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CAD/CAM基礎(chǔ)理論與應(yīng)用,機(jī)械工程及其自動(dòng)化一級(jí)學(xué)科 碩士生學(xué)位課,第6章 計(jì)算機(jī)輔助制造,CAD/CAM研究室,本章學(xué)習(xí)要點(diǎn),掌握計(jì)算機(jī)輔助制造的基本概念和內(nèi)涵,了解開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和類(lèi)型,了解數(shù)控編程及其相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),了解制造執(zhí)行系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)化 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置和運(yùn)行機(jī)制,3,1 計(jì)算機(jī)輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,4,1.1 基本概念,計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)是指采用計(jì)算機(jī)及其交互設(shè)備輔助人類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程,并控制、監(jiān)測(cè)、處理、變換、管理加工過(guò)程的一種技術(shù),廣義CAM是指利用計(jì)算機(jī)輔助完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個(gè)過(guò)程的活動(dòng):工藝過(guò)程設(shè)計(jì),工裝設(shè)計(jì),NC自動(dòng)編程,生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃,生產(chǎn)控制,質(zhì)量控制等,狹義CAM是指NC程序編制,包括刀具路徑規(guī)劃,刀位文件生成,刀具軌跡仿真及NC代碼生成等,5,1 計(jì)算機(jī)輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,6,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,制造裝備數(shù)字化控制的實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等多個(gè)發(fā)展階段,數(shù)控指令的輸入從“卡片與紙帶讀碼機(jī)”、“磁帶與磁盤(pán)計(jì)算機(jī)”發(fā)展到“數(shù)據(jù)文件直接的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)傳輸”,制造裝備對(duì)CAM技術(shù)的影響,新型的CNC機(jī)床包含了網(wǎng)絡(luò)化接口、Web服務(wù)接口等功能,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的CAM技術(shù)有了制造裝備方面的硬件保證,7,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,制造裝備對(duì)CAM技術(shù)的影響(續(xù)),日本Yamazaki Mazak公司的開(kāi)放式CNC數(shù)控系統(tǒng)MAZATROL FUSION 640的人機(jī)界面和各種接口,8,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,檢測(cè)、控制裝置對(duì)CAM技術(shù)的影響,實(shí)現(xiàn)制造屬性數(shù)據(jù)、制造過(guò)程數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等能實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng),特別是設(shè)備向高層管理計(jì)算機(jī)的流動(dòng),9,1 計(jì)算機(jī)輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,10,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,不同的產(chǎn)品模型對(duì)CAM技術(shù)的影響,產(chǎn)品模型是CAM系統(tǒng)的輸入,不同的產(chǎn)品模型表達(dá)方式影響著CAM軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法,以快速成型機(jī)為例:用于加工零件輸入的模型采用三角面片表示,形成了一種稱(chēng)之為STL文件格式的工業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),基于快速成型加工的CAM系統(tǒng)將圍繞該種零件模型進(jìn)行加工輔助處理,CAM技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)制造信息的應(yīng)用和處理,美國(guó)3D Systems的快速成型機(jī),11,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,不同的產(chǎn)品模型對(duì)CAM技術(shù)的影響,12,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,制造信息處理模式對(duì)CAM技術(shù)的影響,CAM系統(tǒng)在支持制造的數(shù)控編程、加工調(diào)度、監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制過(guò)程中,采用不同的制造信息處理模式會(huì)產(chǎn)生不同的CAM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)邏輯與應(yīng)用流程,在采用CAM系統(tǒng)輔助加工調(diào)度、監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制活動(dòng)時(shí),以制造設(shè)備為基點(diǎn),制造信息處理模式有三種:, 單機(jī)模式, 以制造設(shè)備作為客戶端節(jié)點(diǎn), 以制造設(shè)備作為服務(wù)器端節(jié)點(diǎn),13,1 