(tài)稱重系統(tǒng)若能研制成功， 將會帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 裝載機(jī)動態(tài)稱重系統(tǒng)測量方案的設(shè)計

1.1 實現(xiàn)方案

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

（1）通過應(yīng)變片實現(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臂梁上實現(xiàn)裝載機(jī)載重測量。 但這種實現(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；若裝于動臂梁上， 則載重量與貼于動臂梁上應(yīng)變片的應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系難以確定且計算不準(zhǔn)確， 從而使測量精度得不到保證。

（2）通過設(shè)計特殊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。有些研究者設(shè)計一種安裝于裝載機(jī)工作裝置上的平行4 連桿機(jī)構(gòu)，使動臂在舉升過程中鏟斗中物料重量始終以垂直向下方向作用于傳感器， 所存在的問題是所設(shè)計的機(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） 采用在動臂舉升液壓缸內(nèi)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(jī)的載重量。

考慮到前兩種實現(xiàn)方式所存在的不足之處， 同時裝載機(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種方法作為實現(xiàn)方案。

2 硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件平臺總體框架

在測量方案確定后， 硬件平臺的設(shè)計決定了整個系統(tǒng)的成敗， 下面將介紹針對這種方案的硬件平臺的設(shè)計。

我們在硬件設(shè)計的過程中以上述的測量方案為依托， 主要設(shè)計目標(biāo)是： （1） 載重測量信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理、計算； （2）實現(xiàn)對載重測量過程的控制； （3）有用數(shù)據(jù)和報表的存儲、打?。?（4）遠(yuǎn)程和本地通訊傳輸； （5）實現(xiàn)人機(jī)交互等功能。
裝載機(jī)稱重

針對上述5點功能要求，設(shè)計硬件平臺框架圖如圖3所示。如圖，整個硬件平臺分為以下幾個部分：電源電路， 采樣電路， 核心電路， 外圍電路。 下面分別介紹這幾部分電路的功能和設(shè)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， 是整個硬件平臺的核心。 主要功能是： （1） 將標(biāo)定曲線的數(shù)據(jù)存儲在FLASH 存儲器中以用于稱重時的計算過程； （2）將A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)按預(yù)定的方法進(jìn)行計算以得到最終的結(jié)果， 即裝載機(jī)的實際載重量； （3）對外圍電路中的各部分模塊進(jìn)行控制，以實現(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，因為其功能強(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，通過編寫較為簡單的應(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)傳感器和時鐘電路等組成。其中，壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器各兩個，分別用于進(jìn)油口和出油口。壓力傳感器安裝于動臂油缸中，它將油壓轉(zhuǎn)換為電信號，而A/D轉(zhuǎn)換器則將舉升液壓缸油壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以用于之后的計算。 接近開關(guān)傳感器用于控制在動臂舉升過程中的區(qū)段測量， 它向核心電路發(fā)送一個開關(guān)信號， 若鏟斗已處于可用于區(qū)段測量的范圍內(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，最大輸入壓力為50MP（500bar） ，毫伏級輸出，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，其中串口模塊用于本平臺與PC機(jī)之間的通訊， 實現(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；從實際需求出發(fā)， 決定擴(kuò)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(jī)；另外加入了CAN 總線通訊驅(qū)動芯片TJA1050 和MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，以實現(xiàn)本平臺的通訊功能。

(4) 電源電路

由幾個電壓轉(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電壓用來為接近開關(guān)傳感器供電，5V電壓用來為核心電路、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)級應(yīng)用的設(shè)計

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

由于本系統(tǒng)是由裝載機(jī)發(fā)動機(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， 同時因負(fù)載突變、 以及操作不當(dāng)?shù)仍蚩赡軙a(chǎn)生電源沖擊。面對這種情況，我們在設(shè)計電源電路時決定選擇具有寬電壓輸入的穩(wěn)壓電源模塊， 以此來增加系統(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， 因此對硬件平臺做了特殊的絕緣處理， 以求將溫度和濕度對系統(tǒng)的影響降到最低。

另外，在機(jī)殼的設(shè)計過程中也加入了防水，防塵和抗震的設(shè)計環(huán)節(jié)， 防護(hù)等級已達(dá)到IP64級， 這樣可使系統(tǒng)更加堅固耐用。

3 實驗驗證與結(jié)論

在本系統(tǒng)研制完成后， 我們在山東臨工現(xiàn)場將其安裝在ZL50F型裝載機(jī)上，通過大量的實驗對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證。

我們用本系統(tǒng)測量了10斗沙土，并同時使用分度值為1kg的地磅進(jìn)行測量。以下是將兩種測量方法進(jìn)行比較后所得的結(jié)果：本系統(tǒng)的單斗最大誤差控制在±5％以內(nèi)， 累計誤差在±1％以內(nèi)， 可見其測量精度已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，從而驗證了本系統(tǒng)的設(shè)計是成功的，可以將本系統(tǒng)投入到實際的生產(chǎn)應(yīng)用中。

 

作者：王松柏

 

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