CN106052829A - 叉装车自动称重系统及称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效消除地面坡度因素影响，能够提高称重精度的叉装车自动称重系统，包括：三个基于MEMS传感器的姿态检测电路板、四个压力传感器、显示仪表。所述三个姿态检测电路板分别安装于叉装车的动臂、货叉、机架上；所述四个压力传感器分别安装于动臂油缸有杆腔和无杆腔、转斗油缸有杆腔和无杆腔，作为信号输出端以任意组合形式与其中一个或两个或三个所述姿态检测电路板的输入端连接；所述三个姿态检测电路板与显示仪表四者之间通过CAN总线进行通信。本发明还公开了一种叉装车自动称重方法。

Description

叉装车自动称重系统及称重方法

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，主要涉及一种叉装车自动称重系统及称重方法。

背景技术

叉装车是近年出现的工程机械新品种，以其独特的结构功能性被广泛应用于矿山及石材开采。考虑到叉装车始终处于流水作业状态，难以用固定衡器称重，所以自动称重系统在提高作业效率、实现驾驶员作业量和货车装卸量的统计等方面具有重大的意义。目前，市场上少部分配有称重装置的叉装车引用的是装载机的，这些产品没有考虑地面坡度对称重结果的影响，在进行物料称重时一般要求地面较平坦。由于叉装车的工作环境比较恶劣，在它流水作业状态下，地面都具有一定的坡度，所以，地面坡度是系统不可忽略的重要因素。

发明内容

本发明提供了一种叉装车自动称重系统及称重方法，它能够克服背景技术中提到的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一：

叉装车自动称重系统，包括：第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板、显示仪表；

其中：第一姿态检测电路板安装于动臂上，第二姿态检测电路板安装于货叉上，第三姿态检测电路板安装于机架上，第一压力传感器安装在动臂油缸的有杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第二压力传感器安装在动臂油缸的无杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第三压力传感器安装在转斗油缸的有杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第四压力传感器安装在转斗油缸的无杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接。

进一步地，所述的第一姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因动臂油缸活塞杆伸缩导致的、动臂绕其与机架铰接轴转动而产生的动臂俯仰角。

进一步地，所述的第二姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因转斗油缸活塞杆伸缩导致的、货叉绕其与动臂铰接轴转动而产生的货叉俯仰角。

进一步地，所述的第三姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因地面不平整而产生的机架俯仰角。

进一步地，所述的第一压力传感器不是必须的，根据精度要求进行取舍。

进一步地，上述的第一姿态检测电路板或者第二姿态检测电路板或者第三姿态检测电路板作为主控制电路板，通过CAN总线接收第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板或者第一姿态检测电路板、第三姿态检测电路板或者第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板的信号，计算出物料重量，并将计算结果通过CAN总线发送给显示仪表。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二：

叉装车自动称重方法，包括如下步骤：

一、第一压力传感器检测动臂油缸有杆腔压力，第二压力传感器检测动臂油缸无杆腔压力，第三压力传感器检测转斗油缸有杆腔压力，第四压力传感器检测转斗油缸无杆腔压力，第一姿态检测电路板检测动臂俯仰角，第二姿态检测电路板检测货叉俯仰角，第三姿态检测电路板检测机架俯仰角；

二、第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板根据连接关系接收第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的信号，作为主控制电路板的姿态检测电路板接收另两个姿态检测电路板信号，计算出物料重量，计算方法通过如下步骤：

（1）根据叉装车工作装置的机械结构建立动力学模型：将工作装置简化成一个简单的平面力系，即假设动臂、动臂油缸及其活塞杆轴线与转斗油缸及其活塞杆、摇臂、拉杆、货叉轴线处于同一个平面内；在该平面内定义9个点，分别是动臂与机架的铰点A、动臂油缸及其活塞杆与动臂的铰点B、摇臂与动臂的铰点C、货叉与动臂的铰点D、拉杆与货叉的铰点E、拉杆与摇臂的铰点F、转斗油缸及其活塞杆与摇臂的铰点G、转斗油缸及其活塞杆与机架的铰点H、动臂油缸及其活塞杆与机架的铰点I；定义一个坐标系（X，Y），此坐标系以A点为原点，X方向指向叉装车车体前进方向，Y方向垂直于X方向向上；设第一压力传感器检测的动臂油缸有杆腔压力为，第二压力传感器检测的动臂油缸无杆腔压力为，第三压力传感器检测的转斗油缸有杆腔压力为，第四压力传感器检测的转斗油缸无杆腔压力为，第一姿态检测电路板检测的动臂俯仰角为，第二姿态检测电路板检测的货叉俯仰角为，第三姿态检测电路板检测的机架俯仰角为；

