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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用第四章 机电掌握系统的总体设计本章教案要点和要求 1、 把握机电掌握系统的设计方法 2、 把握机电掌握系统的总体设计内容 3、 把握机电掌握系统的总体设计步骤一、总体设计的概念第一节机电掌握系统总体设计的概念机电掌握工程是一门涉及光、机、电、液等综合技术的一项系统工程；机电掌握系统 设计是依据机电掌握的思想、方法进行的机电掌握产品设计,它需要综合应用各项共性关 键技术才能完成；随着大规模集成电路的显现,机电掌握产品得到了快速普及和进展,从家用电器到生 产没备,从办公自动化设备到军事装备机与电紧密结合的程度都在快速增强形
2、成了一个纵 深而宽阔的市场；市场竞争规律要求产品不仅具有高性能而且要有低价格 这就给产品 设计人员提出了越来越高的要求；另一方面,种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和 新材料等,给机电掌握系统设计人员供应了众多的可选方案,使设计工作具有更大的敏捷 性；如何充分利用这些条件,应用机电掌握技术开发出满意市场需求的机电掌握产品,是 机电掌握总体设计的重要任务；系统的总体设计概念：机电掌握系统的总体设计是应用系统总体技术,从整体目标动身,综合分析产品的功能 要求和机电掌握系统各组成模块的特性,挑选最合理的模块组合方案,实现机电掌握系统 整体优化；其次节 机电掌握工程总体设计的类型和方法一 机电掌握工
3、程总体设计的类型 机电掌握产品设计一般可分为三种类型,即开发性设计、适应性设计和变异性设计；开发性设计：是在没有参照产品的情形下进行的设计,仅仅是依据抽象的设计原理和要 求,设计出在质量和性能方面满意目的要求的产品；例：最初的录像机、摄像机、电视机 等的设计就属于开发性设计；开发性设计要求设计者具备敏捷的市场洞悉力、丰富的想象 力和广泛而扎实的基础理论学问；例：料位器就是开发性设计 适应性设计：在总的方案原理基本保持不变的情形下,对现有产品进行局部更新,或用微 电子技术代替原有的机械结构或成为了进行微电子掌握对机械结构进行局部适应性设计,名师归纳总结 以使产品的性能和质量增加某些附加值；例：电
4、子式照相机采纳电子快门代替手动调整,第 1 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用使其小型化、智能化；汽车的电电子式燃油喷射装置代替原先的机械掌握燃油喷射装置等 就属于适应性设计；适应性设计要求设计者对原有产品及相关的市场需求变化和技术进步 有充分的明白和把握,变异性设计：是在原有产品的基础上,针对产品原有缺点或新的工作要求 从工作原 理、功能结构、执行机构类型和尺寸等方面进行一些变异设计出新的产品以适应市场需 求,增强市场竞争力；这种设计也可在设计方案和功能结构不变的情形下仅仅转变现有产 品的规格尺寸,形成系列产
5、品；变异性设计比较简洁,但设计中必需留意实行措施防止因 参数变化可能对产品性能产生的影响；例：印钞打孔机就是将原先的打单孔改为打双孔二 机电掌握工程总体的设计方法机电掌握工程的总体设计的方法通常有三种：1、机电互补法机电互补法、结合法、组合法；机电互补法也叫取代法,这种设计方法是用适当的电子部件取代某些陈旧、落后产品中的 复杂机械部件或功能子系统；这种方法是改造传统机械产品和开发新型产品常用的方法；例如,在某工作机械中,可用可编程掌握器或微型运算机取代机械式变速机构、凸轮、离 合器等掌握机构,取代液压,气动掌握系统,取代插销板、拨码盘、步进开关、程序鼓、时间继电器等接触式掌握器 以补偿机械技术
