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实训教学指导书
机电一体化柔性装配系统概述
Me093399型机电一体化教学系统是以工业生产中的自动化装配生产线为原型开发的教学、实验、实训综合应用平台。
本装置采用铝合金结构件搭建各分站主体设备，选取多种机械传动方式实现站间串联，整条生产线充分展现了实际工业生产中的典型部分。
系统控制过程中除涵盖多种基本控制方法外，还凸现组态控制、工业总线、电脑视觉、实时监控等先进技术，为培养现代化应用型人才创设了完整、灵活、模块化、易扩展的理想工业场景。
为便于协调整个生产线的全程控制，系统设置了一个主站总控制台，主站总控制台是整个装配生产线连续运行的指挥调度中心，其主要功能是实现全程运行的总体控制，完成全系统的通讯连接等。
图1连续生产线示意图
升降梯立体仓库
站点12
分拣单元
站点11
检测单元
站点9
模拟单元
站点6
穿销单元
站点5
加盖单元
站点4
废品道
上料单元
站点2
下料单元
站点3
液压单元
站点10
伸缩换向单元
站点8
铣床单元
站点1
图像识别单元
站点7
滚筒
转角
装配生产线示意图如图1所示。
整个系统主要由12个从站点组成，每个从站单元完成特定的工作任务，以装配、检验、分拣、入库的方式顺序完成各种装配操作和物流处理过程。
各单元的主要功能如下所述：
1．铣床单元（站点1）：
本站有工件时，进行自动卡紧和铣削加工。
２．上料单元（站点2）：
根据工件的位置情况，从料槽中抓取装配主体送入数控铣床单元或将铣床单元加工后的产品转送下料单元。
３．下料单元（站点3）：
将前站送入本单元下料仓的工件主体，通过直流电机驱动间歇机构带动同步齿型带使之下落，工件主体下落至托盘后经传送带向下站运行。
４．加盖单元（站点4）：
通过直流电机带动蜗轮蜗杆，经减速电机驱动摆臂将上盖装配至工件主体，完成装配后工件随托盘向下站传送。
５．穿销单元（站点5）：
通过旋转推筒推送销钉的方法，完成工件主体与上盖的实体连接装配，完成装配后的工件随托盘向下站传送。
６．模拟单元（站点6）：
本站增加了模拟量控制的PLC特殊功能模块，以实现对完成装配的工件进行模拟喷漆和烘干，完成喷漆烘干后的工件随托盘向下站传送。
７．图像识别单元（站点7）：
运用电脑识别技术将前站传送来的工件进行数字化处理（通过图形摄取装置采集工件的当前画面与原设置结果进行比较），并将其判定结果输出。
经检验处理后工件随托盘向下站传送。
８．伸缩换向单元（站点8）：
将前站传送过来的托盘及组装好的工件经换向、提升、旋转、下落后伸送至传送带向下站传送。
９．检测单元（站点9）：
运用各类检测传感装置对装配好的工件成品进行全面检测（包括上盖、销钉的装配情况，销钉材质、标签有无等），并将检测结果送至PLC进行处理，以此作为后续站控制方式选择的依据（如分拣站依标签有无判别正、次品；仓库站依销钉材质确定库位）。
10．液压单元（站点10）：
通过液压换向回路实现对工件的盖章操作，完成对托盘进件、出件后再经90°旋转换向送至下一单元。
11．分拣单元（站点11）：
根据检测单元的检测结果（标签有无），采用气动机械手对工件进行分类，合格产品随托盘进入下一站入库；不合格产品进入废品线，空托盘向下站传送。
12．升降梯立体仓库（站点12）：
本站由升降梯与立体仓库两部分组成，可进行两个不同生产线的入库和出库。
在本装配生产线中可根据检测单元对销钉材质的检测结果将工件进行分类入库（金属销钉和尼龙销钉分别入不同的仓库）。
若传送至本单元的为分拣后的空托盘，则将其放行。
