１　引　言

为避免装载机对火车、卡车等进行装卸时出现超载等现象，需要掌握货物的重量。而装载机始终处于流水作业状态，难以用固定的衡器对它进行称重［１］。所以采用动态称重系统，对装载货物的重量进行动态测量，从而能清楚地显示出所装载的物料重量，无须停斗，举升过程中自动称重，节省作业时间，提高生产效率。传统的方法是当动臂上升至两个磁性接近传感器所固定的区间时，系统对液压缸的压力值进行采样［２］，称重结果会有较大偏差。国内动态称重产品的精度大都在３％～１０％［３］。

在当前测量领域，动态测量受非线性、惯性冲击和随机干扰等因素的影响，研究尚处于初级阶段，装载机的动态称重的研究尚比较滞后。装载机本身的工作结构受力相对复杂，且其工作环境复杂恶劣，导致难以建立准确的动力学模型。近年来，不断涌现各种新的研究成果。ＥＭＤ和遗传神经网络等算法被引入装载机动态称重中，提高了测量精度。质量测量系统的动力学模型应用到工程实际中还是存在诸多问题，需要对其进一步完善才能加以应用。

２　装载机工作装置动力学模型改进

装载机的工作装置由动臂、铲斗、摇臂和拉杆等组成。与左右动臂相连的举臂油缸用来完成升降臂作业，与摇臂相连的翻斗油缸用来完成翻斗作业［４］。目前应用最为广泛的称重方案为根据装载机非行驶状态下工作结构的动力学模型计算负载。但实际上，装载机进行装卸作业时，不可能保持静止或匀速行驶状态，处于变加速的行驶过程中。由于车辆行驶产生的加速度，对工作装置存在惯性作用，若不加以考虑，必定会影响测量精度，故本文建立装载机工作装置动力学模型时加入了车辆行驶加速度。

θ_０为铰点Ｏ_１、Ｏ_２的连线与水平面的夹角，θ为动臂相对于水平面的俯仰角，Ｌ_１、Ｌ_２、Ｂ均为工作装置的几何尺寸，由三角关系可以得到Ｌ_３^２＝Ｌ_１^２＋Ｌ_２^２＋２Ｌ_１Ｌ_２ｓｉｎ（θ＋θ_０）。Ｙ为动臂加铲斗质量的质心到铰点Ｏ_１的距离，ｍ_０为动臂加铲斗的质量，ｍ为装载物料的质量。Ｆ为举升油缸对动臂的压力，针对的装载机为双动臂结构，左右两侧的举升油缸对称且为相互连通的同一油路系统，所以只对其中一侧油缸油压测量便可得知两侧油缸的压力，故Ｆ＝２（ｐ_１ｓ_１－ｐ_２ｓ_２），其中ｐ_１、ｐ_２分别为举升油缸进油口和出油口的压强，ｓ_１、ｓ_２分别为举升油缸进油口和出油口的截面积。

动臂举升时，铲斗和物料除了随动臂进行牵连运动外，还在翻斗装置的作用下相对于动臂转过了一定角度，保持垂直状态，所以可以将铲斗和物料的重力作用视为对动臂的恒外力作用。取装载机为参考系，假设装载机这个非惯性系以加速度相对于地面运动，那么动臂、铲斗和物料将受到与该加速度方向相反的惯性力作用。动臂举升过程中，翻斗油缸处于锁闭状态，使得铲斗始终保持垂直方向，因而铲斗和物料的惯性力作用于翻斗机构，并不作用于动臂，所以只考虑动臂受到的惯性力。

以动臂为研究对象做受力分析，动臂所受的合力矩为^［５］：
 

式中：Ｊ_ｗｂ为动臂沿铰点的转动惯量，Ｌ_０为加速度计在动臂上安装位置离铰点的距离。同时又有：
     

将式（１）（２）两式联立，设加速度传感器测得垂直于动臂方向的加速度为ａＺ，则：ａ_Ｚ＝ａ_举升－ａ_行驶ｓｉｎθ－ｇｃｏｓθ，可得载重为：

３　动态称重系统硬件设计

动态称重系统的硬件设计结构图，主要分为信号采集模块、数据处理模块和功能扩展模块。
    

３．１　数据处理模块

数据处理部分的核心采用某公司的ＭＫ１０ＤＮ５１２ＶＬＬ１０微处理器，内核为３２位ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｘ－Ｍ４。ＡＲＭ　Ｃｏｔｅｘ－Ｍ４具有高能的信号处理功能与Ｃｏｔｅｘ－Ｍ处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合^［６］。此ＭＣＵ内置５１２ＫＢ　ＦＡＬＳＨ程序存储器，具有快速、高精度的１６位逐次逼近型模数转换器（ＳＡＲＡＤＣ），ＦｌｅｘＣＡＮ模块支持所有的ＣＡＮ２．０总线协议。

３．２　信号采集模块

举升油缸油压的测量采用某公司的ＢＰＭ－Ｔ３２２Ｂ装载机专用的压力变送器，具有精度高、抗振动、频繁冲击等优点，将压力信号转换为１～５Ｖ的电压信号输出，称重仪表可以直接采集电压信号，无需放大，抗干扰性好，温度漂移小。安装时在装载机一侧的动臂举升油缸的液压回路上的进油口和出油口各安装一个，差分便可得到压力信号。

选用旋转磁编码器测量动臂的俯仰角度，磁编码设计采用无接触式的磁编码器芯片ＡＳ５１４５，能够在整个３６０°范围内实现高分辨率的旋转位置编码，提供１２位分辨率的瞬时位置指示^［７］。安装时通过机械传动装置，使磁编码器与动臂同轴转动，通过ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ发出一帧数据，实时输出动臂的角度位置信息。

