1、收稿日期:2021 11 21第一作者:李厚新(1987)，男，陕西安康人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为工业仪表开发。E-mail:lihx003 avic com动态秤安装环境振动测试与隔振系统设计李厚新，曹超，赵鹏(中航电测仪器股份有限公司，陕西 西安 710117)摘要:动态秤是现代智慧物流的关键设备，能够在分拣包裹或货物的同时对它们进行动态称重。因节约空间和物流产线功能实现的需求，物流分拣线中的动态秤多与传送模块一同安装在单层或多层钢架平台上。传送电机在启动和服役过程中会不可避免地产生振动，振动通过钢架平台传递至动态秤，严重影响动态秤的称重精度，降低动态秤的工作效率。该文详细阐述
2、了物流分拣线中动态秤支脚处安装环境振动的测试方法，分析了振动频谱信息;针对现场测试的振动信号，创新设计了动态秤隔振系统，建立了动态秤 隔振系统二自由度振动数学模型，并获得了动态秤称重传感器相对位移响应的幅频响应关系，评估了隔振系统对钢架平台振动的隔振效果，发展了动态秤安装环境振动控制方法。该文为控制环境振动对动态秤的影响，提高动态秤的称重精度和运行效率提供了理论基础和技术支持。关键词:动态秤;动力学模型;称重精度;隔振器中图分类号:TH71文章编号:1000 0682(2023)02 0080 04文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02
3、016Ambient vibration testing and vibration isolation system design of dynamic scaleLI Houxin，CAO Chao，ZHAO Peng(AVIC Zhonghang Electronic measuring instruments Co，Ltd，Shaanxi Xi an，710117，China)Abstract:Dynamic scale is a key equipment of the wisdom logistics，which could weigh andsort parcelsor merc
4、handises simultaneously Since the demand of space saving and function reali zation of the productionline，the dynamic scale within the production line is mounted on sole layer or multi layers steel platform togeth-er with the transmission module During the operation of the transmission module，the tra
5、nsmission motor couldgive rise to vibration that propagates along the steel platform and reduces the weighing precision of the dynam-ic scale The paper ex pounds measurement methods about the ambient vibration of the dynamic scale，fol-lowing by a detailed analysis for the frequency spectrum of the m
6、easured signal A vibration isolation system isdevised for the purpose of attenuating the vibration propagation and improving the weighing precision of the dy-namic scale The mathematical model of the two DoF system is established，and the amplitude frequencyrelationship of the relative dynamic respon
7、se is derived The vibration isolation performance of the isolator is e-valuated as well through solving the equation of motion excited by the measured signal This paper providestheoretical basis and technical support for controlling the influence of environmental vibration on dynamic scaleand improv
8、ing the weighing accuracy and operation efficiency of dynamic scaleKeywords:dynamic scale;dynamical model;weighing precision;vibration isolator0引言随着经济社会的发展和人们生活方式的转变，电子商务全面进入人们的日常生活，极大地助推了物流产业的发展。动态秤在动态分拣货物的过程中可以快速识别货物的质量信息，是智能物流的关键设备1 2。称重装置是动态秤的关键组成部分，主要分为非接触式和接触式 2 种。非接触式称重装置主要有核子称重、超声波监测称重、激光扫描称