6、的缺陷；这种设计方法不仅可以简化机械结 构,而且可以改善产品的性能和质量；这种方法的缺点是跳不出原系统的框架,不利于开 拓思路,特殊在开发全新的产品时更具有局限性；例：钞纸称重系统就是机电互补法 2、结合法 结合法就是将电子部件和机械部件结合设计新产品；采纳此方法设计的产品其功能部件 或子系统 通常是专用的各要素间的匹配已得到充分考虑接口简洁；例如,高速磨床主轴 与电动机做成一体就是采纳结合法设计磨头的例子；目前已生产出电动机与掌握器做成一 体的产品；设计新产品常用这种方法；3、组合法 组合法就是将用结合法 或机电互补法 制成的功能模块组合成各种机电掌握系统,它是一 种拼接积木的设计方法；例如
7、,将工业机器人的回转、伸缩、俯仰、摇摆等功能模块系列组合成结构和用途不同的机器人；在机电掌握系统设计中采纳组合法 制造周期,节省工装费用,而且给生产治理和使用带来便利；, 不仅可以缩短设计和名师归纳总结 一、第三节机电掌握工程总体设计的内容和步骤第 2 页,共 13 页机电掌握工程总体设计的内容- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用1、收集需求及资料 1）收集需求：收集所设计产品的使用要求,包括功能、性能等方面的要求；此外仍 应,明白产品的极限工作环境、操作者的技术素养、用户的修理才能等方面的情形；使用 要求是确定产品技术指标的主
8、要依据；2）明白生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等作为讨论具体结构方案的重要依 据,以保证缩短设计和制造周期、降低生产成本、提高产品质量 设备）的性能指标 搜集国内外有关技术资料 搜集国内外有关技术资料,包括现有同类产品资料、相关的理论讨论成果和先进技术资料等；通过对这些技术资料的分析比较,明白现有技术进展的水平和趋势；这是确定产品技 术构成的主要依据；2、 对象分析 依据第三章的内容进行对象分析3、 功能设计 一个机电掌握系统 产品）通常有多项功能,按各个功能的性质、用途和重要程度可以将其分为基本功能和帮助功能,帮助功能,以满意用户的需求；功能分类1、基本功能机电掌握系统的功能设计就是
9、确定该系统的主要功能和基本功能是产品具有的、满意某种需求的、不行缺少的效能,表达出产品的用途 和使用价值,是与设计和制造产品的主要目的直接相关的功能；一个产品假如失去了 基本功能,也就失去了它的使用价值；依据基本功能的定义方式不同,一个产品可以 有一个或如干个基本功能；例：手表的基本功能是“ 显示时间” 手表假如失去这种基本功能,就不再具有使 用价值；剪刀的基本功能是修剪物品；电灯的基本功能是照明；冷暖空调的基本功能 有两个：夏天制冷、冬天制热,也可以将空调的这两个基本功能懂得为一个基本功能调剂室温；车床的基本功能是车削工件；数控加工中心有多项基本功能,能够进名师归纳总结 - - - - -
10、- -第 3 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用行车削加工、铣削加工、钻孔、镗削、切制螺纹等,也可以将数控加工中心的这些基 本功能懂得为一个基本功能即切削加工；例：微机配料系统的基本功能是将多种料按肯定的配料比例配置 基本功能是产品主要的、不行缺少的要素,也是设计产品的基础；2、帮助功能 帮助功能与基本功能并存,是产品的次要或附带的功能；它可以使产品的功能更加完善,增加产品的特色,属于锦上添花的功能；其使用价值；一个产品没有帮助功能,并不失去例：日历表中显示日历的功能；自行车后面的书包架；轿车内的音响与空调；电视 机的遥控装置；家具设计
11、考虑搬运、库存、折叠、拆装等方面的功能,都属于产品的 帮助功能；恰当地增加产品的帮助功能,产品的成本不会显著提高,但是产品的附加 值却有可能大幅增加；例：微机配料系统中的班产量的统计图,配件过程图就是帮助功能4、 原理设计 原理设计概述 产品原理设计的主要目标是：构思出能够实现产品功能要求、品质好的原理方 案；即确定实现功能的原理；原理方案的拟定从质的方面打算了产品的设计水平,因 此,原理设计阶段是实现产品创新,使产品的发生质变的阶段；如何寻求出最适于实 现预定功能目标的原理方案,是一项复杂的、没有具体设计规律的工作；原理设计主 要针对机电掌握系统的主要功能提出原理性构思,通常用相关的原理图表
