機械電子工程畢業(yè)設計-機電一體化實驗室模塊設計與維護

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　機電一體化實驗室模塊設計與維護</p><p>　　機電一體化實驗室模塊設計與維護</p><p>　　摘要：機電一體化實驗室的建立能夠增強學生對于機電一體化課程的認知和實踐能

2、力，同時能夠配合其他專業(yè)課程完成不同的實驗；而機電一體化實驗室是由不同功能的模塊組合而成的，因此模塊的研究和設計對實驗室的發(fā)展有重要的意義。本設計主要介紹了機電一體化實驗室已有模塊的功能原理和內部結構；同時對實驗室故障模塊出現問題的原因進行分析并列出修復方法。在此基礎上，結合課程需要和實驗室實際情況進行了新模塊簡化牛頭刨床模塊的設計。新模塊的設計具有通用性，能夠進行多種實驗，能通過不同的電動機控制速度進給和方向。</p>

3、<p>　　關鍵字：機電一體化，模塊設計，維護</p><p>　　Module design and maintenance of Mechanical and Electrical Integration Laboratory</p><p>　　Abstract:The establish mechatronics laboratory for mechatronics c

4、ourse can be enhance students’ cognitive and practical ability, meanwhile cooperate with other professional courses in different experiments. mechatronics laboratory is composed of different func

5、tions module, so it is important to research and design the module development laboratory.The paper introduces the design of function principle and internal structure of mechatronics laboratory module, while the cause of

6、 the problem is a fa</p><p>　　Keywords: Mechanical and electrical integration, Module design, Maintain</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　機電一體化就是“利用電子信息控制計算機等”技術，是機械柔性化和智能化的技術

7、。它是機械學、計算機控制、電子技術等學科形成的一門新興的邊緣學科，知識涵蓋面較廣。</p><p>　　機電一體化技術并非簡單的機械和電子技術的組合體，是以數字信息處理為基礎，集機械制造、微電子、計算機、現代控制、傳感檢測、液壓氣動等技術為一體的復合技術專。</p><p>　　機電一體化實驗能使學生加深對機電一體化概念的理解。實驗更接近工程實際，學生在動手操作的過程中能夠增長解決實際問題

8、的能力。因此機電一體化實驗在機電一體化課程學習中有重要的意義。</p><p>　　機電一體化產品和技術可分為機械、電子和軟件三大部分。這三者的特征明顯不同，但模塊化技術是他們的一種共同的技術。模塊化技術可以減少產品的開發(fā)和生產成本，提高不同產品間的零部件通用化程度、提高產品的可裝配性、可維修性和可擴展。</p><p>　　模塊化的思想由來已久，在機械領域如機床學領域的“模塊化構造”這一

9、術語，是1967年曼徹斯特大學的柯尼希貝格教授提出的。1930年德國人首先提出了模塊化構造的設計方法，并通過適當組合經標準化和系列化的通用部件制造出了各種機。</p><p>　　模塊化是歲科學技術發(fā)張而出現的一種新的標準化形式，是一種研究系統(tǒng)分解、組合規(guī)律的標準化形式；是解決復雜系統(tǒng)問題的有效手。模塊應具備下屬特點：具有相對獨立的、不受干擾的特定功能，可以單獨考核、預制、儲備；是一個標準單元；其結構具有典型性、

10、通用性，能夠成為系列，可作為商品流通于市場；具有能傳遞功能，能組成系統(tǒng)的接。</p><p>　　理想的模塊應該標準化、系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化和經濟化，并具有互換性、相容性和相關性。機電系統(tǒng)是個大模塊，由一些子模塊構成，這些子模塊是組成產品的各種功能部件。不同用途的產品可以通過內部層次結構和功能需要由相應的子模塊通過接口集合而。</p><p>　　自動化操作是機電一體化系

11、統(tǒng)產品的主要特征。因此，設計時應該從其通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經濟性的觀點進行綜合分析。應該選擇與控制系統(tǒng)的電氣參數相匹配的機械系統(tǒng)的參數，同時要求設計控制系統(tǒng)時，應根據機械系統(tǒng)固有的結構參數來選擇和確定電氣參數，綜合應用機械技術和微電子技術，使二者緊密結合、相互協(xié)調、互相補充。充分體現機電一體化的優(yōu)越。</p><p>　　本次設計采用多種設計方法。</p><p>　　機電互補法又稱

