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工业机器人·有效载荷

工业机器人 可承载重量 TWR 模拟器

输入6轴垂直多关节、SCARA、Delta、协作机器人的定格有效载荷、伸展长度、工具条件，立即计算并对比TWR(有效载荷自重比)、腕部负载扭矩、惯性负荷、周期时间。在打开FANUC、ABB、Yaskawa、UR的样本前，用此工具作初步筛选。

参数设置
机器人形式
按机构自动设定典型TWR和重复精度
定格有效载荷 m_payload
kg
最大伸展长度 r
m
工具(末端执行器)质量
kg
工具重心距离 r_COG
mm
从法兰面到工具+工件重心的偏移距离
目标末端速度 V
m/s
动作模式
选择主要用途(仅用于信息显示，不影响物理计算)
计算结果
—
机器人质量 (kg)
—
实效有效载荷 (kg)
—
腕部负载扭矩 (N·m)
—
腕部许用扭矩 (N·m)
—
惯性负荷 (kg·m²)
—
周期时间 (s)
—
机器人机臂示意图 — 动作轨迹与 TWR 仪表

底座→机臂→腕部→有效载荷的关节与末端轨迹动画展示。右上角TWR仪表显示当前机种的目标值。

机种别 TWR 对比
有效载荷 vs 伸展长度 — 设计地图
理论·主要公式

$$TWR = \frac{m_{payload}}{m_{robot}},\quad \tau_{wrist} = (m_{tool}+m_{payload})\,g\,r_{COG}$$

TWR(Payload-to-Weight Ratio)是机器人本体质量对可承载重量的比值。腕部负载扭矩τ_wrist为工具+工件质量与法兰面重心距离r_COG的乘积。

$$\tau_{allow}\;\approx\;m_{payload}\,r\,g\,\cdot\,0.1,\qquad J\,\approx\,(m_{tool}+m_{payload})\,r^{2}$$

经验法则的腕部许用扭矩(6轴约payload·reach·g·0.1)和惯性负荷J。J过大时伺服加减速追随误差增大。

一句话总结：6轴 TWR 0.05～0.10、SCARA 0.15～0.25、Delta 0.05～0.10、协作 0.08～0.12。通过腕部负载检查工具过载。

工业机器人 可承载重量 vs 自重比 TWR — 有效载荷设计

🙋
听说同样"能运10kg"的机器人，不同厂家和类型的本体重量差异很大。这应该怎么选啊？
🎓
问得好。关键指标就是"有效载荷自重比＝TWR"。6轴垂直多关节为了确保刚性必然很重，运10kg需要125kg级；而SCARA结构简单，同样10kg仅需50kg级。Delta通过轻量化机臂可达0.05～0.10，协作机器人因含安全减速机构约0.08～0.12。这影响地面耐荷重、架台成本、配电容量等全方位，是选型初期的足切指标。
🙋
但是我们还要装工具啊。夹爪、焊枪什么的。那些算不算"有效载荷"里？
🎓
问得很敏锐。样本上的"定格有效载荷"就是指装在法兰面上的"全部质量"上限。所以3kg夹爪加7kg工件合计10kg，定格10kg的机器人就刚好用上限。还要考虑重心偏移r_COG的影响。腕部负载扭矩τ = m·g·r，即使工件轻，重心离法兰面100mm的话扭矩也会超大。各厂商的"有效载荷许用图表"必须参考。
🙋
伸展长度长了就能到更远的地方，这不是很好吗？有什么坏处吗？
🎓
坏处很多。伸展长度增加的话，腕部许用扭矩相对下降(本工具近似为payload·reach·g·0.1)，惯性负荷J∝r²增加4倍，伺服加减速跟不上，周期时间延长、轨迹精度下降、振动增加。所以"必要最小伸展加10～15%余量"才是常规。比如汽车车身焊接需要1.6m，就选1.8m伸展的型号。
🙋
还有一个问题。最近经常听到协作机器人(cobot)，和普通6轴机器人有什么区别？
🎓
最大区别是"安全性"。普通6轴在防护栏内高速(2m/s左右)运作；协作机器人按ISO/TS 15066要求与人协作，末端力受限，典型速度0.25～1.0m/s。Universal Robots、KUKA iiwa、FANUC CRX、TechMan等都属这个领域。不需要防护栏但周期时间会长，不适合大批量拣取搬运。反而是多品种少量或人工并行供料的场景最强。

