气压传动与控制技术是以空气或惰性气体作为工作介质,对周围环境影响极小,便于远距离输送和集中供气,另外响应迅速、调速方便、易于布局及操纵等优点使其在工业自动化领域获得了广泛的应用。气缸是气压传动系统中必不可少的重要组成元件,气缸的性能优劣直接决定了气动系统的性能与可靠性,气体介质的高压缩性致使气缸在接近行程终点时极易产生冲击和振动现象,这在很大程度上削弱了气缸的寿命。因此,针对气缸缓冲结构和缓冲控制技术的研究在工程技术领域得到了极大的重视。本文以提升高速气缸的缓冲性能、拓宽高速气缸的良好缓冲调节范围和调节稳定性为目标,开展了基于内置压力释放阀高速气缸的动力学建模仿真与试验研究、高速气缸新型缓冲结构的构思与动力学建模、新型缓冲结构的粒子群多目标优化计算、新型缓冲结构的实现与试验验证等方面的工作。由于气缸的伸出过程和缩回过程具备相似的运动规律,在对气缸执行系统进行合理简化和功能原理分析的基础上,分阶段、分模块地建立了气缸缩回过程的动力学模型,主要包括气体热力学方程、机械系统动力学方程和摩擦力模型等方面。同时搭建了基于Lab VIEW的气缸动态性能计算机测试平台,主要包括气压传动回路设计、试验台的加工制作与安装调试、硬件电路设计与多通道中断测控程序编写等。气缸高速运行时速度振荡或冲击给高速气缸摩擦力的测试和建模带来很大难度,本文在试验测试和有限元分析的基础上,获取了气缸进入缓冲前和进入缓冲后摩擦力的做功数据,进而通过拟合计算获得了摩擦力模型的参数取值。进一步将拟合获得的摩擦力模型带入到气缸动力学仿真模型进行了气缸动态性能的仿真模拟,并与对应工况下的气缸动态性能测试结果进行了比较,比较结果显示气缸动力学仿真的数学模型可以很好地对气缸的动态性能做出评价与分析。基于内置压力释放阀高速气缸在各种工况下的动态性能实验显示:内置压力释放阀存在反复启闭、排气速度和开启压力不能良好匹配和稳定调节范围窄的缺点,基于此提出了三种可以提升气缸缓冲性能的结构方案,通过方案的比较最终确定了由气缸缓冲腔余隙容积调整部分和缓冲阀调整部分所组成的组合调节方案。其中缓冲阀调整部分由压力调节阀、排气阀、单向阀、固定容腔和相关的节流孔道所组成。进一步基于参数区间的等分点数据对组合调节缓冲结构进行了仿真分析,揭示了新型缓冲结构可以通过分段调节获得气缸的最佳缓冲性能。基于气缸缓冲腔余隙容积和压力调节阀两个阶段的调节均具备近似线性的调节规律,但相关参数需要进行优化计算,以获得更大的缓冲调节范围和调节稳定性。由于新型缓冲结构的参数众多,各参数之间存在交互影响的特点,考虑到气缸的行程时间过长意味着气缸更容易发生速度的振荡,行程时间短则更倾向于发生活塞对端盖的高速撞击。因此,以气缸行程时间和活塞终点速度为优化目标,借助于非支配解排序的多目标粒子群优化算法对新型缓冲结构的尺寸参数与动力参数进行了优化计算,优化算法中引入了拥挤距离和变异策略,以较好的收敛速度获得了行程时间和气缸终点速度的优化目标解集。为了实现缓冲调节更好的稳定性,最终选取了优化解集的中心点作为最优解。在此基础上进行了气缸在固定气缸最高运行速度、改变负载质量和固定气缸负载质量、改变气缸最高运行速度两种类型工况条件下的最佳缓冲调节特性和良好缓冲调节范围的仿真分析。仿真结果显示新型缓冲结构具备调节范围宽、调节稳定性强的优势。为了进一步验证新型缓冲结构对于提升气缸缓冲性能的可行性,基于优化后的结构参数对新型缓冲结构进行了设计与加工试制,通过将试制后的新型缓冲结构安装在高速气缸动态性能试验台进行了各种工况的测试分析,对比分析显示实验测试与仿真分析在分段调节范围和分段调节转换点方面存在较小的差别,在分析产生差别的主要原因之后,提出了气缸缓冲腔余隙容积和缓冲阀组合调节的集成化结构。新型缓冲结构相比传统的压力释放阀有更好的缓冲调节性能,适应不同工况的调节范围和调节稳定性均有所提升,同时结构的集成度高、成本可控,可较好地提高气缸的缓冲性能并拓展气缸的工程化应用范围,延长气缸的使用寿命。