12、取代法。該方法的特點是利用通用或專用電子部件取代傳統(tǒng)機械產品中的復雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。不但能大大簡化機械結構，而且還可提高系統(tǒng)產品的性能和質。這種方法是改造傳統(tǒng)機械產品和開發(fā)新型產品常用得方法。</p><p>　　融合法是將各組要素有機組合成為一體構成專用或通用的功能部件（子系統(tǒng)），其要素之間機電參數的有機匹配比較充。這是執(zhí)行元件與運動機構結合的一例。在大規(guī)模集成電路和微機不斷普及的今天，

13、隨著精密機械技術的發(fā)展，完全能夠設計出執(zhí)行元件、運動機構、檢測傳感器、控制與機體等要素有機的融為一體的機電一體化新產品（系統(tǒng)）。</p><p>　　組合法是將結合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)（產品），故稱組合法。在新產品（系統(tǒng)）系列及設備的機電一體化改造中應用這種方法，可以縮短設計與研制周期、節(jié)約工裝設備費用，且有利于生產管理、使用和維。</p>

14、<p>　　本次設計就是利用以上三種方法配合進行的變異性設計。變異性設計是在設計方案和功能結構不變的情況，僅改變現有產品的規(guī)格尺寸使之適應于量的方面有所變更的需要。在變異性設計的基礎上添加部分適應性設計。適應性設計是在總的設計方案、原理基本保持不變的情況下，對現有產品進行局部更改，或用微電子技術代替原有的機械結構或為了進行微電子控制對機械結構進行局部適應性設計，以使產品在性能和質量上增加某些附有價。本次設計是牛頭刨床的變異

15、性設計，對牛頭刨穿的原理機構進行簡化已到達能在實驗室進行模擬仿真的目的。同時增加了部分傳感器、行程開關等便于用PLC、繼電器對模塊進行控制的適應性設。</p><p>　　機電一體化實驗室內擁有不同的模塊，因此為了模塊維護的正常進行首先必須對現有模塊的功能原理、結構有一定的了解。此外，實驗室缺少機械部分的結構模塊，在現有模塊基礎上進行新模塊的設計可以豐富實驗內容，增加實驗的多樣性和趣味性。</p>

16、<p>　　與一般的機械系統(tǒng)設計要求相比，機電一體化系統(tǒng)的機械系統(tǒng)除要求其具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)響應特性，就是說響應要快、穩(wěn)定性要好。一個典型的機電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機械傳動部件、導向支承部件，以及檢測傳感部件等部分組成。這里所說機械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機構、凸輪機構等非線性傳動部件、導向支承部件、旋轉支承部件、軸系

17、及機架或箱體等組成。為確保機械系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計中常提出低摩擦、無間隙、低慣量、高剛度、高諧振頻率、適當的阻尼比等要。</p><p>　　2實驗室現有模塊研究 </p><p>　　實驗室擁有多種模塊：交流電源模塊、直流電源模塊、智能流量積算儀模塊、智能功率測控模塊、液壓泵控制模塊、繼電器控制模塊、直流繼電器模塊、時間/熱繼電器模塊、可編程控制模塊、按鈕控制模塊、交流變頻

18、器模塊、步進電機驅動模塊、傳感器應用模塊、數據采集模塊。多為控制或者輔助控制模塊，通過不同的組合、連接方式進行相關實驗的進行。</p><p><b>　　2.1電源模塊</b></p><p><b>　　2.1.1功能原理</b></p><p>　　電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集

19、成電路（ASIC）、數字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數字或模擬負載提供供電。</p><p><b>　　功能：</b></p><p><b>　?。?）隔離：</b></p><p>　?、侔踩綦x：強電弱電隔離/TGBT隔離驅動/浪涌隔離保護/雷電隔<

20、;/p><p>　　離保護（如人體接觸的醫(yī)療電子設備）</p><p>　?、谠肼暩綦x：模擬電路與數字電路隔離、強弱信號隔離</p><p>　?、劢拥丨h(huán)路消除：遠程信號傳輸/分布式電源供電系統(tǒng)</p><p><b>　?。?）保護：</b></p><p>　　短路保護、過壓保護、欠壓保護、過流保

21、護、其他保護</p><p><b>　?。?）電壓變換：</b></p><p>　　升壓變換/降壓變換/交直流轉換（AC/DC、DC/AC）/極性變換（正負極性轉換、單電源與正負電源轉換）</p><p><b>　?。?）穩(wěn)壓：</b></p><p>　　交流市電供電/遠程直流供電/分布式電

22、源供電系統(tǒng)/電池供電</p><p><b>　?。?）降噪:</b></p><p><b>　　有源濾波</b></p><p>　　2.1.2交流電源模塊</p><p>　　圖 2.2 交流電源模塊</p><p><b>　　基本結構：</b>