综上所述，站点1、2、3、4、5主要完成顺序逻辑控制；站点6实现对模拟量的控制；站点7引入了先进的图像识别技术；站点9综汇了激光发射器、电感式、电容式、色彩标志等多种传感器的应用，站点10为液压传动控制、站点11突出体现了气动机械手的控制，站点12则实现步进电机的控制。
实验一、上料单元
一、单元简介
上料单元是整个装配生产线的起点，该单元的主要功能是根据不同的控制要求从料槽中抓取装配主体送入数控铣床单元或将铣床单元加工后的产品转送下料单元。
图1-1工件主体上料单元
本单元的主体结构组成如图1-1所示，包括扬臂同步带传动机构，旋转行星齿轮传动机构、水平移动支架及其齿轮齿条传动机构、托盘直线传送单元、托盘转向从动单元、轨道等。
本单元在结构设计中涉及到行星齿轮系、螺纹微调机构、齿轮齿条机构、张紧机构等相关的机械原理、机械零件知识，行星齿轮系的结构图如图1-2所示:
图1-2行星齿轮系结构图
机构名称：
行星齿轮系
工作特性：
降速比大,增加扭矩
齿轮O和电机安装在一起，齿轮A与齿轮O、B相啮合。
本机应用目的：
齿轮A带动旋转盘（齿轮B）取、送件。
螺纹微调机构结构图如图1-3所示:
图1-3螺纹微调机构结构图
机构名称：
螺纹微调机构
工作特性：
调动螺母，利用螺距差实现微调
本机应用目的：
调节平行四边形的精度
齿轮齿条机构结构图如图1-4所示:
图1-4齿轮齿条机构结构图
机构名称：
齿轮齿条机构
工作特性：
降速比大,增加水平推动力
齿轮O和电机安装在一起，与齿轮A相啮合。
齿轮B与齿轮A同轴，与齿条相啮合，将旋转运动转为直线运动
本机应用目的：
电机带动齿轮齿条行走。
为实现本单元的控制功能，在主体结构的相应位置装设了光电传感器、磁性接近开关、微动开关等检测与传感装置，并配备了步进电机、直流电机、直动气缸、电磁铁等执行机构和电磁阀、继电器等控制元件。
详见图1-5所示。
SQ1—扬臂下行检测
SQ2—扬臂上行检测
SQ3—顺转检测
SQ4—90°旋转检测
SQ5—逆转检测
SQ6—左行检测
SQ7—右行检测
SQ8—工件吸持检测
S1—气缸升检测
S2—气缸降检测
S3—工件检测
M4—扬臂升降电机
M5—旋转电机
M1—行进电机
M2—直线Ⅰ电机
M3—直线Ⅱ电机
YM—直流电磁吸铁
C－直动气缸
HL—指示灯
图1-5上料单元检测元件、控制机构安装位置示意图
二、实训目的
1．了解上料单元的机械主体结构、熟悉齿轮齿条等传动过程
2．通过系统运行过程理解传感检测元件和执行机构的作用
3．读懂工程图纸，学会照图完成安装接线，掌握检查方法
4．学习根据控制要求编制和调试PLC程序的方法
5．学习系统调试和分析、查找、排除故障的方法
三、实训设备
1．工件主体上料单元
2．PC机
3．可编程序控制器及通讯电缆
4．万用表
5．其它工具
四、实训内容与步骤
1．熟悉上料单元的机械主体结构，了解机械装配方法，重点观察行星齿轮系、齿轮齿条机构的传动过程和理解螺纹微调机构、张紧机构的作用。
2．对照电源系统图（见附录1）和气动原理图（见附录2）学习本单元电源系统和气动系统的设计与连接调试方法。
3．对照图1-5查找本单元各类检测元件、控制元件和执行机构的安装位置，并依据上料单元PLC控制接线图（见附录3）熟悉其安装接线方法。
4．根据表1-1理解本单元各检测元件、执行机构及控制元件的功能，熟悉基本调试方法（必要时可根据系统运行情况适当调整相应位置）。
表1-1上料单元检测元件、执行机构、控制元件一览表
类别
序号
编号
名称
功能
安装位置
检测元件
1
SQ1
微动开关
确定扬臂下行位置
两支撑侧板顶部型材
2
SQ2
微动开关
确定扬臂上行位置
两支撑侧板顶部型材
3
SQ3
微动开关
确定扬臂顺转位置
圆盘
4
SQ4
