動態裝載機電子秤

責任編輯：精衡機電發布時間：2014-11-25

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一、引言
裝載機是一種公路、鐵路運輸中普遍使用的裝車用工程機械。由于其工作條件惡劣，路面復雜，
行進和舉升速度變化大、無規律。裝載機電子秤相關部件在工作時受到的沖擊、震動很大，而且裝
載機機械結構復雜，稱重計量影響因素很多。隨著鐵路、汽車、港口、碼頭等物流裝卸業的發展，
對貨源地裝載上貨的效率、安全性和準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
準確計量的動態裝載機電子秤。
目前市場上的裝載機電子秤在上述動態、惡劣工作條件下不能準確計量。國內外現有產品均是
在裝載機動臂油缸的油管上安裝油壓、溫度傳感器，在動臂上安裝位置開關，通過二次儀表接收上
述傳感信號并轉換、顯示出所載質量。由于沒有測量車輛運動狀態或振動參數的傳感器，只能在平
直路面上勻速舉升的靜態條件下才能準確稱量。
動態裝載機電子秤通過對裝載機液壓系統、舉升機構和運動形式進行研究，找到裝載機工作時
各種運動對稱重的影響關系，通過對裝載機舉升液壓系統壓力和運動狀態參數的測量，將運動對稱
量的影響進行了補償，并建立了相應的計算理論和方法，在車輛變速行進、變速舉升、顛簸和傾斜
路面等動態條件下仍然能夠準確計量，實現了在運動過程中能準確稱量的目的。該項技術已經獲得
國家專利（ZL 200810054712.6、ZL 200810054715.X）。
由該技術轉化的產品已于 2011 年開始批量投產，并在安康惠達物流有限公司、崞陽卯根裝卸
隊、山西禹王煤炭氣化有限公司、山西大土河焦化有限責任公司等單位使用，顯著提高了裝車計量
準確度和裝車效率。

— 1 — 二、裝載機的結構分析
裝載機的舉升機構如圖 1 所示。

1－鏟斗 2－連桿 3－搖臂 4－鏟斗油缸 5－動臂 6－動臂油缸
圖 1 裝載機的實際舉升機構示意圖
裝載機的鏟掘和裝卸物料作業是通過其舉升機構的運動來實現的。如圖 1 所示，裝載機工作裝
置由鏟斗 1、連桿 2、搖臂 3、鏟斗油缸 4、動臂 5、和動臂油缸 6 等組成。整個工作裝置鉸接在車
架上。鏟斗通過連桿和搖臂與鏟斗油缸鉸接，用以裝卸物料。動臂與車架、動臂油缸鉸接，用以升
降鏟斗。鏟斗的翻轉和動臂的升降采用液壓操縱。裝載機作業時舉升機構應能保證：當鏟斗油缸閉
鎖、動臂油缸舉升或降落時，連桿機構使鏟斗上下平動或接近平動，以免鏟斗傾斜而撒落物料；當
動臂處于任何位置、鏟斗繞動臂鉸點轉動進行卸料時，鏟斗傾斜角不小于 45°，卸料后動臂下降時
又能使鏟斗自動放平。
裝載機的舉升機構經簡化如圖 2 所示。

圖 2 裝載機舉升機構簡化圖
— 2 — 由裝載機的系統結構可以看出，油缸出力 F 與重量 W 有函數關系，即：
W＝f（F）
另外，油缸出力 F 不只是與物料重量 W 有關，同時也與動臂角度、各連桿長度及各方向的加
速度和角加速度等均有關系，也就是說 F 是一個多元函數，是復雜關系。
在現有技術中，都把實際系統做了進一步的簡化，如圖 3 所示。

圖 3 裝載機舉升機構簡化圖

三、動態裝載機電子秤稱重原理
動態裝載機電子秤的基本原理是：通過測量動臂油缸的出力來間接得到鏟斗中物料的重量，而
動臂油缸的出力是通過測量動臂油缸的進油管的壓力 P 而得到的，公式見式（1）。
F=P×S （1）
式（1）中，F 為動臂油缸的出力，P 是動臂油缸的進油管的壓力，S 為動臂油缸的面積。
在靜態稱量的情況下，鏟斗中物料的重量與動臂油缸的出力關系為式（2）：
W=a×F+b （2）
式（2）中，W 為物料的重量，F 為動臂油缸的出力，a和 b 是與機械尺寸及鏟斗重量有關的系
數。
因此，裝載機電子秤的基本計量公式是式（3）。
W=c×P+b （3）
其中： c=a×S （4）
由于 a和 b 與機械尺寸有關，而機械尺寸又與動臂的舉升位置有關，因此需要測量動臂的舉升
角度，這個角度就是通過安裝在動臂軸上的大臂角度傳感器測量的。
裝載機電子秤一般是在運動中稱量，在運動中會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，再安裝各種補償裝置，將分解開的各種力進行補償，從而減小誤
差。通過理論分析，做出樣機，對樣機做了大量實驗，最終確定這些補償裝置包括：四個運動檢測
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工作路面的狀況，其中三個運動檢測傳
感器從三維方面檢測動臂舉升的情況，另一個檢測動臂舉升過程中相對于路面坡度狀態；為了能在
— 3 — 冷車和熱車時都能準確稱量，對液壓油溫進行了測量，以補償動臂油缸出力與溫度變化的關系；動
臂油缸回油管的壓力對動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。
根據上面的分析可知，動態裝載機電子秤系統框圖如圖 4 所示：

