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1、我國(guó)常用數(shù)控系統(tǒng)的比較我國(guó)常用數(shù)控系統(tǒng)的比較摘要 簡(jiǎn)單介紹數(shù)控的基本知識(shí),并針對(duì)我國(guó)常用數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)和FANUC數(shù)控系統(tǒng)和華中數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較。關(guān)鍵字 數(shù)控技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)前言 數(shù)控技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電機(jī)、電氣傳動(dòng)、測(cè)量、監(jiān)控、機(jī)械制造等學(xué)科領(lǐng)域成果而形成的一門藝術(shù)。在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域中,數(shù)控技術(shù)已成為核心技術(shù)之一,是實(shí)現(xiàn)柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)床裝備中,形成了機(jī)床數(shù)控技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床數(shù)控技術(shù)的核心,我國(guó)常用的數(shù)控SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)和FANUC數(shù)控系統(tǒng)和華中數(shù)控系統(tǒng)之間存在一些差異。一、數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介數(shù)控技術(shù),簡(jiǎn)稱數(shù)控(Nu

2、merical Control)。它是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床,或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控(NC)機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)包括:數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)器及進(jìn)給裝置等部分。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品,是新一代生產(chǎn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等的技術(shù)集合?,F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、復(fù)合化、智能化和開放式結(jié)構(gòu)。主要發(fā)展動(dòng)向是研制開發(fā)軟、硬件都具有開放式結(jié)構(gòu)的智能化全功能通用數(shù)控裝置。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ),是數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù),其水平高低關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的水平。它隨著

3、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。2、 數(shù)控系統(tǒng)的基本組成 數(shù)字控制機(jī)床是采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的一類機(jī)床,它是數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的裝置,計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的組成如圖所示。2.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。在一般的數(shù)控加工過(guò)程中,首先啟動(dòng)CNC裝置,在CNC內(nèi)部軟件的控制下,通過(guò)輸入裝置或輸入接口讀入零件的數(shù)控加工程序,并存放到CNC裝置的存儲(chǔ)區(qū)。開始加工時(shí),在控制軟件的作用下,將數(shù)控加工程序從存儲(chǔ)區(qū)讀出,按程序段進(jìn)行處理,先進(jìn)行譯碼處理,將零件數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)

4、換成計(jì)算機(jī)能處理的內(nèi)部形式,將程序段的內(nèi)容分成位置數(shù)據(jù)和控制指令,并存放到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中,最后根據(jù)數(shù)據(jù)和指令的性質(zhì)進(jìn)行各種流程處理,完成數(shù)控加工的各項(xiàng)功能。2.2 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置將伺服單元的輸出變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng),它與伺服單元一起是數(shù)控裝置和機(jī)床傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié),它們有的帶動(dòng)工作臺(tái),有的帶動(dòng)刀具,通過(guò)幾個(gè)軸的綜合聯(lián)動(dòng),使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng),加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。2.3 伺服單元伺服單元分為主軸伺服和進(jìn)給伺服兩部分,分別用來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。伺服單元接收來(lái)自CNC裝置的進(jìn)給指令,這些指令經(jīng)變換和放大后通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)變成執(zhí)行部件進(jìn)給的速度、方向、位移。

5、2.4 可編程邏輯控制器(PLC) PLC主要完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)的一些動(dòng)作,沒有軌跡上的具體要求,它接受CNC裝置的控制代碼M(輔助功能)、S(主軸轉(zhuǎn)速)、T(選刀、換刀)等順序動(dòng)作信息,對(duì)其進(jìn)行譯碼,轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào),控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作,如工件的裝夾、刀具的更換、冷卻液的開、關(guān)等一些輔助動(dòng)作;它還接受機(jī)床操作面板的指令,一方面直接控制機(jī)床的動(dòng)作,另一方面將一部分指令送往CNC裝置,用于加工過(guò)程的控制。2.5 機(jī)床本體 機(jī)床本體即數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件,包括主運(yùn)動(dòng)部件、給進(jìn)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件(工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件)、支承部件(床身立柱等)、輔助裝置(具有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等功

6、能的裝置),加工中心類的數(shù)控機(jī)床還有存放刀具的刀庫(kù)、交換刀具的機(jī)械手等部件。 數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似,但是由于數(shù)控機(jī)床的高速度、高精度、大切削用量和連續(xù)加工要求,其機(jī)械部件在精度、剛度、抗震性等方面要求更高。因此,近年來(lái)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)采用了許多新的加強(qiáng)剛性、減小熱變形、提高精度等方面的措施。3、 數(shù)控系統(tǒng)的分類3.1 按機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡分類 1、點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng) 2、直線切削數(shù)控系統(tǒng) 3、連續(xù)切削數(shù)控系統(tǒng)3.2 按伺服系統(tǒng)控制方式分類 1、開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 2、全閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 3、半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 3.3 按數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類 1、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng) 2、普及

7、型又稱全功能數(shù)控系統(tǒng) 3、高檔型數(shù)控系統(tǒng)4、 我國(guó)常用數(shù)控機(jī)床4.1 FANUC數(shù)控系統(tǒng) FANUC系統(tǒng)是日本富士通公司的產(chǎn)品,通常其中文譯名為發(fā)那科。FANUC系統(tǒng)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)有非常悠久的歷史,有多種型號(hào)的產(chǎn)品在使用,使用較為廣泛的產(chǎn)品有FANUC 0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在這些型號(hào)中,使用最為廣泛的是FANUC0系列。 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝、各個(gè)控制板高度集成,使可靠性有很大提高,而且便于維修、更換。FANUC系統(tǒng)設(shè)計(jì)了比較健全的自我保護(hù)電路。PMC信號(hào)和PMC功能指令極為豐富,便于工具機(jī)廠商編制PMC控制程序,而且增加了編程的靈活

8、性。系統(tǒng)提供串行RS232C接口,以太網(wǎng)接口,能夠完成PC和機(jī)床之間的數(shù)據(jù)傳輸。FANUC系統(tǒng)性能穩(wěn)定,操作界面友好,系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似,具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用,對(duì)于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高,因此適應(yīng)性很強(qiáng)。鑒于前述的特點(diǎn),F(xiàn)ANUC系統(tǒng)擁有廣泛的客戶。使用該系統(tǒng)的操作員隊(duì)伍十分龐大,因此有必要了解該系統(tǒng)的一些軟、硬件上的特點(diǎn)。我們可以通過(guò)常見的FANUC 0系列了解整個(gè)FANUC系統(tǒng)的特點(diǎn)。1、剛性攻絲主軸控制回路為位置閉環(huán)控制,主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸(Z軸)進(jìn)給完全同步,從而實(shí)現(xiàn)高速高精度攻絲。 2、復(fù)合加工循環(huán) 復(fù)合加工循環(huán)

9、可用簡(jiǎn)單指令生成一系列的切削路徑。比如定義了工件的最終輪廓,可以自動(dòng)生成多次粗車的刀具路徑,簡(jiǎn)化了車床編程。 3、圓柱插補(bǔ)適用于切削圓柱上的槽,能夠按照?qǐng)A柱表面的展開圖進(jìn)行編程。 4、直接尺寸編程 可直接指定諸如直線的傾角、倒角值、轉(zhuǎn)角半徑值等尺寸,這些尺寸在零件圖上指定,這樣能簡(jiǎn)化部件加工程序的編程。5、記憶型螺距誤差補(bǔ)償 可對(duì)絲杠螺距誤差等機(jī)械系統(tǒng)中的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償數(shù)據(jù)以參數(shù)的形式存儲(chǔ)在CNC的存儲(chǔ)器中。 6、CNC內(nèi)裝PMC編程功能 PMC對(duì)機(jī)床和外部設(shè)備進(jìn)行程序控制7、隨機(jī)存儲(chǔ)模塊 MTB(機(jī)床廠)可在CNC上直接改變PMC程序和宏執(zhí)行器程序。由于使用的是閃存芯片,故無(wú)需專用的RA

10、M寫入器或PMC的調(diào)試RAM。 8、顯示裝置 4.2 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng) SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)集成所有數(shù)控系統(tǒng)元件(數(shù)字控制器,可編程控制器,人機(jī)操作界面)于一體的操作面板安裝形式的控制系統(tǒng)。所配套的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接口采用西門子公司全新設(shè)計(jì)的可分布式安裝以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)技術(shù),這種新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)所提供的DRIVE-CLiQ接口可以連接多達(dá)6軸數(shù)字驅(qū)動(dòng)。外部設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制總線 PROFIBUS DP連接。這種新的的驅(qū)動(dòng)接口連接技術(shù)只需要最少數(shù)量的幾根連線就可以進(jìn)行非常簡(jiǎn)單而容易的安裝。SINUMERIK802D sl為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控車床和數(shù)控銑床提供了完備的功能,

11、其配套的模塊化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為各種應(yīng)用提供了極大的靈活性。性能方面經(jīng)過(guò)大大改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)軟件(Sizer,Starter)可以幫助用戶完成從項(xiàng)目開始階段的設(shè)計(jì)選型,訂貨直到安裝調(diào)試全部過(guò)程中的各項(xiàng)任務(wù)。 SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)功能 相對(duì)于802D在性能上有許多的改進(jìn),為廣大的客戶在希望擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和范圍方面提供了更多的可能和受益,例如:可以方便的使用 DIN 編程技術(shù)和 ISO 代碼進(jìn)行編程,卓越的產(chǎn)品可靠性,數(shù)字控制器,可編程控制器,人機(jī)操作界面,輸入/輸出單元一體化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),由各種循環(huán)和輪廓編程提供的擴(kuò)展編程幫助技術(shù),通過(guò)DRIVE-CLiQ 接口實(shí)現(xiàn)的最新數(shù)字式驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了統(tǒng)一的

