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1、课题工业机器人技术和3D打印技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)认识工业机器人的特点和基本组成(2)熟悉工业机器人的分类和应用(3)了解3D打印技术的原理和特点(4)熟悉3D打印技术的基本工艺和应用技能目标：能总结出工业机器人技术、3D打印技术的特点素质目标：培养爱岗敬业的精神教学重难点教学重点：工业机器人技术和3D打印技术的特点和应用教学难点：工业机器人技术的分类和3D打印技术的基本工艺教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过APP或其他学习软
2、件，观看有关工业机器人技术的案例，并让学生在学习平台上留言讨论汽车智能制造离不开智能装备，智能装备中应用得比较广泛的为工业机器人。1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机.”综合来说，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统构成。它能自动执行动作，靠自身的动力和控制能力实现各种设定的功能。工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术.工业机器人的应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志。【学生】
3、登录学习平台观看材料，思考并留言讨论考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】随机邀请学生回答以下问题汽车智能制造行业中机器人长什么样？能够帮助人们完成哪些任务？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答，导入本节课课题：工业机器人技术和3D打印技术传授新知【教师】讲解工业机器人的概述、技术分类和应用学习情境一工业机器人技术一、工业机器人技术概述【教师】播放“工业机器人都长什么样”视频（详见教材），让学生初步认识工业机器人1 .工业机器人的特点2 ）可重复编程【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：什么是柔性制造？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回
4、答并详细讲解柔性制造是一种与传统的大规模量产模式对应的、以需定产的生产模式.3 ）拟人化4 ）安全性高5 ）易于管理6 ）应用领域广泛7 ）技术综合性强8 .工业机器人的基本组成一台完整的工业机器人由以下四部分组成，分别为机械系统、驱动系统、控制系统和瞬口系统。它们之间的关系如图4-2所示（详见教材）1）机械系统机械系统是完成各种作业的执行机构，由一系列连杆、关节和其他形式的运动副组成，可实现各个方向的运动。它包括基座、腰、臂、腕和手等部分，如图4-3所示（详见教材）0【师生互动】扩展讲解运动副运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接.面和面接触的运动副在接触部分的压强物氐，被称为低副
5、；而点或线接触的运动副称为高副。高副比低副容易磨损。【学生】聆听、思考、记忆（1）基座。基座是工业机器人的基础部分，整个机械系统和驱动系统都安装在基座上。有时为了能够使工业机器人完成较远8巨离的操作，基座上还可以增加行走机构，行走机构多采用滚轮式或履带式，行走方式分为有轨与无轨两种。（2）腰。腰是臂的支撑部分,根据机械系统的不同,腰可以是在基座上转动的，也可以和基座做成一体。有时腰也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：机器人腰”的转动是360。旋转吗？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解（3）臂。臂是机械系统中的主要
6、运动部件，用来支撑腕和手，并使它们在工作空间内运动。为使手能达到工作空间内的任意位置,皆至少应具有三个自由度。（4）腕。腕是连接臂与手的部件，用于调整手的方向和姿态。（5）手。手是末端执行器，一般用来执行工业机器人的主要功能。它可以是用于抓取、搬运的手爪，用于喷漆的喷枪，用于焊接的焊枪、焊钳，用于打磨的砂轮，或用于检测的测量工具等。2）驱动系统驱动系统是指驱动机械系统运动的驱动装置,这些驱动装置大多安装在运动的部件上,所以其应结构紧凑、重量轻、惯性小、工作平稳。根据动力源的不同，驱动系统的驱动方式可分为以下三种。(1)液压驱动方式。(2)气压驱动方式。(3)电气驱动方式。.(详见教材)3)控制
