三坐标测量仪培训手册.docx
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三坐标测量仪培训手册
三坐标讲义
第一节课学前知识
一．三坐标概况
1.三坐标组成
三坐标主要由以下几部分组成：
测量机主机，控制系统，计算机（测量软件），测座、测头系统。
2.测量机主机
这是测量机的基本硬件，有多种结构形式：
移动桥式：
活动桥式测量机是使用最为广泛的一种机构形式。
特点是开敞性比较好，视野开阔，上下零件方便。
运动速度快，精度比较高。
有小型、中型、大型几种形式。
固定桥式：
固定桥式测量机由于桥架固定，刚性好，动台中心驱动、中心光栅阿贝误差小，以上特点使这种结构的测量机精度非常高，是高精度和超高精度的测量机的首选结构。
高架桥式：
高架桥式测量机适合于大型和超大型测量机，适合于航空、航天、造船行业的大型零件或大型模具的测量。
一般都采用双光栅、双驱动等技术，提高精度。
水平臂式：
水平臂式测量机开敞性好，测量范围大，可以由两台机器共同组成双臂测量机，尤其适合汽车工业钣金件的测量。
关节臂式：
关节臂式测量机具有非常好的灵活性，适合携带到现场进行测量，对环境条件要求比较低。
各种结构三坐标“图”
以活动桥式测量机为例，介绍三坐标主要组成及功能：
工作台（一般采用花岗石），用于摆放零件支撑桥架；工作台放置零件时，一般要根据零件的形状和检测要求，选择适合的夹具或支撑。
要求零件固定要可靠，不使零件受外力变形或其位置发生变化。
大零件可在工作台上垫等高块，小零件可以放在固定在工作台上的方箱上固定后测量。
桥架，支撑Z滑架，形成互相垂直的三轴；桥架是测量机的重要组成部分，由主、附腿和横梁、滑架等组成。
桥架的驱动部分和光栅基本都在主腿一侧，附腿主要起辅助支撑的作用。
由于这个原因，一般桥式测量机的横梁长度不超过2.5米，超过这个长度就要使用双光栅等措施对附腿滞后的误差进行补偿，或采用其他机构形式。
滑架，使横梁与有平衡装置的Z轴连接；滑架连接横梁和Z轴，其上有两轴的全部气浮块和光栅的读数头、分气座。
气浮块和读数头的调整比较复杂，直接影响测量机精度，不允许调整。
导轨，具有精度要求的运动导向轨道，是基准；导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。
压缩空气中的油和水及空气中的灰尘会污染导轨，造成导轨道直线度误差变大，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。
要保持导轨道完好，避免对导轨磕碰，定期清洁导轨。
光栅系统（光栅、读数头、零位片），是基准；光栅系统是测量机的测长基准。
光栅是刻有细密等距离刻线的金属或玻璃，读数头使用光学的方法读取这些刻线计算长度。
为了便于计算由于温度变化造成光栅长度变化带来的误差，采用光栅一端固定，另一端放开，使其自由伸缩。
另外在光栅尺座预置有温度传感器，便于有温度补偿功能的系统进行自动温度补偿。
零位片的作用是使测量机找到机器零点。
机器零点是机器坐标系的原点，是测量机误差补偿和测量机行程终控制的基准。
驱动系统（伺服电机、传动带）；驱动系统由直流伺服电机、减速器、传动带、带轮等组成。
驱动系统的状态会影响控制系统的参数，不能随便调整。
空气轴承气路系统（过滤器、开关、传感器、气浮块、气管）；空气轴承（又称气浮块）是测量机的重要部件，主要功能是保持测量机的各运动轴相互无摩擦，由于气浮块的浮起高度有限而且气孔很小，要求压缩空气压力稳定且其中不能含有杂质、油，也不能有水。
过滤器系统是气路中的最后一道关卡，由于其过滤精度高，非常容易被压缩空气中的油污染，所以一定要有前置过滤装置和管道进行前置过滤处理。
气路中连接的空气开关和空气传感器都具有保护功能，不能随便调整。