微动开关
确定扬臂90°旋转位置
圆盘
5
SQ5
微动开关
确定扬臂逆转位置
圆盘
6
SQ6
微动开关
确定扬臂左行位置（铣床方向）
圆盘左面支撑型材
7
SQ7
微动开关
确定扬臂右行位置（下料方向）
圆盘右面支撑型材
8
SQ8
微动开关
工件吸持检测
电磁铁上
9
S1
磁性接近开关
确定气缸初始位置
气缸
10
S2
磁性接近开关
确定气缸伸出位置
气缸
11
S3
光电传感器
检测工件槽工件
工件槽侧面
执行机构等
1
M5
直流电机
驱动扬臂旋转
圆盘
2
M4
步进电机
驱动扬臂升降
两支撑侧板中间
3
M1
直流电机
驱动上料单元行进
滑轨支撑板
4
M2
直流电机
驱动直线I传送带
直线单元
5
M3
直流电机
驱动直线II传送带
升降梯旁直线单元
6
YM
直流电磁吸铁
控制扬臂电磁铁吸放工件
扬臂
7
C
直动气缸
驱动扬臂顶端电磁铁升降
扬臂
8
HL
工作指示灯
显示工作状态
两支撑侧板顶部型材
9
HA1
蜂鸣器
事故报警
控制板
10
HA2
蜂鸣器
事故报警
控制板
控制元件等
1
KM1
继电器
扬臂左行控制
直线单元内侧
2
KM2
继电器
扬臂右行控制
直线单元内侧
3
KM3
继电器
控制步进电机得电失电
直线单元内侧
4
KM4
继电器
扬臂顺时旋转控制
直线单元内侧
5
KM5
继电器
扬臂逆时旋转控制
直线单元内侧
6
YV
电磁阀
直动气缸伸缩控制
两支撑侧板中间
5．编制和调试PLC自动控制程序。
1反复观察分站运行演示，深刻理解控制要求
2根据控制要求描述及工作状态表自行绘制自动控制功能图
3设置I/O编号，并将功能图转换为梯形图输入计算机进行调试
4将程序下载至PLC进行试运行（断开负载电源）
5根据I/O编号逐个核对PLC与输入输出设备的连接
6进行系统调试，实现PLC带分站负载运行（接通负载电源）
6．在自动控制程序的基础上增加启动、停止、急停、复位控制和工作方式选择控制。
7．学习分析、查找、排除故障的基本方法。
五、控制要求
（一）自动控制过程说明及工作状态表
初始状态：
升降、行进、旋转电机及直动气缸处于原位，扬臂呈静止状态；吸持工件电磁吸铁释放；工作指示灯熄灭。
在系统全程运行时二直线电机驱动传送带始终保持运行状态（系统启动即开始运转）；分单元运行时可选用PLC的特殊继电器（与PLC运行/停止同状态的继电器）保持其运行状态。
系统运行期间，需根据铣床单元的工作状态选择A、B两种不同的控制过程。
A．若铣床正在铣削工件则待加工完毕后向上料单元发出转运信号：
1.当上料单元接收到铣削完毕信号后，工作指示灯发光，直流电机驱动齿轮齿条动作，上料单元左行至铣床方向。
2.上料单元左行到位后，气动回路的电磁换向阀动作，气缸活塞杆伸出，带动电磁铁下降。
3.气缸活塞杆伸出到位后，电磁吸铁得电，通过主体工件上安装的金属条吸取工件主体。
吸持工件３s后，气动回路电磁换向阀复位，气缸活塞杆收回，电磁铁持工件回缩（若一次吸合未果，即安装在电磁吸铁上的微动开关未发出信号，蜂鸣器发出音响报警信号）。
4.安装在电磁吸铁上的微动开关发出信号表示完成吸合且气缸回缩归位后，直流电机驱动齿轮齿条动作，上料单元反向右行。
5.上料单元右行到位后，步进电机切换继电器得电，发出升降脉冲信号。
同步带驱动扬臂持工件上行。
6.扬臂上行到位后，步进电机切换继电器失电，此时直流电机带动行星齿轮动作，使扬臂持工件顺向旋转180度，将工件送至下料单元入口处。
7.扬臂旋转到位后，气动回路的电磁换向阀动作，气缸活塞杆伸出，带动电磁铁持工件下降。
8.气缸活塞杆伸出到位后，电磁吸铁失电，对准下料口释放工件，２s后气动回路电磁换向阀复位，气缸活塞杆收回。