計(jì)算機(jī)輔助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.3 信息應(yīng)用方式對(duì)CAM技術(shù)的影響,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,14,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,CAM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化包含兩層含義: CAM制造硬件的網(wǎng)絡(luò)化與CAM軟件的網(wǎng)絡(luò)化,CAM制造硬件的網(wǎng)絡(luò)化,制造設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化接口問(wèn)題(1),制造裝備的網(wǎng)絡(luò)化接口是使制造設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的基本要素。,傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備一般均具有RS232標(biāo)準(zhǔn)串口,這種標(biāo)準(zhǔn)串口用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備的互聯(lián),以便完成數(shù)控指令網(wǎng)上傳輸、加工工況數(shù)據(jù)反饋等功能,當(dāng)前新型數(shù)控制造裝備均帶有以太網(wǎng)接口,有些還帶有不同類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線接口,為數(shù)控裝備的互聯(lián)提供支撐,15,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,制造設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化接口問(wèn)題(2),16,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)控制造裝備在互聯(lián)的過(guò)程中,需要網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議的支持,對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作及抗干擾能力的網(wǎng)絡(luò)包括早期用于制造系統(tǒng)互聯(lián)的MAP網(wǎng),以及現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)等,目前已得到應(yīng)用且列為IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線有:(FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldIFP、ControlNet、SwiftNet);工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有EthernetIP、FF-HSE、ProfiNet、IDA等,制造設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議,CAM制造硬件的網(wǎng)絡(luò)化,17,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,CAM軟件的網(wǎng)絡(luò)化(三種實(shí)現(xiàn)形式),基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的CAM集成,有效利用已有單機(jī)版CAM軟件、且通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)分享的一種形式,由于涉及到制造數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題,因此必須給CAM軟件附加若干輔助模塊,如數(shù)據(jù)及庫(kù)文件遠(yuǎn)程讀寫(xiě)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)操作權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)一致性維護(hù)模塊等,18,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,CAM軟件的網(wǎng)絡(luò)化(三種實(shí)現(xiàn)形式),基于C/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件,其出發(fā)點(diǎn)是將CAM軟件劃分為服務(wù)器端軟件和客戶機(jī)端軟件兩部分。服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)CAM的功能,而客戶機(jī)端CAM軟件則實(shí)現(xiàn)基于用戶圖形界面的輸入輸出功能,常安裝在制造裝備的前端計(jì)算機(jī)中,基于C/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件需要在客戶端安裝相關(guān)的軟件,故使用該類(lèi)軟件受客戶端地理位置的限定,19,1.4 CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,CAM軟件的網(wǎng)絡(luò)化(三種實(shí)現(xiàn)形式),基于B/S結(jié)構(gòu)的CAM軟件,其邏輯是將CAM軟件安裝在服務(wù)器端,在客戶機(jī)端則不作任何安裝。其運(yùn)行可在任意地點(diǎn)的客戶端通過(guò)Web瀏覽器完成,且相應(yīng)的交互界面以Web頁(yè)面、Java Applet或ActiveX控件等形式表現(xiàn),CAM軟件可安裝在管理層的計(jì)算機(jī)中,亦可安裝在底層的制造裝備的前端計(jì)算機(jī)中。