12、达原理设计 的构思内容；在设计科学讨论过程中,人们逐步熟悉到,产品机构或结构的设计往往第一由工 作原理确定,而构思工作原理的关键是满意产品的功能要求；实现产品功能的原理可 能有多种形式即实现同一种功能往往可以应用不同的原理；例如可能是物理原 理或者是化学原理,或者是生物原理,或者是机械原理,等等；因此,原理设计实 质上是概念设计阶段的叉一个创新设计层,对产品的创新设计具有举足轻重的意义；在总体设计的过程中往往要对原理进行试验验证原理设计包括结构原理机械结构简图）、检测原理传感器确定）掌握原理掌握框图）三个方面 例：券钞箱开箱机中对箱盖机械手的“ 夹紧” 功能的原理设计 从机械原理分析 实现“
13、夹紧” 功能的原理有多种类型： 机械原理,其夹紧方式有楔块夹紧、偏心盘夹紧、弹簧夹紧、螺旋夹紧,等 等；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用从动力原理分析液压原理；气动原理； 电磁原理；考虑到现场使用便利选用螺旋夹紧方式；例：料位仪中检测“ 位置” 的原理分析 声音的三要素：音调：指声音的高低,由发声体的振动频率打算 响度：指声音的强弱,由发声体的振幅和发声的远近打算 音色：指对声音的感觉特色,不同的发声体发出的音色不同 掌握原理 掌握原理设计就是要挑选传感器、掌握微处理器、和执行器；例：大
14、张离线检测工作台的掌握结构图如下：例：料位仪的掌握结构示意图如下：5、 总体精度安排 总体精度安排是将机、电、控、检测各子系统的精度进行安排；精度安排时,应依据各 子系统所用技术系统的特点进行安排,不应实行平均安排的方法,对于具有数字特点的 电、控、检测子系统,可按其数字精度直接安排,对于具有模拟量特点的机、电、检测子 系统,就可按技术难易程度进行精度安排；在精度初步安排后,要进行误差运算,把各子名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用系统的误差按系统误差、随机误差归类,分别运算,与安排的精度进
15、行比较,进行反复修 改,使各部分的精度尽可能合理,总体精度安排的目标是以满意总体精度为约束,使各子 系统的精度尽可能6、 总体布局设计1）总体布局设计布局设计是总体设计的重要环节；布局设计的任务是,确定系统各主要部件之间相对应的位置关系以及它们之间所需要的相对运动关系；布局设计是一个带有全局性的问题,它对产品的制造和使用都有很大影响； a 、总体布局设计的基本原就 功能合理 各分功能既易于实现又便于实现总功能,不论在系统的内部仍是外观上都不 应采纳不利于功能目标的布局方案；内部的结构紧凑要保证便于装配爱护,外部的结构紧凑是艺术造型 结构紧凑 的良好基础 层次分明 总体结构和全部部件的布置应力求
16、层次分明,一目了然； 比例和谐 这一原就按艺术造型方法实现； b 、系统总体布局的基本类型 由外形、大小、数量、位置、次序五个基本方面进行综合,可得出一般布局的类型： 按主要工作机构的空间几何位置,可分为平面式、空间式等； 按主要工作机构的相对位置,可分为前置式、中置式、后置式等； 按主要工作机构的运动轨迹,可分为回转式、直线式、振动式等； 按主要工作机构的布置方向,可分为水平式、直立式、倾斜式等： 按机架或机壳的形式,可分为整体式、组合式等；2）人机系统设计 人机系统设计是总体设计的重要部分之一,它是把人看成系统中的组成要素,以人为主体来详 细分析人和机器系统的关系；其目的是提高人机系统的整
