曹奉城 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所
裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤是一種安裝在輪式裝載機(jī)上,用來計(jì)量裝載量的電子衡器設(shè)備。它可以提供被稱重物料的單鏟值、累計(jì)值等各種裝載信息并具有編輯、存儲(chǔ)、無線輸出及打印等功能。在裝貨的同時(shí),動(dòng)態(tài)同步反映裝貨量,幫助客戶快捷、低成本的完成稱重作業(yè),被廣泛應(yīng)用于廠礦、港口、鐵路等散貨裝卸作業(yè)中 。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的裝載機(jī)電子秤的設(shè)計(jì)原理均采用位置傳感器方式,即當(dāng)裝載機(jī)動(dòng)臂上升至位置傳感器(接近開關(guān))所固定的位置時(shí),系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臂舉升液壓缸的壓力值進(jìn)行采樣。這種僅僅依靠單點(diǎn)采樣來完成裝載機(jī)稱重的方法存在嚴(yán)重缺陷,因?yàn)檠b載機(jī)本身的工作結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜,且其工作環(huán)境比較惡劣,動(dòng)態(tài)測(cè)量受非線性、慣性沖擊、液壓波動(dòng)、路面狀況和隨機(jī)干擾等因素的影響較多。所以,目前國內(nèi)裝載機(jī)電子秤不可避免存在較大偏差,實(shí)際測(cè)量精度大都在3%~10%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求,因此國內(nèi)各行業(yè)迫切需要能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)且符合檢定規(guī)程的新型裝載機(jī)電子秤。
裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤在國內(nèi)首次成功地采用了傾角和角度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?,同時(shí)著重通過在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理電路及程序上提高稱重精度,動(dòng)態(tài)測(cè)量精度可達(dá)到0.5%~1%,完全滿足國標(biāo)要求,可解決現(xiàn)有裝載機(jī)電子秤測(cè)量精度不能達(dá)到要求的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)真正意義上的裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重。
裝載機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖
通過兩個(gè)壓力傳感器檢測(cè)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升油缸活塞兩端的壓力差,對(duì)舉升速度進(jìn)行補(bǔ)償后,運(yùn)用數(shù)字模擬軟件將壓力差轉(zhuǎn)換為重量信號(hào)。其中溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償;傾角傳感器對(duì)其進(jìn)行傾斜角度補(bǔ)償;角度傳感器對(duì)動(dòng)臂油缸舉升角度進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)可以檢測(cè)到動(dòng)臂油缸舉升的角加速度,并做出相應(yīng)的補(bǔ)償;稱重儀表對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理,在儀表的屏幕上顯示出稱重結(jié)果,并具有編輯、存儲(chǔ)、無線輸出及打印等功能。
在裝載機(jī)的動(dòng)臂上安裝角度傳感器來取代接近開關(guān),這就相當(dāng)于在裝載機(jī)臂上安裝了N 個(gè)接近開關(guān),在裝載機(jī)上舉的過程中可以對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行采樣,然后對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、排序、篩選、平均等數(shù)據(jù)處理,從而排除干擾,得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。此角度傳感器的另一作用是通過計(jì)算裝載機(jī)上舉的過程對(duì)角度變化的速度的測(cè)量,可計(jì)算出角加速度,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的修正。同時(shí),在駕駛室安裝了傾角傳感器,用于裝載機(jī)前、后及左、右傾斜造成的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正及裝載機(jī)加、減速行駛造成的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差修正。這樣真正實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重,目前實(shí)測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到了0.5%~1%以內(nèi)。
