(1）思政目标

①实验要求学生对自动化生产线数字化控制的理论意义和实际工程意义有进一步的理解，激发学生增强在专业发展方面的使命感和责任感，树立起“智造强国”的伟大理想。

②实验在设计中考虑了误操作会导致设备损毁的极限场景，要求学生专注实验、谨慎操作，培养学生“求真求实、敬业专注、求索创新”的工匠精神。

③实验要求学生根据各种类型设备的运动特点，结合实际生产的节拍，对PLC、机械臂的参数进行统筹考虑和综合计算，锻炼学生的系统和辩证思维能力。

（2）知识和能力目标

①熟悉电机制造工厂厂区布局、车间布局，加深学生对真实电机制造工厂生产环境的认知。

②掌握电机制造生产线的总体布局和结构，了解其生产过程数字化控制的基本知识。

③了解电机自动化生产设备，熟悉生产设备控制系统的硬件结构，掌握基于硬件结构进行控制系统建模和软件编程的能力，观察运行效果，培养学生的工程实验方案设计、优化及结果评判能力，以提升学生在面对复杂工程问题时自主学习的能力。

本实验的原理主要包括两个部分：1、机器人运动学分析；2、开放式电机生产线控制系统综合设计。

①机器人运动学分析

机器人运动学主要研究的是本身位描述与控制，其包括某关节或末端执行器的位置和姿态，其坐标系变换也采用旋转矩阵来进表示。机械臂可以看作由一系列连杆通过关节接而成的一个运动链，用参数描述机构运动关系的规则称为D-H参数。

当机器人各关节的旋转角度给定时，求解末端执行在空间坐标系下的坐标就是正向运动学求解问题，其一般采用D-H算法，并生成D-H表参数。而若已知机器人末端位姿，通过计算求得到该时的各关节转角变量的过程即为机器人逆运动学分析。逆运动学求解会产生多重解，需要通过约束关系来选取最符合要求的一组作为逆解。

②开放式电机生产线控制系统综合设计

开放式电机生产线控制系统综合设计主要包括电机设备选型、生产线搭建、控制模块组态、控制模块通信、外围人机接口、检测感知传感器等分类设计。在可多自由度设计、易于灵活搭建的自动化生产线虚拟仿真实验环境中，从硬件设备构建到软件程序设计，深度重现电机自动化生产线中的复杂工程应用场景。本系统采用可编程逻辑控制器（PLC）作为生产线核心控制部件，主要常用梯形图（LAD）、语句表（STL）或顺序功能图（SFC）等编程语言。将编译完成的程序下载到PLC控制器中，通过PLC扩展模块组态，将外围设备的接口地址与PLC控制的硬件I/O地址对应，实现生产线中多台设备的串联。设计PLC控制程序，确定不同设备启停的时间、动作节拍顺序，从而实现生产线的自动化运行控制。

实验内容：分为三部分，第一部分为电机自动化产线基础认知与操作。主要训练学生熟悉认知电机自动化产线软硬件平台、电气系统组成及PLC控制系统原理与功能参数。第二部分为机械臂控制理论学习与实验。首先，引导学生完成机器人空间坐标转换等基础理论学习；其次，基于升降装置夹取待插纸电机的环境和需求，自主设计编程机械臂运动控制等算法；最后，按照接口标准连入虚拟仿真系统进行测试验证。第三部分为控制算法在开放式产线中的拓展应用。训练PLC控制程序及机械臂控制算法在自动化产线中的创新实践能力，包括电机生产线自动插纸工位的自由搭建、产线逻辑控制方案设计、PLC控制程序及机械臂控制算法在不同工位的应用设计与虚拟调试等。

实验步骤：通过文字、图片等资源，以及三维模型拆分认知，了解电机工作原理及内部构造。熟悉电机自动化生产线实际场景，根据相关原理，使用PLC进行数字化产线设计。熟悉虚拟产线设备及环境，根据实验要求选取建立定子自动插纸生产线所需要的设备并将其组装完成。根据SCARA机器人运动学求解原理，利用空间坐标求解工业机器人坐标，对机器人进行示教踩点与示教点编辑操作。利用PLC编程工具编写生产线数字化控制的PLC程序、生成IO分配表、完成生产线电气接线、设置的伺服电机工作模式及直线运行控制速度行程调节。具体步骤为：1.背景知识学习；2.工厂环境认知；3.电气控制与PLC知识学习；4.配置电机自动化产线基本单元；5.SCARA机器人正逆运动学认知；6.数值算法编程实现机械臂控制；7.机器人示教踩点与示教点编辑；8.PLC程序设计；9.导入IO表；10.交互式接线；11.各装置伺服电机驱动器模式设置；12.各装置伺服电机参数设置