3-4 焊接机器人（教案）《机械制造工艺基础》上好课（劳动版·第八版）

《机械制造工艺基础》教案 详细教案 一、设计摘要 课程课题 3-4 焊接机器人 授课教师 1 学时数 1 授课班级 人数 授课时间 教学地点 二、设计意图 学情分析 教材系统介绍了焊接机器人的发展历程、在焊接生产中的应用、焊接机器人的特点、分类及系统组成。本节内容是焊接工艺知识的重要组成部分，是对焊接自动化技术的系统介绍，为学生理解现代焊接制造技术奠定基础。 背景分析 学生已学习了焊条电弧焊、埋弧自动焊、电阻焊等焊接方法，对焊接工艺有一定了解，具备一定的机械常识基础。但学生对工业机器人技术较为陌生，对焊接机器人的发展、分类及组成认识不足。学生动手意愿强，适合通过图示、互动提问等方式激发学习兴趣。 学习目标 设定 情感目标 知识目标 能力（技能）目标 1.培养规范操作、安全焊接的职业意识。 2.养成认真听讲、积极思考、参与互动的学习习惯。 1.能说出焊接机器人的三个发展阶段及其特征。 2.能列举焊接机器人的三个特点。 3.能区分点焊机器人和弧焊机器人的特点。 4.能说出焊接机器人系统的六个组成部分。 1.通过图示分析，理解焊接机器人的系统组成。 2.通过对比分析，区分点焊机器人与弧焊机器人的应用场景。 学习任务 描述 1.掌握焊接机器人的三个发展阶段。 2.掌握焊接机器人在焊接生产中的应用。 3.掌握焊接机器人的三个特点。 4.掌握焊接机器人的分类（点焊机器人、弧焊机器人）。 5.掌握焊接机器人系统的组成（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互系统、控制系统）。 教学资源 准备 教师准备：讨论主题、学生任务书； 学生准备：在线讨论、完成任务书。 教学重点 1.焊接机器人的三个发展阶段。 2.焊接机器人的三个特点。 3.点焊机器人与弧焊机器人的区别。 4.焊接机器人系统的组成。 教学难点 1.焊接机器人系统的组成及各部分功能。 2.点焊机器人的七点具体要求。 教学难点突破方法 1. 图示分析法 2. 类比教学法 3. 分步引导法 4. 案例诊断法 三、教学策略 教法 讲授法、演示法、问答法； 学法 观察归纳法、练习巩固法、背诵记忆法。 四、教学资源 教材工具材料 《机械制造工艺基础》，人力资源社会保障部教材办公室组织编写。 教学情景 创设 五、教学过程 教学环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 新课导入（2分钟） [引入主题]（2分钟） 展示汽车装配生产线焊接机器人工作图片。提问：这些机械臂在做什么？它们有什么优势？引出课题：焊接机器人。 （1）展示PPT第1页，展示焊接机器人工作图片。 （2）提问：“人工焊接有什么局限性？为什么企业要使用焊接机器人？” （3）引导学生思考焊接机器人的必要性。 （4）板书课题：3-4 焊接机器人。 观察图片，思考教师提出的问题，结合已学知识回答“人工焊接效率低”“质量不稳定”等，明确本节课将学习焊接机器人的相关知识。 通过直观图片引发学生好奇心，自然过渡到新课内容，激发学习兴趣。 探索 新知（20分钟） 一、焊接机器人的发展 1. 定义：在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人，主要应用于点焊和电弧焊中。一台机器人可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务。 2. 三个阶段： （1）第一代：示教再现型机器人，已在生产中得到广泛应用。 （2）第二代：具有视觉或触觉感知能力的机器人。视觉系统可以识别焊缝的空间位置和跟踪焊缝；触觉系统可通过触摸焊缝识别焊缝空间位置并跟踪焊缝。能察觉被焊工件由于热变形而产生的焊缝位置变化，并及时调整焊接位置保证焊缝质量。 （3）第三代：具有学习、推理和自动规划能力的智能型机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。 二、焊接机器人在焊接生产中的应用 1. 最早应用：汽车装配生产线上的电阻点焊。原因：电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊丝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。 2. 点焊机器人的优势：点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产效率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。 3. 复杂场合的应用：有些焊接场合，由于工件过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加1~3个外部辅助的方法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人作业空间。也有的同时采用上述两种方法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。 4. 电弧焊机器人的应用：由于焊接机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到了很好的解决。