《机电一体化系统设计方案》课程题目.pdf

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1、1/25 机电一体化系统设计课程设计题目一一、任务分析1设计题目:CA6140 车床经济型数控改装设计2设计内容与要求:将CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能,纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向:0.01mm,横向:0.005mm。设计参数如下:最大加工直径:在床面上400mm 在床鞍上210mm 最大加工长度:1000mm 快进速度纵向2.4m/min 横行1.2m/min 最大切削进给速度纵向0.5m/min 横行0.25m/min 代码制ISO 脉冲分配方式逐点比较法输入方式增量值、绝对值通用控制坐标数2 最小指令值纵向0.01mm/pu

2、lse 横行0.005mm/pulse 刀具补偿量099.99mm 进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm 横行0.075mm 自动升降速性能有二、总体方案设计接到数控装置的设计任务以后,必须首先拟定总体方案,绘制系统总体框图,才能决定各种设计参数和结构,然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。现以机电一体化的典型产品经济型数控机床为例,分析总体方案的拟定的内容和应该考虑的问题。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定,伺服系统的选择,执行机构的结构及传动方式的确定,微型计算机数控系统的选择、设计等。应根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案,对方案进行分析比较和论证,最后确

3、定总体方案。1 总体设计方案的论证对于普通机床的经济型数控改造,在考虑总体设计方案时,应遵守的基本原则是:在满足设计要求的前提下,对机床的改造应尽可能少,以降低成本。1)数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续轮廓)控制系2/25 统。由于要求CA6140 车床加工复杂轮廓零件,所以本微机数控MNC)系统采用连续控制系统。2)伺服进给系统的选择数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度,能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂、技术难度大、

4、调试和维修困难、造价高。对于所改造的CA6140 车床的加工精度要求不很高。采用闭环控制系统的必要性不大。采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制,其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽、过载能力强,又具有反馈控制,因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件,调试比闭环简单,系统的稳定性较易保证,所以比闭环容易实现。但是,采用半闭环控制,调试比开环要复杂,设计上有其自身的特点,技术难度较大。本设计任务书的要求不高,是经济性数控的改造,通常的情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维

5、修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力。启动频率低,工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济性数控设备中。经过上述比较,决定采用开环控制系统。纵向进给机构的改造:拆去原有机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及其相应的安装装置,纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,并不占据丝杠空间。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。横向进给机构的改造:由于原横向进给的丝杠空间有限,一种方法是拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,但在现有的滚珠丝杠系列中选出合适的丝杠副较困难,需特制滚珠丝杠副,为了便于安装,滚珠丝杠副的丝杠轴不是整体的,而采用分移式,然后用联轴器联

6、接;另一种方法是采用原丝杠,这样做就避免了特制滚珠丝杠副的麻烦,减少了成本,但需采用电气补偿丝杠精度和反向间隙的措施。本方案采用前者,并保留横向原手动机构,横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。3)数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础,性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件,软件才能有效地运行。数控系统中的关键部分是数控装置。数控装置的设计方案选择也有多种方案,通常有:.可以全部自己设计、制作;.可以采用单板机或STD 模块或工业控制机改制;.可以选用现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。在普通机床的经济性数控改造中,一般多采用后两种

7、方法。一般情况下,所需的数控功能和要求如果有现成的数控装置可以满足,这时通常都采取购置现成数控装置的方案,因为自行设计制作不但费时间,且不经济,同时质量上也难于保证,另一种情况是购置现成的数控装置产品满足不了所需的数控功能,这时可将购置的数控装置经自行补充或改造其硬件电路,来满足本设计要求。但作为毕业设计即使是采用上述两种数控装置的设计方案,也需对其结构、原理、控制方式等有所了解,才能提出自己的处理办法,也可以采用文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:

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14、0文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G103/25 自行设计数控装置的方案和数控装置,可以更全面地训练学生运用计算机、数控系统硬件电路的设计和应用的能力,其难度比较大,也为今后从事其它类似的工作打下坚实的基础。本设计实例采用第一种方法即自行设计数控装置。在自行设计的数控装置中,CPU 的选择是关

15、键。选择CPU 应考虑以下要素:a)时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切关系;b)可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关;c)指令系统功能的强弱与编程的灵活性相关;d)I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关;e)开发手段,包括支持开发的软件和硬件电路,与开发周期、推广应用相关;除此之外,还应根据数控系统应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等,综合起来考虑以确定CPU。2 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后,确定的CA6140 车床经济性数控改造的总体方案示意图如图3.2.1 所示。CA6140 车床的主轴转速部分保留原机床的功能,既手动变速。车床的纵向Z轴)和横向 X 轴

