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動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤

責(zé)任編輯：精衡機(jī)電發(fā)布時(shí)間：2014-11-25

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一、引言
裝載機(jī)是一種公路、鐵路運(yùn)輸中普遍使用的裝車用工程機(jī)械。由于其工作條件惡劣，路面復(fù)雜，
行進(jìn)和舉升速度變化大、無規(guī)律。裝載機(jī)電子秤相關(guān)部件在工作時(shí)受到的沖擊、震動(dòng)很大，而且裝
載機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，稱重計(jì)量影響因素很多。隨著鐵路、汽車、港口、碼頭等物流裝卸業(yè)的發(fā)展，
對(duì)貨源地裝載上貨的效率、安全性和準(zhǔn)確性的要求越來越高，因此市場急需一種在各種情況下均能
準(zhǔn)確計(jì)量的動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤。
目前市場上的裝載機(jī)電子秤在上述動(dòng)態(tài)、惡劣工作條件下不能準(zhǔn)確計(jì)量。國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品均是
在裝載機(jī)動(dòng)臂油缸的油管上安裝油壓、溫度傳感器，在動(dòng)臂上安裝位置開關(guān)，通過二次儀表接收上
述傳感信號(hào)并轉(zhuǎn)換、顯示出所載質(zhì)量。由于沒有測量車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或振動(dòng)參數(shù)的傳感器，只能在平
直路面上勻速舉升的靜態(tài)條件下才能準(zhǔn)確稱量。
動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤通過對(duì)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)、舉升機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行研究，找到裝載機(jī)工作時(shí)
各種運(yùn)動(dòng)對(duì)稱重的影響關(guān)系，通過對(duì)裝載機(jī)舉升液壓系統(tǒng)壓力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的測量，將運(yùn)動(dòng)對(duì)稱
量的影響進(jìn)行了補(bǔ)償，并建立了相應(yīng)的計(jì)算理論和方法，在車輛變速行進(jìn)、變速舉升、顛簸和傾斜
路面等動(dòng)態(tài)條件下仍然能夠準(zhǔn)確計(jì)量，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)動(dòng)過程中能準(zhǔn)確稱量的目的。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得
國家專利（ZL 200810054712.6、ZL 200810054715.X）。
由該技術(shù)轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品已于 2011 年開始批量投產(chǎn)，并在安康惠達(dá)物流有限公司、崞陽卯根裝卸
隊(duì)、山西禹王煤炭氣化有限公司、山西大土河焦化有限責(zé)任公司等單位使用，顯著提高了裝車計(jì)量
準(zhǔn)確度和裝車效率。

— 1 — 二、裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)分析
裝載機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)如圖 1 所示。

1－鏟斗 2－連桿 3－搖臂 4－鏟斗油缸 5－動(dòng)臂 6－動(dòng)臂油缸
圖 1 裝載機(jī)的實(shí)際舉升機(jī)構(gòu)示意圖
裝載機(jī)的鏟掘和裝卸物料作業(yè)是通過其舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。如圖 1 所示，裝載機(jī)工作裝
置由鏟斗 1、連桿 2、搖臂 3、鏟斗油缸 4、動(dòng)臂 5、和動(dòng)臂油缸 6 等組成。整個(gè)工作裝置鉸接在車
架上。鏟斗通過連桿和搖臂與鏟斗油缸鉸接，用以裝卸物料。動(dòng)臂與車架、動(dòng)臂油缸鉸接，用以升
降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降采用液壓操縱。裝載機(jī)作業(yè)時(shí)舉升機(jī)構(gòu)應(yīng)能保證：當(dāng)鏟斗油缸閉
鎖、動(dòng)臂油缸舉升或降落時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗上下平動(dòng)或接近平動(dòng)，以免鏟斗傾斜而撒落物料；當(dāng)
動(dòng)臂處于任何位置、鏟斗繞動(dòng)臂鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行卸料時(shí)，鏟斗傾斜角不小于 45°，卸料后動(dòng)臂下降時(shí)
又能使鏟斗自動(dòng)放平。
裝載機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)經(jīng)簡化如圖 2 所示。

圖 2 裝載機(jī)舉升機(jī)構(gòu)簡化圖
— 2 — 由裝載機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，油缸出力 F 與重量 W 有函數(shù)關(guān)系，即：
W＝f（F）
另外，油缸出力 F 不只是與物料重量 W 有關(guān)，同時(shí)也與動(dòng)臂角度、各連桿長度及各方向的加
速度和角加速度等均有關(guān)系，也就是說 F 是一個(gè)多元函數(shù)，是復(fù)雜關(guān)系。
在現(xiàn)有技術(shù)中，都把實(shí)際系統(tǒng)做了進(jìn)一步的簡化，如圖 3 所示。