机器人电弧焊最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。 5. 其他应用领域：机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，还可用于涉及电弧焊的其他制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等。 三、焊接机器人的特点 1. 能适应产品多样化：在一条生产线上可以生产若干种类型产品。同时对生产量的变动和型号的更改，能迅速地改进生产线的重组更替，这是专用的自动化生产线不能比拟的。 2. 可提高产品质量：为了使焊接作业机器人化，需要改变装配方法和加工工序，所以要提高诸如供给设备的零件、夹具、搬运工具等的精度，这些因素关系到产品精度和焊接质量的提高，可得到稳定的高质量产品。 3. 可提高生产效率：机器人的作业效率不随作业者变动，可以稳定生产计划，从而提高生产效率。 1.讲授焊接机器人的定义和三个发展阶段，每阶段强调核心特征。 2.（1）展示教材图3-32、图3-33，指出点焊机器人和弧焊机器人的外形区别。 （2）讲授焊接机器人在生产中的应用，强调最早应用于汽车装配电阻点焊。 （3）结合实例讲解复杂场合的两种解决方法。 （4）逐条讲授焊接机器人的三个特点。 1.听讲并记录焊接机器人的定义和三个阶段的核心特征。 2.（1）观察图3-32、图3-33，区分点焊机器人和弧焊机器人的外形。 （2）听讲并记录焊接机器人的应用场景。 （3）记录复杂场合的两种解决方法。 （4）记录焊接机器人的三个特点。 1.系统掌握焊接机器人的发展、应用、特点等核心知识点 学 习 新 知（20分钟） 一、焊接机器人的分类 1. 点焊机器人： （1）应用：在汽车工业生产中应用广泛，在装配每台汽车车体时，大约60%的焊点是由点焊机器人完成的。 （2）特点：点焊机器人具有负荷大、动作快、工作点姿态要求严等特点。 （3）早期作业类型：最初，点焊机器人只用于增强焊作业（在已拼接好的工件上增加焊点），后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。 （4）七点要求：安装面积小，工作空间大；可快速完成小节距的多点定位（如每0.3~0.4s移动30~50mm节距）；定位精度高（±0.25mm），以确保焊接质量；持重大（50~100kg），以便携带内装变压器的焊钳；内存容量大，示教简单，节省工时；点焊速度与生产线速度相匹配，同时安全、可靠；有足够的自由度。 2. 弧焊机器人： （1）应用：随着弧焊工艺在各行业的普及，弧焊机器人已经在通用机械、金属结构制造等许多行业中得到广泛应用。 （2）定义：弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不是一台以设计速度和姿态携带焊枪移动的单机。 （3）性能要求：对其性能有特殊的要求，其中对运动轨迹要求较严。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝，其速度的稳定性和轨迹精度为±（0.2~0.5）mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定影响，因此在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围较大。 二、焊接机器人的组成 完整的焊接机器人系统分为驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互系统和控制系统。焊接机器人由机器人操作机、变位机、控制器、焊接系统、传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等部件组成。 1. 机器人操作机：是焊接机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、连杆、关节以及内部传感器（编码盘）等组成。 2. 变位机：作为机器人焊接生产线及焊接柔性加工单元的重要组成部分，其作用是将被焊工件旋转（平移）到最佳的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中，变位机通过夹具来装夹和定位被焊工件，对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机械手充分发挥效能，焊接机器人系统通常采用两台变位机，当其中一台进行焊接作业时，另一台则完成工件的装卸，从而提高整个系统效率。 3. 控制器：是整个机器人系统的神经中枢，负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 4. 焊接系统：是焊接机器人完成作业的核心装备，由焊钳（点焊机器人）、焊枪（弧焊机器人）、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器可根据预定的焊接监控程序，完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断，并实现与本地计算机及手控盒的通信联系。