气缸是气动系统中最常用的执行元件,在生产制造领域得到了最为广泛应用。传统气缸在气动伺服控制场合下面临着新的挑战,气体介质的可压缩性使得对气缸的精确控制更加困难,摩擦力的存在使得气缸在低速运行时性能下降。由于气体介质不具备自润滑特性,摩擦力给气动控制系统带来了很大的麻烦。为了提高伺服控制效果,研究人员除了在控制策略、控制元件等方面展开研究外,还不得不对摩擦力展开细致深入的研究。摩擦力除了给气动伺服控制增加困难外,还给气缸本身带来了一些问题,比如发热、噪声、振动、粉尘、影响寿命等,给气动系统带来安全隐患。因此,除了致力于研究影响摩擦力的因素、建立更准确的数学模型之外,有效降低气缸的摩擦力无疑会带来更为直接的好处。如何减小气缸的摩擦力,开发出新型低摩擦气缸乃至无摩擦气缸已经成为气缸发展的一个新方向。本文提出了一种基于静压气体轴承的气浮式无摩擦气缸,采用静压气体轴承的原理设计气缸的活塞,在活塞两侧的端盖上对称布置了单向阀,使得轴承内腔始终与气缸高压腔一侧连通,解决了气浮轴承的供气问题。同时,这种带有单向阀的轴承结构还能在气缸换向过程中起到保压的作用,使气浮轴承工作更稳定。在建立了气浮轴承数学模型的基础上,提出了一种基于Matlab的气膜压力分布的数值求解方法,利用此方法研究了轴承的气浮特性,并结合电容测微原理对轴承的耗气量模型进行了研究,以Matlab/Simulink仿真和试验相结合的方法对气缸换向特性进行了研究。设计了一套以气浮式无摩擦气缸为执行机构的高精度气动负载系统,采用带有稳态输出预测的模糊PID控制器实现了对系统的高精度恒压控制,稳态压力波动小于50Pa,活塞运动达到1 000mm/s时系统的稳态压力波动小于150Pa,达到较高的精度。建立以高精度气动负载系统为基础的常规气缸负载性能测试系统,解决了当前国标难以具体实施的问题。文章最后利用高精度气动负载系统对常规气缸的摩擦力测试方法做了 一些新的探索,利用本文提出的方法能够方便快速的测试出气缸匀速运动时的摩擦力。本文共有七章,现将各章节的主要内容概括如下:第一章,详细介绍了无摩擦气缸的研究现状、气体润滑相关技术的研究进展以及相关气动技术的发展状况,指出基于静压气体轴承技术的无摩擦气缸仍是未来无摩擦气缸的发展方向,简述了气动伺服控制技术的研究现状。最后概括了本课题的研究意义、研究难点以及主要研究内容。第二章,详细介绍了气浮式无摩擦气缸的机械结构、工作原理及技术难点。分析了气浮轴承的工作特性,提出了一种浮动连接机构用于解决活塞与活塞杆存在径向偏差或角度偏差而可能引起的卡死问题。建立气浮轴承气膜压力分布的数学模型,并对求解该模型的不同方法进行了分析,指出传统基于一维流简化的计算法不够准确以及基于Fluent的有限元仿真方法不适合于研究多结构参数对轴承气浮特性的影响。第三章,提出了一种基于Matlab的有限元数值求解方法,详细介绍了该方法所需的公式推导、气膜边界及边界条件的初始化、循环更新边界条件的流程、节流孔出口压力的迭代求解过程、轴承耗气量及承载力的计算方法等过程。得到气膜压力分布数据,并研究了均压腔及均压带对轴承径向承载力和耗气量的影响,指出了均压腔对提高气浮轴承的性能具有重要作用;并利用Fluent对气浮轴承进行了仿真,分析了气体在节流孔及均压腔中的流动特性,证实了均压腔内部压力相等这一假设的有效性。第四章,提出了利用电容测微原理对活塞泄漏模型进行研究的新方法。活塞外圆周面与气缸筒内壁构成了偏心圆柱电容器,将微小位置的变化转化为电容器电容的变化可以把对位置的测量转化为对电容的测量,利用电容值来衡量活塞的偏心率避免了对运动中的活塞偏心进行直接测量。利用该方法了建立基于离线数据的活塞耗气量模型,并提出了判断轴承是否正常工作的指标。研究了无摩擦气缸的换向特性,仿真和实验都表明,这种带有单向阀的活塞结构在气缸换向过程中具有保压的作用;指出了换向时间是影响换向过程中活塞内腔压力的主要因素,活塞处于气缸中位时是气缸的最佳换向时机。第五章,以气浮无摩擦气缸为基础设计了气浮式高精度气动负载系统,详细介绍了系统的结构、工作原理、控制系统的软/硬件结构。利用可变容积的压力动态模型、气浮式无摩擦气缸的泄漏模型以及比例方向阀的流量模型建立系统的数学模型。设计带了稳态输出预测的模糊PID控制算法,并通过实验对系统的稳态和动态特性展开了研究。实验结果显示,系统的稳态压力波动小于50Pa,在气缸活塞以1000mm/s的速度快速往复运动过程中仍能保证150Pa以内的压力波动,活塞停止运动后系统能够快速的回复到较高的控制精度。第六章,以高精度气动负载系统为基础构建了符合标准要求的常规气缸负载性能测试平台,根据标准对气缸负载性能和测试流程的规定对气缸的负载性能进行了测试。结果表明,标准指定的基于出口节流调速的气缸负载性能测试系统不能有效的控制被测气缸的速度,测试过程中有较大的冲击,不能准确的反映气缸在负载下真实的运动状态,并提出了采用进口节流调速的方式控制被测气缸的运动速度的改进方案。根据测试过程中被测气缸的运动速度和两腔压力变化曲线分析了在轴向负载作用气缸的运动特性,并研究了不同负载对气缸运动稳定性的影响,结果显示气缸的无爬行最低运行速度随着作用于被测气缸的轴向负载的增大而减少。以高精度气动负载系统为基础构建了一套常规气缸的摩擦力测试系统,通过被测气缸左右两腔的压力及预加负载计算出气缸的运动过程中的动摩擦力。实验表明,这种方法能够方便、快捷的获取气缸的摩擦力,为气缸摩擦力的测试提供了新思路。第七章,对本论文的主要工作、研究结论和创新点进行了总结,并对未来的研究工作进行了展望。