装载机是一种非常常见的工程机械， 它被广泛的应用于国民经济的各个生产领域。 随着我国现代化建设事业的发展， 装载机的需求量也在逐年增加。但是目前在国内、 外大多数装载机上还都没有一种比较精确的动态称重系统， 在一些需要对货物重量进行称量的场合， 目前只能将装载机驶离工作地点进行离线测量，因而严重降低了工作效率。 另外， 在对卡车或火车进行装载时， 由于对货物重量无法掌控，因而容易造成超载，存在着很大的安全隐患。

如果能够成功研制一种装载机动态称重系统实现在装载机将货物举起的同时称量出货物的重量，将会有很大的现实意义，主要表现在以下几方面：（1）可大幅度提高劳动生产率、减轻司机和工人的劳动强度，从而节省大量的人力和物力； （2）可以预防因过载而造成的危险事故的发生， 将增强操作的安全性； （3）可将装载机的使用范围拓宽到诸如建筑、 化工、 酿造业等需要按重量比例配料的场合。（4） 研制的装载机动态载重测量系统还可推广应用到叉车、大型翻斗车、自卸车等装卸车辆和所有运输车辆， 将大大提高工程车辆的使用性能和自动化程度。 总之， 装载机动态称重系统若能研制成功， 将会带来显著的经济效益和社会效益。

1 装载机动态称重系统测量方案的设计

1.1 实现方案

通过调研， 我们发现在目前国内外已有的装载机称重测量系统中， 主要有以下3种实现方式 [1-3] ：

（1）通过应变片实现。有研究者将应变片加装于装载机铲斗的支撑铰链处或动臂梁上实现装载机载重测量。 但这种实现方式存在着很大的不足之处，若将应变片装于支撑铰链处， 虽然很直观而且也能够获得较高的精度，但其使用寿命得不到保证；若装于动臂梁上， 则载重量与贴于动臂梁上应变片的应变之间的函数关系难以确定且计算不准确， 从而使测量精度得不到保证。

（2）通过设计特殊机构实现。有些研究者设计一种安装于装载机工作装置上的平行4 连杆机构，使动臂在举升过程中铲斗中物料重量始终以垂直向下方向作用于传感器， 所存在的问题是所设计的机械装置复杂， 安装困难且影响装载机的正常工作范围，因此不宜采用。

（3） 采用在动臂举升液压缸内加装压力传感器的方法， 通过测量液压缸中的油压间接得到装载机的载重量。

考虑到前两种实现方式所存在的不足之处， 同时装载机工作装置结构的规范性也决定了载重量与动臂举升液压缸压力的函数关系式是可以确定的，因此我们选择第3种方法作为实现方案。

1.2 测量方法

在制定了合适的实现方案之后， 首要的任务就是要找到装载机动臂油缸油压和载重量之间的关系，并设计出一种既能保证测量速度又能获得较高测量精度的测量方法。其次，应当考虑该方法的可行性和适用性，也就是既要便于通过硬件实现，又要考虑工业现场应用的简单易用性。

通过查阅文献资料[3-5]， 我们发现， 装载机举起一定重量的物块时，动臂油缸的压力值P是在不断变化的，压力值P和活塞杆的行程·L之间也并非完全的线性关系。 实线、 点划线和虚线分别表示载重量为空载、半载和满载情况下的P－·L曲线。 从图中可以看出在行程的初始阶段和终了阶段，由于受到角加速度?的影响， P－·L曲线呈非线性，但是在其余绝大部分行程中，曲线均是呈线性增长趋势的，而且3条曲线大致呈平行关系。

该情况表明，若采用区段内测量的方法，即将行程的开始和终了阶段的测量值排除， 不将其引入计算， 而在动臂举升过程的P－·L曲线中选取线性和平行性较好的一段， 作为计算的依据， 这样一来，便可以忽略举升角加速度·的影响。

 在不同的载荷下， 装载机动臂油缸油压基本保持着较好的比例关系，因而我们可以先对曲线进行标定 （即通过测量两个标准质量块，例如2.4吨和3.29吨， 得到上方实线和下方短划线两条P－·L曲线，并将该曲线上的数据存储起来） ， 然后再测量待测重物， 得到实测的动臂油缸压力曲线（中间的虚线曲线） ，将3组数据经比例线性运算后取平均值，从而可计算出物料的重量， 理论上可以获得很高的测量精度， 并且计算量也不大， 具有很好的可行性。 鉴于此， 我们决定采用上述的 “区段测量——曲线标定——比例线性运算”的方法作为本装载机动态载重系统的测量方案。

2 硬件平台的设计与实现

2.1 硬件平台总体框架

在测量方案确定后， 硬件平台的设计决定了整个系统的成败， 下面将介绍针对这种方案的硬件平台的设计。

我们在硬件设计的过程中以上述的测量方案为依托， 主要设计目标是： （1） 载重测量信号的采集、转换、处理、计算； （2）实现对载重测量过程的控制； （3）有用数据和报表的存储、打印； （4）远程和本地通讯传输； （5）实现人机交互等功能。