(1)壓力傳感器
2 個(gè)壓力傳感器分別安裝在裝載機(jī)動(dòng)臂油缸的進(jìn)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(tǒng)稱為狀態(tài)傳感器,角度傳感器安裝在裝載機(jī)舉升油缸動(dòng)臂上,傾角傳感器安裝在裝載機(jī)機(jī)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(nèi),這里不另做描述。
(4)中央處理器
中央處理器安裝在裝載機(jī)駕駛室里面,安裝位置照片如圖6 所示。
圖6 安裝位置圖
(1)壓力傳感器
選用WIKA 生產(chǎn)的S-20 壓力傳感器,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如下:
量程:0~15 MPa;準(zhǔn)確度:0.2%FS;介質(zhì)溫度:-20 ℃~70℃;環(huán)境溫度:-40 ℃~85 ℃;過載壓力:≤2 倍量程;工作電壓:24VCD;輸出信號(hào):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(tài)傳感器設(shè)計(jì)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(tài)傳感器設(shè)計(jì)制作。
(4)溫度傳感器
選用DALLAS 生產(chǎn)的DS18B20 溫度傳感器,主要技術(shù)參數(shù)如下:
量程:-55 ℃~125 ℃;精度:±0.5 ℃。
(1)中央處理器
采用ARM STM32F103RBT6 32 位高速CPU。
(2)數(shù)據(jù)采集模塊
由 ARM STM32F103RBT6 ADC 完成。
(3)GPRS 模塊
SIM800。
(1)稱重界面
稱重界面實(shí)物照片如圖7 所示。
圖7 稱重界面
稱重界面下的設(shè)計(jì)如下:
稱重狀態(tài)需要輸入本批次的“貨號(hào)”、“單位”、“車號(hào)”、“限重”數(shù)據(jù)。
最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)和之前累計(jì)數(shù)據(jù)超過“限重”后報(bào)警且不予保存。此時(shí)可調(diào)整物料再次稱重直至滿足要求。
裝載機(jī)車體任意方向傾角超過7°后報(bào)警。
開機(jī)默認(rèn)為非稱狀態(tài),稱重的數(shù)據(jù)只顯示不保存。
“工作模式”按鈕用于切換非稱狀態(tài)和稱重狀態(tài)。
“置零”按鈕用于將最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)作為皮重。
“累清”按鈕用于將當(dāng)前裝載批次的稱重?cái)?shù)據(jù)歸零。
“刪除”按鈕用于將最近一次的稱重?cái)?shù)據(jù)從記錄中清除。
“扣減”按鈕用于待稱重?cái)?shù)據(jù)為上次稱重后未倒干凈貨物的稱重?cái)?shù)據(jù)。
“打印”按鈕用于將當(dāng)前裝載批次的稱重?cái)?shù)據(jù)打印。
“參數(shù)”按鈕用于切換至參數(shù)設(shè)置界面。
(2)參數(shù)界面
參數(shù)界面實(shí)物照片如圖8 所示。
圖8 參數(shù)界面
參數(shù)界面下的設(shè)計(jì)如下:
裝載機(jī)的油缸參數(shù)輸入:“缸徑”、“桿徑”。
系統(tǒng)顯示參數(shù)輸入:“分度值”。
標(biāo)定實(shí)重?cái)?shù)據(jù)輸入:“實(shí)重”(整車修正)。
點(diǎn)擊“實(shí)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(shí)鐘顯示條可設(shè)置時(shí)鐘。
“標(biāo)定”按鈕用于4 個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)定。
“保存”按鈕用于標(biāo)定完成后的系統(tǒng)參數(shù)及標(biāo)定數(shù)據(jù)保存。
“返回”按鈕用于切換至系統(tǒng)稱重界面。
項(xiàng)目研制過程中充分采納了用戶提出的意見和建議,經(jīng)過近一年的試用與改進(jìn),系統(tǒng)功能得到了進(jìn)一步優(yōu)化完善,實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)的目標(biāo),獲得較好的實(shí)際效果。裝載機(jī)動(dòng)態(tài)電子秤是在國內(nèi)現(xiàn)有的裝載機(jī)電子秤的基礎(chǔ)上,采用了創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析上提高測(cè)量精度。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)稱重功能,并獲得良好的測(cè)量精度,達(dá)到了國家質(zhì)檢總局最新頒布的JJG 1123-2016《裝載機(jī)電子秤》檢定規(guī)程的要求,驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性,具有廣闊的應(yīng)用前景。