支承（架）、随动带。
小型测量机采用支架支撑测量机工作台，中、大型测量机一般采用千斤顶支撑工作台。
都采用三点支撑，在一个支撑的一侧，有两个附助支撑，只起保险作用。
每个支撑都有一个海绵垫，能够吸收振幅较小的震动，如果安装测量机的附近有幅度较大的震动源，要另外采取减震措施。
三坐标内部结构示意图
3.控制系统
这是测量机的控制中枢，主要功能：
控制、驱动测量机的运动，三轴同步、速度、加速度控制；操纵盒或计算机指令通过系统控制单元，按照设置好的速度、加速度，驱动三轴直流伺服电机转动，并通过光栅和电机的反馈电路对运行速度和电机的转速进行控制，使三轴同步平稳的按指定轨迹运动。
运动轨迹有飞行测量、点定位两种方式，飞行方式测量效率高，运动时停顿少。
点定位方式适合指定截面或指定位置的测量。
可以通过语句进行设置。
在进入计算机指令指定的触测的探测距离时，控制单元会控制测量机由位置运动速度转换到探测速度，使测头慢速接近被测零件。
在有触发信号时采集数据，对光栅读数进行处理；当通过操纵盒或计算机指令控制运动的测量机测头传感器与被测零件接触时，测头传感器（简称“测头”）就会发出被触发的信号。
信号传送到控制单元后，立即令测量机停止运动（测头保护功能），同时锁存此刻的三轴光栅读数。
这就是测量机测量的一个点的坐标。
根据补偿文件，对测量机进行21项误差补偿；测量机在制造组装完成后，都要使用激光干涉仪和其它检测工具对21项系统误差（各轴的两个直线度、两个角摆误差、自转误差、位置度误差，三轴之间的两个垂直度误差，共21项）进行检测，生成误差补偿文件，将这些误差用软件进行补偿，以保证测量机精度符合合同的要求。
测头触发后锁存的每一个点坐标都要经过误差计算、补偿后再传送给计算机软件。
采集温度数据，进行温度补偿；有温度补偿功能的测量机，可以根据设定的方式自动采取各轴光栅和被测零件的温度，对于测量机和零件温度由于偏离20℃带来的长度误差进行补偿，以保持高精度。
对测量机工作状态进行监测（行程控制、气压、速度、读数、测头等），采取保护措施；控制系统内部设有故障诊断功能，对测量机正常工作及安全有影响的部位进行检测，当发现这些有异常现象时，系统就会采取保护措施（停机，断驱动电源），同时发出信息通知操作人员。
对扫描测头的数据进行处理，并控制扫描:
配备有扫描功能的测量机，由于扫描测头采集的数据量非常大，必须有专用的扫描数据处理单元进行处理，并控制测量机按照零件表面形状，保持扫描接触的方式运动。
与计算机进行各种信息交流。
虽然控制系统本身就是一台计算机，但是没有与外界交互动介面，其内部的数据都要通过与上位计算机的通讯进行输入和设置。
控制信息和测点的数据都通过信息传输、交流。
交流方式主要是RS232接口或网卡。
控制柜，控制器图
4.计算机（测量软件）
计算机（又称上位机）是数据处理中心，主要功能：
对控制系统进行参数设置；上位计算机通过“超级终端”方式，与控制系统进行通讯并实现参数设置等操作。
可以使用专用软件对系统进行调试和检测。
进行测头定义和测头校正，及测针半径补偿:
不同的测头配置和不同的测头角度，测量的坐标数值是不一样的。
为使不同配置和不同测头位置测量的结果都能够统一进行计算，测量软件要求进行测量前必须进行测头校正，以获得测头配置和测头角度的相关信息。
以便在测量时对每个测点进行测针半径补偿，并把不同测头角度测点的坐标都转换到“基准”测头位置上。
建立坐标系（零件找正）为测量的需要，测量软件以零件的基准建立坐标系统，称零件坐标系。
零件坐标系可以根据需要，进行平移和旋转。
为方便测量，可以建立多个零件坐标系。
对测量数据进行计算和统计、处理；测量软件可以根据需要进行各种投影、构造、拟和计算，也可以对零件图纸要求的各项形位公差进行计算、评价，对各测量结果使用统计软件进行统计。