圖 4 動態裝載機電子秤系統框圖

由圖 4 內容可知，該裝載機電子秤的具體裝置包括：位于進油管的壓力傳感器、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傳感器、用于測量油缸內
油溫的溫度傳感器。在測量鏟斗中物料重量的同時，進行坡度補償、溫度補償與加速度補償，使裝
載機無論在什么條件下，都可以準確測量出鏟斗內所載物料的重量。
在裝載機電子秤中，進油管和回油管裝有兩個壓力傳感器，這兩個壓力傳感器輸出電壓均為毫
伏（mV）信號，將這兩個毫伏信號送模數轉換器（ADC）轉換后進入了二次儀表；振動傳感器安
裝在盡量接近鏟斗的位置，這個振動傳感器的輸出值反映了鏟斗中貨物的加速度以及裝載機所處路
面的坡度情況，振動傳感器輸出的信號有四路，是 mV 信號，也經 ADC 轉換進入二次儀表；溫度
傳感器浸入油管中的液壓油中，測量油溫的變化，同樣經過 ADC 轉換進入二次儀表；大臂角度傳
感器的信號同樣經過 ADC 轉換進入二次儀表，可根據此信號計算出動臂舉升的角度，從而精確定
位鏟斗所處的高度；二次儀表接收上述信號，進行數據的分析與處理，計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重量顯示出來。另外，為了實現自動
累計裝車量，在這個裝置中的軟件中還設置了一個翻斗的檢測，當鏟斗翻下卸料的時候，自動將本
— 4 — 次稱量的結果累加到裝車累計量中。
根據上面的分析，作出系統硬件框圖如圖 5 所示：

ADC(8路) 微
處
理
器
鍵盤
顯示開關量輸入
電路(4路) 打印
圖 5 系統硬件框圖
由于系統采集的數據比較多，要求數據采集速度要快而且精度高，并且二次儀表需要有很高的
數據處理速度。在這個系統中，考慮到硬件連接情況以及數據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性能在業界領先，以小尺寸集成，具有較高的性價比，在非常低的功耗和價格下提供了高
性能的處理器[1] 。模數轉換器（ADC）選擇 24 位高集成度的△∑模數轉換器，適合于測量稱重儀
表、過程控制、科學和醫療等應用領域的單/雙極性小信號的芯片。在設計硬件時，使用了四個模數
轉換器（ADC），每個ADC都有兩路毫伏信號的輸入，可以減少硬件的連接。
動態裝載機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
自動記憶、存儲，即使斷電數據也不會丟失，也可以隨時調出查看，同時，如果單車超載會及時進
行聲光報警。具有打印功能，可以打印貨物的重量以及裝貨的時間等。
動態裝載機電子秤通過內部集成的無線通訊模塊、網絡和數據庫系統，還可以實現裝車管理信
息化，動態裝載機電子秤網絡系統如圖 6 所示。
四、測試及測試結論
對前文所述系統進行數據采樣，通過多次試驗，以及對大量數據的分析，利用系統辨識的方法
建立起該裝置的系統模型。
在系統模型的建立過程中，遇到很多難點：1、數據的采樣速度要快。首先，在動臂舉升的過
程中，裝載機電子秤在動臂舉升的每一個位置處都要進行至少一個點的采樣，這個位置與大臂角度
相對應，以保證在動臂舉升的任意一個位置都能測量出鏟斗內物料的重量值。2、數據采集的精度
要高。該裝載機電子秤在大臂舉升的任意一個位置都可以卸料，測量范圍遍布大臂舉升的整個過程，
為了測量的準確性，必須保證在編碼器定位的每一個位置的采樣值都穩定準確。3、在用系統辨識
的方法建立系統模型的時候，必須要通過大量數據尋找出最合適的參數系數。這就要求采樣過程包
括裝載機變速前進、變速舉升、在不平而顛簸的路面行進中舉升等各種條件下進行大量采樣，做大
量的試驗。

— 5 —

圖 6 動態裝載機電子秤網絡系統示意圖

動態裝載機電子秤經山西省質量技術監督局委托山東省計量科學研究院對產品進行了全性能
測試，出具了《計量器具型試評價報告（編號：2010XP－194）》。測試表明動態裝載機電子秤在車
輛變速行進、變速舉升、顛簸和傾斜路面等動態條件下，也完全達到了國際法制計量組織（OIML）
第R51 號國際建議中Y（b）級最大允許誤差的要求[2]。
表 1 OIML R51 國際建議 Y（b）級最大允許誤差
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
0<m≤50
50<m≤200
200<m≤1000
±1e
±1.5e
±2e
±1.5e
±2.5e
±3.5e
— 6 — 五、總結
動態裝載機電子秤采用了液壓傳感器、溫度傳感器、角度傳感器和振動傳感器等，對裝載機的
工作狀態和運動狀態進行了檢測，通過自行研究出的數學模型和測量算法，實現了在動態情況下仍
能達到國際法制計量組織（OIML）R51 號國際建議中 Y（b）級準確度的要求。這對裝載機電子秤
在使用中的實際準確度有了很大提高，對裝載機裝車的工作效率也會有很大提高。這項技術的推廣
應用將對鐵路和公路運輸的安全性和經濟性都會起到積極作用，應用前景廣闊。

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