气动技术是一种利用压缩空气进行能量传递或信号传递的工程技术,其本身凭借环保无污染、结构简单轻便、压力等级低和可靠性高等优势,在汽车制造行业、食品饮料行业及各种非标自动化行业领域得到了普遍应用。直线气缸因受到摩擦力等非线性因素的影响,低速状态下往往会出现运动不平稳、伺服控制精度不高等问题。因此,本文将压电叠堆与气缸相结合,利用振动减摩原理改善气缸摩擦特性,进而提高气缸运动轨迹跟踪精度。摩擦力是影响气缸低速平稳运行的关键因素,在常见的摩擦模型中选择库仑模型和Dahl模型,根据振动条件下杆件运动方程分别对基于这两种模型的振动减摩理论进行建模。通过数值仿真研究振动速度与滑动速度之间的关系对减摩效果的影响并与实验进行对比,得到以下规律:振动减摩的实质是单位周期内平均摩擦力的降低;在振动条件下,只有当振动速度大于滑动速度时,才会出现减摩现象,且减摩效果随着振-滑速度比的增加而愈发明显;相较于库仑模型,基于Dahl模型的振动减摩理论因考虑了预位移现象而更加符合实际工况。在常见的缸筒振动模态中,从可行性角度考虑,选择纵向振动作为气缸的激振模态,进而提出了一种利用压电叠堆逆压电效应实现缸筒纵向振动的减摩气缸。通过模态分析确定了该气缸在纵向振动条件下压电叠堆能够激发出的谐振频率。之后对其进行谐相应分析和电压激励分析,得到质点运动轨迹图,验证了振动减摩气缸结构的合理性和可行性。同时发现电压与振幅之间为线性关系,即电压与减摩效果成正比。根据振动减摩理论和有限元分析,研制了一种基于纵向振动模态的减摩气缸样机,通过阻抗分析仪获得该样机的实际谐振频率。搭建了能够实现气缸样机静、动摩擦力测试的测试系统,根据实验得到了振动频率与摩擦力之间的关系,发现气缸在谐振状态下摩擦力显著降低,进而研究了两腔气压、激励电压及气缸运动速度对减摩效果的影响,结果表明:谐振频率下的气缸静、动摩擦力分别降低了约25%和18%;气缸摩擦力随着激励电压的提高而降低,随着两腔压力的增加而增加;当激励电压和振动频率一定,逐渐提高气缸运动速度,发现减摩效果逐渐削弱,直至完全消失,即气缸出现振动减摩现象的条件是其运动速度要小于某个临界值(即振动速度)。为探究振动减摩效应对气动伺服控制的影响,建立气动系统数学模型,搭建了气缸轨迹跟踪控制实验平台。在控制器设计上选择PID算法和滑模控制算法,并分别基于这两种控制算法进行了轨迹跟踪实验,发现基于模型的滑模控制算法性能明显优于PID控制算法,在控制精度上约有30%左右的提高;此外,高频振动的引入提升了气缸低速阶段的跟踪性能,尤其在换向阶段,运动轨迹跟踪精度最大约有20%的提高。