- 透气工件以真空源流量保守下界除以泄漏流量保守上界判定，所得比值必须不低于 1.50。
- 每个独立真空区的压力保守下界达到许可阈值并稳定计时后才能起升，任一区异常立即禁止生产路径。
- 法向吸附、竖直抗滑、偏心力矩和急停惯性必须对完整姿态与动作轨迹逐项通过。
- 保压时间以应急落位总时间为基准，保持或受控落位能力不足的工件直接判定不适用。
00执行摘要
纸箱、瓦楞板、袋装物和多孔复合材料不是理想气密工件。真空源抽走的气体同时来自管路容积、杯口密封间隙和材料孔隙；当进气量接近真空源在工作真空度下的有效抽吸流量时，系统会建立缓慢、压力波动，甚至永远达不到吸附许可阈值。因此，按光滑钢板的“压差乘面积”静态计算选型，会遗漏泄漏流量、建立时间、摩擦、偏心、动态加速度和局部失效。
GB/T 41098—2021《起重机 安全 起重吊具》目前为现行标准，并等同采用 ISO 17096:2015[1][2]。两者只用于起重机、葫芦及手控载荷操纵设备的非固定起重吊具；ISO 17096 明确排除气动部件危险，因此不能把它直接扩展为机器人末端执行器或气动回路的完整安全依据。GB/T 32293—2015目前现行，只用于硬件真空设备泄漏 Q_H 的检漏方法选择，不用于给纸箱孔隙流 Q_P 或杯口过程进气 Q_E 出具标准符合性结论[3]。ISO 4414:2010用于机械气动系统的设计、隔离、残余能量和维护，但其范围排除工厂供气系统、气瓶和储气罐[4]。
本报告形成“真空抓取子系统工程放行”。整机风险评估、承担安全功能的控制系统确认、机器人集成合规以及储气罐本体合规均为前置门；任一前置门没有正式记录，真空子系统即使通过本报告全部试验，也不得形成整机安全放行。本报告中的 2.5 载荷安全系数、1.5 流量储备系数、2.0 s 建立时限和四分区容错，为全文统一采用的工程基线。
统一研究基线
| 项目 | 本报告锁定值 | 通过条件 |
|---|---|---|
| 故障保持最低压差 | Δp_min,LB = 45 kPa | 采用测量下界；故障至支撑转移期间每个健康分区均不低于该值 |
| 正常提升许可压差 | Δp_pick,LB = 50 kPa | 每区连续20个100 Hz采样点均≥50 kPa，且窗口峰峰值≤2 kPa |
| 载荷安全系数 | S_L = 2.5 | 所有路径姿态、加速度和偏心下，容量/设计需求 ≥ 1.00 |
| 泄漏流量储备系数 | K_Q = 1.5 | 用于 Q_S,LB/Q_L,UB 的固定项目系数 |
| 流量保守判据 | Q_S,LB/Q_L,UB ≥ 1.50 | 源流量取下界，泄漏量取上界，且标准状态完全一致 |
| 真空建立时限 | t_pick ≤ 2.0 s | 从吸盘接触到全部分区达到50 kPa下界并稳定200 ms |
| 分区原则 | 4 个相互隔离分区 | 任意一个分区完全失效后仍满足载荷与力矩判据 |
| 备用建立 | t_1−t_0 ≤ 0.10 s | t_0为主供能丧失，t_1为四区发生器入口供气压力下界均≥0.40 MPa |
| 故障确认 | t_2−t_0 ≤ 0.50 s | t_2为控制系统确认并发出落位命令 |
| 受控落位 | t_3−t_2 ≤ 4.00 s | t_3为载荷完成支撑转移；t_res≥0.50+2×4.00＝8.50 s |
| 样本验收规则 | 每个边界单元、FAT与SAT独立零失效 | 任一失败即整项不通过，整改后该整项从第一次重新执行 |
核心结论
- 真空吸附能力必须由“压差—有效面积—载荷方向—摩擦—力矩”联合计算；额定吸力或吸盘数量单独不能构成放行证据。
- 透气工件必须在实际接触状态测得泄漏流量上界，并用真空源在45 kPa压差、0.40 MPa最低供气表压处的流量下界校核。Q_S,LB/Q_L,UB＜1.50，判为不通过。
- 吸附许可必须来自每个分区的压力开关或传感器；只有当各区压力下界连续 200 ms 不低于 50 kPa 且峰峰值不大于 2 kPa，才允许提升。只用固定延时判定吸住，判为不通过。SMC 的官方选型资料也明确要求用压力信号确认吸附完成，而非只依赖定时器[5]。
- 单区故障不得由中央大腔体“平均压力”掩盖。各区必须具有独立取压、限流或止回隔离和可识别报警。
- 高泄漏纸箱不能把未经放气模型和最低供气压力性能验证的储气罐当作失气保护。备用真空源或压缩空气储备必须按绝热放气、最低供气压力流量下界和耗气量上界复算，并经切断主供能的实物故障注入证明。
- 未形成泄漏记录、动态包络、单区失效记录和受控落位记录的配置，结论只能是“不放行”，不得用经验签字替代。
01研究对象、系统范围与符号
本文研究对象是从上表面或指定吸附面抓取的瓦楞纸箱、未覆膜纸板、透气袋材及类似工件，载体可以是助力机械臂、机器人或专用搬运机。系统范围从吸盘与工件接触开始，覆盖真空发生、分配、监测、运动、故障隔离和安全落位。GB/T 41098—2021/ISO 17096:2015 只在设备属于其定义的非固定起重吊具时采用；机器人末端执行器必须另行完成机器人系统集成和控制安全确认。
R1 前置门包括纸箱结构设计、储气罐本体合规、整机风险评估、控制系统安全完整性确认和爆炸性环境选型。五项记录编号全部写入 R1 后进入子系统工程放行；任一记录缺失，R1 直接不通过。
| 符号 | 含义 | 单位 |
|---|---|---|
| Δp_LB | 大气压与吸盘腔绝对压力之差的测量下界 | Pa 或 kPa |
| A_eff,LB,i | 第 i 个吸盘在锁定压缩量下、扣除不确定度后的有效面积下界 | m² |
| C_i | 第 i 个吸盘的法向容量，C_i＝Δp_min,LB A_eff,LB,i | N |
