# 手臂末端工具中的緊湊型氣缸：設計指南

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/compact-cylinders-in-end-of-arm-tooling-a-design-guide/
> Language: zh-Hant

## Summary

用機器人負載、重心力矩、夾持力計算、ISO 9409-1 安裝、氣動時序與失氣測試來設計 EOAT 緊湊型氣缸。

## Page Content

# 手臂末端工具中的緊湊型氣缸：設計指南

手臂末端工具中的緊湊型氣缸 應作為完整機器人負載的一部分選型，而不是孤立的型錄元件。請把夾爪或氣缸本體、夾指、安裝板、感測器、閥、接頭、氣管、線纜與工件全部加總。接著驗證重心、慣量、夾持力、腕部接口、循環時序，以及失去空氣後的安全狀態。

Universal Robots 將 payload 定義為連接在工具法蘭上的總重量，並要求設定其重心（[Universal Robots payload guidance](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW10_12_1/Content/prod-usr-man/software/PolyScopeX/polyx-basic/polyx-payload.htm)，2026-07-10 查閱）。因此，「夾爪低於機器人負載」不是完整核准語句。

為 EOAT 選配緊湊型氣缸時，請使用最新 ISO 頁面、機器人製造商指引，以及特定選項型錄資料。除非專案有對應測試證據，否則不要使用無依據的負載比例、節省空間百分比、客戶故事、固定儲氣筒規則或宣傳式性能比較。

EOAT 負載 是連接到機器人法蘭的總質量，包含工件。 綜合重心 是這整個負載依質量加權的位置。 有效夾持力 是在指定壓力、行程位置與夾持點距離下，由型錄定義的單指推力。

> 重點摘要 機器人負載包含工具與工件；本文示例 2.30 kg 組件的綜合 CoG 為 114 mm（[Universal Robots](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW5_20/Content/prod-usr-man/complianceUR16e/H_g5_sections/mechanical_interface_g5/maximum_payload_en_16e.htm)）。 估算循環時間前，先計算慣量。 SMC 以指定壓力與接觸距離定義 MHZ2 每指夾持力。 在真實機台上驗證夾持確認、能源隔離與失氣狀態。

在來源比較中，實用的設計邊界很清楚：ISO 9409-1 管控法蘭接口，機器人製造商管控負載與慣量限制，夾爪型錄管控指爪力與力矩限制，而機台測試證明組合後的 EOAT 確實能握住零件。

[Video: Tool Configuration: TCP, orientation, payload & center of gravity](https://img.youtube.com/vi/YnC-ccytJlw/hqdefault.jpg)

## 簡短答案：把 EOAT 當作負載與力矩預算

例如，下方五個 EOAT 元件合計 2.30 kg，並在距離法蘭 114 mm 處形成綜合重心。Universal Robots 說明，負載必須同時包含夾爪與工件，並一起設定質量、重心與慣量（[Universal Robots maximum payload guidance](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW5_20/Content/prod-usr-man/complianceUR16e/H_g5_sections/mechanical_interface_g5/maximum_payload_en_16e.htm)）。

使用三個相關檢查：

總酬載質量 = 所有安裝元件與工件的質量總和
合成重心距離 = 各質量乘以其法蘭距離後加總 / 總質量
靜態法蘭力矩估算值 = 各質量乘以其法蘭距離後加總

下方力矩計算只是示例工作表，不是機器人額定值。請用量測到的元件質量與圖面距離替換每個數字。機器人手冊仍是允許質量、重心包絡、力矩、慣量、方向與加速度的權威來源。

| 示例項目 | 質量 | 距離法蘭 | 質量 x 距離 |
| --- | --- | --- | --- |
| 腕部轉接板 | 0.35 kg | 20 mm | 0.0070 kg m |
| 閥與感測器 | 0.15 kg | 45 mm | 0.0068 kg m |
| 氣動夾爪 | 0.55 kg | 70 mm | 0.0385 kg m |
| 夾指與墊片 | 0.25 kg | 120 mm | 0.0300 kg m |
| 工件 | 1.00 kg | 180 mm | 0.1800 kg m |
| 總計 | 2.30 kg | 綜合 CoG：114 mm | 0.2623 kg m |