9、重和08工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期视觉识别称重等 4 种。但是，这 4 种称重方式受环境影响较大，且现代物流涉及的包裹种类繁多，包裹密度信息差异巨大，导致称重精度较低3。接触式称重装置主要是指电子皮带秤。当包裹或物料通过前端传送带传送至动态秤时，动态秤称重传感器实时监测包裹或物料的重量信息，并结合动态秤的运行速度，运算得出包裹或物料的质量4。称重传感器粘在梁或结构件上，当包裹或物料作用在动态秤上时，称重传感器通过应变仪感知物理变形，计算出包裹或物料的质量5。现代物流分拣中心的动态秤通常安装于快递中转站或分拨中心，嵌入在分拣生产线体中。为节约空间，分拣线多布局在多层钢架平台上。当
10、分拣线上的设备运行时，设备因动不平衡而产生振动。振动通过钢架平台传递至动态秤，使动态秤称重传感器的物理变形发生波动，进而影响动态秤的称重精度6。为减小环境振动对动态秤称重精度的影响，陈荣生等7 提出了基于多加速度传感器的动态秤抗振方法，有效提升了动态秤的称重精度。向思铭等8 9 则建立了称重平台晃动模型，剖析了晃动造成的称重数据波动和称重精度下降的机理，为动态秤称重精度控制和滤波算法编写提供了理论依据。但是，到目前为止，有关物流分拣产线上动态秤的环境振动测试与分析、动态秤在环境振动激励下的动力学模型建立以及动态秤的振动隔振系统设计等方面的研究仍不够全面，振动对动态秤称重精度的影响机制尚不明朗1
11、0。为厘清环境振动对动态秤的影响，该文首先测试了物流产线上动态秤的环境振动信号，获得了动态秤环境振动的频域数据;在环境振动激励下，建立了动态秤动力学模型，获得了系统的幅频响应曲线，分析了环境振动对称重精度的影响。为减小环境振动对动态秤的影响，设计了动态秤隔振系统，建立了隔振器 动态秤二自由度系统动力学模型，推导了动态秤相对位移幅频响应曲线，分析了隔振系统的隔振性能。该研究为控制动态秤的环境振动和提升动态秤的称重精度提供了理论依据和技术支持。1动态秤环境振动测试使用加速度传感器采集动态秤钢架平台因分拣设备运行而产生的振动信号，并使用快速傅里叶变换方法获得动态秤支脚处振动信号的频域特性，为分析振动
12、对动态秤称重精度的影响奠定数据基础。该文选择了深圳宝安顺丰物流分拣中心，动态秤环境振动测试系统包括加速度传感器(CA YD 108)、数据采集仪(AC88 264)、电脑及低噪声线缆等，测试系统的示意图如图 1 所示。图 1动态秤环境振动测试系统深圳宝安顺丰物流分拣中心三号分拣线动态秤支脚处的振动测试结果如图 2 所示。图 2(a)显示，动态秤左侧的加速度振动幅值明显高于右侧的加速度振动幅值，左侧最大加速度振动幅值超过 2 1 m/s2;为进一步分析动态秤环境振动的频率信息，使用数据采集仪的数据分析模块，导出的动态秤环境振动时域信号的频谱结果如图 2(b)所示。从图 2 中可以看出，不管是动态
13、秤左侧的振动信号还是右侧的振动信号，其频谱图中均含有多个频率成分。图 2动态秤环境振动测试结果具体来讲，动态秤左侧的环境振动信号中，频率为19327 Hz 的谐波成分的幅值最大，达到013 m/s2;而动态秤右侧的钢架结构，其振动频谱图中谐波幅值最大的频率成分为 99 24 Hz，低于动态秤左侧振动频谱中具有最大幅值的谐波成分频率值。2动态秤动力学模型对于由悬臂梁式称重传感器构成的动态秤，若将悬臂梁简化为线性弹簧，则动态秤可以简化为单自由度振动模型，如图 3 所示。182023 年第 2 期工业仪表与自动化装置图 3动态秤理论模型示意图动态秤的单自由度动力学模型为:max+cax u()+ka
14、()x u=0(1)引入 z=x u 为动态秤称重秤台和底座之间的相对位移，则动态秤的动力学方程可以改写为:maz+caz+kaz=mau(2)令动态秤相对位移的解为 z(t)=Zsin(t)，其中 Z 为称重传感器相对位移的幅值。将相对位移的解代入式(2)，则动态秤在不同频率下的动力学响应幅值可以表示为:Z=ma2Uka ma()22+ca()2(3)其中，U 表示动态秤基础激励的幅值。选用 H型单 秤 进 行 分 析，其 称 重 秤 台 质 量 为 ma=210 79 kg，钢架结构质量为 76 kg，动态秤称重传感器的等效刚度为 ka=1 013 107N/m。使用动态秤环境振动实测信号
15、频谱中 5 22 Hz 谐波成分的幅值作为正弦激励幅值，并将动态秤的参数代入式(3)，得到动态秤称重传感器在不同阻尼比条件下相对位移的幅频响应曲线如图 4 所示。图 4动态秤称重传感器相对位移的幅频响应曲线从图 4 可以看出，随着基础激励频率逐渐增大，动态秤称重传感器拾取的相对位移幅值逐渐增大，并在 35 Hz 附近出现最大值，即单自由度动态秤系统发生共振。当基础激励频率越过共振频率时，称重传感器的相对位移幅值逐渐减小。也就是说，当动态秤受到高频激励时，称重传感器具有隔振的作用，称重秤台动力学响应幅值减小。阻尼系数对动态秤称重传感器相对位移幅值的影响如图 4 所示，随着阻尼系数的增大，动态秤称
16、重传感器的相对位移幅值明显减小;当阻尼系数等于 0 20 时，单自由度动态秤系统的共振现象近乎消失。因此，在动态秤称重传感器处适当引入阻尼，可以减小动态秤秤台和钢架平台之间的相对位移幅值并弱化环境振动对动态秤称重精度的影响。为进一步评估钢架平台振动对动态秤称重传感器相对位移的影响，本文使用深圳宝安顺丰物流分拣中心三号分拣线动态秤支脚处的振动测试信号对动态秤理论模型进行激振，并求其动力学响应。需要注意的是，从图 2 可知，深圳宝安顺丰物流分拣中心三号分拣线所测试的环境振动含有多个频率成分。本文引入随机相位，然后将振动频谱中的所有谐波成分进行叠加合成以模拟现场的实测信号。取动态秤阻尼系数等于 0 05，并利用模拟实测信号对动态秤进行激振，动态秤称重传感器的相对位移响应如图 5 所示。位移基础激励在所示时间范围内的均方根值为 7 69 105m，而动态秤称重传感器的相对位移均方根值为2 3 105m，相对位移均方根值约等于位移基础激励均方根值得三分之一。图 5使用测试数据对动态秤进行激振时称重传感器的相对位移时间序列3隔振系统 动态秤二自由度动力学模型当物流分拣线辅助设备产生的振动通过钢架平