| Q_S,LB | 真空源在指定压差、最低供气压力下的抽吸流量下界 | NL/min |
| Q_L,UB | 样本、姿态、压缩量和污染边界内的泄漏流量上界 | NL/min |
| μ_LB | 接触副在污染和寿命边界下、扣除不确定度后的摩擦系数下界 | — |
| N_i、T_i | 第 i 个吸盘承担的法向拉力及吸附面内二维切向力向量 | N |
| m_UB、g | 工件质量上界、重力加速度；本文 g＝9.81 m/s² | kg、m/s² |
| a_n,UB、a_t,UB | 含正常、故障制动和落位过程的法向与切向加速度上界 | m/s² |
| S_L、K_Q | 载荷安全系数、流量储备系数 | — |
| V_Z,UB | 单分区需要抽空的等效容积上界 | L |
| p_N、T_N | 标准状态；本文固定为 101.325 kPa、293.15 K | kPa、K |
| U_x | 量 x 的扩展测量不确定度，k＝2 | 与 x 相同 |
有效面积必须来自吸盘几何、5 mm～9 mm 锁定压缩量和测量不确定度，不能把外轮廓面积直接当作有效面积。本文规定 U_A/A≤2%，计算使用 A_eff,LB＝A_eff,meas−U_A。Schmalz 的官方技术说明以 F＝ΔpA 表达理论保持力，同时指出多孔、粗糙工件会降低可达到的真空度[6][7]。供应商目录保持力用于初选；子系统工程放行统一使用压差下界、有效面积下界和本报告安全系数。
02透气、边缘密封与泄漏机理
系统进气由三部分组成：材料孔隙流 Q_P、杯唇与表面微通道造成的密封泄漏 Q_E，以及接头、阀和管路泄漏 Q_H。
Q_L = Q_P + Q_E + Q_H瓦楞纸面纤维、压痕、印刷涂层、胶缝、封箱胶带和局部翘曲会改变流阻；吸盘压缩量、杯唇硬度和落点则改变边缘密封。Piab 关于瓦楞纸板的官方技术资料指出，纸板孔隙率和杯口密封会造成循环间泄漏变化，并以 F = AP 说明低真空、大面积方案的承载逻辑[8]。该资料用于支撑泄漏机理与选型方法。
Tiwari 与 Persson 的原始研究通过不同粗糙度基材和吸盘试验说明，界面粗糙度引起的泄漏、吸盘容积与刚度会共同影响脱离时间[9]。Gabriel 等人的原始研究把表面粗糙度、吸盘直径与数量纳入泄漏和能耗模型[10]。两项研究共同支持一个工程结论：泄漏必须在真实接触副和真实压缩状态下表征，不能只用材料名称赋一个固定系数。
检漏时必须分清“硬件自身泄漏”和“工件过程泄漏”。先用不透气标准板封住全部吸盘，在 45 kPa 压差处测 Q_H；再换实际工件测 Q_L。硬件门固定为 Q_H,UB/Q_S,LB≤0.05，超限即停机修复，禁止用加大真空源掩盖接头或阀件故障。实际工件测量使用第 08 章十个边界单元，不以“最差”“相似”或“典型”替代数值单元。
02.1 泄漏边界的固定测试方法
每次测试执行相同顺序：吸盘以 0.10 m/s 法向速度接触，压缩量按边界单元锁定为 5 mm、7 mm 或 9 mm，开启单区真空源，记录 0～12 s 的压力与标准流量。稳定窗口固定为第 10.0～12.0 s；窗口内每个压力下界均须≥50 kPa，压力示值峰峰值须≤2 kPa。泄漏示值取该窗口内最大的 100 ms 滑动平均值，再加 U_Q 得到 Q_L,UB。吸盘接触后 2.0 s 内未达到 50 kPa 下界并稳定 200 ms，该循环直接判 R4 失败，原始数据仍保留。
本报告的污染边界固定为23±2 ℃、相对湿度50±10%条件下，将同批纸箱材料制成并筛分为75～150 μm纸粉，在吸附面均匀施加0.50 g/m²；超过该面密度、存在液态水、油或胶黏物的纸箱不在本放行边界内。寿命边界固定为吸盘完成100000次额定压缩循环，或密封唇相对新件磨损达到0.50 mm，两者先到者。摩擦、有效面积、泄漏和动态试验均须覆盖新件与该寿命边界。
纸面撕裂、杯唇跨越箱盖开缝、箱盖被抽起，或密封唇与高度差/深度≥0.50 mm 的折线、压痕、胶带台阶之间的最小距离＜10 mm，该循环直接失败且该落点列入禁区图。禁区图采用工装坐标，边界坐标精确到 1 mm。
工件族只能在材料牌号、楞型、层数、涂层、印刷覆盖、胶带方案、允许落点和质量上限完全相同时共用泄漏数据。任何一项不同都建立独立数据集。该规则把“纸箱看起来相似”转化为可审计边界，防止低泄漏样本掩盖高泄漏批次。
03吸附承载、摩擦与动态载荷模型
第 i 个吸盘的法向容量下界和系统总容量为：
C_i = Δp_min,LB A_eff,LB,i
F_N,cap,LB = ΣC_i设吸附面从水平面转过 θ，法向和切向设计需求按下式计算。质量、加速度和偏心取测量上界；加速度包络同时包含正常生产、单区故障制动、转安全位和落位的逐轴峰值，不使用平均速度替代。
F_N,d = S_L m_UB max_t|g cosθ + a_n,UB(t)|
F_T,d = S_L m_UB max_t√[(g sinθ + a_x,UB(t))² + a_y,UB(t)²]
快速筛查条件：
F_N,cap,LB ≥ F_N,d
μ_LB F_N,cap,LB ≥ F_T,d摩擦系数试验使用三个纸箱批次、每批10个独立试片，在45 kPa和50 kPa压差两档分别测得首次连续滑移2 mm时的切向力。每一压差、每种新件/寿命件及清洁/0.50 g/m²纸粉状态均完成30次，μ_meas＝F_slip/(ΔpA_eff,meas)，取全部结果最小值并减去U_μ得到μ_LB；U_μ必须≤0.02。基准工况取μ_LB＝0.35。Schmalz 的设计资料要求对多孔工件开展吸附试验，并列出水平工件至少2、翻转工件至少2.5的安全系数[6]；本报告统一把2.5用于全部载荷方向。
快速筛查通过后仍须校核组合载荷和三维偏心。坐标原点固定在工件重心，r_i为重心至第i杯作用点的向量，n为吸附面单位法向，T_i为面内二维向量，f_i＝N_i n＋T_i；M_external只包含不随重心合力表达的独立外加力偶。对每个10 ms路径采样时刻，必须求得一组满足下列条件的吸盘力：
N_i ≥ 0
N_i/C_i + ||T_i||/(μ_LB C_i) ≤ 1
Σf_i + f_external = 0
Σ(r_i × f_i) + M_external = 0线性组合包络禁止在同一吸盘上同时重复使用全部法向容量和全部摩擦容量。存在满足全部平衡式与组合包络的力分配，判为通过；不存在即不通过。吸盘三维坐标、重心三维坐标、工件厚度力臂和故障制动峰值必须进入外力矩。纸板局部压溃、面层剥离和箱盖开裂另设材料承压判据；真空容量通过并不自动代表纸箱结构通过。
03.1 纸箱局部承压与变形门槛
吸盘区域的平均压紧应力以 Δp_min,LB 计，但杯唇窄环处存在应力集中。项目必须用目标纸箱做静态保持和动态循环，验收后拆检吸附面。硬性通过条件为：箱盖不得被吸开，面纸不得从瓦楞芯剥离，不得出现贯穿破损；卸载60 s后，吸附区相对未加载基准面的永久凹陷测量上界必须≤2.00 mm。任一结构损伤出现，即使真空压力、载荷和节拍全部达标，R9仍判为不通过。
材料承压试验在45 kPa下界和50 kPa下界两档分别持续10 min；动态试验按第08章六个动态路径单元各运行120循环。吸盘数量增加会扩大总承载面积，但不会自动降低单杯局部应力，因此每个吸盘的落点和压缩量都必须满足上述门槛。
04泄漏流量平衡与真空建立时间
真空源选型使用实际管路、阀、过滤器和发生器组合在最低供气表压 0.40 MPa、45 kPa 压差处的流量下界，不使用“最大吸入流量”或“最终真空度”两个孤立目录值。源和泄漏必须统一换算到 p_N＝101.325 kPa、T_N＝293.15 K。单分区硬性判据为：
Q_S,LB = Q_S,meas - U_QS
Q_L,UB = Q_L,meas + U_QL
Q_S,LB(45 kPa, 0.40 MPa供气) / Q_L,UB ≥ 1.50Q_L,meas 取完整测试矩阵中的最大示值，不取平均值，也不剔除吸附成功但泄漏偏高的样本。流量计、供应商曲线和管路换算的合成扩展不确定度均进入 U_Q；本报告门规定 U_Q/Q≤2%。SMC 官方资料给出了利用实际发生器、吸盘、工件和真空表反推泄漏量的方法，并说明粗糙或透气工件的泄漏会阻止系统达到所需真空[5]。GB/T 32293—2015只用于硬件 Q_H 检漏方法选择；Q_P、Q_E 和总过程流量 Q_L 使用本报告的工件过程测试。记录必须注明压力、温度、量程、采样率和标准状态。
在 0 至 50 kPa 压差区间内，真空源扣除泄漏后的标准流量下界为 Q_net,LB。单区从大气压 p_0 抽至目标绝对压力 p_1 的保守时间为：
Q_net,LB = min[Q_S,LB(p) - Q_L,UB(p)]
t_ev = V_Z,UB (p_0 - p_1) / (p_N Q_net,LB)
t_pick = t_ev + t_stable + t_auxQ 需换算为 L/s，目标 p_1＝p_0−50 kPa。若 Q_net,LB≤0，直接判为不通过。t_stable＝0.20 s；阀响应、传感器响应、PLC扫描和许可输出的合计上界固定为 t_aux＝0.10 s。接触到全部分区压力下界达到 50 kPa、连续 20 个采样点合格且窗口峰峰值≤2 kPa的总时间必须≤2.0 s。任一分区超时、任一采样点低于阈值、30 ms 内没有新模拟量，或开关量与模拟量矛盾持续超过 50 ms，均禁止提升和水平加速。
05分区、止回、限流与泄漏补偿架构
四个分区分别配置真空发生支路、压力检测、隔离元件和诊断编号。每区吸盘在几何上跨越工件重心两侧；失去任一区后的实际三维坐标必须通过第03章组合载荷平衡，不另用“吸盘数量足够”或二维外观判断替代。第06章锁定x-z平面并把全部y向输入设为零。中央总管压力只能用于诊断，不能代替分区许可。
| 架构元件 | 强制功能 | 不合格状态 |
|---|---|---|
| 独立分区取压 | 识别局部漏气、空吸和脱杯 | 只测总管压力 |
| 止回或真空节流 | 阻断故障区拖垮健康区 | 任一区开路导致任一健康区压力下界＜45 kPa |
| 真空源流量储备 | 在泄漏上界下维持阈值 | Q_S,LB/Q_L,UB＜1.50 |
| 压力许可逻辑 | 各区压力下界≥50 kPa、连续200 ms且峰峰值≤2 kPa | 只用定时器或单总信号 |
| 备用供能 | t_1−t_0≤0.10 s并维持至t_3 | 绝热保持时间＜8.50 s或0.40 MPa下Q_S,LB/Q_L,UB＜1.50 |
| 受控排气 | 双支撑确认500 ms、速度≤0.01 m/s、位置误差≤5 mm后释放 | 任一条件不满足仍可排气 |
SMC 的真空节能阀资料说明，未覆盖吸盘的漏气可被限制，从而维持其余回路真空[5]；Piab 的泡棉夹具资料也把止回阀技术用于不同孔隙率材料[11]。这些元件不是自动安全保证：阀卡滞、污染、反向泄漏和响应时间必须进入故障注入。
泄漏补偿按优先级执行：扩大有效吸附面积、改善落点与密封、缩短和增大主管、分散真空源、再增加源流量。禁止以无限增大抽气量替代分区隔离，因为局部大开口仍会消耗全部流量并掩盖正在脱离的吸盘。
06基准工况计算与唯一判定
本章固定计算工况如下：搬运对象始终保持吸附面水平，θ＝0；计算平面为x-z，锁定a_y,UB＝0、e_y,UB＝0、M_x＝0、M_z＝0。以吸盘阵列几何中心为临时计算原点，吸盘投影为x＝±0.25 m、y＝0，重心坐标为(0.060,0,−0.160) m；进入第03章向量方程时，r_i按“吸盘坐标减重心坐标”换算。y向加速度、偏心或力矩不为零时，输入全部三维坐标并执行向量平衡。