前一種安裝方式指底層所產(chǎn)生的制造數(shù)據(jù)由高層采集、處理與發(fā)布;后一種安裝形態(tài)指制造裝備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)Web服務(wù)直接向外發(fā)布,20,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.3 數(shù)控的軸的概念,2.4 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.5 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),21,2.1 基本概念,開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu)伴隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)PC的出現(xiàn)而出現(xiàn),原有專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件資源方面的局限性,無(wú)法適應(yīng)數(shù)字化制造環(huán)節(jié)對(duì)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充等方面的要求,無(wú)法在數(shù)控系統(tǒng)的通用性、柔性、適應(yīng)性和進(jìn)一步的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面提供支撐,開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)80年代的美國(guó),目前提出了不同的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),典型的有:美國(guó)的下一代控制器NGC計(jì)劃、歐盟的自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)放式控制結(jié)構(gòu)OSACA計(jì)劃、日本的開(kāi)放式控制器系統(tǒng)環(huán)境OSEC計(jì)劃等,開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的特點(diǎn):,能夠在各種操作環(huán)境下運(yùn)行,可與其他系統(tǒng)相互交流信息,能夠給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式,2.1 基本概念,23,2.1 基本概念,開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu)可歸納為三種類(lèi)型:,在專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)中嵌入PC的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),24,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),25,2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)(第六代數(shù)控系統(tǒng))可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn):開(kāi)放軟件體系結(jié)構(gòu)與開(kāi)放硬件體系結(jié)構(gòu),開(kāi)放軟件體系結(jié)構(gòu),26,2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),開(kāi)放硬件體系結(jié)構(gòu),PLC、DSP運(yùn)動(dòng)控制卡,運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品供應(yīng)商:美國(guó)的Delta Tau、Galil公司,德國(guó)的Dspace、Movtec公司等,27,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),28,2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間的互聯(lián)技術(shù),計(jì)算機(jī)與數(shù)控加工設(shè)備的通信方式取決于數(shù)控系統(tǒng)的通信接口與協(xié)議。數(shù)控系統(tǒng)提供的通信接口有:異步串行通信接口,接口,現(xiàn)場(chǎng)總線接口,接口等,異步串行通信接口,RS232、RS422、RS485等,優(yōu)點(diǎn):方便,實(shí)現(xiàn)較容易;缺點(diǎn):通信距離較近,DNC接口,可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離通信,具有出錯(cuò)反饋與在線實(shí)時(shí)修改功能,便于遠(yuǎn)程管理,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通用性差,軟件開(kāi)發(fā)難度大,MAP網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線接口,通信速率快,可靠性高,可實(shí)現(xiàn)一些實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的控制要求,29,2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)間、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)與管理層間的互聯(lián)技術(shù),30,2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)間、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)與管理層間的互聯(lián)技術(shù),31,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),32,2.4 數(shù)控的軸的概念,從三維幾何空間看,一個(gè)物體在一個(gè)空間內(nèi)沿X、Y、Z軸的平動(dòng)和繞這三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成了該空間的六個(gè)基本軸運(yùn)動(dòng) 對(duì)于數(shù)控機(jī)床,其數(shù)控的目標(biāo)是在由主軸部件和進(jìn)給部件組成的切削幾何空間內(nèi)控制軸運(yùn)動(dòng)及其軸運(yùn)動(dòng)間的聯(lián)動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系:右手笛卡爾坐標(biāo)系 各軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其方向用右手螺旋法則判定,33,2.4 數(shù)控的軸的概念,目前,最好的無(wú)冗余軸控制的數(shù)控設(shè)備之一為五軸五聯(lián)動(dòng)加工中心,數(shù)控機(jī)床的切削加工動(dòng)作是通過(guò)軸運(yùn)動(dòng)或多軸聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。