针对上述5点功能要求，整个硬件平台分为以下几个部分：电源电路， 采样电路， 核心电路， 外围电路。 下面分别介绍这几部分电路的功能和设计。

2.2 各部分电路简介

(1) 核心电路

主要由嵌入式ARM 微处理器和FLASH 存储器组成， 是整个硬件平台的核心。 主要功能是： （1） 将标定曲线的数据存储在FLASH 存储器中以用于称重时的计算过程； （2）将A/D转换器得到的数据按预定的方法进行计算以得到最终的结果， 即装载机的实际载重量； （3）对外围电路中的各部分模块进行控制，以实现人机交互功能。

在核心电路中选用了ARM32 位嵌入式微处理器HMS30C7202，因为其功能强大且易扩展；片上操作系统选用了·C/OS操作系统，并使用miniGUI构造图形用户界面，这样一来，通过编写较为简单的应用程序即可以使用户获得较为美观和方便的操作界面。

(2) 采样电路

由压力传感器、A/D 转换器、接近开关传感器和时钟电路等组成。其中，压力传感器和A/D转换器各两个，分别用于进油口和出油口。压力传感器安装于动臂油缸中，它将油压转换为电信号，而A/D转换器则将举升液压缸油压模拟信号转换为数字量以用于之后的计算。 接近开关传感器用于控制在动臂举升过程中的区段测量， 它向核心电路发送一个开关信号， 若铲斗已处于可用于区段测量的范围内则该开关量的值为1，否则为0。

压力传感器选用了某公司的 H 8 /500bar型号，最大输入压力为50MP（500bar） ，毫伏级输出，灵敏度为±2％。A/D 转换器选用了AD7730 [6] 型电桥传感器模数转换电路。 其分辨率最高可达24位， 测量精度较高， 而且还具有信号放大和滤波等功能。

(3) 外围电路

主要包括以下几部分： （1）通讯接口，包括串口模块和CAN总线模块，其中串口模块用于本平台与PC机之间的通讯， 实现程序和数据的下载和上传等功能；CAN 总线模块用于实现数据与其它上位机之间的远程传输； （2）键盘及其接口，用于用户对系统进行控制， 以便于进行输入、 控制等各种操作 ；（3）LCD显示器及其接口，用于显示称重结果以及相关操作参数； （4）打印机及其接口，用于打印最终结果，以便于使用者记录和保存。

考虑到装载机主要是在户外工作，若选用彩色显示器很可能会产生反光而使用户看不清屏幕上的显示，因此选用了16位辉度的单色LCD显示；从实际需求出发，决定扩展一个5×4矩阵的键盘， 以及一个与串行口相连的汉字热敏微型打印机；另外加入了CAN 总线通讯驱动芯片TJA1050 和MAX3232电平转换芯片，以实现本平台的通讯功能。

(4) 电源电路

由几个电压转换模块构成， 主要功能是为采样电路，核心电路和外围电路供电。其输入电压由装载机发动机提供，为标称24V，输出电压由其余各部分电路的需要而定，为12V和5V。12V电压用来为接近开关传感器供电，5V电压用来为核心电路、A/D 转换器及LCD 显示器等其他器件供电。

2.3 面向工业级应用的设计

考虑到装载机这一特定研究对象的工作环境的恶劣性，因而在本称重系统的设计之初，便以面向工业级应用作为设计的出发点。

由于本系统是由装载机发动机供电， 可能因其供电不稳定而使电源模块输入范围变得很宽， 同时因负载突变、 以及操作不当等原因可能会产生电源冲击。面对这种情况，我们在设计电源电路时决定选择具有宽电压输入的稳压电源模块， 以此来增加系统的可靠性。 因而我们选用了输入电压范围在18－36V之间的电源模块为压力传感器供电，这样可以适应电压的变化。另外，由该模块单独为压力传感器供电，也可起到隔离的效果。

考虑到本系统主要在户外使用， 因此对硬件平台做了特殊的绝缘处理， 以求将温度和湿度对系统的影响降到最低。

另外，在机壳的设计过程中也加入了防水，防尘和抗震的设计环节， 防护等级已达到IP64级， 这样可使系统更加坚固耐用。

3 实验验证与结论

在本系统研制完成后， 我们在山东临工现场将其安装在ZL50F型装载机上，通过大量的实验对系统的性能进行了验证。

如表1所示，我们用本系统测量了10斗沙土，并同时使用分度值为1kg的地磅进行测量。以下是将两种测量方法进行比较后所得的结果：

可以看出， 本系统的单斗最大误差控制在±5％以内， 累计误差在±1％以内， 可见其测量精度已经达到了较高的水平，从而验证了本系统的设计是成功的，可以将本系统投入到实际的生产应用中。

参考文献:

[1] 常轶. 装载机智能称重系统的研制[D]. 北京,北京科技大学土木与环境工程学院,1998.

[2] 蔡菲娜, 梁利华. 装载机智能测重装置的研制[J]. 工程机械,2003(9):20-22.

[3] 王伟, 王田苗, 魏洪兴, 陈殿生. 装载机动臂举升角加速度对动态载重测量的影响研究[Z]. 北京, 北京航空航天大学,2005.

[4] 刘传榕, 李学忠. 装载机载重测量系统数学模型[J]. 工程机械,1997(1):11-12.

[5] 徐士良, 计算机常用算法[M]. 北京, 清华大学出版社, 1995,187-196.

[6] 刘书明, 刘斌. 高性能模数与数模转换器件[M]. 西安电子科技大学出版社,2000.

 

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