23、</p><p>　?。?）剩余電流動作保護器；</p><p>　?。?）交流電壓表：顯示外接電網電壓；</p><p>　?。?）指示燈：提示三相電U、V、W的通斷情況，燈亮表示相對應的電源導通，反之則斷開；如果發(fā)現某一相指示燈熄滅，請檢查是否對應熔斷器燒壞，或者電網供電是否正常；</p><p>　?。?）AC380V電壓輸出：護套插座

24、，連接設備專用護套插線給其他模塊提供AC380V電壓；</p><p>　?。?）熔斷器：對電路起過載保護作用，額定電流10A；如果紅色指示燈亮，說明相對應的熔斷器被燒壞，請及時更換；</p><p>　　（6）交流電流表：顯示設備總電流；</p><p>　?。?）指示燈：提示AC220V的通斷情況，燈亮表示相對應的電源是通的，反之則斷開。</p>

25、<p>　?。?）AC220V電壓輸出：護套插座，連接配套的護套插線給其他模塊提供AC220V電壓。</p><p>　　2.1.3直流電源模塊</p><p>　　功能：該模塊為其他模塊和元器件提供所需要的DC5V、DC12V和DC24V電壓</p><p><b>　　基本結構：</b></p><p>　

26、　保險管：對電路起過載保護作用；</p><p>　　指示燈：提示AC220V的通斷情況，燈亮表示模塊供電已導通，反之則斷 開；</p><p>　　AC220V電壓輸入：護套插座，連接配套的護套插線接受DB-1模塊供的 AC220V電壓；</p><p>　　電源開關：控制該模塊總電路的通斷；</p><p>　　DC12V電壓表：

27、顯示DC12V電壓輸出的實際電壓；</p><p>　　DC5V電壓輸出，大孔為護套插座，小孔為針式插線孔，相同顏色的三個 孔是導通的；連接設備專用的插線給其他模塊提供DC5V電壓；</p><p>　　DC12V電壓輸出：大孔為護套插座，小孔為針式插線孔，相同顏色的三個孔是導通的；連接設備專用的插線給其他模塊提供DC12V電壓；</p><p>　

28、　DC24V電壓輸出：大孔為護套插座，小孔為針式插線孔，相同顏色的三個孔是導通的；連接設備專用的插線給其他模塊提供DC24V電壓；</p><p>　　DC5V電壓表：顯示DC5V電壓輸出的實際電壓；</p><p>　?。?0）DC24V電壓表：顯示DC24V電壓輸出的實際電壓。</p><p><b>　　注意事項：</b></p&g

29、t;<p>　　使用該模塊，必須先用帶護套插導線從交流電源模塊DB-1的AC220V OUT與本模塊AC220V IN相連接，提供必要的供電電源；</p><p>　　該電源模塊提供DC24V、DC12V、DC5V直流電源，最大負載電流4.5A，外部負載必須在負載能力范圍以內</p><p><b>　　2.2繼電器模塊</b></p>&

30、lt;p>　　2.2.1繼電器功能原理</p><p>　　圖 2.3 繼電器模塊</p><p>　　控制繼電器是一種自動電器，它適用于遠距離接通和分斷交、直流小容量控制電路，并在電力驅動系統(tǒng)中供控制、保護及信號轉換用?？刂评^電器的輸入量通常是電流、電壓等電量，也可以是溫度、壓力、速度等非電量，輸出量則是觸點動作時發(fā)出的電信號或輸出電路的參數變化。繼電器的特點是當其輸入量的變化達到

31、一定程序時，輸出量才會發(fā)生階躍性的變化。</p><p>　　控制繼電器是一種自動電器,它適用于遠距離接通和分斷交、直流小容量控制電路,并在電力驅動系統(tǒng)中供控制、保護及信號轉換用。</p><p>　　繼電器的輸入量通常是電流、電壓等電量,也可以是溫度、壓力、速度等非電量,輸出量則是觸點動作時發(fā)出的電信號或輸出電路的參數變化。繼電器的特點是當其輸入量的變化達到一定程序時,輸出量才會發(fā)生階躍

32、性的變化。</p><p>　　控制繼電器用途廣泛,種類繁多,習慣上按其輸入量不同分為如下幾類:</p><p>　　電壓繼電器它是根據電路電壓變化而動作的繼電器,如用于電動機失壓、欠壓保護的交直流電壓繼電器;用于繞線式電動機制動和反轉控制的交流電壓繼電器;用于直流電動機反轉及反接制動的直流電壓繼電器等。供增大控制電路中觸點數量或容量而用的中間繼電器,實質上也是電壓繼電器,僅僅是其動作值無