其中,多軸聯(lián)動(dòng)用于產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡,以CNC車(chē)削為例,需要控制的軸運(yùn)動(dòng)包括車(chē)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)刀方向和走刀方向兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),在車(chē)削螺紋時(shí),需要在主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿進(jìn)刀方向的直線運(yùn)動(dòng)間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng);車(chē)削錐面則需要在兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),控制軸運(yùn)動(dòng)是數(shù)控加工的核心。在某種程度上,數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性可由控制軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法的開(kāi)放性決定,34,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),35,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),在基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床中,軸運(yùn)動(dòng)是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成的。運(yùn)動(dòng)控制卡則用于產(chǎn)生控制信號(hào)以便控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)軌跡,運(yùn)動(dòng)控制卡含CPU,實(shí)時(shí)控制計(jì)算由其完成,而涉及到數(shù)控的非實(shí)時(shí)計(jì)算部分則可由PC機(jī)實(shí)現(xiàn) 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器、I/O接口與各種伺服電機(jī)相聯(lián),伺服電機(jī)再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的位置等誤差則通過(guò)光柵元件進(jìn)行檢測(cè)并反饋以修正誤差。,36,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),37,2 開(kāi)放式的CNC體系結(jié)構(gòu),2.1 基本概念,2.4 數(shù)控的軸的概念,2.5 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.6 基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),2.2 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù),38,2.6 基于PC的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),用于插接運(yùn)動(dòng)控制卡的PC機(jī)所使用的為通用非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如Windows/Linux等),將PC機(jī)的操作系統(tǒng)改為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(如Windows的RTX、RT-Linux等),且將運(yùn)動(dòng)控制卡的功能由基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),則構(gòu)成了基于PC軟數(shù)控機(jī)理的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)程、實(shí)時(shí)任務(wù)管理、硬件中斷控制等技術(shù)是替代運(yùn)動(dòng)控制卡功能、完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容,39,2.6 基于PC的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),該種開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu)依賴(lài)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)選擇的不同操作系統(tǒng),其可分為以下幾種類(lèi)型:, 單PC機(jī)配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),數(shù)控軟件的實(shí)現(xiàn)構(gòu)架可規(guī)劃為五個(gè)層次:應(yīng)用API層、應(yīng)用程序?qū)?、?shí)時(shí)操作系統(tǒng)層、I/O接口層、數(shù)控設(shè)備層, 雙PC分別配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng), 單PC分別配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和通用操作系統(tǒng),40,2.6 基于PC的開(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu),41,3 數(shù)控編程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),3.1 數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)知識(shí),3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,42,3.1 數(shù)控機(jī)床編程的基礎(chǔ)知識(shí),機(jī)床的坐標(biāo)系,Z: 以主軸軸線方向?yàn)樽鴺?biāo)軸 Z方向,刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)閆軸正向,X: 水平面內(nèi)垂直于工件方向?yàn)樽鴺?biāo)軸X方向刀具遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檎较?