裝載機動態電子秤的研制

曹奉城 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

裝載機動態電子秤是一種安裝在輪式裝載機上，用來計量裝載量的電子衡器設備。它可以提供被稱重物料的單鏟值、累計值等各種裝載信息并具有編輯、存儲、無線輸出及打印等功能。在裝貨的同時，動態同步反映裝貨量，幫助客戶快捷、低成本的完成稱重作業，被廣泛應用于廠礦、港口、鐵路等散貨裝卸作業中 。

1 研制裝載機動態電子秤的背景及意義

目前國內生產的裝載機電子秤的設計原理均采用位置傳感器方式，即當裝載機動臂上升至位置傳感器（接近開關）所固定的位置時，系統對動臂舉升液壓缸的壓力值進行采樣。這種僅僅依靠單點采樣來完成裝載機稱重的方法存在嚴重缺陷，因為裝載機本身的工作結構受力相對復雜，且其工作環境比較惡劣，動態測量受非線性、慣性沖擊、液壓波動、路面狀況和隨機干擾等因素的影響較多。所以，目前國內裝載機電子秤不可避免存在較大偏差，實際測量精度大都在3%～10%，遠遠不能達到國家標準的有關要求，因此國內各行業迫切需要能夠達到國家標準且符合檢定規程的新型裝載機電子秤。

裝載機動態電子秤在國內首次成功地采用了傾角和角度傳感器進行動態補償的方法，同時著重通過在數據采集和數據處理電路及程序上提高稱重精度，動態測量精度可達到0.5%～1%，完全滿足國標要求，可解決現有裝載機電子秤測量精度不能達到要求的現狀，實現真正意義上的裝載機動態稱重。

2 主要結構組成及設計原理

2.1 結構組成

裝載機新型電子秤主要由壓力傳感器、溫度傳感器、角度傳感器、傾角傳感器、稱重儀表及安裝附件等組成，結構示意圖如圖1 所示。

圖1 整體結構示意圖

2.2 工作原理及主要功能

通過兩個壓力傳感器檢測裝載機動臂舉升油缸活塞兩端的壓力差，對舉升速度進行補償后，運用數字模擬軟件將壓力差轉換為重量信號。其中溫度傳感器對其進行溫度補償；傾角傳感器對其進行傾斜角度補償；角度傳感器對動臂油缸舉升角度進行測量，同時可以檢測到動臂油缸舉升的角加速度，并做出相應的補償；稱重儀表對稱重數據進行計算和處理，在儀表的屏幕上顯示出稱重結果，并具有編輯、存儲、無線輸出及打印等功能。

3 技術方案

在裝載機的動臂上安裝角度傳感器來取代接近開關，這就相當于在裝載機臂上安裝了N 個接近開關，在裝載機上舉的過程中可以對多點進行采樣，然后對采樣數據進行濾波、排序、篩選、平均等數據處理，從而排除干擾，得到比較準確的結果。此角度傳感器的另一作用是通過計算裝載機上舉的過程對角度變化的速度的測量，可計算出角加速度，實現對測量數據的修正。同時，在駕駛室安裝了傾角傳感器，用于裝載機前、后及左、右傾斜造成的測量數據誤差修正及裝載機加、減速行駛造成的測量數據誤差修正。這樣真正實現了裝載機動態稱重，目前實測精度已經達到了0.5%～1%以內。