7、系统控制系统的任务是根据工业机器人的作业指令及传感器的反馈信号，控制工业机器人的机械系统，使其完成规定的运动和功能。该部分主要由人机交互系统f口控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑，具有示教功能、坐标设置功能、与外围设备联系的功能、位置伺服功能等。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：根据控制对象的不同，控制系统分为哪些种类？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解(1)示教功能。(2)坐标设置功能。(3)与外围设备的联系功能。(4)位置伺服功能。(详见教材)4)骸口系统感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取工业机器人内部和外部的环境信息，并将这些信息反
8、馈给控制系统。其中，内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量。外部传感器用于检测工业机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，便于工业机器人识别物体并做出相应处理.外部传感器可使工业机器人以灵活的方式对它所处的环境做出反应，并赋予机器人一定的智能。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：工业机器人中的物体识别传感器和测量手臂角度的传感器分别属于哪类传感器？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3.W机器人的工作原理由图4-2(详见教材)可以看出，工业机器人实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令,控制驱动器的动作,驱动
9、器带动机械系统运动，使末端执行器到达空间某T立置并实现某一姿态，执行既定的指令。然后，末端执行器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统将实时位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令。如此循环，直到完成作业任务为止。二、工业机器人的分类1 .按控制方式分类按照控制方式的不同，工业机器人可分为以下四类。1 )点位控制工业机器人点位控制工业机器人是指其控制系统只能控制工业机器人从一个特定点移动到另一个特定点，而无法控制其移动路径的工业机器人。2)连续轨迹控制工业机器人连续轨迹控制工业机器人是指够严格按照预定的轨迹和速度在一定精度范围内运动的工业机器人，其递度可控、轨迹光滑、运动平稳。例如
10、，工业机器人在进彳赍配、抓放物体等工作时，除了要准确定位之外，还要使用适当的力度，连续平稳地进行工作。3）可控轨迹工业机器人可控轨迹工业机器人是指其控制系统能够根据要求，精确地计算出直线、圆弧、内插曲线或其他轨迹，并能按既定轨迹进行运动的工业机器人。在轨迹中的任意一点，工业机器人都可以达到较高的运动精度。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：连续轨迹控制:DIk机器人和可控轨迹:DIk机器人在控制算法方面有何不同？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解4）智能控制工业机器人智能控制工业机器人可以通过某些方式（如智能传感器）感知自己的运动位置，并将所感知的位置信息反馈给控
11、制系统以控制自身的运动。2 .按坐标系特点分类按照坐标系特点的不同,工业机器人可分为：1 ）直角坐标型工业机器人。2 ）圆柱坐标型工业机器人。3 ）极坐标型工业机器人。4 ）关节坐标型工业机器人。（详见教材）【教师】通过多媒体播放不同坐标系的工业机器人三维模型视频，帮助学生认识机器人形态5 .按作业用途分类ZDIk机器人按作业用途的不同，可分为焊接机器人、搬运机器人、喷漆机器人、涂胶机器人和装配机器人等。6 .按编程方式分类工业机器人按控制系统编程方式的不同,可分为直接示教工业机器人和离线示教（或离线编程）工业机器人。1 ）直接示教工业机器人直接示教工业机器人能通过人直接操作工业机器人的末端执
