王 班,王欣杰,葉國云,傅 敏

(1.杭州電子科技大學 機械工程學院,浙江 杭州 310018;2.寧波如意股份有限公司,浙江 寧波 315600;3.浙江大學 電氣工程學院,浙江 杭州 310027)

0 引 言

叉車是實現(xiàn)物流機械化作業(yè)、減輕工人搬運勞動強度、提高作業(yè)效率的主要工具,廣泛地應用于工廠、倉儲、港口、車站等場所,在物流業(yè)中發(fā)揮了重要作用[1]。

隨著土地資源稀缺以及土地價格的飛漲,人們不得不采用向空間要倉庫、向空間要效益的高空發(fā)展戰(zhàn)略,這使得叉車的舉升高度也越來越高[2],叉車的工作環(huán)境也越來越復雜。

在工作中,由于貨物重力及慣性力的作用,叉車易發(fā)生向前縱向的傾翻;在轉(zhuǎn)彎時,又由于離心慣性力作用,叉車易發(fā)生橫向傾翻[3]。因此,對叉車而言,尤其是對高位揀選叉車而言,其作業(yè)的安全性亟待提高。

近年來,國內(nèi)外研究人員對叉車行駛過程中的橫向穩(wěn)定性,以及叉車的防傾翻技術(shù)進行了大量的研究[4-10]。對于提高叉車縱向穩(wěn)定性而言,一般采用的方法是限制叉車貨物的舉升高度。因此,每臺叉車在出廠前,生產(chǎn)廠商都會給出叉車在起升相應高度時,實際可以載重的負載重量數(shù)據(jù),即叉車載荷曲線[11]。

如何實現(xiàn)叉車在作業(yè)過程中快速、實時稱重功能,如何根據(jù)貨物的重量,并在最大化利用叉車高舉升功能的基礎上,合理限制其舉升高度,是目前叉車研究方面亟待解決的問題。

目前,在工程實際中,為了實現(xiàn)叉車在作業(yè)過程中的稱重功能,一般是通過貨叉直接稱重[12]的方式,或者是通過鏈條[13]間接稱重的方式。但是上述這兩種稱重方式會改變叉車的車輛結(jié)構(gòu)和外觀。

因此,如果可以在保持車輛原有結(jié)構(gòu)不變的基礎上,實現(xiàn)對舉升貨物重量進行簡單、可靠測量,并據(jù)此自動地限制叉車的舉升高度,這對于高位揀選叉車的安全作業(yè)具有重要意義。

筆者提出一種基于舉升液壓缸壓力測量的叉車稱重方法。液體壓力傳感器實時測量舉升液壓缸的壓力值,DSP主控器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換方式,實現(xiàn)對壓力的實時采樣,主控器根據(jù)液壓缸壓力與負載重量的對應關(guān)系式,計算得到負載質(zhì)量,并將其傳至叉車儀表盤,實現(xiàn)負載重量的實時計算與顯示。

為了消除摩擦能的影響,筆者在理論分析的基礎上根據(jù)測試得到的壓力與標準負載重量,利用最小二乘擬合法,得到修正后的壓力-負載關(guān)系式,以提高稱重精度;進一步地,筆者將該間接稱重技術(shù)應用于高位揀選叉車的安全作業(yè)之中。

1 叉車稱重方式對比

叉車貨叉舉升過程中,首先是由電機帶動液壓泵驅(qū)動液壓缸運動,進而通過鏈條帶動貨叉完成舉升運動。

貨叉舉升系統(tǒng)動力傳遞過程如圖1所示。

圖1 叉車舉升系統(tǒng)動力傳遞過程

根據(jù)叉車舉升系統(tǒng)的動力傳遞過程,筆者分別在上述4個環(huán)節(jié)設置傳感器,可以實現(xiàn)對叉車負載重量的直接或間接測量。

對應的4種稱重方式如圖2所示。

圖2 叉車稱重方式分類

各類稱重方式的對比如下:

(1)末端直接式稱重。此種方式通過直接在貨叉上安裝稱重傳感器,實現(xiàn)對舉升負載的直接測量。由于叉車在作業(yè)過程中需要實時運動,且舉升負載一般較大,安裝較為困難,一般需要改變貨叉的機械結(jié)構(gòu),這對貨叉強度有影響。因此,該類稱重方式主要用于小型專業(yè)結(jié)算用叉車的稱重;

(2)前端機械式稱重。此種方式通過在傳動鏈條上安裝拉力傳感器,根據(jù)測量鏈條拉力,并通過簡單計算得到貨叉負載重量,是一種精度尚可的間接式稱重方式。此種方式一方面改變了叉車鏈條的基本機構(gòu),對叉車的可靠性有所影響;另一方面,拉力傳感器信號線與中部儀表之間為有線連接,這對叉車作業(yè)安全有一定的影響;

(3)中端液壓式稱重。此種方式通過在舉升液壓系統(tǒng)中安裝液壓傳感器,對舉升液壓缸進行壓力測量,再通過簡單計算得到貨叉負載重量,是一種精度一般的間接式稱重方式。此種方式只需要在舉升液壓缸控制回路中串聯(lián)一個壓力傳感器,不改變叉車的結(jié)構(gòu);但是該液壓系統(tǒng)會受到環(huán)境溫度的影響,影響其稱重精度;

(4)后端電氣式稱重。此種方式通過在電機控制系統(tǒng)中安裝電流傳感器,根據(jù)測量電機電流,再經(jīng)計算得到貨叉負載重量,是一種間接式稱重方式。一般舉升液壓系統(tǒng)由三相異步電機來驅(qū)動,而三相異步電機模型復雜[14],且存在著溫漂等非線性現(xiàn)象,通過建模計算得到負載重量較難實現(xiàn)。因此,到目前為止,此種稱重方式還只是一種理論方案,在工程應用上較為困難。

綜上可知,末端直接式、前端機械式及中端液壓式稱重方式是工程可實現(xiàn)的3種叉車稱重方案。

其中,末端直接式、前端機械式兩種稱重方式稱重精度較高,但對叉車結(jié)構(gòu)有一定改變,可用于貿(mào)易結(jié)算型叉車;中端液壓式稱重原理簡單、實現(xiàn)方便,對叉車結(jié)構(gòu)無影響,稱重精度一般,適用于諸如舉升負載超限檢測、舉升高度限制等對稱重精度要求不高的叉車。

2 液壓式稱重系統(tǒng)

2.1 理論分析

叉車揀選作業(yè)過程中,筆者以所舉升貨物為研究對象,簡化后的叉車舉升貨物受力模型如圖3所示。

圖3 叉車舉升貨物受力示意圖

以舉升前貨物質(zhì)心O為原點,豎直向上為高度正方向,在豎直方向上,根據(jù)牛頓定律有:

F-mg=ma

(1)

式中:F—液壓缸舉升力;m—貨物質(zhì)量;a—舉升加速度;g—當?shù)刂亓铀俣取?/p>

液壓缸舉升力F表達式如下:

F=pA

(2)

式中:p—液壓缸液體壓強;A—液壓缸橫截面面積。

根據(jù)式(1,2)可得:

(3)

其中:A和g已知。

由式(3)可知,只需測量叉車舉升貨物過程中液體壓強p和舉升加速度a,即可通過計算得到貨物質(zhì)量m。尤其是在舉升開始前的靜止階段、舉升過程中的勻速上升階段及舉升結(jié)束后的靜止階段,載荷加速度a=0,這時只需測量得到液體壓強p,即可得到貨物質(zhì)量,即:

(4)