选用三轴加速度计，输出三轴方向加速度值，安装在动臂上。安装时保证动臂水平时加速度计的Ｘ、Ｙ轴也保持水平即加速度为０且Ｘ轴与动臂平行。Ｚ轴方向的加速度测量值即指示垂直于动臂方向的加速度值，为重力加速度、车辆行驶加速度和动臂举升加速度的合加速度，也由ＣＡＮ接口每隔１０ｍｓ输出一帧数据。

３．３　功能扩展模块

功能扩展模块主要包括数据显示与人机交互、ＧＰＲＳ无线通信及系统报警。数据显示与人机交互模块选用３．２寸的电阻式触摸屏ＩＮＡＮＢＯ－Ｔ３２－ＩＬＩ９３２０－Ｖ１２，背光的亮暗调节选用背光源驱动元件ＬＰ８５５６完成，背光高亮稳定，便于夜间作业。其最大特点是不需要借助键盘、鼠标等附加输入工具，直接实现人机互动^［８］。对于ＬＣＤ的触屏位置坐标的确定，根据电阻屏的原理^［９］，由ＭＣＵ的触摸传感输入（ＴＳＩ）引脚和ＡＤＣ引脚以及一些简单的外围电路完成。

针对传输距离、系统成本与维护等一系列问题，基于ＧＰＲＳ传输模块，提出无线传输的方案^［１０］。ＧＰＲＳ无线通信采用某公司的ＳＩＭ９００Ａ芯片完成。其工作频率为ＧＳＭ／ＧＰＲＳ　９００／１８００ＭＨｚ，ＳＩＭ９００Ａ有短消息和ＧＰＲＳ　２种通信方式，其在ＧＰＲＳ无线网络连接条件下，可嵌入ＴＣＰ／ＵＤＰ协议、ＦＴＰ／ＨＴＴＰ等协议的数据通信^［１１］。ＭＣＵ之间通过串口连接，采用ＡＴ命令完成对该模块的控制。

报警模块由ＧＰＩＯ口通过驱动电路驱动蜂鸣器发出噪声，提醒驾驶员系统异常或是物料超重。

４　动态称重系统软件设计

系统开机上电后进行自检，主要检查与三个传感器的数据通信是否正常，若有故障发出警报。装载机驾驶员通过触摸屏录入车辆信息及作业信息，并且通过触摸屏完成系统配置，包括零点配置及有效称重区间配置。在进行动态称重前需选定有效称重区间，即动臂向上举升过程中，只采用某一角度区间内的信号作为有效的输入值，低于或高于这个角度区间均为无效数据。这种做法可以避免插入工况、铲装工况、卸载工况、动臂下降工况，只取满足动态称重条件的举升工况进行信号采集。若不设置，采用默认区间进行称重。 
 

微控制器从ＦｌｅｘＣＡＮ模块和Ａ／Ｄ转换模块得到传感器信号值。信号采集中会受到噪声干扰，系统采用数字滤波，不仅对抑制噪声、消除干扰能够起到辅助作用，而且对提高仪表的测量精度、减小测量误差具有重要作用^［１２］。采用递推平均滤波法对传感器采集的信号进行滤波处理。该种方法对周期性干扰有良好的抑制作用，而且平滑度较高^［１３］。根据已知的动力学模型和参数，解算出铲斗内的载荷重量，并实时在ＬＣＤ屏上显示单斗重量、累计装载重量以及车辆信息，并当装载质量超限时发出警报信号，并根据需要将这些信息通过无线传输给控制中心。

无线模块接收控制中心通过网络发来的指令，同时也向控制中心发送装载机工作情况及称重数据。传输距离不受限制，便于控制中心同时管理多台装载机，提高了管理效率^［１４］。

５　实验分析及误差补偿

称重仪表设计完成后，将传感器及仪表安装在沃尔沃Ｌ９０Ｅ装载机上，其额定载重为５ｔ，在装载现场进行大量实验，对称重仪表的功能进行验证并且进行质量标定实验。由于装载机动态称重系统的误差来源复杂，本系统需要提前定标，将一系列干扰误差记录下来，然后在使用过程中根据需要读取记录下来的误差进行真实值的补偿，故需要将这些干扰误差数据保存在掉电不丢失的磁电存储器中。

选取的装载对象为沙土，每次实验称量的沙土质量由小到大，从１００ｋｇ到５ｔ，每组质量相差１0０ｋｇ左右。将沙土由分度为１ｋｇ的地磅称量得到标准质量，再将该重量的沙土由装载机举升，通过动态称重系统测量出质量。

实验得到的标准质量和动态称重系统测量出的质量一一对应，按大小顺序存储在磁电存储器中，将以上存储的数据称为定标表用于误差补偿。

质量标定完成后，动态称重系统根据模型解算出质量后，执行查表程序，首先确定出该质量处于磁电中存储的定标表的哪两个测量值之间以及与它们对应的标准质量，然后利用最小二乘拟合，从而得到误差补偿后质量。
    

６　结　论

研制的动态称重仪表经实验验证，实现了动态称重功能，并获得良好的测量精度。验证了该系统设计的合理性，可应用于生产实际中。完成了人机界面的设计，使得该仪表可以输入作业及车辆等信息，并根据实际情况完成配置。仪表扩展了ＧＰＲＳ无线通信功能，方便对多台装载机的管理与调度。该仪表小巧、操作方便，具有良好的稳定性和扩展性，具有广阔的应用前景。

参考文献

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