9.气缸回缩到位后，进行2秒延时，启动旋转直流电机带动行星齿轮动作，使扬臂逆向旋转。
10.气缸回缩且扬臂逆转180度回到初始位置后，步进电机切换继电器再次得电，扬臂升降方向为“＋”（选中下行），且发出升降脉冲信号。
此时同步带驱动扬臂下行。
11.扬臂下行到位后，工作指示灯熄灭，系统回复初始状态。
实验二、下料单元
六、单元简介
下料单元的主要功能是将前站送入本单元下料仓的工件主体，通过直流电机驱动间歇机构带动同步齿型带使之下落，工件主体下落至托盘后经传送带向下站运行。
图2-1下料单元
本单元主体结构组成如图2-1所示，包括间歇轮、同步齿行带、同步轮、传送电机、直线单元、工作指示灯等。
本单元在结构设计中涉及到间歇机构、同步带传动、螺杆调节结构、螺杆锁紧结构、张紧机构等相关的机械原理、机械零件知识。
间歇机构结构图如图2-2所示:
图2-2间歇机构结构图
机构名称：
间歇机构
工作特性：
O2轴转动与停止的时间比为1：
3。
本机应用目的：
控制传动模块。
同步齿型带传动机构结构图如图2-3所示:
图2-3同步齿型带传动机构结构图
机构名称：
同步齿型带传动机构
工作特性：
平稳、无噪声，传动中无滑动周向位移,使W2=W1。
本机应用目的：
竖直同步传送模块。
螺杆调节机构结构图如图2-4所示:
图2-4螺杆调节机构结构图
机构名称：
螺杆调节机构
工作特性：
结构简单、工作可靠。
本机应用目的：
皮带涨紧力调节，机体紧定。
同步机构结构图如图2-5所示:
图2-5同步机构结构图
机构名称：
同步机构
工作特性：
由两个相同的齿轮构成，保证两个同步带下降速度的一致性。
本机应用目的：
使工件进入存储料仓过程中保持水平状态。
同步带所使用的张紧机构由弹簧和弹片构成，将同步带向内侧压紧，保证同步带夹紧工件主体，不会发生脱落。
以上机构协调工作，实现工件主体出/入下料单元的物流处理过程。
为实现本单元的控制功能，在结构的相应位置装设了光电传感器、电感式传感器、电容式传感器等检测与传感装置，并配备了直流电机、电磁铁等执行机构。
详见图2-6所示。
S1—工件检测
S2—托盘检测
S3—料仓底部工件检测
M1—传送电机
M2—下料电机
YM—直流电磁吸铁
HL1—红色指示灯
HL2—绿色指示灯
图2-6下料单元检测元件、控制机构安装位置示意图
七、实训目的
1．了解下料单元的机械主体结构、熟悉间歇机构等传动过程
2．通过系统运行过程理解传感检测元件和执行机构的作用
3．读懂工程图纸，学会照图完成安装接线，掌握检查方法
4．学习根据控制要求编制和调试PLC程序的方法
5．学习系统调试和分析、查找、排除故障的方法
八、实训设备
1．下料单元
2．PC机
3．可编程序控制器及通讯电缆
4．万用表
5．其它工具
九、实训内容与步骤
1．熟悉下料单元的机械主体结构，了解机械装配方法，重点观察间歇机构、同步带传动、螺杆调节结构过程和理解螺杆锁紧结构、张紧机构的作用。
2．对照电源系统图（见附录4）学习电源系统的设计与连接调试方法。
3．对照图2-6查找本单元各类检测元件、执行机构的安装位置，并依据下料单元PLC控制接线图（见附录5）熟悉其安装接线方法。
实验三、加盖单元
一十、单元简介
加盖单元的主要功能是通过直流电机带动蜗轮蜗杆，经减速电机驱动摆臂将上盖装配至工件主体，完成装配后工件随托盘向下站传送。
图3-1加盖单元
本单元主体结构组成如图3-1所示，包括蜗轮蜗杆减速机构、传送电机、料槽、摆臂、直线单元、工作指示灯等。
本单元在结构设计中涉及到蜗轮蜗杆减速机构、拔轴式联轴器等相关的机械原理、机械零件知识。
蜗轮蜗杆减速机构如图3-2所示:
图3-2蜗轮蜗杆减速机构结构图