（2）将动臂、摇臂、拉杆、货叉及物料假设为一个整体，该整体绕A点转动并受到两个外力：一个是动臂油缸及其活塞杆作用在B点的力，另一个是转斗油缸及其活塞杆作用在G点的力；其所受的重力分为两部分：一个是工作装置自身所受的重力，其质心位置为S点，另一个是物料所受的重力，其质心位置为K点；根据力矩动力学定律:，其中，为所假设整体绕A点转动产生的合外力矩，为所假设整体的转动惯量，为角加速度；由于动臂举升的起始加速阶段和终止减速阶段的角加速度比较大，取中间平稳举升的阶段作为有效称重区间，其角加速度较小，可忽略不计，即：，有

①

其中，为A点至B点之间的距离，为A点至H点之间的距离，(为S点的X坐标，为A点的X坐标)，(为D点的X坐标)， (为K点的X坐标)；

（3）对动力学模型①作进一步的推导，步骤如下：

a.根据三角形的正余弦定律，对于△ABI有

②

③

其中，为A点至I点之间的距离，为B点至I点之间的距离；

b.将货叉及物料作为一个绕D点转动的整体独立出来，其受到拉杆的作用力、物料的重力、货叉的重力（忽略）,根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

④

其中，为货叉及物料绕D点转动产生的合外力矩，为D点至E点之间的距离；

c.将绕C点转动的摇臂独立出来，其受到拉杆的作用力(与大小相等方向相反)、转斗油缸及其活塞杆作用在G点的力、摇臂重力（忽略），根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

⑤

其中，为摇臂绕C点转动产生的合外力矩，为C点至G点之间的距离,为C点至F点之间的距离；

d.和可表示为：

⑥

⑦

其中，为A点至S点之间的距离,为A点至D点之间的距离；

e.将式②③④⑤⑥⑦代入式①，得：

⑧

其中，两个力变量、由油缸结构参数及压力换算得到，当所述的第一压力传感器舍弃时，；五个角度变量根据工作装置的结构参数以及俯仰角、、换算得到；系统建模时忽略了摩擦力、加速度等因素，为减少误差引入常系数,则式⑧可表示为：

⑨

(4)标定未知参数、、，标定步骤如下：

a.当空载，即时，式⑨可表示为：

⑩

在空载下，匀速举升动臂，实时记录、、、、、，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数、；

b.将拟合出来的未知参数、代入式⑨后可表示为：

⑪

即

⑫

在负载情况下，匀速举升一个质量已知的标码，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数；

（5）将拟合得出的未知参数代入式⑫后可表示为：

⑬

即

⑭

叉装车举升物料过程中，在有效称重区间内实时采集传感器信号，利用递推最小二乘法实现物料质量的在线估计；

三、作为主控制电路板的姿态检测电路板将步骤二计算所得的物料重量结果通过CAN总线发送给显示仪表，由显示仪表显示。

本技术方案与背景技术相比，具有如下优点：

1、将基于MEMS传感器的姿态检测用于叉装车的自动称重系统中，与传统所用的接近开关等位置传感器相比，它能够实现连续位置测量，姿态数据长，避免了由于采样数据不足导致统计性能差的问题；

2、所述的叉装车自动称重方法能够有效消除地面坡度对称重结果的影响；

3、所述的叉装车自动称重系统安装方便，标定过程简单。

附图说明

图1为叉装车自动称重系统连接示意图。

图2为叉装车工作装置结构简图。

图3为叉装车工作装置的数学模型。

附图标识说明：

1、动臂油缸及其活塞杆

2、动臂

3、货叉

4、拉杆

5、摇臂

6、转斗油缸及其活塞杆

7、机架

A、动臂与机架的铰点

B、动臂油缸及其活塞杆与动臂的铰点

C、摇臂与动臂的铰点

D、货叉与动臂的铰点

E、拉杆与货叉的铰点

F、拉杆与摇臂的铰点

G、转斗油缸及其活塞杆与摇臂的铰点

H、转斗油缸及其活塞杆与机架的铰点

I、动臂油缸及其活塞杆与机架的铰点

K、物料质心

S、工作装置质心

、动臂俯仰角

、货叉俯仰角

、机架俯仰角

以上为附图中各符号的说明。

具体实施方式

参照图1和图2，叉装车自动称重系统，包括：第一压力传感器11、第二压力传感器12、第三压力传感器13、第四压力传感器14、第一姿态检测电路板21、第二姿态检测电路板22、第三姿态检测电路板23、显示仪表31；