由式(4)可知,平衡狀態(tài)下載荷質(zhì)量m與液壓缸壓力p成線性的正比關(guān)系。

然而,上述模型沒有考慮到舉升系統(tǒng)自重、摩擦等外力干擾因素,因此,這是一種理想狀態(tài)下的模型。在具體的實施過程中,可采取多次測試的方法,根據(jù)測試數(shù)據(jù),利用最小二乘法進行線性擬合,得到液體壓強p與重物質(zhì)量m間的具體函數(shù)關(guān)系,從而提高稱重模塊在載荷全量程范圍內(nèi)的稱重精度。

2.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述分析可知,在叉車舉升作業(yè)過程中的平衡階段,通過測量液體壓強p即可計算得到貨物的質(zhì)量m。

因此,在叉車現(xiàn)有硬件的基礎上,筆者設計了一套叉車稱重系統(tǒng)硬件。該稱重系統(tǒng)硬件組成及各模塊,如圖4所示。

圖4 叉車稱重系統(tǒng)組成示意圖

該稱重系統(tǒng)的具體工作過程如下:

(1)利用液體壓力傳感器測量叉車舉升液壓缸回路中液體壓力值p,通過AD采樣方式將取液體壓力值采樣至DSP主控器之中,利用標準質(zhì)量砝碼,進一步得到液體壓力p和重物質(zhì)量m對應數(shù)據(jù),根據(jù)最小二乘法對壓力-質(zhì)量關(guān)系式進行線下函數(shù)擬合,得到壓力-質(zhì)量關(guān)系式,并將其存儲到DSP主控器中;

(2)DSP主控器將接收到的液體壓力傳感器數(shù)據(jù),代入壓力-質(zhì)量關(guān)系式,計算得到貨物的重量,并通過CAN總線將貨物重量傳輸?shù)絻x表盤進行重量顯示,從而實現(xiàn)叉車對貨物的間接稱重與顯示。

叉車稱重系統(tǒng)中的液體壓力傳感器采用單晶硅式壓力傳感器,其實物圖如圖5所示。

圖5 單晶硅式液體壓力傳感器

單晶硅式壓力傳感器巧妙地采用測壓結(jié)構(gòu)設計,可有效抑制壓力的瞬間沖擊,延長使用壽命,提升可靠性。

筆者選用的傳感器的壓力測量范圍為-0.1 MPa～20 MPa,輸出信號為4 mA～20 mA標準電流模擬量。該傳感器具有過載能力強(滿量程兩倍的過載能力),響應快(8 ms),環(huán)境溫度適用性強(-20 ℃～80 ℃)及測量精度高(0.5%)的優(yōu)點。

主控制器采用TI公司的TMS320F28335浮點型32位數(shù)字信號處理器(DSP),最大工作頻率為150 MHz,滿足系統(tǒng)高速計算的實時性要求。芯片內(nèi)有高達256 K×16的Flash和34 K×16的SARAM,16位或32位外部接口(XINTF)可以擴展超過2 M×16的外部存儲空間,滿足執(zhí)行控制程序所需的內(nèi)存空間。主控制器的CAN模塊通過CAN收發(fā)器SN65HVD230能夠從硬件上實現(xiàn)CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

要實現(xiàn)指令的傳輸還需開發(fā)應用層協(xié)議,CAN open是在CAN總線上定義的一套應用層協(xié)議,已成為電梯網(wǎng)絡、運動控制、工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域的通用標準。筆者開發(fā)了基于DSP的CAN open子協(xié)議棧,實現(xiàn)了TMS320F28335對叉車儀器儀表的CAN open總線通訊,簡化了系統(tǒng)設計,有利于模塊化設計和提高可靠性。

TMS320F28335芯片內(nèi)部集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,考慮測量誤差,其性能可能不能滿足對高精度壓力檢測的要求。故筆者采用AD7656轉(zhuǎn)換芯片為外部ADC模塊,具有6個16位獨立ADC,能夠同時對6路模擬輸入進行高速(250 kSPS)AD轉(zhuǎn)換,精度可達14位。數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接讀入內(nèi)存中,節(jié)約了DSP的計算資源。