原點(diǎn):車(chē)床的原點(diǎn)一般定義在主軸旋轉(zhuǎn)中心與車(chē)頭端面的交點(diǎn)或參考點(diǎn)上,以數(shù)控車(chē)床為例:,參考點(diǎn):參考點(diǎn)為機(jī)床上的一個(gè)固定點(diǎn)。其位置由X和Z向的機(jī)械擋塊決定,一般機(jī)床的原點(diǎn)與參考點(diǎn)重合,以上述原點(diǎn)與X軸Z軸建立直角坐標(biāo)系,即為機(jī)床坐標(biāo)系,43,3.1 數(shù)控機(jī)床編程的基礎(chǔ)知識(shí),工件坐標(biāo)系,工件原點(diǎn):工件原點(diǎn)是人為設(shè)定的點(diǎn) (設(shè)定依據(jù):既符合圖樣的尺寸標(biāo)注習(xí)慣,又便于編 程),以坐標(biāo)原點(diǎn)為原點(diǎn),建立一個(gè)Z軸與X軸的坐標(biāo)系,即為工件坐標(biāo)系,車(chē)床工件原點(diǎn):一般選擇在工件的右端面、左端面、卡盤(pán)的前面,44,3.1 數(shù)控機(jī)床編程的基礎(chǔ)知識(shí),數(shù)控程序結(jié)構(gòu),45,F指令:F功能表示進(jìn)給速度,進(jìn)給速度使用F和其后面的若干數(shù)字來(lái)表示的。在G98條件下,F(xiàn)后數(shù)字表示mm/min(外圓加工),在G99條件下,F(xiàn)后數(shù)字表示mm/r,(螺紋加工),在未指定情況下,默認(rèn)為G98條件,T指令:T指令表示換刀功能,它是由字母T和其后的四位數(shù)字表示的,其中前兩位數(shù)據(jù)表示刀具號(hào),后兩位數(shù)據(jù)表示刀具補(bǔ)償號(hào)。每一刀具加工完成,必需取消刀補(bǔ),S指令:S指令表示主軸轉(zhuǎn)速,它是由S和其后的數(shù)字組成的,例如:S300表示主軸轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)(此指令只能在具有主軸伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)床中使用),3.1 數(shù)控機(jī)床編程的基礎(chǔ)知識(shí),數(shù)控編程F、T、S指令,46,3 數(shù)控編程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),3.1 數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)知識(shí),3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,47,尺寸是否完整 產(chǎn)品精度、粗糙度等要求 產(chǎn)品材質(zhì)、硬度等,3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,產(chǎn)品圖樣分析,產(chǎn)品圖樣分析,工藝處理,數(shù)學(xué)處理,按指令系統(tǒng)編程,手工編程,計(jì)算機(jī)輔助,48,3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,工藝處理,加工方式及設(shè)備確定 毛坯尺寸及材料確定 裝夾定位確定 加工路徑及起刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)的確定 刀具數(shù)量、材料、幾何參數(shù)的確定、切削參數(shù)的確定,切深,影響吃刀量的因素有粗、精車(chē)工藝。刀具強(qiáng)度、機(jī)床性能、工件材料及表面粗糙度,進(jìn)給量,粗、精車(chē)工藝:粗車(chē)進(jìn)給量應(yīng)較大,以縮短切削時(shí)間:精車(chē)進(jìn)給量應(yīng)較小以降低表面粗超度。一般情況下,精車(chē)進(jìn)給量小于02mm/r為宜,但要考慮刀尖圓弧半徑的影響;粗車(chē)進(jìn)給量大于0.25mm/r,49,3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,工藝處理,進(jìn)給量,機(jī)床性能:如功率及剛性,工件的裝夾方式,刀具材料及幾何形狀,工件的材料,切削速度,影響切削速度的因素有:刀具材料、工件材料、刀具耐用度、切深與進(jìn)給量。刀具形狀、切削液及機(jī)床性能,50,3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,數(shù)學(xué)處理,1) 按規(guī)定格式編寫(xiě)程序 2) 按“程序編輯步驟”輸入程序,并檢查程序 3) 修改程序 用G92指令建立的坐標(biāo)系,與起刀點(diǎn)位置有關(guān),故程序中起點(diǎn)與終點(diǎn)位置最好一致,既坐標(biāo)X、Z值相同 用G54指令建立的坐標(biāo)系只與機(jī)床零點(diǎn)有關(guān),與起刀點(diǎn)位置無(wú)關(guān),故每次開(kāi)機(jī)后至少應(yīng)回一次參考點(diǎn) 當(dāng)在G91指令狀態(tài)下編程時(shí),起點(diǎn)與終點(diǎn)位置最好一致,既X、Z軸正負(fù)增量為零,1) 編程零點(diǎn)及工件坐標(biāo)系的確定 2) 各節(jié)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算,按指令系統(tǒng)編程,51,3 數(shù)控編程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),3.1 數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)知識(shí),3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,52,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,編程實(shí)例1: 如右圖,技術(shù)條件:該工件毛坯為26尼龍棒,要求六次循環(huán)加工完成,其中后五次的吃刀量為08mm(半徑值),該例為半徑值編程 O2001; (主程序程序名) N1 G92 X16 Z1; (建立坐標(biāo)系) N2 G90 G00 Z0 M03; (快速移位) N3 M98 P0003 L6; (六次調(diào)用子程序) N4 G90 