本实施例中，基于MEMS传感器的第一姿态检测电路板21安装于动臂2上，用于检测动臂2绕A点转动产生的动臂俯仰角；基于MEMS传感器的第二姿态检测电路板22安装于货叉3上，用于检测货叉3绕D点转动产生的货叉俯仰角；基于MEMS传感器的第三姿态检测电路板23安装于机架7上，用于检测因地面不平整而产生的机架俯仰角；第一压力传感器11安装在动臂油缸的有杆腔，用于检测动臂油缸有杆腔压力，其输出端与第一姿态检测电路板21的输入端连接；第二压力传感器12安装在动臂油缸的无杆腔，用于检测动臂油缸无杆腔压力，其输出端与第一姿态检测电路板21的输入端连接；第三压力传感器13安装在转斗油缸的有杆腔，用于检测转斗油缸有杆腔压力，其输出端与第二姿态检测电路板22的输入端连接；第四压力传感器14安装在转斗油缸的无杆腔，用于检测转斗油缸无杆腔压力，其输出端与第二姿态检测电路板22的输入端连接。

选择第一姿态检测电路板21作为主控制电路板，通过CAN总线接收第二姿态检测电路板22、第三姿态检测电路板23的信号，计算出物料重量，并将计算结果通过CAN总线发送给显示仪表31。

参照图3，叉装车自动称重方法，包括如下步骤：

一、第一压力传感器11、第二压力传感器12、第三压力传感器13、第四压力传感器14和第一姿态检测电路板21、第二姿态检测电路板22、第三姿态检测电路板23分别检测压力信号、、、和俯仰角信号、、；

二、第一姿态检测电路板21接收第一压力传感器11和第二压力传感器12的信号，第二姿态检测电路板22接收第三压力传感器13和第四压力传感器14的信号；第一姿态检测电路板21作为主控制电路板，通过CAN总线接收第二姿态检测电路板22、第三姿态检测电路板23的信号，计算出物料重量，计算方法通过如下步骤：

（1）根据叉装车工作装置的机械结构建立动力学模型：将工作装置简化成一个简单的平面力系，即假设动臂2、动臂油缸及其活塞杆1轴线与转斗油缸及其活塞杆6、摇臂5、拉杆4、货叉3轴线处于同一个平面内；定义一个坐标系（X，Y），此坐标系以A点为原点，X方向指向叉装车车体前进方向，Y方向垂直于X方向向上；

（2）将动臂2、摇臂5、拉杆4、货叉3及物料假设为一个整体，该整体绕A点转动并受到两个外力：一个是动臂油缸及其活塞杆1作用在B点的力，另一个是转斗油缸及其活塞杆6作用在G点的力；其所受的重力分为两部分：一个是工作装置自身所受的重力，其质心位置为S点，另一个是物料所受的重力，其质心位置为K点；根据力矩动力学定律:，其中，为所假设整体绕A点转动产生的合外力矩，为所假设整体的转动惯量，为角加速度；由于动臂举升的起始加速阶段和终止减速阶段的角加速度比较大，取中间平稳举升的阶段作为有效称重区间，其角加速度较小，可忽略不计，即：，有

①

其中，为A点至B点之间的距离，为A点至H点之间的距离，(为S点的X坐标，为A点的X坐标)，(为D点的X坐标)， (为K点的X坐标)；

（3）对动力学模型①作进一步的推导，步骤如下：

a.根据三角形的正余弦定律，对于△ABI有

②

③

其中，为A点至I点之间的距离，为B点至I点之间的距离；

b.将货叉3及物料作为一个绕D点转动的整体独立出来，其受到拉杆4的作用力、物料的重力、货叉3的重力（忽略）,根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