| 输入量 | 已含不确定度的锁定数值 |
|---|---|
| 纸箱质量上界 m_UB | 18.0 kg |
| 吸盘数量与分区 | 8 个，4 区，每区 2 个 |
| 单杯有效面积下界 A_eff,LB | 0.0060 m² |
| 吸盘二维投影坐标 | 相对阵列中心x＝±0.25 m，y＝0；每区正负侧各一杯 |
| 故障保持压差下界 Δp_min,LB | 45 kPa |
| 正常提升许可压差下界 Δp_pick,LB | 50 kPa |
| 摩擦系数下界 μ_LB | 0.35 |
| 正常及故障向上加速度上界 a_z,UB | 1.50 m/s² |
| 正常及故障水平加速度上界 a_x,UB | 2.00 m/s² |
| y向加速度与偏心 | a_y,UB＝0；e_y,UB＝0 |
| 重心水平偏移上界 e_x,UB | 0.060 m |
| 重心距吸附面高度上界 h_UB | 0.160 m |
| 外部滚转、偏航力矩 | M_x＝0；M_z＝0 |
| 指定支撑位 | S1＝(1.00, 0, −0.20) m；故障路径长度上界1.20 m |
| 单区等效抽气容积上界 V_Z,UB | 1.80 L |
| 单区泄漏最大示值及 U_QL | 55.0、1.1 NL/min；Q_L,UB＝56.1 NL/min |
| 单区源流量最小示值及 U_QS | 90.0、1.8 NL/min；Q_S,LB＝88.2 NL/min |
| 源流量适用条件 | 0～50 kPa全区间，供气表压0.40 MPa，过滤器寿命边界 |
| 稳定、辅助时间 | t_stable＝0.20 s；t_aux＝0.10 s |
| 储气罐、供气压力与初温上界 | 有效容积下界25.0 L；起始表压下界0.70 MPa、最低可用表压上界0.40 MPa；T_1,UB＝298.15 K |
| 四区耗气最大示值及 U_Qair | 300、6 NL/min；Q_air,UB＝306 NL/min |
06.1 正常状态承载
总面积下界为 8×0.0060＝0.0480 m²，单杯容量 C_i＝45000×0.0060＝270 N：
F_N,cap,LB = 45000 × 0.0480 = 2160 N
F_N,d = 2.5 × 18 × (9.81 + 1.50) = 508.95 N
法向容量比 = 2160 / 508.95 = 4.24 ＞ 1.00，通过
F_T,cap = 0.35 × 2160 = 756 N
F_T,d = 2.5 × 18 × 2.00 = 90 N
切向容量比 = 756 / 90 = 8.40 ＞ 1.00，通过以吸盘阵列中心为矩心，水平加速度和重心偏移形成的俯仰力矩为：
M_d = F_N,d e_x + F_T,d h
= 508.95 × 0.060 + 90 × 0.160
= 44.94 N·m
两侧法向力差 ΔF = M_d / 0.25 = 179.76 N
高载侧需求 = (508.95 + 179.76) / 2 = 344.36 N
低载侧需求 = (508.95 - 179.76) / 2 = 164.60 N
每侧容量 = 4 × 45000 × 0.0060 = 1080 N
两侧均通过按四杯/侧平均分配，高载侧每杯 N_H＝344.36/4＝86.09 N，低载侧每杯 N_L＝164.60/4＝41.15 N，八杯切向力均为 T＝90/8＝11.25 N。线性组合包络为：
η_H = 86.09/270 + 11.25/(0.35×270) = 0.44
η_L = 41.15/270 + 11.25/(0.35×270) = 0.27
max(η_H,η_L) = 0.44 ≤ 1.00，组合载荷通过06.2 流量与建立时间
泄漏上界为 56.1 NL/min，源流量下界为 88.2 NL/min：
源/泄漏比 = Q_S,LB / Q_L,UB
= 88.2 / 56.1
= 1.572 ≥ 1.50，通过
需求容量比 = Q_S,LB / (1.5 Q_L,UB)
= 88.2 / 84.15
= 1.048 ≥ 1.00，通过
Q_net,LB = 88.2 - 56.1 = 32.1 NL/min = 0.535 L/s
p_1 = 101.325 - 50 = 51.325 kPa
t_ev = 1.80 × (101.325 - 51.325) / (101.325 × 0.535)
= 1.66 s
t_pick = 1.66 + 0.20 + 0.10
= 1.96 s ≤ 2.00 s，通过“源/泄漏比”与“需求容量比”是两个不同指标，前者门槛为 1.50，后者门槛为 1.00。四区必须分别达到 50 kPa 下界并稳定 200 ms；任一区超过 2.00 s，R4 即不通过。
06.3 单区完全失效
任一区隔离后剩余 6 个吸盘，面积 0.0360 m²；因每区在 x 正负两侧各布一杯，任一区失效后两侧仍各有 3 杯。
F_N,1fail = 45000 × 0.0360 = 1620 N
法向容量比 = 1620 / 508.95 = 3.18，通过
F_T,1fail = 0.35 × 1620 = 567 N
切向容量比 = 567 / 90 = 6.30，通过
单侧剩余容量 = 3 × 45000 × 0.0060 = 810 N
810 ＞ 344.36 N 且 810 ＞ 164.60 N，力矩分配通过任一区失效后，高载侧和低载侧各剩三杯。取每杯 T＝90/6＝15 N：
