气动技术以其清洁无污染、维护成本低、安全性能高等优势,在食品加工、医疗器械、航空航天、汽车安装加工等行业得到了广泛的应用。但由于气体的可压缩性、低阻尼、低刚度等非线性因素,使得气缸在低速运动过程中会出现运动不平稳、控制精度降低等问题。因此,提高气缸的轨迹跟踪精度对推进气动系统的应用具有重大意义,本文将振动减摩技术应用于气缸中,设计了一种基于振动减摩效应的低摩擦气缸,通过改善气缸运动时的摩擦特性提高气缸的轨迹跟踪精度。摩擦力是影响气缸轨迹跟踪精度的关键因素,为探究不同振动方式下气缸的摩擦特性,建立了基于Dahl摩擦力模型的气缸密封圈纵切振动、横切振动以及在纵切振动与横切振动平面内任意角度振动时的摩擦力模型。通过数值仿真对比分析了不同振动模态下影响减摩效果的关键因素,结果发现:对于上述三种振动方式,随着密封圈振动速度与活塞滑动速度之比的增加,振动减摩效果不断增强。对于纵切振动,仅当密封圈的振-滑速度比大于1时,才会出现振动减摩现象;对于横切振动,当振-滑速度比小于1时,减摩效果优于纵切振动,当振-滑速度比大于1时减摩效果弱于纵切振动;对于在纵切振动与横切振动所在平面内任意角度的振动,振动减摩效果介于纵切振动与横切振动之间,当振-滑速度比小于1时,减摩效果随着振动方向与活塞运动方向间夹角的增大而变优,当振-滑速度比大于1时,减摩效果随着振动方向与活塞运动方向间夹角的增大而变差。根据振动减摩理论设计了一种基于活塞杆套筒高频振动的低摩擦气缸,并通过模态分析和谐响应分析研究了该振动减摩气缸在不同振动模态所对应的谐振频率下的振动响应,验证了该气缸结构的合理性与可行性。通过采购和加工相应的部件和零件,安装组建了该振动减摩气缸样机,通过阻抗分析仪测得其实际谐振频率,并对其进行各个振动模态下的摩擦力测试实验,结果发现:一阶纵向振动时最大减摩率为33.8%,二阶纵向振动时最大减摩率为7.5%,一阶弯曲振动时最大减摩率为12.5%,二阶弯曲振动时最大减摩率为10%。为验证振动减摩气缸可提高气缸的轨迹跟踪精度,采用PID控制算法对其进行轨迹跟踪控制研究,结果表明:振动条件下气缸的轨迹跟踪精度最大可提高19%左右,但与原装气缸相比,无振动时轨迹跟踪精度有所降低,分析原因后对振动减摩气缸的活塞活塞杆零件进行改进,最终将无振动条件下气缸的轨迹跟踪精度提升至1.7mm,振动条件下的轨迹跟踪精度提升至1.35mm,与原装气缸相比,无振动和振动条件下轨迹跟踪精度分别提升了6%和25%左右。最后,通过对信号发生器的控制实现了仅在气缸运动行程的两端采用振动减摩,在保证提高气缸轨迹跟踪精度的同时做到了减少电能的消耗和噪声的产生,并缓和了压电叠堆因长时间工作而使使用寿命降低的问题。