挖掘機配重重心自動檢測裝置設(shè)計

陳軍

（安徽理工大學(xué)機械工程分院，安徽淮南，232001）

0 引言

重心高度影響挖掘機操縱穩(wěn)定性、平順性和安全性的重要指標。雖然挖掘機制造商通常會提供空載時挖掘機的相關(guān)參數(shù)，但當(dāng)挖掘機的負荷變化顯著時，會改變挖掘機的重心。重心高度過高時，就會導(dǎo)致挖掘機在挖掘作業(yè)時，容易發(fā)生傾倒的風(fēng)險，發(fā)生安全事故和財產(chǎn)的損失，重心的位置是結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的參數(shù)指標，提高挖掘機配重的合格率，那么就可以避免事故。因此，急需一種能夠通過檢測平臺快速/準確的測量大型結(jié)構(gòu)件高度的檢測設(shè)備。

1 重心測量原理

1.1 重心測量方法現(xiàn)狀

在國外，他們很早就開始對大型結(jié)構(gòu)的重心位置和位置的研究價值進行了深入研究，一些代表性的案例一般來自歐美等一些發(fā)達國家，比如對航天航空產(chǎn)品和一些交通工具的重心位置，這些研究案例完美的闡述了重心研究在結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要意義。

本文介紹了一種可以通過翻轉(zhuǎn)加靜態(tài)測量的方法模擬重心位置，并且通過多個傳感器數(shù)值進行模擬計算，最終得到重心的具體坐標。

由于操作方法簡單，人為干預(yù)因素少，測量結(jié)果精度高，檢測速度快，可傾斜平臺法被廣泛使用。

1.2 重心測量方法的原理設(shè)計研究

利用可傾斜平臺法測量配重重心，其測量示意見圖1。挖掘機的配重結(jié)構(gòu)較為簡單，通過結(jié)構(gòu)外形大小設(shè)計測量平臺尺寸。根據(jù)可傾斜平臺法的原理，利用稱重傳感器支撐設(shè)備結(jié)構(gòu)，并測量出配重處于水平姿態(tài)和傾斜姿態(tài)時的各個傳感器測得的支撐力，下文中具體介紹了重心位置的具體計算思路和計算公式，其中如要思想是通過力矩平衡的方法假設(shè)重心位置后，通過數(shù)值模擬進行反推。

由圖1 可知，圖中左側(cè)是翻轉(zhuǎn)前的位置坐標系，翻轉(zhuǎn)前重心向平臺上側(cè)的投影點的位置和建立的原點位置，相對距離就是檢測結(jié)果中的x、y 坐標，x、y 坐標的數(shù)值影響重心對整個結(jié)構(gòu)的偏差影響比較大，比如x 較大時候，安裝好的挖掘機就會有向一側(cè)傾倒的趨勢，因此x的數(shù)值偏差較大會導(dǎo)致挖掘機結(jié)構(gòu)的平衡性差，通過圖1 右側(cè)的反轉(zhuǎn)效果顯示，在構(gòu)建好的坐標系中，重心在坐標系上的投影會隨著設(shè)備翻轉(zhuǎn)而移動，設(shè)備翻轉(zhuǎn)的角度、物體重心的高度和重心移動的距離成一定的三角函數(shù)關(guān)系，通過三角函數(shù)轉(zhuǎn)換，可以計算出物體的重心高度Z。

在水平姿態(tài)時，配重重心坐標值在兩個坐標系下的關(guān)系如下：

圖2 重心投影示意圖

在傾斜姿態(tài)時，翻轉(zhuǎn)盤發(fā)生了θ的傾轉(zhuǎn)，配重重心坐標值在兩個坐標系下的 關(guān)系如下：

建立求解方程的主要原理是力矩平衡原理，確定物體是平衡狀態(tài)，確定各方向的作用力投影之和及產(chǎn)生的力矩之和均為零，所得基本方程為：

需要確定主要的測量力是由稱重傳感器進行傳遞的，一共有3 只或4 只，4 只承重傳感器檢測原理和三只相同，對這些傳感器進行編號及分析最終為獲得的力為Fi(i=1,2,3,4),其位置坐標為（xi，yi）(i=1,2,3,4)?？蓪⑹阶樱?），具化為式（5）：