> Figure: 即使氣動夾爪本體看起來很緊湊，工件也可能主導力矩預算。

較輕的致動器不一定就是較好的 EOAT。把 250 g 夾指質量往法蘭靠近 50 mm，對質量距離預算的改善，可能比從靠近法蘭的閥上減掉同樣 250 g 更大。減重若同時縮短重心偏移，價值才更高。

## 哪些項目算進機器人負載與腕部力矩？

ISO 9409-1:2004 是一份 6 頁接口標準，2023 年確認仍有效。它定義圓形板尺寸、標示與方向，但明確不提供承載關聯（[ISO 9409-1](https://www.iso.org/standard/36578.html)，2023 年確認）。因此，螺栓孔圓匹配只證明機械配合，不證明機器人負載或腕部能力。

凡是跨過工具法蘭的項目都要計入：

- 轉接板、快換器、順應裝置與緊固件

- 緊湊型氣缸或氣動夾爪本體

- 客製夾指、墊片、擋塊、護罩與保留硬體

- 閥、manifold、感測器、連接器、接頭與線纜支架

- 機器人手冊要求計入的活動氣管與線纜服務迴圈

- 允許的最重工件，包含公差與保留製程材料

接著從法蘭座標系定位每個項目的質心。綜合重心不一定在 TCP。機器人控制器使用負載資料補償運動；Universal Robots 也提醒，當重心超出額定包絡時，加速度可能會降低。

ISO 9283 涵蓋機器人性能準則與對應測試方法，這份 60 頁標準在 2021 年確認後仍有效（[ISO 9283:1998](https://www.iso.org/standard/22244.html)）。請使用機器人製造商針對型號的資料來判斷實際負載、腕部力矩、慣量與性能包絡。

## 如何計算機器人加速時的夾持力？

SMC 的 MHZ 選型範例將 0.1 kg 工件重量乘以 20，得到 19.6 N 所需夾持力，並提醒高加速、減速或衝擊需要額外裕量（[SMC MHZ catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)，現行型錄）。請把這個規則視為製造商指引，不是通用摩擦計算。

對雙夾爪平衡外夾式摩擦夾持，透明的一階檢查是：

每個夾爪所需夾持力 = m x (g + a) x S / (n x 摩擦係數)

其中 `m` 是工件質量，`a` 是滑移方向加速度，`S` 是選定設計係數，`n` 是有效接觸面的數量。此公式假設夾爪載荷相等且為單純摩擦夾持，不涵蓋形狀閉鎖、斜向接觸、衝擊、旋轉或不均勻墊片。

對 1.0 kg 垂直取放、雙夾爪、摩擦係數 0.40、設計係數 2.0 的範例，每夾爪需求力從靜止時 24.5 N，上升到 10 m/s2 加速度時的 49.5 N。這些是工作表結果，不是型錄額定值。

[Tool Vacuum & gripping Pneumatic Gripper Force Calculator 在選擇 EOAT 夾爪前，先以工件質量、加速度裕量、摩擦係數、夾爪數量與安全係數估算每夾爪所需力。 Grip Per Jaw = Load x (g + a) x Safety / (Friction x Jaw Count) Load mass Friction coefficient Jaw count Acceleration allowance Open calculator ->](/zh-hant/online-tools/pneumatic-gripper-force-calculator/)

> Figure: 在釋放機器人路徑前，加速度必須進入夾持計算。

## 哪種緊湊型致動器架構適合 EOAT 任務？

SMC MHZ2 家族涵蓋 6-40 mm 缸徑；其型錄列出 6-25 mm 尺寸最高 180 cycles per minute，32-40 mm 型號為 60（[SMC MHZ catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)）。這些是型錄條件下的型號限制，不是機器人單元產能保證。

請從 EOAT 任務選擇架構：

| 工具任務 | 較好的初始架構 | 主要驗證 |
| --- | --- | --- |
| 在活動夾指之間夾持零件 | 氣動夾爪 | 每指力、夾指力矩、行程、零件損傷 |
| 推動擋塊、定位銷、閂鎖或頂出器 | 緊湊型氣缸 | 缸徑推力、活塞桿側向負載、行程、端點衝擊 |
| 移動有偏移的板或治具巢 | 導向緊湊型氣缸 | 導向力矩、對準、移動質量 |
| 沿狹長工具伸出 | 無桿或導向滑台 | 滑座力矩、密封或導向限制、包絡 |
| 使用可程式位置或運動曲線 | 電動或伺服氣動軸 | 回饋、控制器、重複性、安全停止 |