借助各种专用测量软件可以进行齿轮、曲线、曲面和复杂零件的扫描等测量。
编程并将运动位置和触测控制通知控制系统；测量软件可以根据用户需要，采用记录测量过程和脱机编程等方法编程，可以对批量零件进行自动和高精度的测量或扫描。
输出测量报告；在测量软件中，操作员可以按照自己需要的格式设置模板，并生成检测报告输出。
传输测量数据到指定网路或计算机。
通过网络连接，计算机可以进行数据、程序的输入和输出。
软件界面图
5.测座、测头系统测座、测头系统是数据采集的传感器系统，主要功能：
测头传感器在探针接触被测点时发出触发信号:
测头部分是测量机的重要部件，测头根据其功能有：
触发式、扫描式、非接触式（激光、光学）等。
触发式测头是使用最多的一种测头，其工作原理是一个开关式传感器。
当测针与零件产生接触而产生角度变化时，发出一个开关信号。
这个信号传送到控制系统后，控制系统对此刻的光栅计数器中的数据锁存，经处理后传送给测量软件，表示测量了一个点。
扫描式测头有两种工作模式：
一种是触发式模式，一种是扫描式模式。
扫描测头本身具有三个相互垂直的距离传感器，可以感觉到与零件接触的程度和矢量方向，这些数据作为测量机的控制分量，控制测量机的运动轨迹。
扫描测头在与零件表面接触、运动过程中定时发出信号，采集光栅数据，并可以根据设置的原则过滤粗大误差，称为“扫描”。
扫描测头也可以触发方式工作，这种方式是高精度的方式，与触发式测头的工作原理不同的是它采用回退触发方式。
测头控制器（PI200、PI7）控制测头工作方式转换（TP200、TP7）；TP200、TP7测头是高精度测头，它们的特点是灵敏度高，可以接比较长的测针。
但是灵敏度高会造成测量机高速运动时出现误触发。
测头控制器控制测头在测量机高速运动时处于高阻（不灵敏）状态，触发时进入灵敏状态度转换。
在手动方式时一般都是以操纵盒的“速度控制键”进行控制状态转换，即低速运动时是测头的灵敏状态。
测座控制器根据命令控制测座旋转到指定角度。
测座控制器可以用命令或程序控制并驱动自动测座的旋转到指定位置。
手动的测座只能由人工手动方式旋转测座。
测头（针）更换架可以在程序运行中，自动更换测头（针），避免程序中的人工干预，提高测量效率。
各系列测头座，测头，加长杆，测针图
二．三坐标原理
1.运动原理
运动部件是通过气浮与花岗岩导轨之间形成一层气膜来实现运动部件悬浮，再由伺服系统驱动其运动，运动所需功率小，不用担心导轨磨损。
气浮与导轨接触图
2.测量原理
一把尺子，当规定了其正方向和原点，则这把尺子就相当于一个数轴；假如两把尺子相互垂直放置，规定了两把尺子的正方向，并且交点为原点，这样就形成一个平面直角坐标系；同样，三把尺子相互垂直放置，规定了三把尺子的正方向，并且规定三把尺子交点为原点，这样就形成一个空间直角坐标系。
三坐标三轴导轨上都贴有高精度光栅尺，运动部件上装有读取光栅信号的装置叫读数头，读数头与光栅尺的相对运动产生坐标变化，当规定了三轴光栅尺零位后，读数头就读取的是当前机器坐标系下的坐标值，读数头再把数据通过控制系统传递到电脑、软件。
这样我们就在软件上看到的当前坐标值。
光栅尺、读数头“图”
3.计数原理
1、在坐标空间中，可以用坐标来描述每一个点的位置。
2、多个点可以用数学的方法拟合成几何元素，如：
面、线、圆、圆柱、圆锥等。
3、利用几何元素的特征，如：
圆的直径、圆心点、面的法矢、圆柱的轴线、圆锥顶点等可以计算这些几何元素之间的距离和位置关系、进行形位公差的评价。
4、将复杂的数学公式编写成程序软件，利用软件可以进行特殊零件的检测。
齿轮、叶片、曲线曲面、数据统计等。
5、主要算法是最小二乘法。
三、气源系统
1.气路走向
2.气源系统控制原理
3.注意事项
四、手操器MCUlite-2
