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74液压与气动2011年第2期

基于气缸动态特性的时序优化

马娟娟。赵东标，陆永华，李志梅

Optimizationofsequencediagrambasedonthekinetic
characteristicsofpneumaticcylinders

MAJuan-juan，ZHAODong—biao，LUYong．hua，LIZhi．mei

(1．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016；2．沙洲职业工学院机械动力-E程系，江苏张家港215600)

摘要：气缸的动态特性复杂，在前人的研究基础上，建立气缸的动态特性数学模型，并采用龙格库塔法
进行仿真。基于仿真结果和机构分析，用时序图的方法优化各个气缸的动作时间和运动顺序，在防止干涉的
情况下，有效地将串行时间转化成并行时间，使得多气缸协调动作且时间最短。
关键词：时序图；气缸；动态特性

中图分类号：TH138文献标识码：B文章编号：1000-4858(2011)02-0074-03

0前言进气腔侧活塞作用面积，m；。为活塞的起始坐标，
气缸驱动系统由于系统构成简单、易于获得稳定m；X为活塞的位移，m。
速度且维护容易等特点广泛应用于工业自动化领域。(2)排气腔的能量方程
气缸也成为其中的主要执行部件⋯，通过分析气缸的dp：kRQ
一=一一
运动特性，仿真出气缸的位移、速度、加速度和动作时dA2(Js+_20一)
间等特性曲线，对于气动系统的设计和研究具有重要
意义，特别是多个气缸协调操作同一个对象时，气缸动S+X弛一x
作的先后顺序和时间节点的设置尤其重要。式中，p为排气腔绝对压力，Pa；p∞为排气腔初始压
，，-I●、
在多气缸的系统中，气动系统实际上存在着各气力，Pa；Q越为排气腔经通道排气的质量流量，kg／s；A
、llI，
缸动作的顺序问题J。笔者用时序图来反映气缸动为排气腔侧活塞作用丝面积，m；为排气腔余隙坐

作的先后顺序，将多气缸协调工作的优化转化为时序标，m；S为气缸行程，m+。
图的优化问题，从而实现多气缸互不干涉且协调高效1．2运动学方程
运行。d2X
=(PlA1一p2A2一F)／M
1气缸动态特性数学模型
首先，对气缸的运动过程作如下假设J：①气缸X=0nPlAl≥P2A2+F)u(0<X<S)
运动过程中，气缸腔室内气体与外界无能量交换；②d2X
—：0
气源压力P恒定，气源温度为环境温度；③气缸腔dt
室中的气体热力过程为准静态过程；④气缸的内外泄X=0nplAl<P2A2+F)u(X=S)
漏均可忽略不计。(3)
1．1能量方程
(1)进气腔的能量方程收稿Et期：2010．08-01
dp1Ji}Q1幻1dX／1、基金项目：江苏省科技型企业技术创新资金项目(2009-．053-
dA1(l0+)1o+、008)
式中，p为进气腔的绝对压力，Pa；为气源温度，K；作者简介：马娟娟(1985一)，女，江苏苏州人，硕士研究生，主
Q为气源经通道进入进气腔的质量流量，kg／s；。为要研究方向：机器人。
2011年第2期液压与气动75

式中，M为活塞及驱动部件的质量和，kg；F为负载，气缸的状态编号。其中，上升线段表示气缸伸出，平直
N。线段表示气缸停止在某个位置，下降线段表示气缸
1．3流量方程收缩。．

㈩

r1≤6
”{丽>6’
图2气缸时序图

式中，A为进、排气管道系统总有效面积，in；o-：3．2气缸动作优化
po／p。；6为临界压力比，b=0．2～0．5；为管系的上整个系统由上吸袋气缸、上吸袋转轴气缸、下吸袋
游温度，K。气缸、撑袋气缸和撑袋转轴气缸组成，协调完成上袋动
2动态特性数学模型仿真作。将这些气缸先后动作顺序用时序图表示，如图3
将上述微分方程组中的参量无因次化，再利用
所示。在整个系统中，由撑袋转轴气缸的决定系统
MATLAB中的龙格库塔法(ode45解法程序)求解方程
的上袋速度。由图3可知，优化前的上袋时间为4．2s，
组。文中使用CKD公司的气缸，上吸袋气缸、上吸袋
即上袋速度为857个／h。
转轴气缸和下吸袋气缸参数如表1所示。
表1各气缸仿真参数

气缸参数上吸袋上吸袋转轴下吸袋勰KP9供上袋速周度期：857：个3．

行程S450mm20omm20ommKPi
下吸袋气缸，P2
缸径D50mm63mm321TIITI
撑袋气缸-／
活塞直径d20mm20mml6mlTlJKP7
气缸～／
气源压力P0．6MPaO．6MPaO．6MPa
图3优化前的时序图
气源温度30oK30oK300K
下面进行时序优化分析：
仿真结果如图1所示。其中实线代表上吸袋气缸1)上吸袋机构
活塞缩回的位移曲线；虚线和点戈线分别代表上吸袋上吸袋机构主要由上吸袋气缸和上吸袋转轴气缸
转轴气缸和下吸袋气缸活塞伸出