17、体效能,使人能够舒服、安全,高效地工作； a 、人机系统设计的基本要求人机系统设计应与人体的机能特性和人的生理,心理特性相适应；总体操作布置与人体尺寸相适应；显示清楚,易于观看,便于监控；具体有以下要求：例：人的视觉运动特性：人眼在水平方向运动比上下方向运动快,且不易疲惫；视线的习惯从左到右、从上到下移动,按顺时针方向转动；因此在设计人机的视觉界面是要充分考虑这一因素；网站中的标记 艺术造型设计 机电产品进人市场后第一给人的重要直观印象就是其外观造型,先入为主是用户普 遍的心理反应；随着科学技术的高速进展,人类文化、生活水平的提高,人们的需求观和 价值观也发生了变化,经过艺术造型设计的机电产品
18、已进人人们的工作、生活领域、艺术 造型设计已经成为产品设计的一个重要方面；a、艺术造型设计的基本要求 布局清楚 ：条理清楚的总体布局是良好艺术造型的基础；结构紧凑 ：节省空间的紧凑结构方式有利于良好的艺术造型； 简洁 ：应使可见的、不同功能的部件数削减到最少限度,重要的功能操作部件 及显示器布置方式一目了然； 统一与变化 ：整体艺术造型应显示出统一成型的风格和外观形象,并有节奏鲜 明的变化,给人以和谐感；功能合理 ：艺术造型应适于功能表现,结构外形和尺寸都应有利于功能目标的表达； 表达新材料和新工艺：目的是表达新材料的优异性能和新工艺的精深水平；例：料位仪掌握箱的面板颜色的挑选,传感器材料 象
19、牙色）的挑选； b、艺术造型的三要素 艺术造型是运用科学原理和艺术手段,通过肯定的技术与工艺实现的；技术与艺术 的融合是艺术造型的特点；功能、物质技术条件和艺术内容构成了机电产品艺术造型 的三要素； 这些要素之间存在着辩证统一关系,在艺术造型的过程中要科学地反映它 们之间的内在联系,通过艺术造型充分表达产品的功能美、技术美；、艺术造型设计的基本过程 c 对一个机电产品艺术造型的具体构思来说考虑问题要经过由功能到造型,由造型到功能 的反复过程,同时又要经过由总体到局部；由局部返回到总体的反复过程；因此,造 型设计贯穿了产品设计的全过程,其设计特点最是以形象思维为主； d、艺术造型设计要点 稳固性
20、：对于静止的或运动缓慢且较重的产品应当在布置上力求使其重心得到稳固的支 撑,并从外观外形到颜色搭配运用都给人以稳固的感觉 运动特性：总体结构利用非对称原理可以使产品具有可运动的特性；例如很多运输设 备,无论从上看,从前面看,或从后面看都是对称的,给人以稳固感；但从侧面看名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用不对称的前后部分可使外形产生动态感例如在长方形中利用斜线、圆角或流线来 反映运动特性；例如汽车的造型；轮廓：产品的外形轮廓给人的印象特别重要,通常采纳“ 优先数系” 来分割产品的 轮廓,塑造
21、产品和谐、成比例的外观给人以和谐的美感；1980 年修改的 GB 321 64 优先数和优先数系简化：产品外形上不同外形和大小的构件越多,就越显得纷杂,难于与简洁、统一和谐 的要求相吻台；因此,可把一协构件综合起来尽量削减外露件的数目；色调：色调的成效对人的心情影响很大；选用合理的色调运用颜色的搭配组成良好的色 彩环境,能使产品的艺术造型特点得以充分的发挥,满意人们心理的审美要求；工业中几种主要颜色的应用：红色在工业上是安全用色,表示警告、危急、禁止、防火 黄色在工业上代表警告、危急或提示留意；如工程车的车身颜色 绿色代表清爽、柔和、舒服、安全,可防止操作时眼睛的疲惫 灰色代表朴实、寂静、大方
22、,很多高科技产品特殊是和金属材料有关的产品都会是灰 色黑色代表淳朴、牢固、雅致、稳固、名贵,电视、轿车 白色代表干净、素雅、卫生、明快等；官车）音响等使用黑色；例：大张离线检测工作台的颜色是选用：100 圆桃红色色、50 圆浅绿色、 10 圆浅灰色,因此台面的颜色要与这三种颜色有明显的区分反差）,故只能是灰、白、黑色,而大面积使用黑色让人感到压抑、繁重、恐惧不行选；灰色又有单调、孤寂、乏 味之感；而白色干净、素雅、卫生、明快最终选用白色,同时也符合日常习惯；7、 编写总体方案 编写总体方案是使用文字、表格、机械结构简图、掌握结构示意图等对所研发的机电掌握 系统进行论证、阐述和说明；二、机电掌握