G00 Xl6 Z1; (回到起刀點(diǎn)) N5 M05; (主軸停) N6 M02; (主程序結(jié)束并復(fù)位) O0003; (子程序程序名) N1 G01 G91 X-12 F100; N2 G03 X7.385 Z-4.923 R8; N3 X3.215 Z-39.877 R60; N4 G02 X1.4 Z-28.636 R40; N5 G00 X4; N6 Z73.436; N7 G01 X-4.8 F100; N8 M99;,53,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,編程實(shí)例2: 該工件毛坯為26尼龍棒 O2002; N10 G92 X70 Z30; N20 M06 T0101; N30 M03; N40 G90 G00 X40 Z2; N50 G01 X28 F400; N60 G80 X24.6 Z-70 F200; N70 G00 X24.6; N90 G01 X8 Z2 F300; N100 X16 Z-2 F100; N110 X16 Z-28; N120 X24 Z-38; N130 G01 Z-48; N140 G02 X24 Z-60 R10; N150 G01 Z-70; N160 G00 X70 Z30;,54,3 數(shù)控編程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),3.1 數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)知識(shí),3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,55,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,基于APT/EXAPT語(yǔ)言的數(shù)控輔助編程技術(shù),工藝分析 加工參數(shù)設(shè)置,幾何分析,刀位軌跡 生成,機(jī)床專(zhuān)用的 后置處理,NC代碼仿真,APT/EXAPT,幾何元素定義語(yǔ)句; 機(jī)床、刀具語(yǔ)句; 允差語(yǔ)句; 運(yùn)動(dòng)語(yǔ)句; 后置處理語(yǔ)句; 其它語(yǔ)句,56,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,基于CAD的數(shù)控輔助編程技術(shù),工藝分析 加工參數(shù)設(shè)置,幾何分析,刀位軌跡 生成,機(jī)床專(zhuān)用的 后置處理,NC代碼仿真,CAD模型,標(biāo)準(zhǔn)NC代碼,CAM軟件,CAM模塊: 產(chǎn)品信息模型輸入 特征識(shí)別 刀位與刀具偏置計(jì)算 后處理,57,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,STEP-NC與計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,為解決這方面的問(wèn)題,一種新型的、含有高層語(yǔ)義信息的數(shù)控后置處理文件格式STEP-NC正由STEP標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用協(xié)議AP238所定義。 它是CAM與CNC間的接口,其文件中的代碼在量級(jí)上大致相當(dāng)于傳統(tǒng)數(shù)控文件中的G、M代碼。 AP238文件可由CAD/CAM系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生,當(dāng)AP238文件輸入到CNC機(jī)床后,由STEP-NC控制器根據(jù)該文件直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工操作。,NC代碼無(wú)特征信息、無(wú)工藝信息,STEP-NC控制器: 1)STEP-NC解析器 2)底層NC內(nèi)核,58,3 數(shù)控編程與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),3.1 數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)知識(shí),3.2 數(shù)控機(jī)床手工編程步驟,3.3 數(shù)控機(jī)床編程實(shí)例,3.4 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程,3.5 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù),59,3.5 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù),刀具軌跡的幾何規(guī)劃問(wèn)題,60,考慮多場(chǎng)因素的刀具軌跡規(guī)劃問(wèn)題,3.5 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù),* 力場(chǎng) * 溫度場(chǎng),多能域有限元分析技術(shù),薄壁件加工 特殊材料加工,61,自由曲面加工中刀具偏置問(wèn)題,3.5 計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的關(guān)鍵技術(shù),五軸聯(lián)動(dòng)復(fù)雜型面加工中的刀具偏置問(wèn)題; 四軸聯(lián)動(dòng)型面加工中的刀具偏置問(wèn)題; 三軸聯(lián)動(dòng)型面加工中的刀具偏置問(wèn)題;,運(yùn)動(dòng)計(jì)算幾何學(xué),62,4 制造執(zhí)行系統(tǒng),4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,4.3 基于制造執(zhí)行系統(tǒng)的CAM擴(kuò)展,4.4 加工過(guò)程質(zhì)量控制的輔助技術(shù),4.5 加工過(guò)程制造任務(wù)的調(diào)度技術(shù),63,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,制造執(zhí)行系統(tǒng)的概念源于20世紀(jì)90年代 出發(fā)點(diǎn):在企業(yè)級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃層和車(chē)間級(jí)生產(chǎn)的設(shè)備控制層之間搭建一座能無(wú)縫實(shí)現(xiàn)企業(yè)集成和制造管理的橋梁,通過(guò)信息傳遞、處理,對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化管理。