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技术论坛  电动叉车自动称重的研究
电动叉车自动称重的研究2020-01-12
[摘要]针对叉车的工作特点,探讨了叉车自动称重平衡叉车的设计方法,分析了电瓶叉车的受力情况,对平衡叉车的组成、信号采集、数据处理进行了研究。重点阐述了二维测力和模糊修正的组合新方法,实现了称重的智能化,保证了受载信号的精确度,同时论述了称重时货物的偏载影响及消除这些影响的措施,实验证明了本平衡叉车的有效性。
自上世纪70年代以来,美、德、日等国将电动叉车称重装置应用于车站、码头、货场等需要二次计量的物流转运部门,但由于价格昂贵,而且电动叉车的标准和型号与国内的不同,这些称重装置不适合我国国情,尤其不适合国内现有电动叉车的改造。随着物流的快速发展,对相应的物流装备效率提出了更高的要求,物流装备提高效率的基础是设备能提供对货物的信息采集、传输等功能,电动叉车自动称重平衡叉车的开发和应用能使电动叉车等物流装备具备更广泛的功能,能配合用户对货物进行更高效的信息管理(比如仓库的货物准确重量、生产过程的货物损耗、信息的多次采集),减少设备投入(比如地秤设备)、提高运输效率(能将生产过程中的很多称重的动作在运输的过程中完成)等等。
多年来,国内电瓶叉车称重装置主要有两种类型:一类是通过测量电动叉车起升时油缸内油压的变化来确定装载物体的重量,这种称重方法的主要缺点是由于油缸密封不能保证绝对不泄漏,如果电动叉车在使用中有一点漏油,就会造成较大误差,而且这种测量方法的通用性受到限制;另一类是新增挂板与原挂板用四个剪力称重模块连接,又件挂在新增挂板上,根据四个称重模块所受剪力之和确定又件上的货重,这种方法的主要问题是难以控制货物在货叉上的载荷重心位置对输出信号的影响…。本文提出一种基于模糊修正的误差补偿方法,可以很好地解决称重精度和稳定性问题。
1平衡叉车组成
电动叉车自动称重平衡叉车主要由两部分组成,一部分为称重装置,即信号采集与转换部分;一部分为信号处理和显示部分,根据受载情况,建立平衡叉车的数学模型,进行力学分析,对采集到的信号进行线性化处理与调整,同时本文提出基于模糊修正的误差补偿算法,能大大提高称重精度和稳定性,实现智能化。图1为平衡叉车原理图。平衡叉车主要由称重模块、滤波放大电路、A/D转换电路、控制平衡叉车、微型计算机平衡叉车、数字显示装置及打印接口组成,总体方案采用单片微型计算机技术,具有多功能、智能化等特点。
1)称重模块的选择电阻应变式压力称重模块是检测机构的重要部件,选用时根据稳定性、精度、灵敏度和寿命等指标进行选择,并要求具有耐腐蚀、抗震动、抗冲击性好等特点。
2)信号处理设计时拟选用经典的三运放组成的测量放大电路结构,这种结构可使两只放大器的共模增益、失调及漂移产生的误差电压有互相抵消的作用,不需要精密匹配电阻,而且能差动输入,其共模抑制比很高。
3)模/数转换A/D转换包括采样、量化、编码三个阶段,采用双积分型转换电路ICL7135,这种转换具有电路简单、价格低、线性度好、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点。ICL7135转换后的离散数字信号存储在微型计算机的RAM中。
4)接口电路微型计算机通过执行程序,主要完成下述工作:识别输入信号转换后的数值,并进行修正和补偿,识别不同型号的吨位,记录装置的初始值、称重值并送显示器显示;此处接口模块选用8255A芯片。
2受力分析根据受载情况,叉起装置设计必须满足以下条件:称重模块底座挂板具有足够的刚度,受载变形量忽略不计;前后挂板有足够的预紧联接,视为刚性整体;称重模块选配满足设计要求,模拟装置的受力情况,当重物作用后,可得到称重模块的受力情况,根据重物在叉面上前后位置变化对输出的影响,可以得出电动叉车的受力情况。由图2可知,其受外力状态为三次超静定问题,为方便解决问题,根据叉起装置必须满足的条件,断开下面的称重模块,以右侧P(右称重模块双叉一。1-挂板-一一货物)<I。-|_—叉根图1平衡叉车原理图Fig。1Principleofcontrolsystem图2受力图Fig。2Forceofthef0一‘-胁称重模块承受力)作用情况进行分析,析,建立平衡方程。(~为剪力信号)。一一=01w—w=0}P2+一一一h=OJ另建立3个约束,,w6的力法正则方程的矩阵表达式:应用莫尔定理分别计算式(2)中差的系篓数][囊和]自+由【-项矩2二"阵t-A中4nu2的j1=3个。自由项(△+△),(△(2为)外力作用下的位移量),式中=,(i=1,2,3=1,2,3),解得:(3)将w,Ⅳ5,w代人式(1),可解得w1,w,w3的值,由此可见,当重物在叉面上前后位置不同,输出的力值不仅仅为剪力信号,,同时还有称重模块对轴向拉、压作用力的信号,由于引起的转角对受力端影响甚微,可略去。