33、需調整而已。</p><p>　　電流繼電器它是根據電路電流變化而動作的繼電器,被用于電動機和其他負載的過載及短路保護、以及直流電動機的磁場控制或失磁保護等。</p><p>　　時間繼電器這是從接受信號到執(zhí)行元件動作有一定時間間隔的繼電器,如起電動機時用以延時切換起動電阻、電動機能耗制動和生產過程的程序控制等所用的繼電器。</p><p>　　熱繼電器供交流電動機

34、過載及斷相保護用的繼電器。</p><p>　　溫度繼電器供各種設備作過熱保護或溫度控制用的繼電器。</p><p>　　速度繼電器供電動機轉速和轉向變化監(jiān)測的繼電器。</p><p>　　功能：主要完成液壓接觸器控制應用實驗、氣動回路繼電器控制實驗、機電類電氣控制實驗等主要輔助實驗模塊。電源插孔全部采用帶護套保護的插座，保證了實驗的安全性能。</p>

35、<p>　　基本結構：常開觸點、線圈、接觸器、常閉觸點</p><p><b>　　使用說明：</b></p><p>　　禁止帶電連接導線、帶電取放保險管、用手指摳護套內芯、觸摸繼電器觸頭等，以免觸電。</p><p>　　使用該模塊前，必須仔細檢查電氣控制線路是否準配無誤，確認后再進行電氣線路連接</p><

36、p>　　各個端口均與接觸器觸頭一一對應，端口全部開放，線路控制電壓DC24V請勿將控制電壓連接錯誤燒壞接觸器</p><p>　　在使用過程中，若發(fā)現外部控制有誤動作、誤操作等危險情況發(fā)生時，請及時切斷電源停止控制或操作。</p><p>　　2.2.2時間/熱繼電器模塊</p><p>　　圖 2.4時間/熱繼電器模塊</p><p>

37、;　　從得到輸入信號（線圈的通電或失電）開始，經過一定時間的延時后才輸出信號（觸電的閉合或斷開）的繼電器，稱為時間繼電器。時間繼電器主要作為輔助電器元件，用于各種電氣保護及自動裝置中，使被控元件達到所需要的延時，應用十分廣泛。延時分為通電延時和斷電延時。通電延時：接受輸入信號后延時一定的時間，輸出信號才發(fā)生變化；當輸入信號消失后，輸出瞬時復原。斷電延時：接受輸入信號時，瞬時產生相應的輸出信號；當輸入信號消失后，延遲一定的時間，輸出才復原

38、。</p><p>　　功能：主要完成液壓接觸器控制應用實驗、氣動回路繼電器控制實驗、機電類電氣控制實驗等主要輔助實驗模塊。電源插孔全部采用帶護套保護的插座，保證了實驗的安全性能。</p><p><b>　　基本結構</b></p><p>　　1——時間繼電器常開觸點</p><p>　　2——時間繼電器電源輸入端&

39、lt;/p><p>　　3——熱繼電器常開觸點</p><p>　　4——熱繼電器常閉觸點</p><p><b>　　5——漏電保護裝置</b></p><p><b>　　6——累時器</b></p><p>　　7——時間繼電器常閉觸點</p><p&g

40、t;<b>　　使用說明：</b></p><p>　　禁止手上帶水操作電路搭接，以免造成觸電事故；</p><p>　　搭接電路、液壓回路之前必須斷開設備總電源，嚴禁帶電搭接電路和泵站啟動狀態(tài)下搭接液壓回路；</p><p>　　通電后不要將手或導電物體戳進保護套插座或與護套相連接的護套插線街頭內的鐵芯上，以免造成觸電事故；</p>

41、;<p>　　各個端口均與接觸器觸頭一一對應，端口全部開放，不允許同一觸電重復使用；</p><p>　　插護套插線式應插穩(wěn)、插牢，以免接觸不良而導致電路不通；</p><p>　　拔取護套插線時應捏住護套插線頭，不要拉著線身使勁拽，以免長時間的拖拽將線拽斷；</p><p>　　接線時需要合理地選擇護套插線的顏色和長短，以保證電路的簡潔明了；<

42、/p><p>　　在使用過程中，若發(fā)現外部有誤動作、誤操作等危險情況發(fā)生時，請及時切斷電源，并及時報告，非專業(yè)人員嚴禁擅自檢修設備</p><p>　　2.3液壓泵控制模塊</p><p>　　功能：該模塊為液壓控制模塊，有手動控制和自動控制兩種方式控制液壓泵站的啟停</p><p><b>　　基本結構：</b></