23、工程总体设计的步骤机电掌握系统总体方案的设计步骤是通用化的,它所对应可能是机械设备、检验仪器、掌握系统或各种产品；其设计步骤如下：1、详尽搜集用户对所研发的机电掌握工程仪器、设备、工程、系统）的需求设计任何系统第一要收集全部相关的信息,包括设计需求、背景技术资料等；设计人 员在这一基础上应做出用户真正需要设计什幺样的产品的判定；这一步是进行总体方案设 计的最基本的依据不行忽视；一般情形需要对以下设计需求做具体的调查； 1）设计对象自身的工作效率；包括年工作效率及小时工作效率；对于动力系统,仍要 明白机械效率方面的需求；2）设计对象所具有的主要功能包括总功能及实现总功能时分功能的动作次序,特殊是
24、操作人员在总功能实现中所介人的程度 3）设计对象与其工作环境的界面；这主要有输入、输出界面、装载工件形式、操作员控名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用制器的界面、帮助装置的界面、温度、湿度、灰尘等情形以及这些界面中哪些是由设计 人员保证的,哪些是由用户供应的；4）设计对象对操作者技术水平的需求；要求操作人员达到什么技术等级,并具备哪些专 长；5）设计对象是否被制造过,假如与设计对象类似的产品已在生产,就应参观生产过程,并查找有关的设计与生产文件；搜集资料：收集资料是指尽可能收集与所要研发的设
25、备、系统、工程有关信息,并建立工 程信息库；具体有；a、已有的与所研发的设备、系统、工程相像或相同的工程的相关资料 b、全部的外构件的企业的地址、价格的信息 全部外协件和技术支持人员的信息 c、d、相关的手册资料 e、相关网站的地址 2、设计对象工作原理 明确了设计对象的需求后就可以开头工作原理设计了,这是总体设计的关键；设计质量 的优劣取决于设计人员能否有效地对系统的总功能进行合理的抽象和分解,并能合理地运 用技术效应进行创新设计,勇于开拓新的领域,探究新的工作原理,使总体设计方案正确 化,从而形成总体方案的初步轮廓；3、主要结构方案的挑选 机械结构类型很多,挑选主要结构方案时必需保证系统所
26、要求的精度、工作稳固牢靠、制造工艺性好,应符合运动学设计原就或误差均化的原理；按运动学原就进行结构设计时,不答应有过多的约束；但当约束点有相对运动且载荷 较大时,约束处变形大,易磨损,这时可以采纳误差均化原理进行结构设计,这时可以允 许有过多的约束,例如滚动导轨中的多个滚动体,是利用滚动体的弹性变形使滚动体直径 的微小误差相互得到平均,从而保证了导轨的导向精度；4、系统简图的绘制 挑选或设计了系统中各主要功能部件之后,用各种符号代表各子系统中功能部件,包括控 制系统、传动系统、电器系统、传感检测系统、机械执行系统等,依据总体方案的工作原 理,画出它们的总体支配,形成机、电有机结合的机电掌握系统
27、简图；依据这些简图,进行方案论证并做多次修改,确定正确方案；在总体支配图中,机械 执行系统应以机构运动简图或机构运动示意图表示,其他子系统可用方框图表示；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用总体设计步骤示意图第四节机电掌握工程总体设计中应留意的问题机电掌握系统 或产品 设计是一项复杂的系统工程,它所包含的设计内容是特别广泛的,需要综合应用各项共性关键技术才能完成；在机电掌握系统 下的问题； 1 各种技术方案的等效性、互补性及可比性 或产品 设计时应留意以名师归纳总结 - - - - - -