3误差补偿方法
电动叉车称重精度问题的难点在于货物在叉铲上的载荷重心位置是一个随机变量,本文通过采用二维测力和模糊修正的组合方法,可以很好地解决这一问题,从而提高平衡叉车精度
J。电动叉车称重的误差主要由载荷在叉铲上的偏载和测力传递中的非线性摩擦力造成,载荷在叉铲前后偏载造成误差的影响规律,采用定载荷变位置(改变载荷在叉铲前后的位置)的测量方法,每种载荷下取叉铲前后不同位置进行重复测量,求出的载荷测量值与实际(已知)载荷值相比较,求得误差值,分析后发现:随着载荷朝叉尖移位,称重误差会随之增大,而在大载荷下的测量误差会更大,因此对于前后偏载造成的误差必须进行补偿。本文提出一种同时测量拉力与支反力、由这两个力构成一种创新的二维测重方式,通过多组测量实验定出模糊修正值,即可取得称重的修正值,其方法是:根据叉铲的实际尺寸及电动叉车吨位,按电动叉车定额载荷的百分数,例如10%、20%、30%……100%分成若干个载荷因子,载荷重心到叉根距离取若干个水平,例如:叉根~300、300~450,……实际称重时的货物重心不可能到达叉尖和叉根,一般叉根取到100nlln,而叉尖只取到850inln即可,按上述两个因子水平划分做正交实验,得到不同载荷、不同加载位置下测量结果与核定标准下所测结果差值,从而得到称重修正值,列出表格存人微型计算机,实际称重时根据起升链上张力量级的隶属度,通过模糊查表法修正,对于以后同型号、吨位的电动叉车改装称重平衡叉车时就不必要做这样多组正交实验,可以只做三组称重数据作对比修正,即可达到所需的精度。建立的模糊补偿器的规则库如表1所示:表中,Ⅳ、Z、P分别表示负零正模糊集法是方法,反模糊化方法使用重心法。
3。1模糊化
表1模糊控制规则表使用模糊推理方模糊补偿器的输入必须通过模糊化才能用于输出的求解,中,误差、误差变化率及输出的模糊集及其论域定义如下:Ⅳ设计ZP误差、误差变化率及输出的模糊集均为{J7、r,Z,P},表示负、零、正;论域为{一l,0,1},并选择如图3所示的三角形隶属度函数。
3。2建立规则库
设计中建立的模糊控制规则如表1所示:
3。3反模糊化
依照模糊规则表得到的结果是一个模糊矢量,不能直接用来作为控制量,因此要进行反模糊化,或称为模糊判决。本文采用工业控制中广泛使用的去模糊化方法一加权平均法来得到控制量的实际值:=∑I=lxiu(i)/∑llzf()(4)平均值。辨识应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果,应控制要求,从而得到控制量的实际值。
3。4实验分析
3Themembershipfunction最后,用输入量化因子乘以以适实验过程中所用称重模块材料弹性模量E=2。1Xl0kg/mm,泊凇比It,=0。28,许用拉应力为30kg/。m~,称重模块左右端面间长度50胁,截面尺寸B=26Into,6=6。5mm,H=26mm,h=13mm,额定满负荷为1000kg,重力作用线至挂板最远距离800mm,得到电动叉车称重平衡叉车具体精度如下:
1)双叉称重500kg、1000kg,均方误差=0。36%,
(2)偏载(左叉、右叉分别加载200kg)最大误差在3%;重复测量多组数据,计算重复精度和标准差,如表2所示。由表2可以看出,只要称重模块的灵敏度值选用合适,偏载误差即可在设计精度以内。同时实验过程中,对于载荷在货叉前后偏载造成误差的影响规律,采用定载荷变位置(改变载荷在货叉前后的位置)的测量方法,取每种载荷下在货叉前后不同位置进行重复测量,然后求出载荷测量值,与实际值比较,求得误差值,根据实际测量表2称重测量数据Tab。结果分析发现:补偿前,随着载荷朝叉尖移位,称重误差也增大,载荷越大,误差也越大,例如,在864kg载荷下,载荷重心距叉根750mm与450mm相比,误差增大1。5倍,超过了允许的误差值;采用模糊修正方法进行补偿后,最大误差不超过3%,可满足设计要求。
4结语
智能叉车提出的采用二维测力和模糊修正的组合方法,是解决电动叉车称重中载荷重心位置这种随机因素所造成的称量不准确问题的有效手段,实践证明,采用这种方法设计的电动叉车称重平衡叉车,称重误差自动修正,智能化程度高,控制精度高,误差小,且与国外同类装置比,本平衡叉车的成本低,因而具有较大的推广价值。
 
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