43、p><p>　　DC24V電壓輸入：護套插座，連接設備專用的護套插線接受DB-2模塊供的DC 24V電壓；</p><p>　　PC控制口：繼電器線圈，手動控制時紅色端口接DC24V+、黑色端口接GND；自動控制時紅色端口接PLC輸出端，黑色端口接GND；</p><p>　　控制切換旋鈕：手動控制和自動控制切換；</p><p>　　泵站啟停旋

44、鈕：控制泵站啟動和停止；</p><p>　　急停開關：緊急切斷泵站電源，按下去就會直接切斷泵站電源，按下去后向右旋開關再彈起；</p><p>　　轉速表：通過傳感器測量泵站電機轉速；</p><p>　　微型斷路器：泵站總電源開關。</p><p>　　圖 2.5 液壓泵控制模塊</p><p><b>

45、　　注意事項：</b></p><p>　　使用本模塊，必須先用帶護套插導線從直流電源模塊DB-2的DC24V OUT與本模塊DC24V IN相連接，提供必要的供電電源；</p><p>　　非正常斷電后，一定要將泵站啟動旋鈕拔到停止位置，并將溢流閥開口調節(jié)至最大，以免再次啟動時對元器件造成沖擊損壞。</p><p>　　2.4步進電機驅動模塊</

46、p><p>　　步進電機驅動模塊是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。步進電動機和步進電動機驅動器構成步進電機驅動系統(tǒng)。步進電動機驅動系統(tǒng)的性能

47、，不但取決于步進電動機自身的性能，也取決于步進電動機驅動器的優(yōu)劣。對步進電動機驅動器的研究幾乎是與步進電動機的研究同步進行的。</p><p>　　圖2.6 步進電機驅動模塊</p><p>　　步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源（步進電動機驅動器）?？刂破鳎}沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻

48、率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。</p><p><b>　　結構：</b></p><p><b>　　1——方向電平</b></p><p><b>　　2——輸入電源</b></p><p><b>　　3——指示燈</b><

49、;/p><p><b>　　4——保險管</b></p><p><b>　　5——電源開關 </b></p><p><b>　　6——步進脈沖</b></p><p><b>　　使用說明：</b></p><p>　　禁止帶電連接

50、導線，該模塊控制電壓為DC24V，請勿采用AC220C作為控制電壓</p><p>　　使用該模塊錢，必須仔細檢查電氣控制線路是否準確無誤，確認后再進行電氣線路連接</p><p>　　各個端口全部開放，電氣科根據程序實際需求在外部進行連接</p><p>　　在使用過程中，若發(fā)現外部有誤動作、誤操作等危險情況發(fā)生時，請及時切斷電源，并及時報告，非專業(yè)人員嚴禁擅自檢

51、修設備</p><p><b>　　2.5交流變頻模塊</b></p><p>　　變頻器就是利用電力半導體器件的通斷作用將固定電壓、頻率的交流電變換為頻率、電壓都連續(xù)可調的交流電的裝置，主要用于對異步電動機的調速控制；</p><p>　　功能：通過改變頻率來改變電機的轉速，使電機平穩(wěn)運行，電源插孔全部采用帶護套保護的插座，保證了實驗的安全性

52、能；</p><p><b>　　基本結構：</b></p><p>　　1——旋鈕控制插孔 </p><p><b>　　2——手動控制按鈕</b></p><p>　　3——AC380V輸入 </p><p><b>　　4——變阻旋鈕</b><

53、;/p><p>　　5——AC380V輸出</p><p>　　圖2.7 交流變頻模塊</p><p><b>　　使用說明：</b></p><p>　　使用該模塊前，必須通過相應型號的手冊了解該變頻器，了解各個參數代表</p><p><b>　　的意義：</b></p

54、><p>　?。?） 各個端口均與接觸器觸頭一一對應，端口全部開放，線路控制電壓DC24V，請勿將控制電壓連接錯誤燒壞接觸器；</p><p>　?。?）在使用過程中，若發(fā)現外部控制有誤動作、誤操作等危險情況發(fā)生時，請及時切斷電源停止控制或操作。</p><p>　　2.6可編程控制器模塊</p><p>　　可編程控制器是一種數字運算操作的電子

55、系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出控制各種機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設。</p><p>　　圖2.8 可編程控制器模塊</p><p>　　PLC的工作方式是按集中輸入、集中輸出、不斷

56、地周期性循環(huán)掃描的方式進行的。</p><p>　　PLC的應用范圍：順序控制、運動控制、過程控制、數據處理、通信網絡</p><p>　　PLC的組成：中央處理器單元、存儲器單元、輸入/輸出單元、電源部分、接口單元、外部設</p><p>　　2.7交流接觸器模塊</p><p>　　接觸器由電磁機構、觸電系統(tǒng)、滅弧裝置、反力裝置和基座等幾