N_H,1fail = 344.36/3 = 114.79 N
N_L,1fail = 164.60/3 = 54.87 N
η_H,1fail = 114.79/270 + 15/(0.35×270) = 0.584
η_L,1fail = 54.87/270 + 15/(0.35×270) = 0.362
max(η_H,1fail,η_L,1fail) = 0.584 ≤ 1.00，通过因此，该基准工况在 18 kg 质量上界、水平吸附面、已锁定正常/故障加速度和二维偏心包络内，正常状态及任一单区完全失效的快速筛查与组合载荷均通过。
06.4 主供能丧失与受控落位
基准工况采用有效容积下界25.0 L的压缩空气储备，起始表压下界0.70 MPa、最低可用表压上界0.40 MPa；p_N＝0.101325 MPa，绝对压力P_1＝0.801325 MPa、P_2＝0.501325 MPa。采用空气γ＝1.4的绝热刚性罐放气模型，标准温度T_N＝293.15 K，罐内初温上界T_1,UB＝298.15 K；四区耗气量使用上界306 NL/min＝5.10 NL/s。最低供气表压0.40 MPa时，每区Q_S,LB＝88.2 NL/min，已通过1.50流量门。
m_2/m_1 = (P_2/P_1)^(1/γ)
= (0.501325/0.801325)^(1/1.4)
= 0.7153
V_N,use = 25 × (0.801325/0.101325) × (293.15/298.15)
× (1 - 0.7153)
= 55.34 NL
t_res = 55.34 / 5.10 = 10.85 s
t_required = (t_2-t_0)_max + 2(t_3-t_2)_max
= 0.50 + 2 × 4.00
= 8.50 s
10.85 ＞ 8.50 s，通过唯一计算结论：该配置通过 R2、R3、建立时间计算、单区失效计算和备用时长计算，可按第 08、09 章执行 FAT/SAT。FAT 与 SAT 的全部边界单元和故障注入均零失效，且整机前置门记录齐全时，形成“真空抓取子系统工程放行”。
07单区故障、总失气与受控落位逻辑
运行许可逻辑不得把报警与安全动作混在一个延时链中。状态机采用下列硬逻辑：
Lift_Enable =
Workpiece_Present
∧ Zone_A_OK ∧ Zone_B_OK ∧ Zone_C_OK ∧ Zone_D_OK
∧ 每区Δp_LB ≥ 50 kPa连续200 ms
∧ 200 ms窗口峰峰值 ≤ 2 kPa
∧ Motion_Envelope_OK
Single_Zone_Fault →
禁止继续生产路径
∧ |a_z,UB| ≤ 1.50 m/s²
∧ √(a_x,UB²+a_y,UB²) ≤ 2.00 m/s²
∧ 禁止翻转
∧ 执行已登记支撑位S1落位
Main_Supply_Loss →
备用建立t_1-t_0 ≤ 0.10 s
∧ 故障确认t_2-t_0 ≤ 0.50 s
∧ 保持全部健康分区
∧ 支撑转移t_3-t_2 ≤ 4.00 s四个时间戳采用同一 1 ms 时基：t_0 是主供气入口压力下界首次低于 0.55 MPa 表压或主阀开信号丢失的较早时刻；t_1 是四区发生器入口供气压力下界均达到 0.40 MPa 表压的首时刻；t_2 是控制器置位供能故障并发出落位命令的时刻；t_3 是两只独立支撑传感器均置位、支撑力下界达到 0.95m_UBg 且连续保持 500 ms 的首时刻。4.00 s 从 t_2 起算，主供能丧失至支撑转移的总上限为 4.50 s。
本工况登记支撑位S1＝(1.00,0,−0.20) m，位置公差±5 mm，从运动包络任一点至S1的路径长度上界为1.20 m；支撑力下界门为0.95×18×9.81＝167.75 N。R1输入表必须登记支撑位坐标、路径上界和支撑力门；未登记位置不构成安全支撑位。
任何故障发生后均不得主动排气。释放许可必须同时满足：末端位置进入 S1±5 mm；运动速度≤0.01 m/s并连续500 ms；两只独立支撑传感器连续500 ms置位；支撑力下界≥0.95m_UBg；人工释放指令保持500 ms。五项全部成立后才允许排气。压力恢复不得自动续跑，必须完成 t_3、检查工件并人工复位后建立新循环。
备用供能必须在起始表压0.70 MPa、泄漏上界、耗气量上界、过滤器寿命边界和1.20 m故障路径组合下切断主供能实测。从 t_0 至 t_3，任一健康区压力下界＜45 kPa、任一故障加速度上界超限、t_1/t_2/t_3 任一时间门超限或人工托住工件，均判为受控落位失败。
08测试矩阵、测量链与记录要求
每一纸箱规格在 FAT 和 SAT 分别执行完整矩阵，FAT 数据不得抵扣 SAT。坐标原点为纸箱设计吸附中心，允许落点偏移固定为 x、y 各±20 mm，压缩量固定为 5 mm～9 mm。每个边界单元使用独立纸箱：三个来料批次、每批 10 箱、每箱 5 循环，共 150 循环；每循环保存四条分区曲线，因此每单元为 600 条分区曲线。
| 单元 | 落点/状态 | 压缩量 | 污染与寿命 | 每阶段样本 |
|---|---|---|---|---|