常见问题

TWR(Payload-to-Weight Ratio)是机器人定格可承载重量m_payload与机器人本体质量m_robot的比值，即TWR = m_payload / m_robot。6轴垂直多关节因需确保刚性而较低(0.05～0.10)，SCARA结构简单可达0.15～0.25，Delta通过轻量化机臂可达0.05～0.10，协作机器人含安全减速机构约0.08～0.12。承载相同10kg，6轴需要125kg级，SCARA仅需50kg级。这影响地面负荷、架台成本、周期时间等全方位因素，是机种选型的初步筛选指标。
腕部负载扭矩计算为τ_wrist = (m_tool + m_payload) × g × r_COG，与工具+工件质量及重心偏移r_COG的乘积成正比。当超过腕部许用扭矩(经验上约payload × reach × g × 0.1)时会发生：(1)腕部关节伺服过载、(2)减速机早期磨损、(3)轨迹精度急剧恶化。解决方法包括：轻量化工具、缩短重心偏移距离的设计改进、升级至高端机种。各厂商提供的有效载荷许用图表(FANUC、ABB、Yaskawa)必须参考。
机器人关节的角速度有上限，典型值约200 deg/s≒3.5 rad/s。末端速度v = ω × r与伸展长度r成正比，但加减速距离与r²成正比增长。伸展长度增加2倍时，峰值速度增加2倍，但停止距离增加4倍，使得单次拣取搬运周期时间增加1.4～1.8倍。本工具使用近似公式cycle = 4·reach / V，但实际周期时间需用厂商模拟器(ABB RobotStudio、FANUC RoboGuide、Yaskawa MotoSim)验证。
重复精度是"回到同一教示点时的误差范围"，按ISO 9283定义，6轴典型为±0.05mm、SCARA为±0.01mm、Delta为±0.02mm、协作机器人为±0.10mm。绝对精度是"指令坐标与实际到达坐标的偏差"，受连杆尺寸误差、关节挠度、标定残差影响，通常为0.05～0.5mm。无视觉补正的离线教学场景，绝对精度往往成为主控指标；对于拣取搬运、堆垛应主视重复精度，对于密封、装配、粘接则应主视绝对精度。

实际应用

汽车车身点焊产线的机种选型：车身焊接产线焊枪吊负荷2.5～3.5t，需165～210kg有效载荷的6轴机器人，FANUC R-2000iC、ABB IRB 6700、Yaskawa GP110/180/210统治该领域。为满足TWR≒0.08，本体质量达1.2～2.6t级，地面耐荷重和锚固设计成为首要任务。选型第一关不是"能否承载焊枪"，而是"安装位置的地面能否承受"。

电子零件拣取搬运的Delta选型：糖果盒装、小件高速搬运需100～200pick/分的周期，SCARA或Delta最合适。ABB FlexPicker IRB 360、Adept Quattro等Delta机器人用平行连杆使机臂极度轻量，TWR仅0.05～0.10但末端惯性极小，3～10m/s高速动作能力强。本工具选Delta会展示更宽的高速域，正是这个原因。

协作机器人在零件供料和装配中的应用：Universal Robots UR10e、KUKA iiwa、FANUC CRX、TechMan TM12等协作机器人符合ISO/TS 15066末端力限制，无栅栏运行。多品种小批或产线旁人工并行供料的场景理想。但安全减速导致平均周期增加1.5～2倍，年产万台级大批量仍可能6轴+栅栏更经济，ROI计算是关键。

堆垛机的有效载荷与堆积速度：20kg袋堆积1200袋/时到15层需用160～310kg级专用堆垛机如Yaskawa MPL160、FANUC M-410iC、ABB IRB 660等。不仅看有效载荷，伸展3.1～3.5m、腕部高扭矩、Z轴优化等综合，"有效载荷×堆积高度×到达范围"三维评估必不可少。

常见误区与注意点

第一陷阱是"样本定格有效载荷＝工件可承载量"的误解。样本"Payload 10kg"是安装在法兰面的"全部质量"上限，包括工具。比如装3kg真空夹爪，工件上限就是7kg。而各厂商都公布"有效载荷许用图表"，如果忽视重心偏移和惯性影响，实际只能装定格的一半。FANUC、ABB、Yaskawa的数据表必有Load Capacity Diagram，一定要和实际工具+工件方案照对。

第二误解是"TWR高＝好机器人"的想法。SCARA和Delta的TWR较高，但可动范围、自由度、姿态到达能力有限，与6轴汎用性不可同日而语。三维复杂姿态的密封、装配、焊接，TWR 0.07的6轴远强于TWR 0.20的SCARA。TWR是"同一用途内的机种比较指标"，不是跨用途的性能指标。

第三注意点是"重复精度与绝对精度混淆"。多数样本列出±0.05mm这样的repeatability，是指回到同一教示点的偏差，而非CAD坐标输入时的偏差(绝对精度)。绝对精度通常是重复精度的5～10倍，0.2～0.5mm典型。无视觉补正的离线教学、无人值守装配、激光精密加工等场景，绝对精度往往成为关键，不能只按repeatability讨论。ABB Absolute Accuracy、Yaskawa AC Calibration等标定选项应予考虑。

使用指南

  1. 选择机器人机种，输入定格可承载重量(kg)和伸展长度(m)。例：FANUC M-20iD/25定格25kg、伸展1.83m
  2. 设定工具法兰质量(kg)和重心位置(mm)。含主轴电机时要计入总质量
  3. 模拟器自动计算实效有效载荷、腕部负载扭矩、惯性负荷、周期时间，显示机种间对比结果

具体计算示例

Yaskawa HC10DTP(定格10kg、伸展1.2m、自重120kg、TWR=0.083)装攻丝加工用主轴5kg、重心位置150mm奥行的情况下：腕部负载扭矩=(5+0.8)×9.81×0.15≈85.5N·m，接近许用值90N·m。而ABB IRB1200-7/0.9(定格7kg、伸展0.9m)同样工具时腕部负载扭矩仅60N·m左右，可实现高速化(周期12秒→10秒)。

实务注意事项