57、部分組成。 </p><p>　　電磁機構：由線圈、鐵心和銜鐵組成</p><p>　　主觸點和輔助觸點：主觸點通過較大電流，輔助觸點用于控制回路通過的電流 較小。</p><p>　　滅弧裝置：多縱縫滅弧裝置</p><p>　　反力裝置：釋放彈簧和觸點彈簧，且均不能進行彈簧松緊的調節(jié)</p><p>　　基座：

58、支架和底座，用于接觸器的固定和安裝</p><p>　　圖2.9 交流接觸器模塊</p><p>　　工作原理：交流接觸器線圈通電后，在鐵心中產生磁通。由此在銜鐵氣隙處產生吸力，使銜鐵產生必和動作，主觸點在銜鐵的帶動下閉合，于是接通了主電路。同時銜鐵還帶動輔助觸點動作，使原來閉合的輔助動斷觸點斷開。當線圈斷電或電壓顯著降低時，吸力消失或減弱，銜鐵在釋放彈簧作用下打開，主、輔觸電又恢復到原來

59、狀態(tài)。</p><p><b>　　3實驗室模塊維護</b></p><p>　　機電一體化設備的故障特點</p><p>　?。?）機械設備的故障表象特點</p><p>　?、贆C械設備的運行過程是一個動態(tài)的過程，在不同時刻的測試數據是不可重現的，用監(jiān)測數據直接判斷運行過程中的故障也是不可靠的。</p>

60、<p>　　②從系統(tǒng)特性來看，機械系統(tǒng)的故障具有隨機性、連續(xù)性、離散型、緩變性、突發(fā)性、間歇性、模糊性等。其產生的原因有一對多性（一個故障結果可能由多種原因產生）、復合性（多個原因同時作用產生某個故障結果）</p><p>　　（2）電子設備的故障表象特點</p><p>　　電子設備的故障特點具有隱蔽性、突發(fā)性、敏感性（入隊溫度，濕度等外界工作條件）</p>&l

61、t;p>　　（3）機電一體化設備的故障表象特點</p><p>　　機電一體化系統(tǒng)出了具有原有機械和電子設備的特點外，又增加了故障轉移、表征復雜性、集成性、融合性、交叉性等特點。</p><p>　　機電一體化設備的故障診斷方法：</p><p>　　由于機電一體化設備所具有的獨特特點，我們不能沿用傳統(tǒng)的單獨針對機械或電子的維修診斷方法，而應將機電有機結合，轉

62、變思維方法。首先，要對機電一體化系統(tǒng)有一個深入的分析、了解，熟悉各功能模塊框圖，根據各組成部分的功能、結合形式和工作環(huán)境，分析故障可能的形式和影響程度。必要時作出故障樹分析，根據故障發(fā)生的現象，層層分解，找出與故障形式的邏輯關系及與可靠性有關的各種因素，弄清產生故障的實質和根源。</p><p>　　機電一體化設備的故障診斷法又故障樹分析法、拓撲網絡分析法、自診斷法（故障代碼、故障指示燈、報警聲等）、溫度檢測診斷

63、法、壓力檢測診斷法、振動檢測診斷法、噪聲檢測診斷法、金相分析檢測診斷法、時域模型分析法等。具體診斷方法有以下3種：</p><p>　　①先機后電由于機械結構的直觀性，我們可以通過肉眼看到明顯的故障表象，如斷裂、變形、打滑、碰撞、卡死等，所以，先從機械部分入手，檢查機械部分是否能夠正常工作，行程開關是否自如接通和斷開，液壓、氣動裝置是否能正常循環(huán)，然后再判斷電子部分是否存在問題。一般而言，由于機械的工作特點，它是

64、已執(zhí)行元件、驅動原件等身份出現的，它們更容易因為磨損、變形等原因發(fā)生失效。</p><p>　?、谙韧夂髢扔蓤?zhí)行部件到控制部件再到驅動部件逐個檢查，找到故障源頭。</p><p>　?、巯雀珊笕~先分析主要部件，后分析次要部件，尤其要重要分析結合部零件或接口部件。</p><p>　　可靠性設計是近年來得到發(fā)展和廣泛應用的一種現代設計方法，它把概率論和數理統(tǒng)計應用于工