4 研制過程

4.1 安裝方案設計

（1）壓力傳感器

2 個壓力傳感器分別安裝在裝載機動臂油缸的進出油口法蘭上，壓力傳感器、安裝法蘭及壓力傳感器安裝位置照片分別如圖2、圖3、圖 4 所示。

圖2 壓力傳感器

圖3 安裝法蘭

圖4 壓力傳感器安裝位置

（2）角度傳感器和傾角傳感器

角度傳感器和傾角傳感器統稱為狀態傳感器，角度傳感器安裝在裝載機舉升油缸動臂上，傾角傳感器安裝在裝載機機身上，安裝位置照片如圖5 所示。

圖5 安裝位置

（3）溫度傳感器

溫度傳感器集成在壓力傳感器之內，這里不另做描述。

（4）中央處理器

中央處理器安裝在裝載機駕駛室里面，安裝位置照片如圖6 所示。

圖6 安裝位置圖

4.2 傳感器的選型

（1）壓力傳感器

選用WIKA 生產的S-20 壓力傳感器，各項技術參數如下：

量程：0～15 MPa；準確度：0.2%FS；介質溫度：-20 ℃～70℃；環境溫度：-40 ℃～85 ℃；過載壓力：≤2 倍量程；工作電壓：24VCD；輸出信號：4 mA～20 mA；安裝螺紋：M20*1.5。

（2）角度傳感器

采用3 軸加速度+3 軸陀螺儀組成的姿態傳感器設計制作。

（3）傾角傳感器

采用3 軸加速度+3 軸陀螺儀組成的姿態傳感器設計制作。

（4）溫度傳感器

選用DALLAS 生產的DS18B20 溫度傳感器，主要技術參數如下：

量程：-55 ℃～125 ℃；精度：±0.5 ℃。

4.3 數據采集處理裝置設計

（1）中央處理器

采用ARM STM32F103RBT6 32 位高速CPU。

（2）數據采集模塊

由 ARM STM32F103RBT6 ADC 完成。

（3）GPRS 模塊

SIM800。

4.4 稱重及參數界面設計

（1）稱重界面

稱重界面實物照片如圖7 所示。

圖7 稱重界面

稱重界面下的設計如下：

稱重狀態需要輸入本批次的“貨號”、“單位”、“車號”、“限重”數據。

最近一次的稱重數據和之前累計數據超過“限重”后報警且不予保存。此時可調整物料再次稱重直至滿足要求。

裝載機車體任意方向傾角超過7°后報警。

開機默認為非稱狀態，稱重的數據只顯示不保存。

“工作模式”按鈕用于切換非稱狀態和稱重狀態。

“置零”按鈕用于將最近一次的稱重數據作為皮重。

“累清”按鈕用于將當前裝載批次的稱重數據歸零。

“刪除”按鈕用于將最近一次的稱重數據從記錄中清除。

“扣減”按鈕用于待稱重數據為上次稱重后未倒干凈貨物的稱重數據。

“打印”按鈕用于將當前裝載批次的稱重數據打印。

“參數”按鈕用于切換至參數設置界面。

（2）參數界面

參數界面實物照片如圖8 所示。

圖8 參數界面

參數界面下的設計如下：

裝載機的油缸參數輸入：“缸徑”、“桿徑”。

系統顯示參數輸入：“分度值”。

標定實重數據輸入：“實重”(整車修正)。

點擊“實重”后面空格鍵，輸入需要增加的重量，按OK鍵，再按最下面行最左邊的空格鍵，最后按返回，完成整車修正。

觸摸時鐘顯示條可設置時鐘。

“標定”按鈕用于4 個標定點的標定。

“保存”按鈕用于標定完成后的系統參數及標定數據保存。

“返回”按鈕用于切換至系統稱重界面。

5 結束語

項目研制過程中充分采納了用戶提出的意見和建議，經過近一年的試用與改進，系統功能得到了進一步優化完善，實現了總體設計的目標，獲得較好的實際效果。裝載機動態電子秤是在國內現有的裝載機電子秤的基礎上，采用了創造性的設計理念，除了在硬件上增加了傾角和角度傳感器外，著重通過在軟件的數據采集和數據分析上提高測量精度。經過試驗測試，實現了動態稱重功能，并獲得良好的測量精度，達到了國家質檢總局最新頒布的JJG 1123-2016《裝載機電子秤》檢定規程的要求，驗證了該系統設計的科學性，具有廣闊的應用前景。