2. UR协作机器人产品体系与选型
Universal Robots（UR）的协作机器人产品线并不是“同一台机器换不同颜色”，而是围绕负载能力与工作半径两个核心参数，形成了从桌面级到重载级的完整梯度。理解这条产品谱系，是工作站设计的第一步：选型一旦偏差，后续的夹具、底座、安全配置、节拍估算都会连带返工。
当前主流型号可归纳为三代结构：早期经典系列 UR3、UR5、UR10；e-Series 系列 UR3e、UR5e、UR10e、UR16e；以及新一代 UR20、UR30。它们共享同一套编程范式（Polyscope 图形化编程、URScript 脚本、TCP 位姿控制），但在关节扭矩、臂长、重复定位精度、I/O 与安全功能上逐级增强。对集成工程师而言，真正需要记住的是“有效负载—臂展—精度—安装姿态”这组约束关系，而不是型号数字本身。
一、型号差异的核心维度
UR 型号命名中的数字大致对应额定负载（kg）：UR3 约 3 kg、UR5 约 5 kg、UR10 约 10 kg、UR16 约 16 kg、UR20 约 20 kg、UR30 约 30 kg。但“额定负载”是包含末端执行器在内的总负载，这一点在选型时最容易被忽略。例如一台 UR5e 额定 5 kg，若末端夹爪重 1.2 kg，则实际可搬运工件仅约 3.8 kg，再考虑重心偏移与惯性，安全余量通常还要再打 20%～30%。
臂展方面，UR3/UR3e 约 500 mm，UR5/UR5e 约 850 mm，UR10/UR10e 约 1300 mm，UR16e 约 900 mm，UR20 约 1750 mm，UR30 约 1300 mm。可以看到 UR16e 是“短臂展、高负载”型，UR20 是“长臂展、中高负载”型，UR30 则是“中臂展、重负载”型。这种交叉设计意味着：不能只按负载选型号，也不能只按臂展选型号，必须同时满足两个约束。
二、负载与臂展的匹配计算
选型时建议按以下顺序做定量校核，而不是凭经验“差不多就行”。
第一步：确定总负载。总负载 = 工件质量 + 夹具/吸盘质量 + 线缆与气管附加质量。例如搬运 8 kg 的金属壳体，选用 2.5 kg 的气动夹爪，线缆约 0.3 kg，则总负载约 10.8 kg。此时 UR10e（10 kg）已不满足，应直接考虑 UR16e 或 UR20。
第二步：校核重心偏移。UR 手册给出的额定负载通常对应重心在法兰附近一定距离内。若夹具较长，重心外移，允许负载会下降。工程上常用简化判断：重心每外移 100 mm，有效负载能力约下降 10%～15%（具体以 UR 官方负载曲线为准）。因此上例中若重心外移 200 mm，10.8 kg 的实际需求可能对应 13 kg 以上的额定能力，UR16e 才是稳妥选择。
第三步：校核臂展覆盖。臂展不是“能伸多远”，而是“在保持姿态可控前提下，TCP 能到达的最远点”。实际工作站中，机器人需要覆盖取料点、加工点、放料点三个位置，且每个位置都要留出姿态调整空间。经验做法是：所需臂展 ≈ 最远两点距离 × 1.2。若取料点与放料点相距 1100 mm，则建议选择臂展 1300 mm 以上的 UR10e 或 UR20。
第四步：校核节拍与惯性。高负载型号关节惯量大，高速启停时振动更明显。若节拍要求高（如 3 s 内完成一次取放），应优先选择负载余量更大的型号，或降低加速度参数。UR20 虽然臂展长，但在长臂展末端的高速性能不如 UR10e 灵活，这是结构决定的。
三、典型应用场景与型号对应
| 应用场景 | 典型负载 | 所需臂展 | 推荐型号 | 关键考虑 |
|---|---|---|---|---|
| 桌面螺丝锁付、点胶 | 0.5～2 kg | 400～600 mm | UR3e | 精度优先，体积小 |
| 3C 装配、检测上下料 | 1～4 kg | 700～900 mm | UR5e | 通用性强，生态成熟 |
| 机床上下料、码垛 | 5～10 kg | 1100～1400 mm | UR10e | 臂展与负载均衡 |
| 重型工件搬运、压装 | 10～16 kg | 800～1000 mm | UR16e | 短臂高负载，刚性好 |
| 托盘码垛、长距离取放 | 12～20 kg | 1500～1800 mm | UR20 | 长臂展，需校核振动 |
| 重载搬运、大型装配 | 20～30 kg | 1100～1400 mm | UR30 | 重载，底座需加固 |
四、选型决策方法：从需求到型号
把上述内容整理成一个可执行的决策流程，可以避免反复试错。建议按以下顺序推进：
- 列出所有工位点：取料点、加工点、放料点、待机点，标注各自的空间坐标与姿态要求。
- 计算最大跨度：取任意两点间最大距离，乘以 1.2 的安全系数，得到最小臂展需求。
- 计算总负载：工件 + 夹具 + 线缆，再按重心偏移做折减，得到最小额定负载需求。
- 在负载—臂展图上定位：找到同时满足两个约束的型号区间，优先选择余量适中的型号，避免“大马拉小车”造成成本与节拍浪费。
- 校核安装方式：地面、墙面、倒挂、倾斜安装会影响关节受力与负载能力，倒挂时通常需再降额 10%～20%。
- 确认安全与生态：e-Series 与新一代型号支持更完善的安全功能与 I/O，若需与 PLC、视觉、力控集成，应优先选择 e-Series 及以上。
选型的最终目标不是“选最大的”，而是“选最匹配的”。一台 UR5e 在 3C 装配线上可能比 UR20 更高效，因为它的关节更轻、响应更快、占地更小。理解每个型号背后的设计取舍，才能在工作站设计阶段做出既满足工艺、又控制成本的决策。