式中：

G 為挖掘機重力，單位為N；

（x0，y0）為測量的重心坐標，單位為mm；

F01,F02,F03,F04為測量加載前的傳感器的輸出力值，單位為N；

F1,F2,F3,F4為測量加載后的傳感器的輸出力值，單位為N；

x1,x2,x3,x4為四只傳感器的x 軸位置，單位為mm；

y1,y2,y3,y4為四只傳感器的y 軸位置，單位為mm。

依據(jù)（6）可以得到傾斜平臺后的重心坐標為：

考慮前面的傾斜原理，這里將發(fā)生的具體結(jié)構(gòu)進行細化可得圖3 所示，可以得到整理的坐標值。圖3 中的y 坐標不發(fā)生改變。

為了消除測量裝置本身對測量的影啊，上述所需的測量量，為對測量裝置自重清零后得到結(jié)果。

2 重心測量平臺設(shè)計

2.1 重心測量平臺概述

為了研制挖掘機配重重心測量試驗平臺，本文通過對國內(nèi)外各家單位設(shè)計的重心測量設(shè)備進行功能分解，確定了本文要硏制的挖掘機配重重心測量試驗平臺的研制方案，確定了挖掘機配重重心測量試驗平臺，由機械系統(tǒng)、傳感檢測與控制系統(tǒng)和其他輔助結(jié)構(gòu)組成。

重心檢測平臺主要可分為翻轉(zhuǎn)盤和固定盤，翻轉(zhuǎn)盤上安裝配重殼體和定位夾緊機構(gòu)，固定盤與振動平臺接觸，其下部裝有導(dǎo)向柱座，翻轉(zhuǎn)盤和固定盤之間通過氣缸或者油缸實現(xiàn)相對傾轉(zhuǎn)，其中液壓油缸比較適合大型配重的反轉(zhuǎn)需求，液壓有較大的推力和穩(wěn)定性[6]。重心測量平臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示。定位機構(gòu)和夾緊機構(gòu)用來固定配重殼體的位置（未在圖中展示）。

圖4 重心測量平臺結(jié)構(gòu)如圖

2.2 機械系統(tǒng)方案

重心測量試驗平臺機械系統(tǒng)的功能進行分解，針對各個功能，研究可行的方案。通過分析各個單位采用多點衡重法設(shè)計的測量設(shè)備可以看出，針對不同的測量對象，各個單位設(shè)計的測量裝置具體結(jié)枃差異很大，從機械結(jié)構(gòu)原理上歸納，大體包括：測量平臺水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、基礎(chǔ)底座、被測物體限位機構(gòu)、傳動機構(gòu)等。以下，本文針對重心測量試驗平臺機械本體結(jié)構(gòu)，按部件分別闡述其設(shè)計思路和具體分析。

(1)測量平臺水平

重心測量過程中，為了保證重心測量的準確性，必須保證本文所建立測量平臺坐標系與大地坐標系一致。這就需要利用水平調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)整測量平臺坐標系下的X 軸和y 軸與水平面平行，Z 軸垂直于水平面。利用調(diào)平墊鐵來實現(xiàn)測量平臺基礎(chǔ)底座的水平高度的調(diào)節(jié)，配合分度值為2mm的框式水平儀作為水平調(diào)節(jié)基準，將測量平臺坐標系與大地坐標系調(diào)整到一致。調(diào)平墊鐵如圖5 所示。

圖5 調(diào)平墊鐵

(2)測量平臺角度調(diào)節(jié)

實現(xiàn)配重重心三坐標位置的精確測量，必須在測量過程中使翻轉(zhuǎn)盤與配重一起相對固定盤傾轉(zhuǎn)一定的角度，待系統(tǒng)穩(wěn)定后測量各個傳感器壓力值。測量完成后，需將翻轉(zhuǎn)盤和配重恢復(fù)至水平姿態(tài)。因此，需要設(shè)計一種可以完成測量裝置傾轉(zhuǎn)運動過程中翻轉(zhuǎn)的角度值，因此需要一種具有較大推力且工作可靠的動力裝置來作為測量裝置傾轉(zhuǎn)的動力源。