65、程設計。不僅解決了傳統(tǒng)設計不能處理的一些問題，而且能有效的提高產品設計水平和質量并降低了成本。</p><p><b>　　3.1機電模塊損壞</b></p><p>　　3.1.1模塊主要部件損壞</p><p>　　當模塊主要部件損壞時，需要替換新的模塊。實驗室此類損壞的模塊包括直流電源模塊和可編程控制器模塊。這部分模塊需要了解其主要原理，

66、并確定各個接口位置功能，確保連接正確，以免出現意外。同時，因為這種零部件較為昂貴，維護時應注意環(huán)境，確保安全維護，防止掉落等不必要的損失。</p><p>　　圖3.1 損壞的可編程控制器模塊</p><p>　　可編程控制器維護過程需要注意的是將輸入輸出接線確定，維護完成后應該世紀連接到電路中確定正常使用。</p><p>　　3.2 修復后的可編程控制器模塊

67、</p><p>　　3.1.2模塊零部件缺失</p><p>　　因為實驗過程中操作不當或者其他人為原因，道理模塊上部分零件丟失，這部分模塊只需更換新的零部件即可。</p><p>　　這部分需要注意的是平沿帽FUSH直接接220V因此不能再電路連接時換其內部的熔斷器，以免導致觸電事故。</p><p>　　圖3.3 損壞的步進電機驅動模

68、塊</p><p>　　圖3.4 修復后的步進電機驅動模塊</p><p>　　3.1.3 模塊接線斷開</p><p>　　此類模塊大多是內部接線斷開、燒壞，或者使用不當導致的各種問題。這部分模塊需要使用電烙鐵進行內部線路的連接。需要注意的是電烙鐵的正確使用，因為內部接線大多與外部的按鈕相連接，而電烙鐵的高溫很容易導致外部塑料按鈕損壞，因此在反復練習之后才能進

69、行接線的連接。</p><p>　　電烙鐵的正確使用方法：</p><p>　　(1)右手持電烙鐵。左手用尖嘴鉗或鑷子夾持元件或導線。焊接前，電烙鐵要充分預熱。烙鐵頭刃面上要吃錫，即帶上一定量焊錫。</p><p>　?。?）將烙鐵頭刃面緊貼在焊點處。電烙鐵與水平面大約成60℃角。以便于熔化的錫從烙鐵頭上流到焊點上。烙鐵頭在焊點處停留的時間控制在2～3秒鐘。<

70、/p><p>　?。?）抬開烙鐵頭。左手仍持元件不動。待焊點處的錫冷卻凝固后，才可松開左手。</p><p>　?。?）用鑷子轉動引線，確認不松動，然后可用偏口鉗剪去多余的引線。</p><p>　　圖3.5 損壞的按鈕控制模塊內部圖</p><p>　　圖3.6 修復后的按鈕控制模塊內部圖</p><p>　　焊接

71、質量-----焊接時，要保證每個焊點焊接牢固、接觸良好。要保證焊接質量，其典型特征是錫點光亮，圓滑而無毛刺，錫量適中。錫和被焊物融合牢固,不應有虛焊和假焊。</p><p>　　虛焊是焊點處只有少量錫焊住，造成接觸不良，時通時斷。假焊是指表面上好像焊住了，但實際上并沒有焊上，有時用手一拔，引線就可以從焊點中拔出。</p><p>　　焊接電路板時，一定要控制好時間。太長，電路板將被燒焦，或

72、造成銅箔脫落。從電路板上拆卸元件時，可將電烙鐵頭貼在焊點上，待焊點上的錫熔化后，將元件拔出。</p><p><b>　　3.2液壓模塊損壞</b></p><p>　　圖3.7 損壞的液壓閥 </p><p>　　類似的液壓閥主要是因為碰撞導致塑料外殼破損脫落，修復此類模塊只需更換塑料外殼。</p><p>　　圖3

73、.8 損壞的液壓閥</p><p>　　圖3.8中的模塊是因為連接不恰當導致接線斷開、塑料外殼破裂。修復這種模塊需要更換接口，需要注意的是接線時有正負方向。 </p><p>　　圖3.9 掉落的液壓閥零件</p><p>　　實驗室內有大量的液壓閥模塊，大多數因使用不當、碰撞或者使用時間較長導致?lián)p。</p><p>　　這部分模塊只需更

74、換部件并連接即可。需要注意的是液壓閥內部有二極管指示燈，因此在修復損壞模塊是一定要將輸入輸出確定，一般是紅色為輸入黑色為輸出。</p><p>　　3.3 模塊維護成果</p><p>　　圖3.10 修復后的閥體</p><p>　　圖3.11 修復后的模塊</p><p>　　實驗室的模塊經過維護后可以正常的進行實驗，如圖3.11為正常使