| E1 | (0,0) mm，未印刷中心区 | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E2 | (+20,0) mm | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E3 | (−20,0) mm | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E4 | (0,+20) mm | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E5 | (0,−20) mm | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E6 | 印刷覆盖率100%区域，密封唇距胶带边10 mm | 7 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E7 | (0,0) mm | 5 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E8 | (0,0) mm | 9 mm | 清洁新件 | 150循环/600曲线 |
| E9 | (0,0) mm | 7 mm | 0.50 g/m²纸粉、新件 | 150循环/600曲线 |
| E10 | (0,0) mm | 7 mm | 0.50 g/m²纸粉、100000循环或0.50 mm磨损件 | 150循环/600曲线 |
每一纸箱规格、每一阶段合计 1500 个泄漏/建立循环和 6000 条分区曲线；FAT 与 SAT 合计 3000 循环和 12000 条分区曲线。新增纸箱材料、楞型、层数、涂层、胶带或质量上限时，作为新规格重新执行全部数量。
动态搬运设六个路径单元：D1为18 kg、a_z,UB＝+1.50 m/s²且a_x,UB＝0；D2为18 kg、a_x,UB＝+2.00 m/s²且a_z,UB＝0；D3为18 kg、a_x,UB＝−2.00 m/s²且a_z,UB＝0；D4同时施加a_z,UB＝+1.50 m/s²、a_x,UB＝+2.00 m/s²；D5同时施加a_z,UB＝+1.50 m/s²、a_x,UB＝−2.00 m/s²；D6为单区故障后沿1.20 m上界路径落至S1。六个单元均使用E10污染与寿命状态，每单元三个批次×10箱×4循环＝120循环。每一阶段动态试验为720循环，FAT与SAT合计1440循环。
每一阶段还独立完成：有效面积8杯×3个压缩量×2个寿命状态×10次＝480次；摩擦系数2个压差×2个寿命状态×2个污染状态×30次＝240次；发生器在0.40 MPa供气表压、过滤器压差5 kPa条件下完成4区×10条0～50 kPa曲线＝40条。上述数量不得与E1～E10或D1～D6互相抵扣。
| 测量项目 | 仪器与采样 | 必须记录 | 判定 |
|---|---|---|---|
| 分区压力 | 每区独立绝压或差压传感器，≥100 Hz，U_p/p≤2% | Δp_meas、U_p、Δp_LB | 提升前Δp_LB≥50 kPa；故障期间健康区Δp_LB≥45 kPa |
| 泄漏与源流量 | 标准流量计≥100 Hz，U_Q/Q≤2% | Q_meas、U_Q、标准状态 | Q_S,LB/Q_L,UB≥1.50 |
| 质量与坐标 | 校准秤U_m≤0.10 kg；三维测量U_r≤1.0 mm | m_meas、U_m、吸盘/重心/支撑位坐标 | m_UB＝m_meas+U_m；偏心与力臂取绝对值加U_r |
| 动态载荷 | 独立三轴加速度计≥200 Hz，U_a≤0.05 m/s² | 各轴示值、U_a、故障制动峰值 | a_UB＝max|a_meas|+U_a，不超计算包络 |
| 位移/滑移 | ≥100 fps视觉测量，U_s≤0.20 mm | 起点、峰值、终点和标定尺 | s_UB＝s_meas+U_s≤2.00 mm |
| 支撑力 | 校准测力元件，U_F/F≤2% | F_support,meas、U_F和双支撑信号 | F_support,LB＝F_meas−U_F≥0.95m_UBg并保持500 ms |
| 容积、储气压力与温度 | 容积U_V/V≤2%；压力U_P≤0.005 MPa；温度U_T≤1 K | 分区/储罐容积、P_1、P_2、T_1及各U值 | 抽空容积取上界；储罐容积/P_1取下界，P_2/T_1取上界 |
| 有效面积 | 标定图像或尺寸测量，U_A/A≤2% | 压缩量、密封内边界和面积 | 计算只用A_eff,LB＝A_meas−U_A |
| 摩擦系数 | 校准测力计，U_μ≤0.02 | 滑移起点力、压差、面积、状态 | 计算只用μ_LB＝min(μ_meas)−U_μ |
| 备用供能 | 压力、流量与1 ms事件时基 | t_0、t_1、t_2、t_3、最低分区压力 | ≤0.10 s、≤0.50 s、≤4.00 s且健康区Δp_LB≥45 kPa |
压力许可始终使用下界。U_p/p＝2%时，50 kPa下界对应示值至少51.02 kPa，45 kPa下界对应示值至少45.92 kPa。采样时钟差必须≤10 ms。压力开关只有开关量时，必须增加可记录模拟压力；没有原始曲线只有成功/失败位，R10不通过。
释放窗口固定为0≤Δp_UB≤5 kPa并连续500 ms。阀动作后300 ms内模拟压力变化＜0.50 kPa，或连续30 ms没有新样本，判为信号卡滞；开关量与模拟量矛盾超过50 ms，判为诊断故障。
原始数据不得只存图片。每条曲线必须保存时间戳、分区号、样本号、批次号、落点编号、压力、流量、加速度、阀状态和许可状态，单位写入字段名或元数据。数据处理脚本和参数一并归档，计算输出能反向定位原始行。剔除数据只允许用于仪器明确失效，且剔除原因、故障证据和重测记录必须并存；以“异常值”为由删除高泄漏或慢建立循环，R10 直接不通过。
09FMEA 驱动的故障注入矩阵