机构名称：
蜗轮蜗杆减速机构
工作特性：
蜗轮蜗杆一般用于轴线垂直交叉的传动，其结构紧凑，传动平稳，但传动效率较低。
蜗轮轴可以得到低转速大扭矩动力输出。
本机应用目的：
往复的摆动。
拔轴式联轴器结构图如图3-3所示:
图3-3拔轴式联轴器结构图
机构名称：
拔轴式联轴器
工作特性：
可以补偿由于制造及安装造成的Q1，Q2的位置偏差，使运转平稳。
本机应用目的：
电动机轴与蜗杆轴的同轴联接。
为实现本单元的控制功能，在结构的相应位置装设了电感式传感器、电容式传感器、微动开关等检测与传感装置，并配备了直流电机、电磁铁等执行机构和继电器等控制元件。
详见图3-4所示。
S1—托盘检测
S2—上盖检测
SQ1—取件限位
SQ2—放件限位
M1—传送电机
M2—加盖电机
KM1—电机取件继电器
KM2—电机放件继电器
YM—直流电磁吸铁
HL1—红色指示灯
HL2—绿色指示灯
图3-4加盖单元检测元件、控制机构安装位置示意图
一十一、实训目的
1．了解加盖单元的机械主体结构、熟悉蜗轮蜗杆减速机构等传动过程
2．通过系统运行过程理解传感检测元件和执行机构的作用
3．读懂工程图纸，学会照图完成安装接线，掌握检查方法
4．学习根据控制要求编制和调试PLC程序的方法
5．学习系统调试和分析、查找、排除故障的方法
一十二、实训设备
1．加盖单元
2．PC机
3．可编程序控制器及通讯电缆
4．万用表
5．其它工具
一十三、实训内容与步骤
1．了解自动上盖单元的机械装配方法；熟悉翻转定位装置、连杆机构及连轴器的工作原理；观察蜗轮蜗杆减速机的运动过程。
2．对照电源系统图（见附录6）学习本单元电源系统的设计与连接调试方法。
3．对照图3-4查找本单元各类检测元件、执行机构的安装位置，并依据加盖单元PLC控制接线图（见附录7）熟悉其安装接线方法。
4．根据表3-1理解本单元各检测元件、执行机构的功能，熟悉基本调试方法（必要时可根据系统运行情况适当调整相应位置）。
表3-1加盖单元检测元件、执行机构、控制元件一览表
类别
序号
编号
名称
功能
安装位置
检测元件
1
S1
电感式接近开关
检测托盘的位置
直线单元上
2
S2
电容式接近开关
检测工件上是否有上盖
直线单元上
3
SQ1
微动开关
确定摆臂取件位置
摆臂左面里侧
4
SQ2
微动开关
确定摆臂放件位置
摆臂左面外侧
执
行
机
构
等
1
M1
直流电机
驱动直线单元传送带
直线单元上
2
M2
直流电机
驱动蜗轮蜗杆减速电机
加盖底板上
3
M3
蜗轮蜗杆减速电机
降低直流电机转速
加盖底板上
4
YM
直流电磁吸铁
控制托盘位置
直线单元上
5
HL
HL1
红色指示灯
显示工作状态
直线单元侧
HL2
绿色指示灯
显示工作状态
6
HA1
蜂鸣器
事故报警
控制板
7
HA2
蜂鸣器
事故报警
控制板
控制元件
1
KM1
继电器
摆臂取件控制
加盖底板上
2
KM2
继电器
摆臂放件控制
加盖底板上
5．编制和调试PLC自动控制程序
1反复观察分站运行演示，深刻理解控制要求
2根据控制要求描述及工作状态表自行绘制自动控制功能图
3设置I/O编号，并将功能图转换为梯形图输入计算机进行调试
4将程序下载至PLC进行试运行（断开负载电源）
5根据I/O编号逐个核对PLC与输入输出设备的连接
6进行系统调试，实现PLC带分站负载运行（接通负载电源）
6．在自动控制程序的基础上增加启动、停止、急停、复位控制和工作方式选择控制
7．学习分析、查找、排除故障的基本方法
一十四、控制要求
（一）自动控制过程说明及工作状态表
初始状态：
直线传送电机、摆臂电机处于停止状态；摆臂处于原位，内限位开关受压；直流电磁吸铁竖起禁行；工作指示灯熄灭。