例如，緊湊型氣缸可以驅動定位銷，而另一個氣動夾爪負責夾持零件。機器人仍會把兩個裝置、其轉接件與工件視為同一組負載設定。

![XHC 平行氣動夾爪作為 EOAT 致動器，搭配客製夾指](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/compact-cylinders-in-end-of-arm-tooling-a-design-guide/wp-xhc-series-parallel-pneumatic-gripper.jpg)

[XHC 平行氣動夾爪](/zh-hant/products/xhc-series-parallel-pneumatic-gripper/)

本節並不是另一份夾爪類型型錄。若要選擇平行、角型、三爪、toggle 與大開口夾爪，請使用既有[氣動夾爪類型指南](/zh-hant/blog/what-are-the-different-types-of-pneumatic-grippers-and-how-do-they-transform-industrial-automation/)。若需要機器人腕部以外的工位級緊湊型氣缸示例，請參考[PCB 組裝中的緊湊型氣缸](/zh-hant/blog/integrating-compact-cylinders-into-automated-pcb-assembly-lines/)。

## 如何控制夾指長度、偏移與夾爪力矩？

SMC 的 MHZ2 範例在 0.4 MPa、夾持點距離 30 mm 時報告 24 N，並將有效夾持力定義為單指推力（[SMC MHZ catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)）。同一個本體在夾指變長後，可能有不同的可用力與導向負載。

分開檢查四個量：

- 每指夾持力： 在實際壓力與夾持點距離下讀取型錄曲線。

- 夾指導向力矩： 把工件力套用到真實接觸偏移，包含機器人加速度與衝擊。

- 接觸壓力： 用夾緊力除以墊片接觸面積，並和工件損傷限制比較。

- 夾指剛性： 確認撓曲不會把零件移出製程或感測窗口。

![XHF 低剖面平行氣動夾爪，用於緊湊機器人腕部包絡](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/compact-cylinders-in-end-of-arm-tooling-a-design-guide/wp-xhf-series-low-profile-parallel-pneumatic-gripper.jpg)

[XHF 低剖面平行氣動夾爪](/zh-hant/products/xhf-series-low-profile-parallel-pneumatic-gripper/)

若型錄力足夠，但夾指超過允許長度或力矩，怎麼辦？使用更短夾指、把接觸點移近、加入形狀閉鎖特徵、增加墊片面積，或選擇導向更強的夾爪。單純升高壓力可能只會增加零件壓痕，卻不修正夾指撓曲。

請把接觸點視為設計變數。小本體加長夾指，可能比稍大夾爪但夾爪能直接到達零件的負載路徑更不緊湊。比較法蘭到接觸點的距離，而不是只看本體尺寸。

## 安裝、走線與維修包絡

ISO 9409-1 在 2023 年確認，僅用 6 頁定義圓形機械接口，並聲明該標準不把接口尺寸與承載能力關聯（[ISO 9409-1](https://www.iso.org/standard/36578.html)）。因此安裝板還必須分別滿足機器人手冊、工具負載、緊固件、剛性與定位要求。

請在兩個夾爪位置與整條機器人路徑中建立完整包絡模型。納入接頭、速度控制器、感測器連接器、氣管彎曲半徑、線纜應力釋放、螺栓可接近性、快換動作，以及不拆機器人腕部即可拆下夾爪所需空間。

柔性服務線路不能變成隱藏負載。過緊氣管圈可能拉動小夾爪，過大氣管圈可能勾住治具或進入相機視野。將服務束固定在腕部附近，讓重複彎曲發生在預定柔性區，並在機器人每個極限姿態驗證。

當工具方向需要重複定位時，使用定位銷或定位特徵。螺栓提供夾緊力；它不應只靠間隙孔來定位精密 EOAT。ISO 9409-1 建立接口互換性，不建立客製轉接板的平面度、剛性或公差疊加。