當(dāng)制造現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí),MES能及時(shí)作出反應(yīng)、報(bào)告,并用當(dāng)前準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)和處理,制造執(zhí)行系統(tǒng)的定義,定義:(MES:Manufacturing Execution System),64,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,其涉及到單個(gè)車(chē)間級(jí)或制造單元級(jí)制造現(xiàn)場(chǎng)的制造資源配置與它們之間的集成(硬件方面) 以及在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)“實(shí)時(shí)”信息的處理、交換和管理(軟件方面),作用:MES上聯(lián)ERP/MRPII系統(tǒng)等,以獲取生產(chǎn)與資源計(jì)劃信息并上報(bào)執(zhí)行狀況;下聯(lián)制造設(shè)備(群)過(guò)程控制,以傳遞制造指令并獲取實(shí)時(shí)的制造工況數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制功能,從廣義角度看,制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟件部分可納入到廣義CAM技術(shù)的范疇,制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟硬件劃分,65,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),66,4.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本概念,MES早期的起源來(lái)自于工廠內(nèi)部的需求,作為承接ERP/MRPII的紐帶,傳統(tǒng)的MES即從車(chē)間級(jí)應(yīng)用發(fā)展而來(lái),即制造現(xiàn)場(chǎng)僅限定在一個(gè)制造車(chē)間層面上,隨著網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)的發(fā)展,制造現(xiàn)場(chǎng)的概念被進(jìn)一步拓展,跨工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)亦已出現(xiàn),制造現(xiàn)場(chǎng)可理解為在產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的制造任務(wù)分配前提下,由若干個(gè)分布的工廠、一個(gè)工廠(若干車(chē)間)、一個(gè)車(chē)間(若干制造單元)的制造裝備所配置出來(lái)的基于所制造產(chǎn)品的一個(gè)動(dòng)態(tài)制造系統(tǒng) 其形態(tài)伴隨著所制造的產(chǎn)品的不同而不同,這給制造執(zhí)行系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的問(wèn)題,制造執(zhí)行系統(tǒng)的由來(lái)與趨勢(shì),67,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置取決于制造單元配置技術(shù)的發(fā)展,在傳統(tǒng)的定單驅(qū)動(dòng)的制造企業(yè)組織模式下,企業(yè)內(nèi)部以車(chē)間級(jí)為單位,并以機(jī)群式(單件小批量)、流水線式(大批量)等形成車(chē)間的制造布局形式。當(dāng)車(chē)間接收產(chǎn)品訂單,通過(guò)選擇其中的部分工段、相關(guān)的制造裝備構(gòu)成面向訂單的MES,這種MES配置方式缺乏柔性,不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的要求 為此,基于DNC的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)、成組制造單元、自治制造單元、柔性制造單元等制造單元技術(shù)已被采用以支持MES的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)硬件配置的發(fā)展歷程,68,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,MES需從設(shè)備控制層獲取實(shí)時(shí)的制造工況信息,而采用DNC則可達(dá)到目標(biāo),DNC是指采用一或多臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行集中控制與管理的一種方式。其目的包括: 進(jìn)行自上而下的NC代碼的傳輸與管理 完成自低而上的設(shè)備工況匯集與處理,基于DNC的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)(1),從硬件方面看,DNC聯(lián)網(wǎng)可通過(guò)數(shù)控設(shè)備的RS232串口、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口,并用現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)及相關(guān)的交換機(jī)等進(jìn)行互聯(lián),69,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,從軟件方面看,DNC軟件涉及到以下功能:,基于DNC的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)(2),遠(yuǎn)程數(shù)控指令傳輸:包括支持“邊傳輸,邊加工”模式; CNC設(shè)備存儲(chǔ)器的“分段Buffer”模式、數(shù)控指令“全下載(DNC服務(wù)器到CNC設(shè)備存儲(chǔ)器)”、“全上載 (CNC設(shè)備存儲(chǔ)器到DNC服務(wù)器)”模式, 數(shù)控指令編輯、仿真與管理,數(shù)控設(shè)備加工工況數(shù)據(jù)收集與處理。包括質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)分析等,數(shù)控設(shè)備的工況跟蹤日志及管理。