12、數(shù)字式接口標(biāo)準(zhǔn),各種驅(qū)動(dòng)功能按照模塊化設(shè)計(jì),可以根據(jù)性能要求和智能化要求靈活安排,各種模塊不需要電池及風(fēng)扇,因而無(wú)需任何維護(hù)。 各種功能體現(xiàn)了西門子公司最新的產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù),例如5個(gè)數(shù)字驅(qū)動(dòng)軸,其中任意4個(gè)都可以作為聯(lián)動(dòng)軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算,另一個(gè)作為定位軸使用,同時(shí),還提供一個(gè)相應(yīng)的數(shù)字式主軸(模擬主軸即將推出)作為一個(gè)變型使用, 在帶C 軸功能時(shí),可以采用3個(gè)數(shù)字軸,一個(gè)數(shù)字主軸,一個(gè)數(shù)字輔助主軸和一個(gè)數(shù)字定位軸的配置。新一代的西門子驅(qū)動(dòng)技術(shù)平臺(tái)SINAMICS S120伺服系統(tǒng)通過(guò)已經(jīng)集成在元件級(jí)的DRIVE-CLiQ來(lái)對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行識(shí)別和診斷,從操作面板就可以進(jìn)行操作,使用的標(biāo)準(zhǔn)閃存卡(CF)可以

13、非常方便的備份全部調(diào)試數(shù)據(jù)文件和子程序,通過(guò)閃存卡(CF)可以對(duì)加工程序進(jìn)行快速處理,通過(guò)連接端子使用兩個(gè)電子手輪,216 個(gè)數(shù)字輸入和144 個(gè)數(shù)字輸出(0.25A),RCS802 - 遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程控制(NC 和 PLC),RCSEvent(通過(guò)電子郵件進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷),USB口(即將推出)。4.3 華中數(shù)控系統(tǒng) 華中數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu).1 軟件結(jié)構(gòu)說(shuō)明 華中數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中虛線以下的部分稱為底層軟件,它是華中數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái),其中RTM模塊為自行開發(fā)的實(shí)時(shí)多任務(wù)管理模塊,負(fù)責(zé)CNC系統(tǒng)的任務(wù)管理管理調(diào)度。NCBIOS模塊為基本輸入輸出系統(tǒng),管理CNC系統(tǒng)所有的外部控制對(duì)

14、象,包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(I/O)的管理、位置控制、PLC控制、插補(bǔ)計(jì)算以及內(nèi)部監(jiān)控等。RTM和NCBIOS兩模塊合起來(lái)統(tǒng)稱NCBASE,如圖中雙點(diǎn)畫線框所示。圖中虛線以上的部分稱為過(guò)程控制軟件(或上層軟件),它包括編輯程序、參數(shù)設(shè)置、譯碼程序、PLC管理、MDI、故障顯示等與用戶操作有關(guān)的功能子模塊。對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng),其功能的區(qū)別都在這一層,系統(tǒng)功能的增減均在這一層進(jìn)行;各功能模塊通過(guò)NCBASE的NCBIOS與底層進(jìn)行信息交換。 圖1 華中數(shù)控裝置軟件結(jié)構(gòu).2 NCBASE的功能(1)實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度 該功能由RTM模塊實(shí)現(xiàn)。調(diào)度核心由時(shí)鐘中斷服務(wù)程序和任務(wù)調(diào)度程序組成。如圖2所示。根據(jù)任務(wù)要

15、求的調(diào)度機(jī)制(采用優(yōu)先搶占加時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度)和任務(wù)的狀態(tài),調(diào)度核心對(duì)任務(wù)實(shí)行管理,即決定當(dāng)前哪個(gè)任務(wù)獲得CPU的控制權(quán),并監(jiān)控任務(wù)的狀態(tài)。系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)只能通過(guò)調(diào)度核心才能運(yùn)行和終止。圖2描述了各個(gè)任務(wù)與調(diào)度核心的關(guān)系,圖中的實(shí)線表示從調(diào)度核心進(jìn)入任務(wù)或任務(wù)在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)未能運(yùn)行完而返回調(diào)度核心的狀態(tài);圖中虛線表示任務(wù)在時(shí)間片內(nèi)運(yùn)行完畢返回調(diào)度核心的狀態(tài)。(2)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ诓煌目刂茖?duì)象,如加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床等,硬件的配置可能不同,而不同的硬件模塊其驅(qū)動(dòng)程序也不同。華中數(shù)控系統(tǒng)就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。在配置系統(tǒng)時(shí),所有的硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序都要在NCBIOS的NCBIOS