## 閥、氣管與感測器如何影響時序？

SMC 對 6-25 mm MHZ2 缸徑列出 180 cycles per minute，對 32-40 mm 型號列出 60 cycles per minute，但這些是型錄最高頻率（[SMC MHZ catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)）。實際 EOAT 時序還取決於閥流量、氣管體積、運動中的壓力、夾指質量、感測器與 PLC sequence。

當較短氣動容積能明顯改善反應時，把閥放在腕部附近；但也要把閥質量、線纜、熱、進入防護與維修可接近性納入負載預算。遠端閥島能降低腕部質量，但會增加氣管體積。沒有任何配置天然勝出。

分開量測這些事件：

- 機器人到達允許夾持姿態

- 閥輸出切換狀態

- 夾爪閉合到足以接觸零件

- 壓力或位置確認有效夾持

- 發出機器人運動許可

- 釋放在機器人離開放置位置前完成

當掉件會造成危害或品質風險時，不要只用固定延遲作為唯一夾持確認。位置開關可確認夾爪狀態，但未必證明零件保留。壓力邏輯可偵測部分故障，但也需要已定義的門檻、時間與故障處理。

相關的[電磁閥運作指南](/zh-hant/blog/how-do-pneumatic-solenoid-valves-work-to-control-compressed-air-flow-in-industrial-systems/)說明閥狀態，[氣動壓降指南](/zh-hant/blog/what-causes-pressure-drop-in-pneumatic-systems-and-how-to-fix-it/)則涵蓋工廠主管路與活動工具之間的損失。

## EOAT 應使用什麼安全狀態與驗收測試？

ISO/TR 20218-1:2018 是一份 25 頁的機器人末端執行器安全設計指南；ISO 10218-2:2025 則是 223 頁的工業機器人應用與單元標準（[ISO/TR 20218-1](https://www.iso.org/standard/69488.html)；[ISO 10218-2:2025](https://www.iso.org/standard/73934.html?browse=tc)）。EOAT 安全狀態必須來自風險評估，不是通用的「打開」或「閉合」規則。

請詢問氣壓、電力、通訊、感測器或氣管失效時會發生什麼。掉落重物或尖銳零件可能是主要危害；在另一個製程中，保留高溫或污染零件可能更糟。彈簧輔助、先導止回、機械保持、受控釋放或冗餘感測，都應在完成失效分析後再選擇。

生產放行前，執行首件測試並記錄：

- 完整 EOAT 質量、綜合重心與已設定負載資料

- 腕部接口、緊固件、定位特徵、剛性與維修可接近性

- 夾持力假設、夾指長度、接觸壓力與導向力矩核准

- 代表性低、正常與可信高加速度下的動態取放

- 有料、夾爪位置、壓力與機器人許可時序

- 對失氣、失電、感測器故障與緊急停止的安全反應

- 換工具後，以及服務束彎折後的重複性

對美國維修與保養，當非預期通電、啟動或儲能釋放可能造成傷害時，OSHA 29 CFR 1910.147 適用（[OSHA 1910.147](https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.147)）。試車測試不能取代現場能源控制程序。

## 手臂末端工具緊湊型氣缸 FAQ

SMC 對多個 16-40 mm 雙作用 MHZ2 型號列出 0.1 到 0.7 MPa 操作壓力範圍，並識別每指夾持力（[SMC MHZ catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)）。以下 FAQ 處理緊湊型致動器預選後仍需完成的系統檢查。

### 更輕的 EOAT 一定能改善機器人循環時間嗎？

不一定。較低質量可能有幫助，但重心與慣量也控制可用運動包絡。在示例中，2.30 kg、綜合 114 mm 偏移仍必須對照所選機器人的負載圖檢查。夾指伸出量與工件位置可能比本體質量更重要。

### 如何計算 EOAT 重心？

把每個元件的質量乘以它到法蘭的距離，將這些乘積相加，再除以總質量。示例得到 0.2623 kg m 除以 2.30 kg，也就是約 114 mm。最終控制器資料請使用三維座標與機器人製造商的慣量方法。

### ISO 9409-1 能證明 EOAT 可承載負載嗎？

不能。6 頁的 ISO 9409-1 標準定義圓形板接口、標示、標記、互換性與方向。它明確不把接口和承載範圍關聯。負載、重心、力矩、慣量、緊固件與轉接板剛性仍需要依特定型號驗證。