急停开关速度旋钮测头中断指示灯设备状态指示灯
快慢速选键测头中断按键解除错误键
三轴锁定按键插入GOTO指令键删除测点键
测头角度控制键自动运行指令键元素自动识别确认键遥控杆
五．三坐标维护及开关机步骤
<一>、开机前维护
1、打开室内空调，调整温度到20±2℃。
2、检查空压机机油油位是否正常。
3、放掉油水（或气水）分离器内的水。
4、检查电路、气路，保证满足使用要求。
5、清理导轨上障碍物，用脱脂棉沾取120#汽油擦拭导轨，在擦拭导轨过程中要向一个方向擦拭，不能来回擦拭，也不能擦到光栅尺上。
<二>开机步骤：
1.打开气源，工作压力大于0.60Mpa
2.接通系统总电源、打开控制柜电源（旋转到“ON”位置）
3.打开电脑
4.打开急停开关（顺时针旋转），打开控制柜和手操器上急停开关。
5.打开UCCservice、打开RationalDMIS。
6.机器回零（速度旋钮不能太小）
<三>关机步骤
1.用手控器移到机器到安全位置（三轴离零位100mm）
2.把测座旋转到A90B180的安全位置
3.按下操纵盒或控制柜上的急停按钮
4.保存数据，退出RationalDMIS、UCCservice测量软件
5.关闭电脑
6.断开控制柜总电源、关闭设备总气源开关
7.关闭空气压缩机电源
月维护、季度维护、年维护请参考机器保养制度。
六．.客户基础知识摸底
1.电脑操作
2.机械知识（识图能力），计量知识（形为公差及误差分析）
3.立体几何、立体解析几何
4.计算机语言
第二节课测头校正
一、测头校正的目的
1.校正各测针的位置关系。
需图示讲解
2.校正当前环境下测针的半径。
需图示讲解
二、测针的旋转方向
A角：
上下旋转（MH20I,MH8等A角范围0°-90°;PH10T,PH10M等A角范围0°-105°）
B角：
围绕Z轴旋转（左负右正旋转）（-180°、+180°）。
MH20I,MH8等A、B分度角15°为一刻度。
PH10T,PH10M等A、B分度角7.5°为一刻度。
三、测头构建
测头构建示图（以MH20I为例）
测头构建示图（以PH10T为例）
3.测针命名：
测针加长杆：
测针：
M2－30×3－TO－M2M2－20×4
螺纹－长度×直径－螺纹螺纹－长度×红宝石直径
四、更新效验规
1．标准球
支撑杆直径φ10-φ12（mm）
标准球直径φ19---φ25.00
标准球的坐姿为竖直放置
根据实际情况定
更新校验规，校验规取名，输入直径标准球
手动测5点，“
”接受，再跟据实际修改支撑杆直径。
2.根据实际需求添加针位，在测针界面拖拽所要校正的针位名称到校验规，开始“继续”。
3.校正测针时应注意哪些问题：
1根据待测位置摆放工件的情况和精度要求，选择合理的测针。
2保证测针和各接合点紧固和清洁干净。
3确保相关配置参数正确。
4根据测量的需要，确定测针的针位方向。
5校正后，观察形状误差和测针半径是否正常。
第三节课基本几何元素测量
一．矢量的概念
矢量是测量机应用中的一个非常重要的概念，要牢固掌握。
矢量是物理学和数学中一个表示力、速度等等一个概念。
在测量机的应用中主要使用它在表示方向上的意义。
几何矢量：
在空间有一定长度和一定方向的线段。
简称“矢量”。
单位矢量：
长度为一个单位长的矢量叫“单位矢量”。
测量机中使用的矢量都是单位矢量。
矢量在坐标轴上的投影，称为矢量在坐标轴上的分解，又称为矢量的坐标。
通过矢量的坐标，可以知道矢量的空间方向。
矢量的用途，触测（回退）方向、面的法矢、线的方向矢量、圆柱轴线的方向矢量、圆锥的轴线矢量
二．测量软件如何描述几何元素（元素的特征）
1、面，均值点、法向矢量。
2、线，均值点、方向矢量、工作平面（投影面）。
3、圆，圆心、直径（半径）、工作平面（投影平面）。
4、圆柱，均值点（轴线上）、直径（半径）、轴线方向矢量。
