2. UR协作机器人选型与码垛负载分析
码垛工位的机器人选型，本质上不是“挑一台负载最大的”，而是把负载、臂展、节拍、精度、占地与安全这几项约束同时放到一张图上求解。UR 系列从 UR3 到 UR20 覆盖了约 3 kg 到 20 kg 的有效负载区间，但型号数字并不等于可搬运的纸箱重量——末端执行器（夹具、吸盘、法兰、气管、线缆）的重量必须先被扣除，剩下的才是真正能分配给工件的“净负载”。这一节围绕型号特点、负载与臂展匹配、码垛节拍估算三条主线展开，并给出可直接套用的估算方法。
一、UR 各型号的定位与关键参数
UR 系列按负载与臂展大致分为三档：轻载短臂（UR3、UR3e）、中载中臂（UR5、UR5e）、重载长臂（UR10、UR10e、UR16e、UR20）。选型时最需要记住的不是“最大负载”，而是在目标臂展下还能剩多少负载。协作机器人的负载-臂展曲线通常是：越靠近基座、姿态越“收拢”，可用负载越接近额定值；越向外伸展、越接近工作空间边缘，允许负载越低。因此码垛这种“要在托盘四角都够得到”的应用，必须按最远码放点来校核负载，而不是按平均位置。
| 型号 | 额定负载 | 典型臂展（直径） | 码垛适用场景 |
|---|---|---|---|
| UR3 / UR3e | 3 kg | 约 500 mm | 小件、桌面级、单层摆放 |
| UR5 / UR5e | 5 kg | 约 850 mm | 轻型箱、小托盘、低垛 |
| UR10 / UR10e | 10~12.5 kg | 约 1300 mm | 标准纸箱、中等托盘码垛 |
| UR16e | 16 kg | 约 900 mm | 重箱、短臂高负载 |
| UR20 | 20 kg | 约 1750 mm | 大托盘、高垛、重载码垛 |
表中数值为系列典型量级，实际选型必须以对应型号的官方负载-臂展曲线为准。可以看到 UR16e 与 UR20 的差异非常典型：UR16e 负载略低但臂展短，适合“重而近”的工位；UR20 负载更高且臂展长，适合“重且远”的整托盘码垛。若用 UR16e 去够 1.2 m 外的托盘角，负载余量会迅速被臂展吃掉，这是新手最容易踩的坑。
二、负载校核：从额定负载到净负载
负载校核的核心公式很简单，但每一项都不能漏：
可用净负载 = 额定负载 × 臂展折减系数 − 末端执行器重量 − 线缆/气管附加重量
安全余量建议：净负载 ≥ 工件重量 × 1.3（动态冲击、偏心、加速度工况）举例说明（以下为教学示例参数，非实测）：某工位纸箱重 8 kg，选用真空吸盘夹具，夹具本体 2.2 kg，气管与线缆 0.5 kg，最远码放点对应臂展折减系数取 0.85。若选 UR10（额定 10 kg），则可用净负载 = 10 × 0.85 − 2.2 − 0.5 = 5.8 kg，小于 8 kg，不满足；换 UR16e（额定 16 kg，短臂下折减系数可放宽到 0.9），可用净负载 = 16 × 0.9 − 2.7 = 11.7 kg，满足 8 × 1.3 = 10.4 kg 的要求。这个例子说明：型号数字大不等于够用，折减系数和夹具重量才是决定项。
三、臂展匹配：托盘尺寸决定臂展下限
码垛的臂展需求由托盘尺寸、垛高和机器人安装位置共同决定。设托盘长 L、宽 W，机器人基座位于托盘一侧中点，则最远码放点水平距离约为 √((L/2)² + (W/2)²) 加上基座到托盘边缘的间隙。以 1200 mm × 1000 mm 托盘为例，最远角水平距离约 781 mm，加上 200 mm 安全间隙约 981 mm；若垛高 1.5 m，机器人需要在该水平距离上仍能抬到 1.5 m 高度，实际所需臂展往往超过 1.3 m。这就是 UR10/UR20 成为码垛主力、而 UR5 通常只做低垛的原因。
四、码垛节拍估算方法
节拍估算的目标是回答“这台机器人一小时能码多少箱”。最实用的做法是把一个完整码放循环拆成四段：取件、移动到目标位、放置、返回取件位。每段时间取决于距离、速度、加速度和路径平滑度，工程估算时可用“距离 ÷ 平均速度 + 加减速补偿”快速得到。UR 系列在中等距离下的典型 TCP 速度约 0.5~1.0 m/s，加速度约 2~5 m/s²，实际循环时间往往由加减速和姿态调整主导，而非最高速度。
以上图右侧的示例为例（教学示例参数）：取件 1.2 s、移动 2.0 s、放置 1.0 s、返回 1.8 s，单循环约 6.0 s，理论节拍约 600 次/小时。但真实产线存在来料等待、托盘更换、安全避让、抓取失败重试等损耗，通常乘以 0.7~0.8 的效率系数，得到约 420~480 次/小时的实际节拍。若产线要求 500 箱/小时，则该配置偏紧，需要缩短移动距离、优化路径或改用更高动态性能的型号。
五、选型决策的实用顺序
- 先定工件与夹具：得到工件重量、夹具重量、总负载和偏心距。
- 再定托盘与垛型：得到最远码放点水平距离和最高码放高度。
- 查负载-臂展曲线：在最远点、最不利姿态下读取可用负载，扣除夹具后与工件重量比较，并保留 1.3 倍安全余量。
- 估算节拍：按四段循环法算出单循环时间，乘效率系数，与产线产能对比。
- 校核安装与安全：确认机器人占地、协作空间、安全扫描面与人员通道不冲突。
把上述五步做成一张选型校核表，可以在方案阶段快速排除不合适的型号。例如 8 kg 纸箱、1200×1000 托盘、1.5 m 垛高、目标 450 箱/小时的工位，UR10 在负载上已被排除，UR16e 臂展偏紧，UR20 在负载和臂展上都留有余量，是更稳妥的选择；若预算受限且托盘较小，可重新评估 UR16e 配合更近的基座布置是否可行。选型的结论永远来自约束的交集，而不是单一参数的大小。