系统启动运行后本单元红色指示灯发光；直线电机驱动传送带开始运转且始终保持运行状态（分单元运行时可选用与PLC运行/停止同状态的特殊继电器保持直线传送电机的运行状态）。
系统运行期间：
1．当托盘载工作主体到达定位口时，由电感式传感器检测托盘，发出检测信号；绿色指示灯亮，红色指示灯灭；由电容式传感器检测上盖，确认无上盖信号后，经3秒确认后启动主摆臂执行加盖动作。
2．PLC通过两个继电器控制电机正反转，带动减速机使摆臂动作，主摆臂从料槽中取出上盖，翻转180度，当碰到放件控制板时复位弹簧松开，此时摆臂碰到外限位开关后结束加盖动作，上盖靠自重落入工件主体内，3秒后启动摆臂执行返回原位动作。
3．摆臂返回后内限位开关发出信号，摆臂结束返回动作；此时若上盖安装到位，即上盖传感器发出检测信号，则通过3秒确认后直流电磁铁吸合下落，将托盘放行（若上盖安装为空操作，即上盖传感器无检测信号，摆臂手应再次执行加装上盖动作，直到上盖安装到位）。
4．放行3秒后，电磁铁释放，恢复限位状态，绿色指示灯灭，红色指示灯亮，该站恢复预备工作状态。
说明：
若摆臂往复3次加装动作后上盖传感器仍无检测信号，此时报警器发出警报，提示运行人员需在料槽中装入上盖。
实验四、穿销单元
一十五、单元简介
穿销单元的主要功能是通过旋转推筒推送销钉的方法，完成工件主体与上盖的实体连接装配，完成装配后的工件随托盘向下站传送。
本单元在结构设计中涉及到旋转推筒机构等相关的机械原理、机械零件知识。
本单元主体结构组成如图4-1所示，包括销钉料槽、旋转筒、往复推筒、直线单元、工作指示灯等。
轴向凸轮旋转机构
图4-1穿销单元
：
由旋转筒和往复推筒构成，往复推筒上开有六个斜槽，将360度等分，每个斜槽首尾在圆周上沿展60°，当推筒正向进给时，旋转筒上的滚珠突起进入斜槽，旋转筒在斜槽和滚珠突起的共同作用下，顺时针旋转60°，从销钉料斗中取出销钉并将销钉定位到主体工件销钉孔，推筒进给时带动轴线上的推杆将向第能够顶入工件销钉孔。
轴向凸轮旋转机构如图4-2所示:
往复推筒
旋转筒
图4-2轴向凸轮旋转机构结构图
机构名称：
轴向凸轮旋转机构
工作特性：
把往复运动变成局部旋转运动
本机应用目的：
旋转筒:
将工件预存到位
往复推筒:
将销钉对准装配位置,并推入到位。
为实现本单元的控制功能，在结构的相应位置装设了电感式传感器、光纤式传感器、磁性接近开关等检测与传感装置，并配备了直流电机、标准气缸等执行机构和电磁阀等控制元件。
详见图4-3所示。
S1—托盘检测
S2—销钉检测
S3—销钉气缸复位
S4—销钉气缸至位
S5—止动气缸至位
S6—止动气缸复位
C1—止动气缸
C2—销钉气缸
M1—传送电机
YV1—止动气缸电磁阀
YV2—销钉气缸电磁阀
HL1—红色指示灯
HL2—绿色指示灯
图4-3穿销单元检测元件、控制机构安装位置示意图
一十六、实训目的
1．了解穿销单元的机械主体结构、熟悉旋转推筒机构传动过程
2．通过系统运行过程理解传感检测元件和执行机构的作用
3．读懂工程图纸，学会照图完成安装接线，掌握检查方法
4．学习根据控制要求编制和调试PLC程序的方法
5．学习系统调试和分析、查找、排除故障的方法
一十七、实训设备
1．穿销单元
2．PC机
3．可编程序控制器及通讯电缆
4．万用表
5．其它工具
一十八、实训内容与步骤
1．熟悉穿销单元的机械主体结构，了解机械装配方法，重点理解轴向凸轮旋转机构和张紧机构的作用。
2．对照电源系统图（见附录8）和气动原理图（见附录9）学习本单元电源系统和气动系统的设计与连
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