12、行器，或用示教器彳各指令传输给驱动系统使工业机器人完成预定的动作。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：示教器有什么作用？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2）离线示教工业机器人离线示教工业机器人是指人脱离实际工作环境,在计算机上进行编程，再将编制好的程序传输给工业机器人的控制系统，进而控制工业机器人的运动。三、工业机器人技术在汽车智能制造中的应用2 .焊接机器人的应用由于工业机器人具有精准度高、抗干扰、抗疲劳等特点，且焊接工作精细度要求高、工作环境较差、劳动强度大，因此应用其作为焊接机器人取代人工焊接，可以保证焊接质量，同时提高焊接效率。在汽车的生产过程中，焊接机
13、器人的应用十分普遍，在焊接车间几乎实现了100%焊接机器人作业。3 .喷涂机器人的应用喷涂机器人可进行自动喷漆。它一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在车身喷涂作业中使用喷涂机器人具有哪些优点？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解(1)柔性大，工作范围大，可实现多种车型的混线生产，如轿车、旅行车、皮卡等车身混线喷涂。(2)能提高喷涂质量和材料使用率。(3)易于操作和维护，可离线编程，大大缩短现场调试时间。(4)设备利用率高，喷涂机器人的利用率可达90%95%.4 .装配机器人的应用装配机器人可以完成汽车生产线上一些
14、零部件的装配和拆卸工作。使用装配机器人可以保证汽车的装配质量、解瞅本、提高自动化水平.装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，具有精度高、柔性好、工作空间小、能与其他系统配套使用等特点。5 .搬运机器人的应用搬运机器人应用在汽车智能制造的生产线上，一般用于机床上下料、自动装配流水线、车间原材料的码垛搬运等场合，可实现一系列工作的自动化，不仅能有效地解放劳动力，而且能提高搬运工作的实际效率。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：请同学们分析一下，焊接机器人、喷涂机器人、装配机器人、搬运机器人分别属于前文所讲工业机器人的分类中的哪一类。并给出合理的理由。【学生】聆听、思考、回答【教师】总
15、结学生回答并详细讲解【学生】聆听、理解、记忆【教师】讲解3D打印技术的原理、特点、基本工艺和应用学习情境二3D打印技术一、3D打印技术概述3D打印技术也称为增材制造技术,它融合了光学、电气、CADx材料加工与成型等技术，以数字模型文件为基础，可通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。相对于传统的材料去除(切削加工)技术，3D打印技术是一种自下而上的累加材料的制造方法，是一种从无到有的制造模式。【教师】播放“科技之光：3D打印技术”视频(详见教材)，让学生了解相关知识1.3D打印技术的原理3D打印技术采用离散
16、、堆积原理,先通过CAD软件设计或扫描建立3D模型，并根据一定的坐标轴将3D模型分层切片，得到各层界面的轮廓；将分层后的数据进行一定的处理后，输入加工参数并生成数控代码；然后在计算机的控制下，以平面加工方式有序地连续加工，形成各截面轮廓，并使它们自动黏结成立体原型；最后经过后续处理得到所需要的零件。3D打印的基本步骤如图4-9所示(详见教材).2.3D打印技术的特点3D打印技术具有数字制造、分层制造、直接制造、快速制造等特点。(详见教材)二、3D打印技术的基本工艺I,光固化成型工艺光固化成型(SLA)也称为立体光刻印刷，是最早实用化的快速成型技术。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使光
17、敏树脂逐层凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。1)SLA工艺的原理如图4-10所示(详见教材)为SLA工艺的原理.3D打印机上有一个盛满液态光敏树脂的液槽，激光器在控制设备的控制下发出特定波长与强度的激光束，按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描。洋见教材【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：SLA工艺技术的原料是什么？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2)SLA工艺的特点经过多年的发展，SLA工艺已经日益成熟可靠。SLA工艺具有以下几个优点。(I)成型精度高，可以达到微米级别。(2)表面质量优良，比较适合