5、圆锥，锥顶点、锥角（半角）、锥的轴线矢量。
球，球心、直径（半径）。
圆、圆柱、圆锥、球有内、外之分
三．元素的测量方法、结果定义和补偿方向
1、点
a.X、Y、Z表示该点在当前坐标系下的坐标值；i，j，k表示矢量方向。
测针半径补偿方法：
如右图
b.手动采点时，因为采点方向无法控制，所以规定探测方向与那一坐标轴夹角最小就延该轴方向补偿测针半径。
（斜面上采点要选取工作平面）
c.自动采点时，根据给定的矢量方向补偿。
2、直线
a.测点数：
大于等于2个点
X、Y、Z：
表示该直线中点在当前坐标系下坐标值。
i、j、k：
表示该直线的矢量方向（与X、Y、Z的夹角的cos值。
b.直线的正方向：
是起点指向终点。
c.测针半径补偿方法：
探测方向与球心连线所确定一平面，在该平面内沿垂直于球心连线的方向补偿半径。
d.注意：
探测方向与理论补偿方向的夹角不能大于45°。
e.计算方法：
当测的点数大于2时，先针对触发瞬间红宝石球心采用最小二乘法或最小条件法
拟合直线，再延垂直该直线的方向补偿半径。
3、平面
a.测点数：
≥4个点（在平面最大的范围内均匀取点）
X、Y、Z：
表示平面中心点的坐标值。
i、j、k：
表示平面的法线与X、Y、Z的夹角的COS值。
Form：
表示平面度误差。
b.平面的正方向：
是向实体的外部为正。
c.测针半径补偿方法：
用触发瞬间测针球心拟合一平面，沿垂直于平面的方向补偿半径。
d.当测的点数大于3时，先针对触发瞬间红宝石球心采用最小二乘法或最小条件法
拟合平面，再延垂直该平面的方向补偿半径。
四、球
a.测点数：
≥5个点（在球面最大的范围内取点）
X、Y、Z：
表示球心在当前坐标系下的坐标值。
D：
表示球的直径。
Form：
表示球的圆度误差。
b.当测的点数大于4时，先针对触发瞬间红宝石球心采用最小二乘法拟合球，补偿半径。
五、圆柱
测量方法：
每个截面上测≥4个点，截面数≥2个截面。
X、Y、Z：
表示第中心截面圆心坐标值。
i、j、k：
表示圆柱的轴线与X、Y、Z的夹角的COS值。
直径：
表示圆柱的直径。
距离：
表示所测圆柱最大截面跨距。
Form：
表示圆柱度的误差。
圆柱的正方向：
从第一截面圆指向最后一截面圆。
六、圆锥
测量方法：
与圆柱相同。
X、Y、Z：
表示锥顶点的坐标值。
i、j、k：
表示圆柱的轴线与X、Y、Z的夹角的COS值。
角度：
表示圆锥的锥角。
距离：
表示所测圆锥最大截面跨距。
Form：
表示圆锥度的形状误差。
圆锥的正方向：
远离是实体（外锥正方向从大圆指向顶点，内锥正方向从顶点指向大圆）
七、圆
测量方法：
（在圆周最大范围内均匀采点）
1.直接测量。
（缺点是圆要摆正）
2.在圆的表面上取点，以平面为矢量取圆的4个点。
先测矢量（
垂直于圆柱轴线的基准）平面，再在圆周上≥4个点作圆。
（在作圆时，把该平面拖放到“最靠近的CRD平面”，接受。
）
3.先测基准并找正，再在圆周上取≥4个点作圆。
4.向量创建测量：
先在端面按设定点数测点，再在圆周上均匀测≥4个点作圆。
元的计算方法：
最小二乘法（常规计算方法）；最大空圆法（也叫最大内贴圆即内圆做位置度最大实体原则计算时用MMC）；最小覆盖圆（也叫最小外接圆即外圆做做位置度最大实体原则计算时用LMC）
X、Y、Z：
表示圆心的坐标值。
D：
表示圆的直径。
Form：
表示圆度的误差。
八、圆弧
测量方法：
与圆相同
X、Y、Z：
表示圆心的坐标值。
R：
表示圆弧半径。
A:
表示所测圆弧圆角度。
Form：
表示圆度的误差。
测点数：
≥½的圆弧5个点以上＜½的圆弧10个点以上
＜½到＞¾的圆弧20个点以上＜¼的圆弧测不准
九、椭圆
测量方法：
与圆相同
测点数;≥6个点
X、Y、Z：
表示椭圆的坐标值