由于参数选择的需要，用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备必须由机器人控制器直接控制。 5. 传感器：在焊接过程中，尽管机器人操作机、变位机等能达到很高的精度，但由于被焊工件存在几何尺寸和位置误差，以及焊接过程中产生的热量引起工件的变形，传感器仍是焊接过程中（尤其是焊接大且厚的工件时）不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。 6. 安全设备：是焊接机器人系统安全运行的重要保障，主要包括驱动系统过热自断电保护、动作超限位自断电保护、超速自断电保护、机器人系统工作空间干涉自断电保护及人工急停装置等。 1.讲授点焊机器人和弧焊机器人的分类，重点讲解点焊机器人的七点要求、早期作业类型（增强焊、定位焊），以及弧焊机器人的系统定义（柔性焊接系统，不是单机）和轨迹精度要求。 2.讲授焊接机器人系统的组成，重点讲解机器人操作机的执行机构及组成部件、焊接系统中焊钳与焊枪的区别、传感器的三项任务、安全设备的五种保护装置。 3.知识背诵： （1）、三个发展阶段： 第一代：示教再现型 第二代：感知型（视觉/触觉） 第三代：智能型 （2）三个特点： 适应产品多样化: 提高产品质量 提高生产效率 （3）系统组成关键点： 操作机：执行机构（驱动器、连杆、关节、编码盘） 焊接系统：点焊用焊钳，弧焊用焊枪 传感器：坡口定位、跟踪、熔透信息 安全设备：五种断电保护 + 人工急停 4.师生互动： 出示题目：某企业需要焊接形状复杂的汽车零部件，焊缝短而多，产品品种变化大，需要经常更换焊接轨迹和焊接顺序。请问应该选择哪种焊接机器人？为什么？ 教师总结： 应选择：弧焊机器人。 一、机器人电弧焊最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序 二、弧焊机器人最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品 三、弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不是一台以设计速度和姿态携带焊枪移动的单机 四、弧焊机器人的速度稳定性和轨迹精度为±（0.2~0.5）mm，能够满足复杂焊缝的跟踪要求 五、焊枪姿态对焊缝质量有一定影响，弧焊机器人在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围较大，适合形状复杂的零部件焊接 1.记录点焊机器人的七点要求、早期作业类型（增强焊、定位焊）；记录弧焊机器人的系统定义（柔性焊接系统，不是单机）和轨迹精度要求。 2.记录焊接机器人系统的六个组成部分，重点记录操作机的执行机构及组成、焊接系统的区别、传感器的三项任务、安全设备的五种保护装置。 3.学生默背互背，同桌互相提问。 4.独立思考或小组讨论，举手回答，对照答案订正。跟随回顾，查漏补缺。 1.系统掌握焊接机器人的分类、组成等核心知识点，通过图示帮助学生理解点焊与弧焊机器人的区别，突破教学重点和难点。 2.强化记忆。 3.帮助学生在课堂上掌握核心知识点。 课堂 总结（2分钟） 1. 发展：三个阶段——示教再现型、感知型、智能型。 2. 应用：最早用于汽车装配电阻点焊，现用于造船、锅炉等。复杂场合可通过移动机器人或移动工件解决。 3. 特点：适应多样化、提高质量、提高效率。 4. 分类： 　点焊机器人：负荷大、精度±0.25mm、持重50~100kg，早期用于增强焊，后用于定位焊。 　弧焊机器人：是柔性焊接系统（不是单机），精度±（0.2~0.5）mm。 5. 组成： 　操作机：执行机构（驱动器、连杆、关节、编码盘） 　焊接系统：点焊用焊钳，弧焊用焊枪 　传感器：坡口定位、跟踪、熔透信息 　安全设备：五种断电保护+人工急停 布置下节课任务（1分钟） 布置下节课任务（1分钟） 预习下节课内容 布 置 作业（1分钟） 1. 简述焊接机器人的三个发展阶段。 2. 列出点焊机器人的任意四个要求，并说明点焊机器人的早期作业类型有哪些。 3. 简述弧焊机器人的定义和轨迹精度要求。 4. 简述焊接机器人系统中传感器和安全设备的主要任务或内容。 板书 设计 text 第三章 焊接 · 3-4 焊接机器人 一、发展 第一代：示教再现型 第二代：感知型（视觉/触觉） 第三代：智能型 二、应用 最早：汽车装配电阻点焊 其他：造船、锅炉、重型机械 复杂场合：移动机器人 / 移动工件 三、三个特点 1. 适应多样化 2. 提高质量 3. 提高效率 四、分类 点焊机器人： - 精度：±0.25mm - 持重：50~100kg - 作业：增强焊 → 定位焊 - 七点要求（略） 弧焊机器人： - 精度：±（0.2~0.5）mm - 定义：柔性焊接系统，不是单机 五、组成（关键点） 操作机：执行机构（驱动器、连杆、关节、编码盘） 变位机：旋转/平移工件，常用两台 控制器：神经中枢 焊接系统：焊钳（点焊）/焊枪（弧焊） 传感器：坡口定位、跟踪、熔透信息 安全设备：五种断电保护+急停 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 教师分配任务 学分组讨论 学生问题提问 学生分组回答 教师总结 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $