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平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計
第一章 緒 論
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展,自動化程度的迅速提高,實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化,已愈來愈引起人們的重視。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動作,給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中,它代替人進(jìn)行正常的工作,意義更為重大。因此,在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單,專業(yè)性較強(qiáng),僅為某臺機(jī)床的上下料裝置,是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作,使用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”,簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快地改變工作程序,適應(yīng)性較強(qiáng),所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。
本次課程設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用于上下料、搬運環(huán)類零件,從內(nèi)孔夾持工件,代替人手的繁重勞動,減輕工人的勞動強(qiáng)度,改善勞動條件,提高勞動生產(chǎn)率。
本次課程設(shè)計是通過設(shè)計平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手,培養(yǎng)綜合運用所學(xué)知識,分析問題和解決問題的能力。
第二章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案設(shè)計
平面關(guān)節(jié)型機(jī)器手又稱SCARA型裝配機(jī)器手,是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫,意思是具有選擇柔順性的裝配機(jī)器人手臂。在水平方向有柔順性,在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單,動作靈活,多用于裝配作業(yè)中,特別適合小規(guī)格零件的插接裝配,如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。
2.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案分析
2.1.1 設(shè)計任務(wù)
本次課程設(shè)計總體設(shè)計的任務(wù)是:上下料搬運機(jī)械手,3個自由度,平面關(guān)節(jié)型;需要搬運的工件:環(huán)類零件,內(nèi)孔直徑50mm;高150mm,厚10mm,(只能從內(nèi)孔夾持工件),材料40鋼,將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上,(兩輸送線距離為2.4m,高度差0.4m)。
本次課程設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)見表2.1
表2.1
機(jī)械手類型
平面關(guān)節(jié)型
抓取最大重量
2.2Kg
自由度
3個(2個回轉(zhuǎn)1個移動)
大臂
長658mm,回轉(zhuǎn)運動,回轉(zhuǎn)角240,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制
小臂
長564mm,回轉(zhuǎn)運動,回轉(zhuǎn)角240,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制
移動關(guān)節(jié)
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
手指
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
2.1.2 方案選擇
根據(jù)設(shè)計設(shè)計要分析出,抓取和轉(zhuǎn)動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型三自由度機(jī)器人,利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和齒輪減速傳動來實現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)運動;利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn),從而使小臂與移動關(guān)節(jié)連在一起實現(xiàn)上下運動;考慮到本設(shè)計中的機(jī)器人工作范圍不大,故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動;末端夾持器則采用內(nèi)撐式夾持器,用小型氣缸驅(qū)動夾緊。
2.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 結(jié)構(gòu)特點分析
根據(jù)設(shè)計要求和參數(shù)表分析得出,機(jī)械手分為機(jī)身、大臂、小臂、上下移動關(guān)節(jié)、手指部五部分構(gòu)成,其中機(jī)身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機(jī),小臂連接移動關(guān)節(jié)帶動手指上下搬運環(huán)類工件,結(jié)構(gòu)特點實體圖如下“圖2-1”所示。
圖 2-1 結(jié)構(gòu)實體圖
根據(jù)實體圖觀察及設(shè)計要求描述,繪制機(jī)構(gòu)簡圖,θ1為大臂回轉(zhuǎn)角,由電動機(jī)驅(qū)動,θ2為小臂回轉(zhuǎn)角,移動關(guān)節(jié)上下移動,共三個自由度,簡圖如圖“2-2”所示。
由“圖2-1”及設(shè)計要求分析,大臂和小臂可回轉(zhuǎn)240度,在兩條輸送帶間工作,將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上,分析出工作空間如下圖“圖2-3”所示。
圖 2-2 機(jī)構(gòu)簡圖
2.2.2 工作原理分析
本次設(shè)計的機(jī)械手大臂通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與機(jī)身連接,關(guān)節(jié)處安放驅(qū)動裝置,由電動機(jī)驅(qū)動,為提高精度采用一級齒輪聯(lián)接減速,帶動大臂轉(zhuǎn)動,速度、頻率又單片機(jī)控制;大臂與小臂亦通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接,關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)配驅(qū)動裝置,結(jié)構(gòu)與大臂關(guān)節(jié)處相同;移動關(guān)節(jié)與小臂固定連接,移動關(guān)節(jié)使用氣缸或液壓缸,活塞桿連接手指上下移動;手指通過氣缸驅(qū)動控制夾具指,使夾具體從內(nèi)部抓取環(huán)類工件。傳動原理圖如下圖“圖2-4”所示。
圖 2-3 工作空間圖
圖2-4 傳動原理圖
第三章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機(jī)械手手部設(shè)計
工業(yè)機(jī)械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能,它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
3.1.1 設(shè)計時要注意的問題
(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力,為使手指牢靠的夾緊工件,除考慮夾持工件的重力外,還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動載荷。
(2) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān),而且應(yīng)注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。
(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。
(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕,以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。
3.1.2 工件重量的計算
其中g(shù)取10m/s2
取G=22(N)
3.1.3 手指夾緊力的計算
(3-1)
f為手指與工件的靜摩擦系數(shù),工件材料為40號鋼,手指為鋼材,查《機(jī)械零件手冊》 表2-5 ,f=0.15 。
所以
取N=40(N)
驅(qū)動力的計算:
(3-2)
圖3-1
為斜面傾角,,為傳動機(jī)構(gòu)的效率,這里為平摩擦傳動,查《機(jī)械零件手冊》表2-2 這里取 0.85,所以
取p=50(N)
活塞手抓重量的估算:
r為桿的半徑,h為長度,g取10m/s2
3.1.4 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低,對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底,無污染,動作迅速反映快,維護(hù)簡單,使用安全。而且此處作用力不大,所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇:
由于行程短,選單作用活塞氣缸,借彈簧復(fù)位。
氣缸的計算:
氣壓缸內(nèi)徑D的計算:
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1。
(3-3)
D為氣缸的內(nèi)徑(m),P為工作壓力(Pa),為負(fù)載率,負(fù)載率與氣缸工作壓力有關(guān),取,查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝,所以取P=0.3。
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取32mm.
活塞桿直徑d的計算:
一般,此選0.2
mm
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4 選取8mm
氣缸壁厚的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得
彈簧力的F的估算:
所以選擇的彈簧件。
3.2 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計
3.2.1 驅(qū)動方式的比較
機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動,氣壓驅(qū)動,電機(jī)驅(qū)動,和機(jī)械傳動四種。一臺機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動,也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動,各種驅(qū)動的特點見表“3-1”。
表3-1
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機(jī)械傳動
電機(jī) 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機(jī),直流電機(jī)
步進(jìn)或伺服電機(jī)
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小,輸出力矩小,如需輸出力矩較大,結(jié)構(gòu)尺寸過大
液體壓力高,可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高,速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制,定位精度高,可與主機(jī)嚴(yán)格同步
控制性能較差,慣性大,步易精確定位
控制性能好,可精確定位,但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速,氣體壓縮性大,阻力效果差,沖擊較嚴(yán)重,精確定位較困難,低速步易控制
油液壓縮性小,壓力流量均容易控制,可無級調(diào)速,反應(yīng)靈敏,可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當(dāng)自由度多時,機(jī)構(gòu)復(fù)雜,體積液較大
要油減速裝置,體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
維修簡單,能在高溫,粉塵等惡劣環(huán)境種使用,泄漏影響小
維修方便,液體對溫度變化敏感,油液泄漏易著火
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專用機(jī)械手,高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手
可用于程序復(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手
中小型專用通用機(jī)械手都有
中小型專用通用機(jī)械手都有,特別時重型機(jī)械手多用
成本
結(jié)構(gòu)簡單,成本低,一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡單,能源方便,成本低
液壓元件成本較高,油路也較復(fù)雜
3.2.2 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低,對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底,無污染,動作迅速反映快,維護(hù)簡單,使用安全。而且此處作用力不大,所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇:因為活塞行程較長,往復(fù)運動,所以選雙作用單活塞氣缸,利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動。
初選活塞桿直徑d=12mm,估算其重量
取為5N
取為80N
氣壓缸內(nèi)徑D的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1
(3-4)
D為氣缸的內(nèi)徑(m),P為工作壓力(Pa),為負(fù)載率,負(fù)載率與氣缸工作壓力有關(guān),取,查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝,所以取P=0.3。一般,此選0.3
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取40mm。
一般,此選0.3
mm
氣缸壁厚的計算:
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得。
氣缸重量的計算:
其中:R為氣缸外徑,r為氣缸內(nèi)徑,h為氣缸長度,g取10,為氣缸材料密度,取25N。
3.3 小臂的設(shè)計
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件,其作用是支撐手部和腕部,主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。
3.3.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 剛度要好,要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸,空心桿比實心桿剛度大的多,常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼左支撐板,以保證有足夠的剛度。
(2) 偏重力矩要小,偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕,慣量要小,為了減輕運動時的沖擊,除采取緩沖外,力求結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,以減少慣性力。
(4) 導(dǎo)向性要好。
3.3.3 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把小臂的截面設(shè)計成工字鋼形式,這樣抗彎系數(shù)大,使截面面積小,從而減輕小臂重量,使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。
初選10號工字鋼。理論重,小臂長為564mm。
較核:(N)取75N。其受力如下圖:
圖3-2
F=75+105=180(N)
按《材料力學(xué)》公式5.11
(3-5)
其中h為工字鋼的高度,b為工字鋼的腰寬,Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.3.4 軸的設(shè)計計算
大軸的直徑取25mm,材料為45號鋼。
受力如下圖:
圖3-3
驗算:
F=180N
所以合適。
3.3.5 軸承的選擇
因為上軸承只受徑向,下軸承受軸向力和徑向力,所以選用圓錐滾子軸承,按《機(jī)械零件手冊》表9-6-1(GB 297-84)選7304E,d=25mm, e=0.3。
軸承的校核:
因為此處軸承做低速的擺動,所以其失效形式是,接觸應(yīng)力過大,產(chǎn)生永久性的過大的凹坑(即材料發(fā)生了不允許的永久變形),按軸承靜載能力選擇的公式為:《機(jī)械設(shè)計》13-17
其中為當(dāng)量靜載荷,為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù),取決于軸承的使用條件。按《機(jī)械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處取1.5。
上軸承受純徑向載荷,
所以
因此軸承合適。
下軸承受徑向和軸向載荷,;
R為徑向載荷;
A為軸向載荷;
X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù),其值按《機(jī)械設(shè)計》表13-5查取
因為
所以
所以
因此軸承合適,小軸承受力很小,所以不用校核。
3.3.6 軸承摩擦力矩的計算:
如果 (C為基本額定動載荷,P為所受當(dāng)量動載荷),可按《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù),F(xiàn)為軸承載荷,d為軸承內(nèi)徑。
查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得。
,所以也可以用此公式估算。
所以
查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得,
,所以也可以用此公式估算
所以
因為摩擦力矩小于0.1,所以忽略不計。
3.3.7 驅(qū)動選擇
因為所需驅(qū)動力小,精度要求不很高,所以選擇控制方便,輸出轉(zhuǎn)角無長期
積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的選擇:步距角要小,要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩,因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性,按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 BF反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)參數(shù)表查取,
選45BF005,其主要參數(shù)如下:
步矩角1.5度,電壓27伏,最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M,質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:能夠滿足精度要求,
為了提高精度,采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20,的齒數(shù)為70。
按《機(jī)械原理》表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表(GB1357-87)取m=1,取
則
齒輪寬度計算:
按《機(jī)械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù),兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4, 此處取1。
則
為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少,要適當(dāng)加寬,所以取24mm。
3.4 大臂的設(shè)計
3.4.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把大臂的截面設(shè)計成工字鋼形式,這樣抗彎系數(shù)大,使截面面積小,從而減輕小臂重量,使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。
選14號工字鋼。理論重,小臂長為658mm。
較核:(N)
取140N
其受力如圖:
圖3-4
F=75+105+140=320(N)
按《材料力學(xué)》公式5.11
(3-6)
其中h為工字鋼的高度,b為工字鋼的腰寬,Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.4.2 軸的設(shè)計計算
軸的直徑取25mm,材料為45號鋼。
其受力如下圖:
圖3-5
驗算:
F=320N
所以合適。
3.4.3 軸承的選擇
大軸軸承的選擇:因為上軸承只受徑向,下軸承受軸向力和徑向力,所以選用圓錐滾子軸承,按《機(jī)械零件手冊》表9-6-1(GB 297-84)選7304E,d=25mm e=0.3。
軸承的校核
因為此處軸承做低速的擺動,所以其失效形式是,接觸應(yīng)力過大,產(chǎn)生永久性的過大的凹坑(即材料發(fā)生了不允許的永久變形),按軸承靜載能力選擇的公式為:
《機(jī)械設(shè)計》13-17
其中為當(dāng)量靜載荷,為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù),取決于軸承的使用條件。按《機(jī)械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5。
上軸承受純徑向載荷,
所以
因此軸承合適。
下軸承受徑向和軸向載荷,;
R為徑向載荷;
A為軸向載荷;
X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù),其值按《機(jī)械設(shè)計》表13-5查取
因為 ;
所以
所以
因此軸承合適,小軸承受力很小,所以不用校核。
3.4.4 軸承摩擦力矩的計算
如果 (C為基本額定動載荷,P為所受當(dāng)量動載荷),可按《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù),F(xiàn)為軸承載荷,d為軸承內(nèi)徑。
查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得,
,所以也可以用此公式估算
所以
查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得,
,所以也可以用此公式估算
所以
此處摩擦力矩亦小于0.1,忽略不計。
3.4.5 伺服系統(tǒng)的選擇
因為所需驅(qū)動力小,精度要求不很高,所以選擇控制方便,輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)的選擇:步距角要小,要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩,因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性,按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11 BF反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)參數(shù)表查取,
選45BF005,其主要參數(shù)如下:
步矩角1.5度,電壓27伏,最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M,質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:
所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機(jī)構(gòu)
在此選用直齒圓柱齒輪
為了提高精度,采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20,的齒數(shù)為70。
按《機(jī)械原理》表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表(GB1357-87)取m=1,取
則
齒輪寬度計算:
按《機(jī)械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)。
兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1。
則。
為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少,要適當(dāng)加寬,所以取24mm。
3.5 機(jī)身的設(shè)計
機(jī)身是支承臂部的部件,升降,回轉(zhuǎn)和俯仰運動機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。
3.5.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
(2) 運動要靈活,升降運動的導(dǎo)套長度不宜過短,否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象;一般要有導(dǎo)向裝置。
(3)結(jié)構(gòu)布置要合理,便于裝修。
由于此設(shè)計要求為三個自由度,所以此處無運動要求,只用來支承。只要剛度能滿足就行了,高度可根據(jù)自動線的高低確定。
結(jié)束語
在這次畢業(yè)設(shè)計中,我有很多收獲,首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí),更深一步了解了所學(xué)的知識,培養(yǎng)了我綜合運用所學(xué)知識,獨立分析問題和解決問題的能力,也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館,網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料,還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。同時也遇到很多問題,如設(shè)計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。
最后感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師幾年來給我的教育和培養(yǎng),特別感謝我的指導(dǎo)師給我精心的指導(dǎo)。
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