本章把 FMEA 识别出的失效模式转化为可重复故障注入，不用低发生率删除故障。每次注入均使用18 kg质量上界、E10污染/寿命状态和1.20 m故障路径；FAT与SAT分别执行全表数量。非供能故障以 t_F 表示物理注入时刻，故障确认门为 t_2−t_F≤0.50 s；主供能故障继续使用第07章 t_0～t_3。
| 失效模式 | 注入方法 | 每阶段次数 | 必须发生的控制动作 | 通过标准 |
|---|---|---|---|---|
| 单吸盘未覆盖 | 每杯设置6.0 mm校准开口 | 8杯×10＝80 | 对应区报警并执行S1落位 | 健康区Δp_LB≥45 kPa，t_2−t_F≤0.50 s，t_3−t_2≤4.00 s |
| 单分区管路断开 | 每区快断接头完全断开 | 4区×10＝40 | 故障区隔离并执行S1落位 | 全部40次满足时间、压力、加速度和滑移门 |
| 止回阀卡开 | 每区旁通止回阀形成全开通路 | 4区×10＝40 | 健康区独立诊断并执行S1落位 | 任一健康区Δp_LB＜45 kPa即整项失败 |
| 压力传感器卡高 | 每通道注入满量程高电平；提升前5次、运动中5次 | 4通道×10＝40 | 提升前禁止许可；运动中执行S1落位 | 不产生错误Lift_Enable，运动中满足t_2、t_3门 |
| 压力传感器卡低 | 每通道注入0 kPa信号；提升前5次、运动中5次 | 4通道×10＝40 | 提升前锁止；运动中执行S1落位 | 不得旁路运行，健康区压力保持合格 |
| 主压缩空气切断 | 距S1路径1.20 m处关闭主阀 | 10 | t_1、t_2后执行S1落位 | t_1−t_0≤0.10 s，t_2−t_0≤0.50 s，t_3−t_2≤4.00 s |
| 备用储备低压 | 起始表压固定为0.39 MPa | 10 | 起动前锁止 | 10/10不得产生Lift_Enable |
| 纸箱局部塌陷 | 吸附区预制直径30 mm、深5.0 mm凹陷 | 10 | 压力故障后执行S1落位 | 无撕裂、无跌落，s_UB≤2.00 mm |
| 软件定时器提前 | 将延时固定为0.50 s | 10 | 压力联锁继续阻止运动 | 任一区Δp_LB＜50 kPa均无提升 |
| 排气阀误动作 | 路径中点注入排气输出请求 | 10 | 五项释放许可屏蔽请求 | t_3前排气阀不得得电 |
每一阶段共执行290次故障注入，FAT与SAT合计580次。故障注入必须使用防坠承接装置并清空危险区。任一非预期运动、压力下界越线、时间超限、加速度上界超限、滑移上界超限、排气误动作或人工托住工件均计为失败；失败后不得补做单次，完成整改后该失效模式在该阶段从第一次重新执行。
10FAT、SAT 与真空抓取子系统工程放行标准
子系统工程放行由前置门、设计资料、工厂验收 FAT、现场验收 SAT 四道门组成。四道门全部通过才形成真空抓取子系统工程放行；计算通过不能替代实物验收，FAT 数据不能抵扣 SAT，供应商样本不能替代目标纸箱。
| 编号 | 放行门 | 明确通过标准 |
|---|---|---|
| R1 | 前置门与输入冻结 | 整机风险评估结论通过；Lift_Enable、故障检测、排气禁止和受控落位的已验证PL/SIL≥风险评估要求；机器人集成、储气罐本体和环境合规结论通过；质量/重心/三维坐标/加速度/安全位/A_eff,LB/μ_LB/Q_L,UB/Q_S,LB及全部U值有版本 |
| R2 | 静态/动态承载 | 正常及任一区失效时快速容量比≥1.00，且所有10 ms时刻存在η_i≤1.00的三维平衡解 |
| R3 | 流量储备 | 每区 Q_S,LB(45 kPa、0.40 MPa供气)/Q_L,UB≥1.50 |
| R4 | 建立时间 | E1～E10每单元150/150循环、600/600分区曲线均在2.0 s内达到50 kPa下界并稳定200 ms |
| R5 | 动态搬运 | D1～D6每单元120/120循环；零跌落，s_UB≤2.00 mm，加速度上界不超计算包络 |
| R6 | 单区故障 | 四区断开各10次、止回阀卡开各10次；健康区Δp_LB≥45 kPa，全部按时落至S1 |
| R7 | 主供能丧失 | 10/10次满足t_1−t_0≤0.10 s、t_2−t_0≤0.50 s、t_3−t_2≤4.00 s，t_0～t_3健康区Δp_LB≥45 kPa |
| R8 | 故障注入 | 第09章每阶段290/290次零错误许可、零误排气、零时间/压力/加速度/滑移越线 |
| R9 | 纸箱结构 | 无盖板掀开、面层剥离或穿孔；卸载60 s后永久凹陷上界≤2.00 mm |
| R10 | 记录完整性 | 原始压力/流量/加速度/位移曲线、t_0～t_3日志、仪器U值、配置与结论可追溯 |
FAT 与 SAT 使用同一阈值并分别完成全部数量。现场更换真空发生器、吸盘型号/硬度、管径、过滤器、阀件、控制程序，或纸箱材料、涂层、胶带、质量、重心、路径加速度后，原放行边界立即失效并完整重做 R1—R10。不存在“带条件放行”：任何一项不满足，真空抓取子系统工程结论为不通过。
11工程控制与维护要求
- 吸盘与落点：密封唇不得跨越箱盖开缝、破损或高度差/深度≥0.50 mm 的折线、压痕、胶带台阶，与上述边界的最小距离必须≥10 mm。机械导向把压缩量限制在5 mm～9 mm。
- 过滤与排水：每区配置压差监测过滤器。过滤器压差上界达到5 kPa或使用达到500 h，两者先到即锁止并更换；更换后重新执行Q_H班前测试。
- 分区检查：每班开始前用不透气标准板在45 kPa压差处执行硬件泄漏自检；任一区 Q_H,UB/Q_S,LB＞0.05 即停用维修。