28、 -第 11 页,共 13 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用机电掌握设计突出表达在两个方面：一方面,当产品的某一功能单靠某一种技术无法 实现时,必需进行机械与电子及其他多种技术有机结台的体化设计；另一方面,当产品某 一功能的实现有多种可行的技术方案时,也必需应用机电掌握技术对各种技术方案进行分 析和评判,在充分考虑同其他功能单元的连接与匹配的条件下,挑选最适合的技术方案；因此,机电掌握设计必需充分考虑各种技术方案的等效性、互补性及可比性；在某些情形下,产品的功能必需通过机电协作才能实现,这时两种技术是相互关联、相互补充的,即具有互补性；例：钞券包装
29、箱开箱机器手的运动掌握,仅靠电子装置或机构都无法实现,只有两者 结合起来,并充分考虑机构的动力学特性与掌握装置硬件、软件掌握性能之间的相互影响 和相互补充,才能获得正确的实现方案；当多种可行的技术方案同时存在时,说明在实现具体功能上它们具有等效性；如在机 床上加工螺纹或齿轮时,工件与刀具之间的内联系可以通过机械方案实现,也可以通过电 气方案实现；然而等效并不是等价,孰优孰劣需要通过评判才能知道；由于不同的技术方案往往具有不同的参量,评判时需要挑选具有相同量纲的性能指标 如成本、牢靠性、精度等 ,或引入新的参量 如时间等 将不同的参量联系起来,以保证各种技术方案之间的可 比性；2 遵循机电产品的
30、一般性设计原就 机电掌握设计同样也要遵循产品的一般性设计原就,即在保证产品目的功能、性能和 使用寿命的前提下,尽量降低成本；这就意味着机电掌握设计并不是盲目追求“ 高、精、尖” ,而是在充分分析用户要求的基础上努力以最新的技术手段、最廉价的材料或元器 件、最简洁的结构、最优的消耗,向用户供应最中意的产品；产品功能的多少或强弱,往往与其复杂程度和功能成本直接相关,在进行机电掌握设 计时应依据实际情形对各功能的利用率进行统计分析,优先满意利用率最高的功能要求,然后再在成本答应的条件下考虑其他功能要求；产品的操作性能与其功能的多少也有直接关系；一般来讲,功能越多、越齐全操作就 越复杂,操作性能就越差
31、,也越简洁引起操作者的不满；因此在机电掌握产品设计时,应 留意通过软件来改善产品的操作性能,使机电掌握产品在向多功能方向进展的同时,也向 智能化和“ 傻瓜化” 方向进展；3 强调技术融合、学科交叉的作用 机电掌握的优势,在于它吸取了各相关学科之长并加以综合运用而取得整体优化效 果,因此在机电掌握系统开发的过程中,要特殊强调技术融台、学科交叉的作用；机电控 制系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程；把系统的各单元有机结合成系统后,各单元的功能不仅相互叠加而且相互帮助、相互促进、相互提高,使整体的功能大于备名师归纳总结 单元功能的简洁之和,即“ 整体大于部分之和” ；当然假如设计不当,由于各单
32、元的差第 12 页,共 13 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用异性,在组成系统后会导致单元问的冲突和摩擦,显现内耗,内耗过大,就可能显现整体 小于部分之和的情形,从而失去了掌握的优势；因此,在开发的过程中,一方面要求设计 机械系统时,应挑选与掌握系统的电气参数相匹配的机械系统参数,同时也要求设计掌握 系统时,应依据机械系统的固有结构参数来挑选和确定电气参数；综合应用机械技术和微 电子技术,使二者亲密结合、相互和谐、相互补充,充分表达机电掌握的优越性；4 充分利用现代设计方法 进行机电掌握产品设计时,应尽量以运算机为工具进行牢靠性设计、优化设计、反求 以提高机电产品设计的效率和质量；设计、绿色设计等现代化设计方法第五节 机电掌握系统总体设计实例分析一、 印钞废水应急系统总体设计分析 二、券箱自动开箱机总体设计分析名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 13 页