16、.CFG中說(shuō)明(格式為:DEVICE=驅(qū)動(dòng)程序名)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),NCBIOS根據(jù)NCBIOS.CFG的預(yù)先設(shè)置,調(diào)入對(duì)應(yīng)模塊的驅(qū)動(dòng)程序,建立相應(yīng)的接口通道。(3)位置控制 位置控制是NCBIOS的一個(gè)固定程序,主要是接受插補(bǔ)運(yùn)算程序送來(lái)的位置控制指令,經(jīng)進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償、極限位置判別等處理后,輸出速度指令值給位置控制模塊。 圖2 多任務(wù)調(diào)度圖(4)插補(bǔ)器華中數(shù)控系統(tǒng)為多通道(可為四通道)數(shù)控系統(tǒng),每個(gè)通道都有一個(gè)插補(bǔ)器,相應(yīng)就創(chuàng)建一個(gè)插補(bǔ)任務(wù)。其任務(wù)主要是完成直線、圓弧、螺紋、攻絲及微小直線段(供自由曲線和自由曲面加工用)等插補(bǔ)運(yùn)算。(5)PLC調(diào)度PLC調(diào)度的主要任務(wù)是:故障

17、的報(bào)警處理;M、S、T處理;急停和復(fù)位處理;虛擬軸驅(qū)動(dòng)處理;刀具壽命管理;操作面板的開關(guān)處理;指示燈及突發(fā)事件處理等。(6)內(nèi)部監(jiān)控 實(shí)現(xiàn)對(duì)CNC系統(tǒng)各部分故障的監(jiān)控。 華中數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 華中數(shù)控系統(tǒng)是我國(guó)為數(shù)不多具有自主版權(quán)的高性能數(shù)控系統(tǒng)之一。它以通用的工業(yè)PC機(jī)(IPC)和DOS、WINDOWS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用開放式的體系結(jié)構(gòu),使華中數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和質(zhì)量得到了保證。它適合多坐標(biāo)(25)數(shù)控鏜銑床和加工中心,在增加相應(yīng)的軟件模塊后,也能適應(yīng)于其它類型的數(shù)控機(jī)床(如數(shù)控磨床、數(shù)控車床等)以及特種加工機(jī)床(如激光加工機(jī)、線切割機(jī)等)。 華中數(shù)控裝置的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)的

18、硬件由工業(yè)PC機(jī)(IPC)、主軸驅(qū)動(dòng)單元和交流伺服單元等幾個(gè)部分組成。各組成部分介紹如下。(1) 圖3中的慮線框?yàn)橐慌_(tái)IPC的基本配置,其中ALL-IN-ONE CPU卡的配置是CPU 80386以上、內(nèi)存2MB以上、cache 128kB以上、軟硬驅(qū)接口、鍵盤接口、二串一并通信接口、DMA控制器、中斷控制器和定時(shí)器;外存是包括軟驅(qū)、硬驅(qū)和電子盤在內(nèi)的存儲(chǔ)器件。(2)系統(tǒng)總線是一塊由四層印刷電路板制成的無(wú)源母板。(3)圖3中的單點(diǎn)畫線部分是數(shù)控系統(tǒng)的操作面板,其中數(shù)控鍵盤通過(guò)COM2口直接寫標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的緩沖區(qū)。 圖3單機(jī)或主從結(jié)構(gòu)的CNC裝置硬件結(jié)構(gòu)(4)圖3中的雙點(diǎn)畫線的模塊表示是可根據(jù)用戶特殊要求而定制的功能模塊。(5)位置單元接口根據(jù)伺服單元的不同而有不同的具體實(shí)施方案;當(dāng)伺服單元為數(shù)字交流伺服單元時(shí),位置單元接口可采用標(biāo)準(zhǔn)RS232C串口;當(dāng)伺服單元為模擬式交/直流伺服單元時(shí),位置單元接口采用位置環(huán)板;當(dāng)用步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件時(shí)(教學(xué)數(shù)控機(jī)床),位置單元接口采用多功能數(shù)控接口板。(6)光隔I/O板主要處理控制面板上以及機(jī)床測(cè)量的開關(guān)量信號(hào)。(7)多功能板主要處理主軸單元的模擬或數(shù)字控制信號(hào),并回收來(lái)自主軸編碼器、手搖脈沖發(fā)生器的脈沖信號(hào)。結(jié)論 通過(guò)上述比較可

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