16、)进给运动采用步进电机驱动。由MCS-51 系列单片机组成微机作为数控装置的核心,由I/O 接口、软件环形分配器硬件环分器)与放大器控制功率步进电机转动,经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动,从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能,必须安装主轴脉冲发生器,为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转。发出两路信号;每转发出的脉冲个数和一个同步信号,经隔离电路以及I/O 接口送给微机。图 3.2.1 总体方案示意图文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X

17、5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6

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24、设计、计算及选用,绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下:1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲,使机床运动部件产生的位移量,称为脉冲当量,也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量市 0.010.005mm/pulse。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。2 切削力计算在设计机床进给伺服系统时,计算传动和导向元件,选用伺服电机等都需要用到切削力,此处列举三种常用的计算切削力的方法。一、用经验公式计算主切削力。例如车床的主切削力)(NFz可用下式计算纵切外圆:5.1max67.0DFz式中maxD车床床身上加工最大直径单位为mm 横

25、切端面是主切削力zF可取纵切时zF的21。求出主切削力zF以后再按以下比例分别求出分力xF和yF。4.0:25.0:1:yxzFFF式中xF走刀方向的切削分力N);yF垂直走刀方向的切削分力;pa切削深度,(mm;v切削速度,(m/s;f进给量,(mm/r;xyzFFFKKK,总修正系数,包括由于工件材料强度、硬度改变、刀具材料改变、刀具几何角度不同等因素对切削力的修正系数。式中各指数和系数的数值可参考金属切削机床设计。切削用量的选择可参考机械加工手册。三、按照机床主电机功率计算对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说,切削用量选择的范围较大,这样将会导致切削力计算结果差别很大。

26、这里介绍第三种方法,就是按照需要进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。其具体方法如下:PPc文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 Z

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31、W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y

32、2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8

33、Y2W8 ZE5C1A9X8G106/25 式中cP切削功率,KW)P机床主传动功率,KW)主传动系统总的机械效率,可近似地取以下数值:精密机床0.80.85 中型机床0.750.8 大型机床0.70.85 nPMcn9550式中nM主轴传递的扭矩,Nm);n主轴计算转速r/min),是主轴传递全部功率时的最低转速。3102dMFnz式中zF主切削力,N);d工件直径可采用在床鞍上加工的最大直径。主切削力求出以后再按比例求出yxFF、。3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型:确定滚珠循环方式,滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后,再计算和确定其他技术参数,

34、包括:公称直径d0或丝杠外径d)、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数 K、精度等级。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类,外循环又分为螺旋槽式和插管式。可参照机电一体化技术手册选用。滚珠丝杠副的预紧方式有:双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等预紧方式。可参照机电一体化技术手册选用。滚珠丝杠副的计算步骤如下:1)。计算进给率引力Fm:作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。FmN)计算公式如下:矩形导轨:)(GFFfKFFyzxm燕尾型导轨:)2(GFF

35、fKFFyzxm三角形或综合导轨:)(GFfKFFzxm式中xyzFFF、切削分力,N);G移动部件的重量,Ncm);f导轨上摩擦系数,随导轨型式而不同;文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ1

36、0U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ

37、10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:C

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40、:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编

41、码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档

42、编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G107/25 K考虑颠复力矩影响的实验系数。在正常情况下,fK、可取下列数值:矩形导轨1.1K15.0f燕尾型导轨4.1K2.0f三角形或综合导轨15.1Kf0.150.18 上述摩擦系数f均是指滑动导轨,如果采用贴塑导轨f0.030.05;滚动导轨f0.00250.005;静压导轨f0.0005。2)。计算最大动负载C 选用滚珠丝杠副的直径d0时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万转 106转)后,在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C,可用下式计算:mw

43、FfLC3式中 L寿命,以106转为一单位,61060TnLn丝杠转速,r/min),用下式计算01000Lvnssv为最大切削力条件下的进给速度m/min),可取最大进给速度的1/21/3;0L丝杠导称,对于数控机床取T=15000h;wf运转系数,见表3.2-1。表 3.2-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2 一般运转1.21.5 有冲击运转1.52.5 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动负载aC的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型,选用时应使aCC。见机电一体化技术手册。3)。计算最大静负载C0当滚珠丝杠副的静态或低速min/10rn)情况下工作时,滚

44、珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面产生塑性变形,当塑性变形超出一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9

45、X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A

46、9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1

47、A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C

48、1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5

49、C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE

50、5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 ZE5C1A9X8G10文档编码:CQ10U1V4R6X5 HQ10A6F8Y2W8 Z

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