三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含開題及CAD圖
三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含開題及CAD圖,自由度,機(jī)械手,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),開題,cad
設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
姓 名
學(xué)號(hào)
專 業(yè)
題 目
三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、研究背景、概況及意義
研究背景:機(jī)械手是能夠模仿人手和手臂的功能,按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可以部分或全部代替人力,從事一些單調(diào)、繁重的重復(fù)性勞動(dòng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化,能在有害環(huán)境中操作得以保護(hù)人身安全,當(dāng)前正廣泛用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布局方式的不同,機(jī)械手可分為直角坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式等種類,而一臺(tái)機(jī)械手所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(抓取動(dòng)作機(jī)構(gòu)除外)的數(shù)量稱為機(jī)械手的自由度。理論上講,為了抓取空間中任意位置和方位的物體至少需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多,機(jī)械手的靈活性越大,通用性越廣,其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2一3個(gè)自由度。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同,機(jī)械手可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手等。本課題進(jìn)行的是三自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
研究概況:早在上個(gè)世紀(jì)40年代,美國(guó)在原子能實(shí)驗(yàn)中,率先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料,工作人員在安全室操縱機(jī)械手完成各種動(dòng)作和實(shí)驗(yàn),其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡(jiǎn)單的機(jī)械手控制形式,機(jī)械手(執(zhí)行機(jī))通過(guò)機(jī)械或電動(dòng)等仿形機(jī)構(gòu),跟蹤操作人員的手臂(操作機(jī))動(dòng)作。其突出特點(diǎn)是機(jī)械手工作過(guò)程中需要人的參與,能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測(cè)能力,以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因?yàn)槠鋵?duì)人的依賴,自動(dòng)化程度不高。
50年代后,機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門,用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料,也作為機(jī)床的輔助裝置,在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用,完成上下料或從刀庫(kù)中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機(jī)械手系統(tǒng)中,普遍采用了繼電邏輯控制或計(jì)算機(jī)邏輯控制,機(jī)械手按照事先編制好的控制邏輯,自動(dòng)完成順序動(dòng)作。
臺(tái)灣的天行自動(dòng)化機(jī)械股份有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)機(jī)械手臂及周邊自動(dòng)化設(shè)備,集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、銷售、服務(wù)為一體的企業(yè),其產(chǎn)品為世界知名的領(lǐng)導(dǎo)品牌之一,銷售范圍遍布全國(guó)及世界各地。
日本有信(y-ushin)精機(jī)株式會(huì)社主要生產(chǎn)以機(jī)械手為中心的各種機(jī)械設(shè)備、儀器等。主要產(chǎn)品采用了低阻力導(dǎo)軌機(jī)構(gòu),機(jī)械手臂采用更輕,硬度更高的材質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)了高速的機(jī)械動(dòng)作。
歐美的機(jī)械手發(fā)展比較成熟,位于奧地利的Wittmann集團(tuán)是全球最大的自動(dòng)化設(shè)
備供應(yīng)商之一,產(chǎn)品有全伺服機(jī)械手 W711、單軸伺服機(jī)械手W710等,其中W710型機(jī)械手的橫軸采用伺服馬達(dá),確保運(yùn)動(dòng)自由靈活,W7n型機(jī)械手是三軸主軸配備高速伺服馬達(dá)的機(jī)械手,可實(shí)現(xiàn)圖形化的操作界面。
我國(guó)的機(jī)械手研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初,到現(xiàn)在經(jīng)歷了30多年的歷程,前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài),發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃,經(jīng)過(guò)幾年的攻關(guān),完成了工業(yè)機(jī)器人的成套技術(shù)(包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)的開發(fā),進(jìn)入90年代后半期,我國(guó)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的商品化,為產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
研究意義:本課題涉及到機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。通過(guò)本課題的工作,我們不僅得到了實(shí)現(xiàn)三自由度機(jī)械手的單片機(jī)控制的實(shí)踐機(jī)會(huì),而且對(duì)于多學(xué)科交叉、滲透與交流有積極的促進(jìn)作用。
二、研究主要內(nèi)容
以MCS-51單片機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等為核心器件。由MCS-51單片機(jī)配制外圍電路組成三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng),對(duì)步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行隔離供電,用軟件生成拍脈沖并對(duì)脈沖電流進(jìn)行放大以便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到控制機(jī)械手在三個(gè)自由度X、Y、Z軸上的移動(dòng),移動(dòng)的坐標(biāo)范圍為0~900mm。采用鍵盤輸入末端執(zhí)行器的絕對(duì)坐標(biāo)和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,用四位LED或LCD顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過(guò)改變定時(shí)時(shí)間來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度,轉(zhuǎn)速分為6檔。同時(shí)電路中還包含有復(fù)位、刪除等若干個(gè)功能鍵,以便在緊急環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制??刂栖浖蓞R編語(yǔ)言編制,由主程序與各個(gè)子程序構(gòu)成。
三、研究步驟、方法及措施
研究步驟:先閱讀任務(wù)書,熟悉所研究的課題,完成開題報(bào)告,之后利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行電路初步設(shè)計(jì),再根據(jù)所要求的參數(shù)選擇控制電路中所用器件的型號(hào),隨后繪制
控制電路原理圖和印刷電路板圖(PCB),而后編寫控制程序源代碼,最后整理資料,書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
研究方法及措施:拿到設(shè)計(jì)題目后,先查閱有關(guān)機(jī)械手單片機(jī)控制系統(tǒng)的資料(通過(guò)借閱圖書管書籍以及查閱電子期刊與電子圖書獲得),了解它的工作原理與結(jié)構(gòu)來(lái)確定使用何種控制電路。我們?cè)O(shè)計(jì)中要求對(duì)步進(jìn)電機(jī)供電與單片機(jī)隔離供電,因此要設(shè)計(jì)隔離供電裝置。同時(shí)我們還需要查閱相關(guān)的資料來(lái)了解各種接口技術(shù)、各種芯片以及鍵盤與顯示的使用原理。然后理順?biāo)悸?,在老師的指?dǎo)下完成電路的初步設(shè)計(jì),之后根據(jù)所要求的參數(shù)及所查取的資料選擇所用器件的型號(hào),完成器件選型。然后學(xué)習(xí)并利用PROTEL軟件繪制電路原理圖和印刷電路版圖(PCB)的。接下來(lái)根據(jù)控制電路圖以及機(jī)械手工作方式來(lái)編制程序,完成程序源代碼的編寫。編制完后進(jìn)行調(diào)試來(lái)檢查程序是否正確,如不正確,須檢查控制電路和程序是否出錯(cuò)并修改。最后階段是編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書,綜合闡述硬件與軟件的設(shè)計(jì)思想、工作原理等。編寫完畢后,整理思路,準(zhǔn)備答辯。
四、研究進(jìn)度計(jì)劃
(1)2月25日~3月8日,閱讀任務(wù)書、明確任務(wù),準(zhǔn)備相關(guān)資料,了解相關(guān)知識(shí),完成開題報(bào)告的填寫;
(2)4月1日~4月22日,完成電路初步設(shè)計(jì)和器件選型;
(3)4月22日~5月2日,完成電路原理圖繪制(PROTEL);
(4)5月2日~5月15日,完成印刷電路板圖(PCB)的繪制(PROTEL);
(5)5月15日~5月30日,完成程序源代碼的編寫;
(6)6月1日~6月13日,其它完善工作,及編寫說(shuō)明書,準(zhǔn)備答辯。
五、參考文獻(xiàn)
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[2] 張洪潤(rùn).易濤.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程[M],2003.
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[4] 王益全.電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2005.
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[8] 趙廣林.Protel99SE電路設(shè)計(jì)與制板[M]. 電子工業(yè)出版社,2005.
[9] Saeed B.Niku.Introduction to Robotics[M]. 電子工業(yè)出版社,2004.
[10] Richard C. Dorf,Robert H. Bishop.Modern Control Systems[M].科學(xué)出版社,2002.
學(xué)生簽名: 年 月 日
指導(dǎo)教師意見(對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見及開題是否通過(guò)):
通過(guò) □ 完善后通過(guò) □ 未通過(guò) □
指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日
注:開題報(bào)告用A4紙打印裝訂在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書后,學(xué)生可根據(jù)開題報(bào)告的長(zhǎng)度加頁(yè)。
開題是否通過(guò)請(qǐng)指導(dǎo)教師在□內(nèi)打“√”。
三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)綜述
摘要:機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能,它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化,能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。木文列取出了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械手,并加以比較,最后得出結(jié)論是開發(fā)設(shè)計(jì)和研究機(jī)械手具有最廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:機(jī)械手;實(shí)際生產(chǎn);教學(xué)研究
1前言
機(jī)械手是能夠模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能,按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可以部分或全部代替人力,從事一些單調(diào)、繁重的重復(fù)性勞動(dòng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化,,能在有害環(huán)境下操作得以保護(hù)人身安全,應(yīng)而當(dāng)前正廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支,是近幾十年才發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù),在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn),尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。
2研究背景
早在上個(gè)世紀(jì)40年代,美國(guó)在原子能實(shí)驗(yàn)中,率先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料,工作人員在安全室操縱機(jī)械手完成各種動(dòng)作和實(shí)驗(yàn),其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡(jiǎn)單的機(jī)械手控制形式,機(jī)械手通過(guò)機(jī)械或電動(dòng)等仿形機(jī)構(gòu),跟蹤操作人員的手臂(操作機(jī))動(dòng)作。其突出特點(diǎn)是機(jī)械手工作過(guò)程中需要人的參與,能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測(cè)能力,以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因?yàn)槠鋵?duì)人的依賴,自動(dòng)化程度不高。
50年代后,機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門,用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料,也作為機(jī)床的輔助裝置,在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用,完成上下料或從刀庫(kù)中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機(jī)械手系統(tǒng)中,普遍采用了繼電邏輯控制或計(jì)算機(jī)邏輯控制,機(jī)械手按照事先編制好的控制邏輯,自動(dòng)完成順序動(dòng)作。
移動(dòng)機(jī)械手的研究始于60年代末期,斯坦福研究院(SRI)的Nilssen和Charles Rosen等人,在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動(dòng)機(jī)器人。其目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù),在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。70年代末,隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在80年代中期,設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界,一大批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),從而促進(jìn)另外移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來(lái),以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù),高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù),真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)標(biāo)志,開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。
目前研究的移動(dòng)機(jī)器人都是帶有智能的機(jī)器人:機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài),它能根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界來(lái)獨(dú)立決定工作方法,利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)完成任務(wù),并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。
這些具有智能的機(jī)器人,有的能夠模擬人類用兩條腿走路,可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng);有的具有視覺和觸覺功能,能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn);有的具有自主控制和決策能力,不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器,而且還能夠應(yīng)用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。
3機(jī)械手現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
美國(guó)在2003年發(fā)射的火星探測(cè)車“勇氣”號(hào)2004年1月3日在火星安全著陸,并完成了90個(gè)火星日的科研工作?!坝職狻碧?hào)這輛先進(jìn)的探測(cè)車向世人展示了美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),“勇氣”號(hào)探測(cè)車就是一個(gè)具有手臂的移動(dòng)機(jī)器人。他的大腦是一臺(tái)高速計(jì)算機(jī),車體靠自身具有的六個(gè)輪子在火星地面運(yùn)動(dòng),視覺系統(tǒng)采用一對(duì)全景照相機(jī)來(lái)拍攝火星表面和天空的全景視圖,也用于形成著陸點(diǎn)附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤,來(lái)完成尋找火星遠(yuǎn)古時(shí)期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作;另外分別于車體前端和后端安裝兩組相同的避危攝影機(jī),由一組立體影象的黑白攝影機(jī)所構(gòu)成的,所拍攝的影象除了用于障礙物偵測(cè)之外還用于探險(xiǎn)車的路徑規(guī)劃上。
日本TMSUK公司開發(fā)的搶險(xiǎn)救生機(jī)器人“T-52援龍”屬于雙臂式油壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,通過(guò)履帶移動(dòng),雙臂有22個(gè)自由度,可在事故現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)倍于人力的工作以及救援人員無(wú)法接近的危險(xiǎn)區(qū)救援等。配備9臺(tái)有效像素68萬(wàn)的CCD相機(jī),可向遠(yuǎn)程操作裝置傳送圖象。而日本有信(y-ushin)精機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的以機(jī)械手為中心的各種機(jī)械設(shè)備、儀器等主要產(chǎn)品采用了低阻力導(dǎo)軌機(jī)構(gòu),機(jī)械手臂采用更輕,硬度更高的材質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)了高速的機(jī)械動(dòng)作。
歐美的機(jī)械手發(fā)展比較成熟,位于奧地利的Wittmann集團(tuán)是全球最大的自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商之一,產(chǎn)品有全伺服機(jī)械手 W711、單軸伺服機(jī)械手W710等,其中W710型機(jī)械手的橫軸采用伺服馬達(dá),確保運(yùn)動(dòng)自由靈活,W7n型機(jī)械手是三軸主軸配備高速伺服馬達(dá)的機(jī)械手,可實(shí)現(xiàn)圖形化的操作界面。
我國(guó)對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的研究雖然起步較晚,但也取得了一定的成果。我國(guó)的機(jī)械手研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初,到現(xiàn)在經(jīng)歷了30多年的歷程,前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài),發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃,經(jīng)過(guò)幾年的攻關(guān),完成了工業(yè)機(jī)器人的成套技術(shù)(包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等)的開發(fā),進(jìn)入90年代后半期,我國(guó)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的商品化,為產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
4研究目的及意義:
從以上信息可以看出,發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)機(jī)械手有很深的研究。這樣的機(jī)械手既可以用于實(shí)際生產(chǎn),又可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn),它能夠滿足一些裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求;用于教學(xué)實(shí)驗(yàn),它能夠使人直觀地了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、動(dòng)作原理等。所以開發(fā)設(shè)計(jì)和研究機(jī)械手具有廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。本課題涉及到機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。通過(guò)本課題的工作,對(duì)于多學(xué)科交叉、滲透與交流有積極的促進(jìn)作用。
5心得體會(huì)
機(jī)械手是機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。在這次有關(guān)機(jī)械手檢索的過(guò)程中,我感覺我們身邊的信息其實(shí)是非常多的,而如何獲取我們所需要的信息才是最重要的。本設(shè)計(jì)中的三自由度機(jī)械手具有末端執(zhí)行器,并且固定在移動(dòng)平臺(tái)上構(gòu)成的,它具有工作空間較大和移動(dòng)速度可控制等優(yōu)點(diǎn),并具有移動(dòng)和操作功能。近年來(lái),隨著“勇氣號(hào)”探測(cè)器成功登陸火星并完成了一系列的考察工作,對(duì)更先進(jìn)移動(dòng)機(jī)械手的研究和開發(fā)再一次引起了人們的注意。目前,國(guó)內(nèi)外都在競(jìng)相開展有關(guān)移動(dòng)機(jī)械手的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)以及應(yīng)用方面的研究工作。所以我國(guó)應(yīng)尋求機(jī)會(huì)借鑒國(guó)外在機(jī)械手研究領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),以加快我國(guó)在機(jī)械手領(lǐng)域的發(fā)展速度,并且開發(fā)和制造工業(yè)機(jī)械手對(duì)我國(guó)的工業(yè)建設(shè)是非常有幫助的。
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自由度
機(jī)械手
控制系統(tǒng)
設(shè)計(jì)
開題
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三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含開題及CAD圖,自由度,機(jī)械手,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),開題,cad
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