DSP控制器與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656的硬件連接圖,如圖6所示。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件連接示意圖

2.3 最小二乘擬合實驗及結(jié)果分析

為了提高叉車的稱重精度,消除摩擦等因素的干擾,筆者采用測試標定的方式對液壓回路壓力和貨物重量進行函數(shù)關(guān)系式擬合。

在測試過程中,筆者依次記錄空載、500 kg標準砝碼、1 000 kg標準砝碼及1 500 kg標準砝碼等條件下的液壓回路壓力。

叉車稱重測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 叉車稱重測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),筆者利用最小二乘進行線性擬合[15],得到了壓力-質(zhì)量最小二乘擬合曲線,如圖7所示。

圖7 壓力-質(zhì)量最小二乘擬合曲線

由圖7可知,液壓回路壓力p與貨物質(zhì)量m具有很好的線性相關(guān)度。

最終，得到的液壓回路壓力p和重物質(zhì)量m之間的關(guān)系式為:

m=132.99p-247.97

(5)

大負載工況下(負載≥1 000 kg),上述標定點的稱重相對誤差限分別為0.98%、0.39%、0.78%及0.50%。為使測試更具一般性,筆者又在其他非標定點對稱重系統(tǒng)進行了測試。

測試結(jié)果表明:在負載≥1 000 kg的大負載工況下,該稱重系統(tǒng)的稱重誤差限≤3%;該結(jié)果驗證了稱重系統(tǒng)具有較高的稱重精度。

3 叉車安全作業(yè)系統(tǒng)

一般而言,叉車的額定載荷標定為在標準起升高度時的最大起升重量。當叉車使用高于規(guī)定起升高度的門架時,其載重量應相應降低。特別是對高位揀選叉車而言,其起升高度比普通叉車高很多,這就對門架以及門架上升過程中叉車整體的穩(wěn)定性有了更高的要求。因此,非常有必要在根據(jù)前述稱重裝置得到叉車載荷重量后,再根據(jù)載荷曲線,自動限制貨叉的舉升高度,實現(xiàn)高位揀選叉車的安全作業(yè)。

叉車安全作業(yè)系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

圖8 叉車安全作業(yè)系統(tǒng)示意圖

首先,將叉車載荷曲線(即貨物重量與允許起升高度之間的關(guān)系曲線)提前存儲至叉車控制器之中,然后,根據(jù)負載重量(由液壓式叉車間接稱重系統(tǒng)通過間接測量得到)以及載荷曲線,得到對應的極限起升高度HL。

利用拉線編碼器實時測量貨物的舉升高度H,并將其與極限起升高度HL進行比較。如果HHL,則需要禁止貨叉繼續(xù)起升。由此可以通過限制貨叉舉升高度,達到叉車安全作業(yè)的目的。

4 結(jié)束語

筆者在對比分析幾種叉車稱重方式的基礎上,提出了一種液壓式稱重系統(tǒng),對負載舉升動力學模型進行了理論分析,給出了稱重系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件組成,并將該稱重技術(shù)用于叉車自主安全作業(yè)之中,取得了良好的工程應用效果。

研究結(jié)論如下:

(1)相比于其他幾種叉車稱重技術(shù),液壓式稱重技術(shù)可以在不改變叉車結(jié)構(gòu)的前提下,實現(xiàn)對貨物重量的間接測量,是一種簡單、可靠的貨物稱重方式,可用于叉車安全作業(yè)等對稱重精度要求不高的場合;

(2)筆者提出的線下最小二乘擬合的方法,可以消除液壓缸摩擦等因素的影響,進一步提高稱重精度;

(3)結(jié)合拉線編碼器高度測量技術(shù),并利用載荷曲線,可以據(jù)此將貨物舉升高度限制在合理范圍內(nèi),這對叉車的安全作業(yè)意義重大。

在未來的研究中,筆者擬采用智能擬合算法,來進一步提高大負載工況下的叉車稱重系統(tǒng)的精度。