包括通訊、配置、加工工況歷史記錄等,典型的DNC軟件包括Advanced DNC for Windows、Visual DNC、EXtremeDNC、DNC Professional等,70,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,一種根據(jù)零件相似性、設(shè)備負(fù)荷平衡等統(tǒng)計(jì)信息,按待加工零件族組織制造資源進(jìn)行生產(chǎn)的一種單元技術(shù),成組技術(shù)是其理論基礎(chǔ),成組單元的形成步驟描述如下:,成組制造單元(1),建立零件編碼系統(tǒng),并對(duì)歷史零件進(jìn)行編碼,采用成組技術(shù)中的相關(guān)零件聚類(lèi)算法如“分枝-聚類(lèi)”法、模糊匹配法等產(chǎn)生零件族, 統(tǒng)計(jì)零件族中的零件加工特征的幾何、精度要求范圍,分析工序要求,并據(jù)此確定加工機(jī)床類(lèi)型,根據(jù)加工歷史統(tǒng)計(jì),確認(rèn)零件族的制造負(fù)荷量,從而確定單元機(jī)床數(shù)目, 根據(jù)零件族中加工特征,安排機(jī)床的布局形式,71,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,成組制造單元(2),采用成組制造單元進(jìn)行加工活動(dòng)時(shí),其制造任務(wù)接收取決于待加工零件的零件族歸屬,例如,某企業(yè)選取某一典型生產(chǎn)時(shí)間段作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間,進(jìn)行產(chǎn)品、零件、工序、工時(shí)定額、機(jī)床負(fù)荷量等的統(tǒng)計(jì),經(jīng)采用成組技術(shù)形成零件族,設(shè)計(jì)出兩個(gè)成組制造單元:,軸類(lèi)加工單元:包括普通車(chē)床4臺(tái)、NC車(chē)床1臺(tái)、外圓磨床1臺(tái)、立銑1臺(tái)、鉆床1臺(tái);,輪盤(pán)類(lèi)加工單元:包括普通車(chē)8臺(tái)、NC車(chē)床1臺(tái)、外圓磨床1臺(tái)、內(nèi)圓磨床2臺(tái)、平面磨床1臺(tái)、萬(wàn)能銑床1臺(tái)、 鉆床1臺(tái),72,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,自治制造單元,一種對(duì)外界制造任務(wù)具有自適應(yīng)、智能化加工的一種單元。智能化制造技術(shù)是其基礎(chǔ)理論,自治制造單元的自適應(yīng)性和智能性表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在與外界交互方面,二是自身內(nèi)部方面,在與外界交互方面,自治制造單元能“感知”外部制造任務(wù),并主動(dòng)出擊力爭(zhēng)獲取制造任務(wù)。當(dāng)所接受的制造任務(wù)正處于處理階段時(shí),能主動(dòng)與相關(guān)外部環(huán)節(jié)“協(xié)調(diào)”,達(dá)到制造任務(wù)的優(yōu)化完成,在自身內(nèi)部方面,自治制造單元內(nèi)部具備實(shí)時(shí)的制造質(zhì)量控制調(diào)節(jié)能力和設(shè)備的自診斷能力等。根據(jù)制造任務(wù)當(dāng)前加工工況的不同,可自動(dòng)調(diào)節(jié)加工參數(shù)、進(jìn)行刀具磨損預(yù)報(bào),從而達(dá)到對(duì)零件加工精度的閉環(huán)補(bǔ)償,自治制造單元的設(shè)備構(gòu)成常為附帶各種自適應(yīng)及智能化附件的加工中心,73,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元(1),是面向單件、多品種零件的加工而提出的一種單元。提高針對(duì)不同工序的加工柔性、適應(yīng)不同零件的加工能力柔性是設(shè)計(jì)柔性制造單元的關(guān)鍵,從硬件方面看,柔性制造單元包含制造裝備、裝夾與搬運(yùn)裝置、工件緩存站等,制造裝備:包括各種加工中心(如車(chē)削加工中心、鏜銑加工中心等),裝夾與搬運(yùn)裝置:包括機(jī)器人、托板傳送裝置等,工件緩存站:用于工件臨時(shí)存放,并通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)AGV、工件傳送鏈等與外界進(jìn)行工件交換,74,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元(2),75,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,柔性制造單元(3),從軟件方面看,柔性制造單元需兩類(lèi)軟件支撐,一是單元調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng);二是單元計(jì)劃與制造管理系統(tǒng)。這些軟件隸屬于廣義CAM,柔性制造單元的軟件所面向的求解對(duì)象是“工序”。所有操作均跟工序相關(guān),單元監(jiān)控涉及到設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與診斷、加工精度補(bǔ)償?shù)?單元調(diào)度涉及到工序排隊(duì)、工序質(zhì)量控制、工序加工相關(guān)的工況數(shù)據(jù)采集與分析等,單元計(jì)劃涉及到相應(yīng)的排產(chǎn)問(wèn)題,制造管理則從全局的角度出發(fā),以“工序”為關(guān)聯(lián)單位,將加工過(guò)程的制造信息用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)形式進(jìn)行管理,并對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行跟蹤,76,4.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的配置,制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化,依賴(lài)于制造裝備的網(wǎng)絡(luò)接口、制造單元的網(wǎng)絡(luò)化,將制造單元進(jìn)行互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型與協(xié)議,用于支持MES進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的技術(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù),由于與Internet的兼容問(wèn)題,工

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