裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤的研制

曹奉城 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所

裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤是一種安裝在輪式裝載機(jī)上，用來計(jì)量裝載量的電子衡器設(shè)備。它可以提供被稱重物料的單鏟值、累計(jì)值等各種裝載信息并具有編輯、存儲(chǔ)、無線輸出及打印等功能。在裝貨的同時(shí)，動(dòng)態(tài)同步反映裝貨量，幫助客戶快捷、低成本的完成稱重作業(yè)，被廣泛應(yīng)用于廠礦、港口、鐵路等散貨裝卸作業(yè)中 。

1 研制裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤的背景及意義

目前國內(nèi)生產(chǎn)的裝載機(jī)電子秤的設(shè)計(jì)原理均采用位置傳感器方式，即當(dāng)裝載機(jī)動(dòng)臂上升至位置傳感器（接近開關(guān)）所固定的位置時(shí)，系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臂舉升液壓缸的壓力值進(jìn)行采樣。這種僅僅依靠單點(diǎn)采樣來完成裝載機(jī)稱重的方法存在嚴(yán)重缺陷，因?yàn)檠b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)境比較惡劣，動(dòng)態(tài)測(cè)量受非線性、慣性沖擊、液壓波動(dòng)、路面狀況和隨機(jī)干擾等因素的影響較多。所以，目前國內(nèi)裝載機(jī)電子秤不可避免存在較大偏差，實(shí)際測(cè)量精度大都在3%～10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，因此國內(nèi)各行業(yè)迫切需要能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)且符合檢定規(guī)程的新型裝載機(jī)電子秤。

裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤在國內(nèi)首次成功地采用了傾角和角度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?，同時(shí)著重通過在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理電路及程序上提高稱重精度，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度可達(dá)到0.5%～1%，完全滿足國標(biāo)要求，可解決現(xiàn)有裝載機(jī)電子秤測(cè)量精度不能達(dá)到要求的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)真正意義上的裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重。

2 主要結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

裝載機(jī)新型電子秤主要由壓力傳感器、溫度傳感器、角度傳感器、傾角傳感器、稱重儀表及安裝附件等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理及主要功能

通過兩個(gè)壓力傳感器檢測(cè)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升油缸活塞兩端的壓力差，對(duì)舉升速度進(jìn)行補(bǔ)償后，運(yùn)用數(shù)字模擬軟件將壓力差轉(zhuǎn)換為重量信號(hào)。其中溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償；傾角傳感器對(duì)其進(jìn)行傾斜角度補(bǔ)償；角度傳感器對(duì)動(dòng)臂油缸舉升角度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)可以檢測(cè)到動(dòng)臂油缸舉升的角加速度，并做出相應(yīng)的補(bǔ)償；稱重儀表對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，在儀表的屏幕上顯示出稱重結(jié)果，并具有編輯、存儲(chǔ)、無線輸出及打印等功能。

3 技術(shù)方案

在裝載機(jī)的動(dòng)臂上安裝角度傳感器來取代接近開關(guān)，這就相當(dāng)于在裝載機(jī)臂上安裝了N 個(gè)接近開關(guān)，在裝載機(jī)上舉的過程中可以對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、排序、篩選、平均等數(shù)據(jù)處理，從而排除干擾，得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。此角度傳感器的另一作用是通過計(jì)算裝載機(jī)上舉的過程對(duì)角度變化的速度的測(cè)量，可計(jì)算出角加速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的修正。同時(shí)，在駕駛室安裝了傾角傳感器，用于裝載機(jī)前、后及左、右傾斜造成的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正及裝載機(jī)加、減速行駛造成的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正。這樣真正實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重，目前實(shí)測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到了0.5%～1%以內(nèi)。

4 研制過程

4.1 安裝方案設(shè)計(jì)

（1）壓力傳感器

2 個(gè)壓力傳感器分別安裝在裝載機(jī)動(dòng)臂油缸的進(jìn)出油口法蘭上，壓力傳感器、安裝法蘭及壓力傳感器安裝位置照片分別如圖2、圖3、圖 4 所示。

圖2 壓力傳感器

圖3 安裝法蘭

圖4 壓力傳感器安裝位置

（2）角度傳感器和傾角傳感器

角度傳感器和傾角傳感器統(tǒng)稱為狀態(tài)傳感器，角度傳感器安裝在裝載機(jī)舉升油缸動(dòng)臂上，傾角傳感器安裝在裝載機(jī)機(jī)身上，安裝位置照片如圖5 所示。