### 機器人 EOAT 需要多少夾持力？

取決於質量、加速度方向、摩擦、夾爪數量、接觸幾何、夾指偏移、衝擊與所選設計係數。SMC 的 0.1 kg 範例使用工件重量 20 倍，得到 19.6 N。請把它視為型錄指引，再驗證實際零件與機器人路徑。

### 失去空氣後夾爪應打開還是保持閉合？

沒有通用答案。ISO/TR 20218-1 有 25 頁末端執行器安全指引，ISO 10218-2:2025 涵蓋機器人單元整合。請從掉件、保留零件、夾傷、熱、污染、復歸與儲能危害定義較安全狀態，然後測試選定架構。

## 結論：把工具作為系統核准

示例 EOAT 合計 2.30 kg，綜合偏移 114 mm；在已列摩擦與設計係數假設下，其 1 kg 工件在 10 m/s2 時需要每夾爪示意 49.5 N。[Universal Robots](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW5_20/Content/prod-usr-man/complianceUR16e/H_g5_sections/mechanical_interface_g5/maximum_payload_en_16e.htm) 與 [SMC](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf) 都顯示質量、重心、壓力、接觸點與力必須一起核准。

請把工具凍結為一個組態：機器人型號、法蘭、轉接件、致動器、夾指、閥、感測器、接頭、服務束、工件範圍、負載資料、運動限制、夾持邏輯與失效反應。只有在完整證據包仍通過時，替代緊湊型氣缸或夾爪才可接受。

若要進行機台專屬審查，請透過[聯絡](/zh-hant/contact/)送出機器人型號、負載圖、EOAT CAD、元件質量、質心座標、零件圖、加速度曲線、閥端壓力、夾指幾何、感測邏輯與安全狀態要求。發布者背景可見於[關於倍拓氣動](/zh-hant/about-us/)。

### 來源與查閱說明

- [ISO 9409-1:2004](https://www.iso.org/standard/36578.html)，2026-07-10 查閱。用於 6 頁圓形機械接口範圍、2023 年確認與明確排除承載關聯。

- [ISO 9283:1998](https://www.iso.org/standard/22244.html)，2026-07-10 查閱。用於 60 頁機器人性能準則與測試方法範圍，以及 2021 年確認。

- [ISO/TR 20218-1:2018](https://www.iso.org/standard/69488.html)，2026-07-10 查閱。用於 25 頁末端執行器安全設計與整合範圍。

- [ISO 10218-2:2025](https://www.iso.org/standard/73934.html?browse=tc)，2026-07-10 查閱。用於 223 頁工業機器人應用與機器人單元整合範圍。

- [Universal Robots payload guidance](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW10_12_1/Content/prod-usr-man/software/PolyScopeX/polyx-basic/polyx-payload.htm)，2026-07-10 查閱。用於工具法蘭總負載與重心設定。

- [Universal Robots maximum payload guidance](https://www.universal-robots.com/manuals/EN/HTML/SW5_20/Content/prod-usr-man/complianceUR16e/H_g5_sections/mechanical_interface_g5/maximum_payload_en_16e.htm)，2026-07-10 查閱。用於負載質量、重心偏移、慣量、加速度、夾爪與工件之間的關係。

- [SMC MHZ parallel air gripper catalog](https://www.smcworld.com/catalog/en/rotary_airchuck/MHZ_2-E/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en/data/7-6-3-p0469-0549-MHZ_en.pdf)，2026-07-10 查閱。用於每指夾持力、壓力與夾持點曲線、0.1 kg 選型範例、操作範圍與最高頻率。

- [OSHA 29 CFR 1910.147](https://www.osha.gov/laws-regs/regulations/standardnumber/1910/1910.147)，2026-07-10 查閱。僅用於非預期啟動或儲能釋放可能造成人員傷害時的維修保養邊界。

- [Universal Robots Academy, Tool Configuration: TCP, orientation, payload & center of gravity](https://www.youtube.com/watch?v=YnC-ccytJlw)，2021-12-16 上傳。作為 4 分 33 秒設定概覽嵌入；驗證時 31,341 views。