18、成型结构十分复杂、尺寸比较精细的零件。(3)成型速度快，系统工作相对稳定。(4)可以直接制作面向熔模精密铸造的、具有中空结构的零件。【师生互动】扩展讲解熔模精密铸造相关知识熔模精密铸造是指用蜡做成模型，在模型外表包裹多层黏土、黏结剂等耐火材料，然后加热使蜡熔化流出，从而得到由耐火材料形成的空壳，再将金属熔化后灌入空壳，待金属冷却后将耐火材料敲碎得到金属零件。这种金属的加工工艺也称为熔模铸造或失蜡铸造。【学生】聆听、思考、记忆(5)制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。(6)材料利用率极高，接近100%此外，SLA工艺也具有以下几个缺点.(1)设备造价昂贵，维护成本较高。(2)成型零件为树脂类零
19、件，材料价格贵，强度、刚度、耐热性有限，不利于长朗保存。(3)光敏树脂对环境有污染，会使人皮肤过敏。(4)成型时需要支撑件，去除支撑件时容易破坏成型零件。(5)在光固化成型后的原型中，光敏树脂并未完全固化，所以一般都需要二次固化。【师生互动】扩展讲解SLA工艺的其它缺点和不足SLA工艺除了上述缺点，还有最重要的不足体现在可使用的材料有限，并且不能多色成型。【学生】聆听、思考、记忆2.熔融沉积成型工艺熔融沉积成型(FDM)又称为熔丝沉积成型，是最常见的一种同步送料型工艺，应用比较广泛。1 )FDM工艺的原理3D打印机将丝状的热熔性材料(简称丝材)进行加热融化，使用带有细微喷嘴的喷头将丝材挤出。喷
20、头可以沿X轴的方向移动，工作台则沿y轴和z轴方向移动。熔融的丝材被挤出后会立即和前一层材料黏结在一起。一层材料沉积后，工作台会按预定的增量下降一层的高度,然后重复以上步骤，直至原型成型，如图4-11所示(详见教材)。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：FDM工艺和SLA工艺最大的区别是什么？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2 )FDM工艺的特点FDM工艺发展迅速,主要是因为它有其他3D打印工艺无法比拟的优点，具体如下。(1)不使用激光，维护简单，成本低。(2)丝材清洁，更换容易。与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，FDM工艺使用的丝材不会引起粉末或液体污染，且不
21、产生垃圾。(3)工艺简单,易操作,后处理时仅需几分钟即可剥离支撑。(4)可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有复杂内腔或孔的零件。(5)原材料利用率高,且制件使用寿命长.(6)采用多种喷头时，可将多种材料融入同一实体中。除了以上优点外，FDM工艺还有以下几个缺点。(1)成型精度不高，约为Olmm.(2)原型表面平整度较差。由于FDM制品是由一定厚度的丝材逐层黏结堆积而成的，因此其不可避免地会产生台阶(阶梯)效应，即表面有较明显的条纹,后续需要抛光处理。(3)由于成型时间长，制作大型薄板件时易发生翘曲变形。原型沿成型轴方向的强度比较弱，易开裂。3.激光选区烧结工艺激光选区烧结(SLS)也称为
22、选择性激光烧结。SLS是利用粉末材料(金属或非金属)在激光照射下烧结的原理，使粉末材料在计算机控制下层层堆积成型的一种工艺。理论上任何可溶粉末都可以用来制造真实的原型。【师生互动】扩展讲解激光选区烧结(SLS)工艺的原材料一些SLS机器使用单组分粉末，例如直接金属激光烧结。粉末通常通过球磨生产。然而，大多数SLS机器使用双组分粉末，通常是涂覆粉末或粉末混合物。在单组分粉末中，激光仅熔化颗粒的外表面(表面熔化)，将固体未熔化的核心彼此熔合并熔合到前一层。与其他增材制造方法相比，SLS可以从相对广泛的市售粉末材料生产零件。这些包括聚合物，如尼龙(纯净，坡璃填充，或与其他斗)或聚苯乙烯，金属，包括钢
23、，钛，合金混合物，复合材料和绿砂。物理过程可以是完全熔化，部分熔化或液相烧结。根据材料的不同，可以获得高达100%的密度,其材料特性可与传统制造方法相媲美。在许多情况下，可以在粉末床内包装大量零件，从而实现非常高的生产率。【学生】聆听、思考、记忆1 )SLS工艺的原理如图4-12所示为SLS工艺的原理。3D打印机工作时，铺料根先将粉末材料平铺在工作台上，激光按照设定好的信息，有选择地在其上扫描。粉末材料在高强度的激光照射下被烧结。然后工作台下降一层的高度，铺料辘在上面再铺上一层均匀密实的粉末材料，进行新一层截面的烧结，并与下面已成型的部分黏结。如此循环直至完成整个原型.2 )SLS工艺的特点S