圖5 安裝位置

（3）溫度傳感器

溫度傳感器集成在壓力傳感器之內(nèi)，這里不另做描述。

（4）中央處理器

中央處理器安裝在裝載機(jī)駕駛室里面，安裝位置照片如圖6 所示。

圖6 安裝位置圖

4.2 傳感器的選型

（1）壓力傳感器

選用WIKA 生產(chǎn)的S-20 壓力傳感器，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下：

量程：0～15 MPa；準(zhǔn)確度：0.2%FS；介質(zhì)溫度：-20 ℃～70℃；環(huán)境溫度：-40 ℃～85 ℃；過載壓力：≤2 倍量程；工作電壓：24VCD；輸出信號(hào)：4 mA～20 mA；安裝螺紋：M20*1.5。

（2）角度傳感器

采用3 軸加速度+3 軸陀螺儀組成的姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)制作。

（3）傾角傳感器

采用3 軸加速度+3 軸陀螺儀組成的姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)制作。

（4）溫度傳感器

選用DALLAS 生產(chǎn)的DS18B20 溫度傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程：-55 ℃～125 ℃；精度：±0.5 ℃。

4.3 數(shù)據(jù)采集處理裝置設(shè)計(jì)

（1）中央處理器

采用ARM STM32F103RBT6 32 位高速CPU。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

由 ARM STM32F103RBT6 ADC 完成。

（3）GPRS 模塊

SIM800。

4.4 稱重及參數(shù)界面設(shè)計(jì)

（1）稱重界面

稱重界面實(shí)物照片如圖7 所示。

圖7 稱重界面

稱重界面下的設(shè)計(jì)如下：

稱重狀態(tài)需要輸入本批次的“貨號(hào)”、“單位”、“車號(hào)”、“限重”數(shù)據(jù)。

最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)和之前累計(jì)數(shù)據(jù)超過“限重”后報(bào)警且不予保存。此時(shí)可調(diào)整物料再次稱重直至滿足要求。

裝載機(jī)車體任意方向傾角超過7°后報(bào)警。

開機(jī)默認(rèn)為非稱狀態(tài)，稱重的數(shù)據(jù)只顯示不保存。

“工作模式”按鈕用于切換非稱狀態(tài)和稱重狀態(tài)。

“置零”按鈕用于將最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)作為皮重。

“累清”按鈕用于將當(dāng)前裝載批次的稱重?cái)?shù)據(jù)歸零。

“刪除”按鈕用于將最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)從記錄中清除。

“扣減”按鈕用于待稱重?cái)?shù)據(jù)為上次稱重后未倒干凈貨物的稱重?cái)?shù)據(jù)。

“打印”按鈕用于將當(dāng)前裝載批次的稱重?cái)?shù)據(jù)打印。

“參數(shù)”按鈕用于切換至參數(shù)設(shè)置界面。

（2）參數(shù)界面

參數(shù)界面實(shí)物照片如圖8 所示。

圖8 參數(shù)界面

參數(shù)界面下的設(shè)計(jì)如下：

裝載機(jī)的油缸參數(shù)輸入：“缸徑”、“桿徑”。

系統(tǒng)顯示參數(shù)輸入：“分度值”。

標(biāo)定實(shí)重?cái)?shù)據(jù)輸入：“實(shí)重”(整車修正)。

點(diǎn)擊“實(shí)重”后面空格鍵，輸入需要增加的重量，按OK鍵，再按最下面行最左邊的空格鍵，最后按返回，完成整車修正。

觸摸時(shí)鐘顯示條可設(shè)置時(shí)鐘。

“標(biāo)定”按鈕用于4 個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)定。

“保存”按鈕用于標(biāo)定完成后的系統(tǒng)參數(shù)及標(biāo)定數(shù)據(jù)保存。

“返回”按鈕用于切換至系統(tǒng)稱重界面。

5 結(jié)束語

項(xiàng)目研制過程中充分采納了用戶提出的意見和建議，經(jīng)過近一年的試用與改進(jìn)，系統(tǒng)功能得到了進(jìn)一步優(yōu)化完善，實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)，獲得較好的實(shí)際效果。裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤是在國內(nèi)現(xiàn)有的裝載機(jī)電子秤的基礎(chǔ)上，采用了創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)理念，除了在硬件上增加了傾角和角度傳感器外，著重通過在軟件的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析上提高測(cè)量精度。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)稱重功能，并獲得良好的測(cè)量精度，達(dá)到了國家質(zhì)檢總局最新頒布的JJG 1123-2016《裝載機(jī)電子秤》檢定規(guī)程的要求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。