④

其中，为货叉3及物料绕D点转动产生的合外力矩，为D点至E点之间的距离；

c.将绕C点转动的摇臂5独立出来，其受到拉杆4的作用力(与大小相等方向相反)、转斗油缸及其活塞杆6作用在G点的力、摇臂5重力（忽略），根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

⑤

其中，为摇臂5绕C点转动产生的合外力矩，为C点至G点之间的距离,为C点至F点之间的距离；

d.和可表示为：

⑥

⑦

其中，为A点至S点之间的距离,为A点至D点之间的距离；

e.将式②③④⑤⑥⑦代入式①，得：

⑧

其中，两个力变量、由油缸结构参数及压力换算得到，当该第一压力传感器11舍弃时，；五个角度变量根据工作装置的结构参数以及俯仰角、、换算得到；系统建模时忽略了摩擦力、加速度等因素，为减少误差引入常系数,则式⑧可表示为：

⑨

(4)标定未知参数、、，标定步骤如下：

a.当空载，即时，式⑨可表示为：

⑩

在空载下，匀速举升动臂，实时记录、、、、、、，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数、；

b.将拟合出来的未知参数、代入式⑨后可表示为：

⑪

即

⑫

在负载情况下，匀速举升一个质量已知的标码，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数；

（5）将拟合得出的未知参数代入式⑫后可表示为：

⑬

即

⑭

叉装车举升物料过程中，在有效称重区间内实时采集传感器信号，利用递推最小二乘法实现物料质量的在线估计；

三、第一姿态检测电路板21将步骤二计算所得的物料重量结果通过CAN总线发送给显示仪表31，由显示仪表31显示。

与现有技术相比，本发明所述的一种叉装车自动称重系统及其方法，将MEMS传感器技术应用于叉装车的自动称重系统中，实现了连续位置测量，提高了性能；同时能够有效消除地面坡度对称重结果的影响，具有安装方便，标定过程简单的特点。

以上，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明内容作为的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.叉装车自动称重系统，其特征在于，包括：

第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板、显示仪表；

其中：第一姿态检测电路板安装于动臂上，第二姿态检测电路板安装于货叉上，第三姿态检测电路板安装于机架上，第一压力传感器安装在动臂油缸的有杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第二压力传感器安装在动臂油缸的无杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第三压力传感器安装在转斗油缸的有杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接；第四压力传感器安装在转斗油缸的无杆腔，它的输出端与第一姿态检测电路板或第二姿态检测电路板或第三姿态检测电路板的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的叉装车自动称重系统，其特征在于：所述的第一姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因动臂油缸活塞杆伸缩导致的、动臂绕其与机架铰接轴转动而产生的动臂俯仰角。

3.根据权利要求1所述的叉装车自动称重系统，其特征在于：所述的第二姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因转斗油缸活塞杆伸缩导致的、货叉绕其与动臂铰接轴转动而产生的货叉俯仰角。

4.根据权利要求1所述的叉装车自动称重系统，其特征在于：所述的第三姿态检测电路板是基于MEMS传感器，用于检测因地面不平整而产生的机架俯仰角。

5.根据权利要求1所述的叉装车自动称重系统，其特征在于：所述的第一压力传感器不是必须的，根据精度要求进行取舍。

6.根据权利要求1所述的叉装车自动称重系统，其特征在于：上述的第一姿态检测电路板或者第二姿态检测电路板或者第三姿态检测电路板作为主控制电路板，通过CAN总线接收第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板或者第一姿态检测电路板、第三姿态检测电路板或者第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板的信号，计算出物料重量，并将计算结果通过CAN总线发送给显示仪表。

7.根据权利要求1-6任一项所述的叉装车自动称重方法，包括如下步骤：

一、第一压力传感器检测动臂油缸有杆腔压力，第二压力传感器检测动臂油缸无杆腔压力，第三压力传感器检测转斗油缸有杆腔压力，第四压力传感器检测转斗油缸无杆腔压力，第一姿态检测电路板检测动臂俯仰角，第二姿态检测电路板检测货叉俯仰角，第三姿态检测电路板检测机架俯仰角；

二、第一姿态检测电路板、第二姿态检测电路板、第三姿态检测电路板根据连接关系接收第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的信号，作为主控制电路板的姿态检测电路板接收另两个姿态检测电路板信号，计算出物料重量，计算方法通过如下步骤：