24、LS工艺的优点如下。(1)可用材料十分广泛。(2)精度高。(3)无须支撑结构。(4)材料利用率高。除了上述优点外，SLS工艺还具有以下几个缺点。(1)获得的原型内部结构疏松、多孔、有内应力，表面质量差。(2)陶瓷、金属原型的后处理较复杂。(3)成型过程能量消耗较大，且高分子材料或粉粒在激光烧结熔化时会产生有害气体，污染环境。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：针对SLS工艺造成的印刷部件具有多孔表面，可以通过什么方法弥补？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解4.叠层实体制造工艺督层实体制造(LOM)是利用背面带有粘胶的纸材相互黏结成型，得到原型零件的一种工艺.1 )
25、LOM工艺的原理如图4-13所示(详见教材)，3D打印机工作时，送料鞋将背面涂有热熔胶的纸材送至工作台，激光器按照计算机提取的截面轮廓数据,用激光切割出该层截面的轮廓。切割完一层后,工作台下降一层的高度,送料轻将新一层的纸材叠加上，热压鞋将新纸材与已切割层黏结在一起，然后激光器再次进行切割，如此反复操作，最绍导到所需的飕。)LOM工艺的特点1.OM工艺的优点如下。(1)无须构建支撑结构。(2)原型具有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切割加工。(3)成型速度快，成型后废料易剥离，无须固化处理工序，常用于加工内部结构简单的大型零件。(4)原材料价格低，制造成本较低。1.OM工艺的缺点如下。(
26、I)有激光消耗，设备运行维护费用高。(2)工件表面有台阶纹，难以构建形状精密、多曲面的零件，仅限于构建结构简单的零件，目原型的抗拉强度和弹性较低。(3)可实际应用的原材料种类较少，目前常用的材料有纸、金属薄膜、陶瓷膜等。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：结合上述四种工艺内容，总结归纳四种工艺在材料、成本、产品质量、应用方面的相同点和不同点。【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进彳/并解三、3D打印技术在汽车智能制造中的应用I.制造工艺与装配的检验3D打印可以较精确地制造出汽车零件中的任意结构细节。借助3D打印的实体模型和设计文件，可有助旨导零件的工艺设计，并能对产品进行装
27、配检验，以避免结构和工艺设计错误.【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在汽车制造中可通过3D打印来检验零件的精度和质量，那么对3D打印技术有哪些重要的技术要求？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2 .汽车零件的直接制造3D打印技术可用于制造汽车内外饰零件，如仪表盘、转向盘、操纵杆、保险杠、车灯等.此外，3D打印技术还适合小尺寸零件的批量生产，如电动机的绝缘片、接线端子、紧固件和螺钉等。如图4-14所示（详见教材）为采用3D打印机批量生产绝缘片。3 .汽车模具的快速制造模具是汽车制造业重要的基础工艺装备，其结构复杂、制造精度高、可靠性高、使用要求高。传统的汽车模具制
28、造，往往生产时间长、成本高。将3D打印技术应用于汽车模具制造，可大大缩短汽车模具的开发周期，提高生产效率，还有助于提高精密模具的数字化、智能化制造水平。3D打印技术在模具制造方面可分为直接制模!间接制模两种。直接制模是采用3D打印技术直接堆积制造出模具；间接制模是先快速制出成型零件，再由零件得到所需要的模具。如图4-15所示（详见教材）为3D打印机在制作模具。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：3D打印技术可以为汽车设计工程师带来哪些帮助？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解【学生】聆听、理解、记忆探索活动【教师】讲解有关“大学生方程式汽车大赛”的材料，组织学生56
29、人一组分组讨论中国大学生方程式汽车大赛（简称中国FSC）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的tt三0请同学们讨论在大学生方程式汽车大赛中3D打印技术的重要性。【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答问即【学生】阐述、聆听、记忆课堂小结【教师】简要总结本节课的要点（1）工业机器人的概述、技术分类和应用（2）3D打印技术的原理、特点、基本工艺和应用【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业简述3D打印技术的工作原理。【学生】完成课后任务教学反思