圖 3 裝載機(jī)舉升機(jī)構(gòu)簡化圖

三、動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤稱重原理
動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤的基本原理是：通過測量動(dòng)臂油缸的出力來間接得到鏟斗中物料的重量，而
動(dòng)臂油缸的出力是通過測量動(dòng)臂油缸的進(jìn)油管的壓力 P 而得到的，公式見式（1）。
F=P×S （1）
式（1）中，F(xiàn) 為動(dòng)臂油缸的出力，P 是動(dòng)臂油缸的進(jìn)油管的壓力，S 為動(dòng)臂油缸的面積。
在靜態(tài)稱量的情況下，鏟斗中物料的重量與動(dòng)臂油缸的出力關(guān)系為式（2）：
W=a×F+b （2）
式（2）中，W 為物料的重量，F(xiàn) 為動(dòng)臂油缸的出力，a和 b 是與機(jī)械尺寸及鏟斗重量有關(guān)的系
數(shù)。
因此，裝載機(jī)電子秤的基本計(jì)量公式是式（3）。
W=c×P+b （3）
其中： c=a×S （4）
由于 a和 b 與機(jī)械尺寸有關(guān)，而機(jī)械尺寸又與動(dòng)臂的舉升位置有關(guān)，因此需要測量動(dòng)臂的舉升
角度，這個(gè)角度就是通過安裝在動(dòng)臂軸上的大臂角度傳感器測量的。
裝載機(jī)電子秤一般是在運(yùn)動(dòng)中稱量，在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有各種各樣的力疊加起來，這就需要有各種傳
感器，把各種各樣的力分解開來，再安裝各種補(bǔ)償裝置，將分解開的各種力進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小誤
差。通過理論分析，做出樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)做了大量實(shí)驗(yàn)，最終確定這些補(bǔ)償裝置包括：四個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測
傳感器，用于檢測舉升過程中鏟斗的各種受力情況和裝載機(jī)工作路面的狀況，其中三個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測傳
感器從三維方面檢測動(dòng)臂舉升的情況，另一個(gè)檢測動(dòng)臂舉升過程中相對(duì)于路面坡度狀態(tài)；為了能在
— 3 — 冷車和熱車時(shí)都能準(zhǔn)確稱量，對(duì)液壓油溫進(jìn)行了測量，以補(bǔ)償動(dòng)臂油缸出力與溫度變化的關(guān)系；動(dòng)
臂油缸回油管的壓力對(duì)動(dòng)臂油缸的出力也有很大影響，因此也需要測量回油管的壓力。
根據(jù)上面的分析可知，動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤系統(tǒng)框圖如圖 4 所示：

圖 4 動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤系統(tǒng)框圖

由圖 4 內(nèi)容可知，該裝載機(jī)電子秤的具體裝置包括：位于進(jìn)油管的壓力傳感器、位于出油管的
壓力傳感器、用于精確定位高度的大臂角度傳感器、位于鏟斗附近的振動(dòng)傳感器、用于測量油缸內(nèi)
油溫的溫度傳感器。在測量鏟斗中物料重量的同時(shí)，進(jìn)行坡度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償與加速度補(bǔ)償，使裝
載機(jī)無論在什么條件下，都可以準(zhǔn)確測量出鏟斗內(nèi)所載物料的重量。
在裝載機(jī)電子秤中，進(jìn)油管和回油管裝有兩個(gè)壓力傳感器，這兩個(gè)壓力傳感器輸出電壓均為毫
伏（mV）信號(hào)，將這兩個(gè)毫伏信號(hào)送模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換后進(jìn)入了二次儀表；振動(dòng)傳感器安
裝在盡量接近鏟斗的位置，這個(gè)振動(dòng)傳感器的輸出值反映了鏟斗中貨物的加速度以及裝載機(jī)所處路
面的坡度情況，振動(dòng)傳感器輸出的信號(hào)有四路，是 mV 信號(hào)，也經(jīng) ADC 轉(zhuǎn)換進(jìn)入二次儀表；溫度
傳感器浸入油管中的液壓油中，測量油溫的變化，同樣經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn)換進(jìn)入二次儀表；大臂角度傳
感器的信號(hào)同樣經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn)換進(jìn)入二次儀表，可根據(jù)此信號(hào)計(jì)算出動(dòng)臂舉升的角度，從而精確定
位鏟斗所處的高度；二次儀表接收上述信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理，計(jì)算出鏟斗中所載物料的重
量，最后通過稱重顯示控制器中的顯示部分把單斗重量與累計(jì)重量顯示出來。另外，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)
累計(jì)裝車量，在這個(gè)裝置中的軟件中還設(shè)置了一個(gè)翻斗的檢測，當(dāng)鏟斗翻下卸料的時(shí)候，自動(dòng)將本
— 4 — 次稱量的結(jié)果累加到裝車?yán)塾?jì)量中。
根據(jù)上面的分析，作出系統(tǒng)硬件框圖如圖 5 所示：

ADC(8路) 微
處
理
器
鍵盤
顯示開關(guān)量輸入
電路(4路) 打印
圖 5 系統(tǒng)硬件框圖
由于系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)比較多，要求數(shù)據(jù)采集速度要快而且精度高，并且二次儀表需要有很高的
數(shù)據(jù)處理速度。在這個(gè)系統(tǒng)中，考慮到硬件連接情況以及數(shù)據(jù)的采樣精度及處理速度問題，我們使
用的微處理器以ARM7 為核心。ARM7 耗電少，功能完善，可靠性高，具有 16 位/32 位的雙指令集。
它的RISC性能在業(yè)界領(lǐng)先，以小尺寸集成，具有較高的性價(jià)比，在非常低的功耗和價(jià)格下提供了高
性能的處理器[1] 。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）選擇 24 位高集成度的△∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適合于測量稱重儀
表、過程控制、科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號(hào)的芯片。在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，使用了四個(gè)模數(shù)
轉(zhuǎn)換器（ADC），每個(gè)ADC都有兩路毫伏信號(hào)的輸入，可以減少硬件的連接。
動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤不僅可以測量單車量、累加量等，而且具有記憶功能，裝卸貨物的重量可以
自動(dòng)記憶、存儲(chǔ)，即使斷電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，也可以隨時(shí)調(diào)出查看，同時(shí)，如果單車超載會(huì)及時(shí)進(jìn)
行聲光報(bào)警。具有打印功能，可以打印貨物的重量以及裝貨的時(shí)間等。
動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤通過內(nèi)部集成的無線通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)裝車管理信
息化，動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖 6 所示。
四、測試及測試結(jié)論
對(duì)前文所述系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過多次試驗(yàn)，以及對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，利用系統(tǒng)辨識(shí)的方法
建立起該裝置的系統(tǒng)模型。
在系統(tǒng)模型的建立過程中，遇到很多難點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)的采樣速度要快。首先，在動(dòng)臂舉升的過
程中，裝載機(jī)電子秤在動(dòng)臂舉升的每一個(gè)位置處都要進(jìn)行至少一個(gè)點(diǎn)的采樣，這個(gè)位置與大臂角度
相對(duì)應(yīng)，以保證在動(dòng)臂舉升的任意一個(gè)位置都能測量出鏟斗內(nèi)物料的重量值。2、數(shù)據(jù)采集的精度
要高。該裝載機(jī)電子秤在大臂舉升的任意一個(gè)位置都可以卸料，測量范圍遍布大臂舉升的整個(gè)過程，
為了測量的準(zhǔn)確性，必須保證在編碼器定位的每一個(gè)位置的采樣值都穩(wěn)定準(zhǔn)確。3、在用系統(tǒng)辨識(shí)
的方法建立系統(tǒng)模型的時(shí)候，必須要通過大量數(shù)據(jù)尋找出最合適的參數(shù)系數(shù)。這就要求采樣過程包
括裝載機(jī)變速前進(jìn)、變速舉升、在不平而顛簸的路面行進(jìn)中舉升等各種條件下進(jìn)行大量采樣，做大
量的試驗(yàn)。

— 5 —

圖 6 動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤經(jīng)山西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局委托山東省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了全性能
測試，出具了《計(jì)量器具型試評(píng)價(jià)報(bào)告（編號(hào)：2010XP－194）》。測試表明動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤在車
輛變速行進(jìn)、變速舉升、顛簸和傾斜路面等動(dòng)態(tài)條件下，也完全達(dá)到了國際法制計(jì)量組織（OIML）
第R51 號(hào)國際建議中Y（b）級(jí)最大允許誤差的要求[2]。
表 1 OIML R51 國際建議 Y（b）級(jí)最大允許誤差
最大允許誤差
以檢定分度值（e）表示的載荷（m）
首次檢定使用中檢驗(yàn)
0<m≤50
50<m≤200
200<m≤1000
±1e
±1.5e
±2e
±1.5e
±2.5e
±3.5e
— 6 — 五、總結(jié)
動(dòng)態(tài)裝載機(jī)電子秤采用了液壓傳感器、溫度傳感器、角度傳感器和振動(dòng)傳感器等，對(duì)裝載機(jī)的
工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了檢測，通過自行研究出的數(shù)學(xué)模型和測量算法，實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)態(tài)情況下仍
能達(dá)到國際法制計(jì)量組織（OIML）R51 號(hào)國際建議中 Y（b）級(jí)準(zhǔn)確度的要求。這對(duì)裝載機(jī)電子秤
在使用中的實(shí)際準(zhǔn)確度有了很大提高，對(duì)裝載機(jī)裝車的工作效率也會(huì)有很大提高。這項(xiàng)技術(shù)的推廣
應(yīng)用將對(duì)鐵路和公路運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性都會(huì)起到積極作用，應(yīng)用前景廣闊。

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