（1）根据叉装车工作装置的机械结构建立动力学模型：将工作装置简化成一个简单的平面力系，即假设动臂、动臂油缸及其活塞杆轴线与转斗油缸及其活塞杆、摇臂、拉杆、货叉轴线处于同一个平面内；在该平面内定义9个点，分别是动臂与机架的铰点A、动臂油缸及其活塞杆与动臂的铰点B、摇臂与动臂的铰点C、货叉与动臂的铰点D、拉杆与货叉的铰点E、拉杆与摇臂的铰点F、转斗油缸及其活塞杆与摇臂的铰点G、转斗油缸及其活塞杆与机架的铰点H、动臂油缸及其活塞杆与机架的铰点I；定义一个坐标系（X，Y），此坐标系以A点为原点，X方向指向叉装车车体前进方向，Y方向垂直于X方向向上；设第一压力传感器检测的动臂油缸有杆腔压力为，第二压力传感器检测的动臂油缸无杆腔压力为，第三压力传感器检测的转斗油缸有杆腔压力为，第四压力传感器检测的转斗油缸无杆腔压力为，第一姿态检测电路板检测的动臂俯仰角为，第二姿态检测电路板检测的货叉俯仰角为，第三姿态检测电路板检测的机架俯仰角；

（2）将动臂、摇臂、拉杆、货叉及物料假设为一个整体，该整体绕A点转动并受到两个外力：一个是动臂油缸及其活塞杆作用在B点的力，另一个是转斗油缸及其活塞杆作用在G点的力；其所受的重力分为两部分：一个是工作装置自身所受的重力，其质心位置为S点，另一个是物料所受的重力，其质心位置为K点；根据力矩动力学定律:，其中，为所假设整体绕A点转动产生的合外力矩，为所假设整体的转动惯量，为角加速度；由于动臂举升的起始加速阶段和终止减速阶段的角加速度比较大，取中间平稳举升的阶段作为有效称重区间，其角加速度较小，可忽略不计，即：，有

①

其中，为A点至B点之间的距离，为A点至H点之间的距离，(为S点的X坐标，为A点的X坐标)，(为D点的X坐标)， (为K点的X坐标)；

（3）对动力学模型①作进一步的推导，步骤如下：

a.根据三角形的正余弦定律，对于△ABI有

②

③

其中，为A点至I点之间的距离，为B点至I点之间的距离；

b.将货叉及物料作为一个绕D点转动的整体独立出来，其受到拉杆的作用力、物料的重力、货叉的重力（忽略）,根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

④

其中，为货叉及物料绕D点转动产生的合外力矩，为D点至E点之间的距离；

c.将绕C点转动的摇臂独立出来，其受到拉杆的作用力(与大小相等方向相反)、转斗油缸及其活塞杆作用在G点的力、摇臂重力（忽略），根据力矩动力学定律：（忽略角加速度）有

⑤

其中，为摇臂绕C点转动产生的合外力矩，为C点至G点之间的距离,为C点至F点之间的距离；

d.和可表示为：

⑥

⑦

其中，为A点至S点之间的距离,为A点至D点之间的距离；

e.将式②③④⑤⑥⑦代入式①，得：

⑧

其中，两个力变量、由油缸结构参数及压力换算得到，当所述的第一压力传感器舍弃时，；五个角度变量根据工作装置的结构参数以及俯仰角、、换算得到；系统建模时忽略了摩擦力、加速度等因素，为减少误差引入常系数,则式⑧可表示为：

⑨

(4)标定未知参数、、，标定步骤如下：

a.当空载，即时，式⑨可表示为：

⑩

在空载下，匀速举升动臂，实时记录、、、、、、，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数、；

b.将拟合出来的未知参数、代入式⑨后可表示为：

⑪

即

⑫

在负载情况下，匀速举升一个质量已知的标码，运用递推最小二乘法拟合得出未知参数；

（5）将拟合得出的未知参数代入式⑫后可表示为：

⑬

即

⑭

叉装车举升物料过程中，在有效称重区间内实时采集传感器信号，利用递推最小二乘法实现物料质量的在线估计；

三、作为主控制电路板的姿态检测电路板将步骤二计算所得的物料重量结果通过CAN总线发送给显示仪表，由显示仪表显示。