- 传感器诊断：吸附前0≤Δp_UB≤5 kPa并连续500 ms；阀动作后300 ms内变化＜0.50 kPa、连续30 ms无新样本或开关量/模拟量矛盾＞50 ms，均置位故障。
- 压力阈值保护：正常运动期间每区Δp_LB必须≥50 kPa。任一健康区出现一个100 Hz采样点Δp_LB＜45 kPa，控制器在下一扫描周期置位故障，且t_2时间门仍须≤0.50 s。
- 变更管理：吸盘、密封材料、阀、软管长度、真空源、程序参数和纸箱材料均纳入版本管理。未经重新计算和相应复验，不得替换。
- 人员与能量隔离：维护前切断、锁定并释放气动残余能量，支撑力下界达到0.95m_UBg并连续500 ms后才允许进入。ISO 4414:2010用于机械气动系统设计、安装、运行和维护，不覆盖压缩机、工厂供气分配、气瓶和储气罐[4]；储气罐合规记录属于R1前置门。
12研究结论
纸箱与透气工件的真空搬运不是单一吸力问题，而是承载、泄漏、动态、分区和失气处置共同组成的系统问题。本报告把真空抓取子系统工程放行固定为六个不可替代的判据：
- 以 Δp_min,LB、A_eff,LB、μ_LB 和2.5倍动态载荷校核正常及单区故障状态，快速容量比≥1.00，且每个10 ms时刻存在组合系数η_i≤1.00的三维平衡解。
- 每区在45 kPa压差、0.40 MPa最低供气表压处满足Q_S,LB/Q_L,UB≥1.50。
- 每区在2.0 s内达到50 kPa下界，连续20个采样点合格且窗口峰峰值≤2 kPa；许可来自分区压力信号。
- 任一区完全失效时，健康区压力下界保持≥45 kPa，故障加速度上界不超包络，系统落至登记支撑位。
- t_1−t_0≤0.10 s、t_2−t_0≤0.50 s、t_3−t_2≤4.00 s；备用供能按γ＝1.4和298.15 K初温上界的绝热模型满足t_res≥8.50 s。
- FAT与SAT分别完成每规格十个边界单元、六个动态单元及290次故障注入，全部零失效，且R1前置门记录齐全。
第06章18 kg纸箱基准工况得到唯一“计算通过”结论：正常法向、切向快速容量比分别为4.24、8.40，组合系数最大0.44；单区失效后快速容量比分别为3.18、6.30，组合系数最大0.584；Q_S,LB＝88.2 NL/min、Q_L,UB＝56.1 NL/min，源/泄漏比1.572、需求容量比1.048；建立许可时间1.96 s；绝热备用供能时间10.85 s，大于8.50 s。该计算结果进入规定的FAT/SAT验证流程。
R1—R10 全部取得 FAT 与 SAT 独立零失效记录后，真空抓取子系统结论为“通过”；缺一项即“不通过”。整机放行同时纳入风险评估、控制安全确认、机器人集成和储气罐本体合规记录。
参考文献
[1] 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会. GB/T 41098—2021 起重机 安全 起重吊具. 发布于2021-12-31，实施于2022-07-01，标准状态：现行。
[2] International Organization for Standardization. ISO 17096:2015 Cranes—Safety—Load lifting attachments. ISO 官方页面标示于2026年复审确认，当前版本继续有效。
[3] 国家市场监督管理总局国家标准全文公开系统. GB/T 32293—2015 真空技术 真空设备的检漏方法选择. 发布于2015-12-10，实施于2016-07-01，标准状态：现行。
[4] International Organization for Standardization. ISO 4414:2010 Pneumatic fluid power—General rules and safety requirements for systems and their components. ISO 官方页面标示该版本于2021年复审确认。
[5] SMC Corporation. Vacuum Equipment: Model Selection and Common Precautions. 官方真空元件选型资料，含泄漏估算、响应时间、压力确认与节流/止回应用。
[6] J. Schmalz GmbH. Design of the Suction Cup. 官方真空技术知识库。
[7] J. Schmalz GmbH. Technical Data of Suction Cups. 官方真空技术知识库。
[8] Piab AB. Handling Corrugated Cardboard: Advantages through Optimized Pressure Regulating of Air-driven Vacuum Pump. 官方瓦楞纸板真空搬运技术资料。
[9] A. Tiwari, B. N. J. Persson. Physics of suction cups. Soft Matter, 2019, 15: 9482–9499. 原始研究论文。
[10] F. Gabriel, S. Baars, M. Römer, K. Dröder. Grasp Point Optimization and Leakage-Compliant Dimensioning of Energy-Efficient Vacuum-Based Gripping Systems. Machines, 2021, 9(8):149. 原始研究论文。
[11] Piab AB. piCOBOT Foam Grippers. 官方产品技术页面，含不同孔隙率材料的止回阀应用说明。