L：
表示椭圆的长轴W：
表示椭圆的短轴
I1,J1,K1：
表示椭圆的长轴的方向。
十、方槽
测量方法：
如右图所示
X、Y、Z：
表示方槽中心点的坐标值
L、W：
表示方槽的长和宽
I1,J1,K1：
表示方槽的长边的方向。
十一、圆槽
1.“2圆圆键槽”测量方法：
如右图所示
2.“圆槽”测量方法：
如右图所示
3.X、Y、Z：
表示圆槽中心点的坐标值
L、W：
分别表示圆槽的长和宽
I1,J1,K1：
表示圆槽的长边的方向。
十二、圆环
测量方法：
如右图所示
X、Y、Z：
表示圆环的中心坐标值
R：
表示分度圆的半径（如右图R）
r：
表示截面圆半径（如右图r）
总结：
点、圆、圆弧、椭圆、球、方槽、圆槽定义为点元素。
直线、圆柱、圆锥定义为线元素（包含构造线元素）。
十三、未知曲线扫描
先测起始点、再测方向点，最后测终止点。
再把测正移动到起始点附近--扫描
十四、位置曲面扫面
先测起始点、再测方向点，测终止点，最后测边界点。
再把测正移动到起始点附近--扫描。
第四节课构造元素的测量
一、分中
1.点元素与点元素求对称
结果为：
两点连线线段中心点坐标值或过中点并垂直于两点连线的平面。
2.线元素与线元素求对称
结果为：
点、线、面；
通常我们需要过两条直线公垂线段中心的角平分线。
其他结果根据情况而定。
3.平面与平面求对称
结果为：
两个平面的角平分面。
其他情况视情况而定。
4.分中结果种类很多，以上为常见情况，特殊情况请参考软件说明书。
二、平行
1.过直线（线元素）外一点（点元素）作该线的平行线。
2.过平面外一点（点元素）作该面的平行平面。
三、相交
1.线（轴线）与线（轴线）相交
结果为：
两条直线公垂线段中点的坐标值。
2.直线与圆球相交
结果为：
把直线投影到与圆所在的平面内，再与圆求相交。
3.直线与圆柱相交分为直线与表面相交，直线与轴线相交。
4.圆与圆相交
两个圆必须在同一平面内，相交的结果为两个点（如下图）：
5.平面与圆柱相交
1平面和圆柱的轴线相交：
结果为点。
2平面和圆柱的表面相交
结果为过圆柱轴线与平面交点处的圆柱上的圆（要求是平面的垂直线与圆柱的夹角小于1°，自动调整为圆。
）否则为曲线。
6.圆柱（圆锥）与圆柱（圆锥）相交分为：
1轴线与轴线相交
2轴线与表面相交
3表面与轴线相交
4表面与表面相交：
结果为曲线。
四、垂线
1.过直线（线元素）外一点（点元素）作该线的平行垂直线。
2.过平面外一点（点元素）作该面的垂直平面。
五、相切
通过点元素（简化为点的元素、简化为线的元素、圆元素、测量点），相贴与相贴元素（可简化为线元素、平面元素、圆元素、圆柱元素），可得到直线元素、平面元素。
例如下图：
过圆外一点有两条线与该圆相切。
六、投影
把点元素或线元素投影到平面上进行下一步运算：
例如下图要求两空中心距。
所有可能情况下面一一介绍：
A可能的构造结果元素有:
点元素,、直线元素、圆元素,、圆弧元素,、椭圆元素。
B"投影"构造元素可以是:
点元素、边界点元素、直线元素、圆元素、圆弧元素、椭圆元素、键槽元素。
关于测量点:
用户可以从元素属性页中拖放测量点条目到构造窗口中的元素输入框,拖放后元素输入框会变为如下图所示:
，其中图标
表示当前拖放的是测量点且是实际值,当是理论值时图标为
.输入框中显示的是测量点所在的元素的名称,右边的数字表示此测量点是元素的第几个测量点.通过测量点构造产生的DMIS语句如下:
CONST/POINT,F（PROJPT1）,PROJPT,FA（CIR1）[1]
C"投影到"构造元素可以是:
直线元素、平面元素、圆元素、圆弧元素、圆柱元素、圆锥元素、圆球元素、椭圆
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