本文選用液壓油缸來實現(xiàn)重心測量平臺翻轉(zhuǎn)盤的傾轉(zhuǎn)運動。液壓油缸有較大的推力和較高的控制精度可以滿足使用需求。

（3）測量平臺基礎(chǔ)底座

測量平臺基礎(chǔ)底座是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要一環(huán)，通過多種方案的分析比較，考慮結(jié)構(gòu)強度剛度的同時，因為需要測量重心的結(jié)構(gòu)件多種多樣，因此測量平臺基礎(chǔ)底座的表面需要具有安裝多種工裝的多功能設(shè)計，同時測量平臺基礎(chǔ)底座的底側(cè)需要安裝四個壓力傳感器，測量平臺基礎(chǔ)底座的本身重心位置會影響四個傳感器的數(shù)值精確性，同時考慮到需要進行翻轉(zhuǎn)運動，因此需要安裝油缸和轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動軸的位置處安裝了角度編碼器，整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮變形對傳感數(shù)值的影響。

（4）定位夾緊裝置

定位夾緊機構(gòu)，簡稱“工裝”，工裝在機械領(lǐng)域十分常見，它保證了工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。在挖掘機配重測量過程中同樣需要可靠的定位夾緊，配合測量配重重心的需要，在測量時翻轉(zhuǎn)上平臺與配重重心的相對位置必須固定，可以理解為傳感器一般安裝在某一固定位置，而配重也必須安裝在上平臺上面的某個固定的位置。

3 重心測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

我們更具檢測方案設(shè)計了一款重心測量系統(tǒng)軟件，通過軟件可以實現(xiàn)對傳輸過來的一些模態(tài)值進行分析計算和補償，測量的重心測量要求一定要顯示出重心的位置與高度，重心高度不平衡，會影響工作質(zhì)量和使用壽命[3]，測量過程函數(shù)模塊如圖6 所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

軟件系統(tǒng)應(yīng)采集模塊的動態(tài)鏈接庫，在plc 程序編制中，需要根據(jù)傳感器連接變送器，將傳感器的模態(tài)量信號輸出采集到plc 內(nèi)。

3.2 重量計算

稱重傳感器的原理是放置上的結(jié)構(gòu)件導(dǎo)致傳感器移動塊位移，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻值，從而實現(xiàn)對重量的計算，在沒有放上配重前，整個翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量固定，包括固定工裝，通過行吊機構(gòu)放置配重后，通過多個傳感器的數(shù)值和角度數(shù)值進行計算分析。

3.3 重心位置計算

設(shè)計開發(fā)本設(shè)備的目的是快速側(cè)量結(jié)構(gòu)件重心的具體位置，通過四個壓力傳感器和一個角度編碼器的檢測數(shù)值，通過485 通訊把數(shù)值傳輸?shù)接嬎阒行牡娘@控plc 上，通過plc 內(nèi)部編輯的函數(shù)控制模塊進行計算，同時這需要在數(shù)據(jù)采集后用一些誤差補償方法，通過一些數(shù)據(jù)處理函數(shù)的修正，可以通過編程技術(shù)，實現(xiàn)參數(shù)輸入[1]。

3.4 數(shù)據(jù)圖形顯示

通過現(xiàn)有的顯控觸摸屏技術(shù)，通過圖像模擬的方法把配重的檢測結(jié)果顯示在建立好的配重結(jié)構(gòu)示意圖上，能夠讓設(shè)備使用人員快速直觀的觀察配重重心的所在位置。如圖7 所示。

3.5 打印輸出

為了便捷可視化的顯示檢測結(jié)果，通過plc 和打印機的通訊，把檢測的重心位置結(jié)果打印成位置標簽，把位置標簽貼在配重的特定位置上，便于下個工藝人員監(jiān)測配重的重心屬性，成為挖掘機配重加工工藝上的重要一環(huán)[5]，方便檢測人員檢查評估。見圖8 所示。

圖8 重心位置結(jié)果數(shù)據(jù)輸出

4 結(jié)論

結(jié)合實際使用要求確定plc 控制程序的設(shè)計，最終完成對于挖掘機配重重心高度的快速測量。節(jié)省工廠中對重心檢測所耗費的時間。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中找出影響重心高度的關(guān)鍵因素，進而進行誤差分析和補償[4]，對所有大型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計過程中需要考慮重心位置時，本研究有重要參考意義。