75、用的各種實驗室模塊。</p><p>　　圖3.12 修復后的模塊</p><p>　　實驗室中損壞的模塊大多是輸入模塊，如圖3.12中的交流、直流電源模塊，部分模塊修復時只需要更換熔斷器即可，圖中為常見的易損壞模塊。</p><p><b>　　4新模塊的設計</b></p><p><b>　　4.1模塊設

76、計思想</b></p><p>　　實驗室現有模塊中大多數是控制模塊，在進行實驗時多是進行模擬實驗。因此，在設計過程中將重點放在機械模塊部分，使得設計能被多種模塊控制，能進行多種實驗進行，以豐富機電一體化實驗室的多樣性。</p><p>　　本次設計的模塊是模擬機械運動中常見的往復運動，例如刨、拉等運動。設計源于牛頭刨床，通過皮帶傳動、齒輪傳動、連桿機構等組成。通過控制輸入可對

77、模塊進行速度調節(jié)和方向調節(jié)。</p><p><b>　　影響可靠性的因素：</b></p><p><b>　　器件失效</b></p><p>　　元器件是構成整個機電實驗的基本單元，單個院基建的可靠性是整機可靠性的基礎。按照概率運算法則，整體的失效率等于各組成部分的失效率之和。因此，應該嚴格挑選失效率低的產品用于實際

78、系統(tǒng)。</p><p><b>　　器件的聯(lián)接和組裝</b></p><p>　　機電一體化設備控制系統(tǒng)復雜，電氣元器件之間縱橫交錯，要保證整體的可靠性，就必須解決好聯(lián)接與組裝的可靠性，而插接件的接觸不良會造成信號傳送失靈，是產生系統(tǒng)故障的原因之一。此外，由于溫度濕度變化較大，油污粉塵對元器件的污染以及機械振動的影響都會影響系統(tǒng)的可靠。</p><

79、p>　　設計中應該注意的問題是傳感器和行程開關的位置和接口問題。</p><p>　　模塊中的傳感器主要分為PMP和NPN型。</p><p>　　PNP與NPN型傳感器其實就是利用三極管的飽和和截止，輸出兩種狀態(tài)，屬于開關型傳感器。但輸出信號是截然相反的，即高電平和低電平。PNP輸出 是低電平0，NPN輸出的是高電平1。</p><p>　　PNP與NPN型

80、傳感器（開關型）分為六類：</p><p>　　1、NPN-NO（常開型）</p><p>　　2、NPN-NC（常閉型）</p><p>　　3、NPN-NC+NO（常開、常閉共有型）</p><p>　　4、PNP-NO（常開型）</p><p>　　5、PNP-NC（常閉型）</p><p&g

81、t;　　PNP-NC+NO（常開、常閉共有型）</p><p>　　圖4.1 傳感器連接方式</p><p><b>　　NPN類</b></p><p>　　NPN是指當有信號觸發(fā)時，信號輸出線out和電源線VCC連接，相當于輸 出高電平的電源線。</p><p>　　對于NPN-NO型，在沒有信號觸發(fā)時，輸出線是懸空

82、的，就是VCC電源線和out線斷開。有信號觸發(fā)時，發(fā)出與VCC電源線相同的電壓，也就是out線和電源線VCC連接，輸出高電平VCC。</p><p>　　對于NPN-NC型，在沒有信號觸發(fā)時，發(fā)出與VCC</p><p>　　電源線相同的電壓，也就是out線和電源線VCC連接，輸出高電平VCC。當有信號觸發(fā)后，輸出線 是懸空的，就是VCC電源線和out線斷開。</p><

83、;p>　　對于NPN-NC+NO型，其實就是多出一個輸出線OUT，根據需要取舍。</p><p><b>　　PNP類</b></p><p>　　PNP是指當有信號觸發(fā)時，信號輸出線out和0v線連接，相當于輸出低電平，0V。</p><p>　　對于PNP-NO型，在沒有信號觸發(fā)時，輸出線是懸空的，就是0V線和out線斷開。有信號觸發(fā)

84、時，發(fā)出與OV相同的電壓，也就是out線和0V線連接， 輸出輸出低電平0V。</p><p>　　對于PNP-NC型，在沒有信號觸發(fā)時，發(fā)出與0V線相同的電壓，也就是out線和0V線連接，輸出低電平0V。當有信號觸發(fā)后，輸出線是懸空的，就是0V 線和out線斷開。</p><p>　　對于PNP-NC+NO型，和NPN-NC+NO型類似，多出一個輸出線OUT，及 兩條信號反相的輸出線，根據

85、需要取。</p><p><b>　?。?）行程開關</b></p><p>　　行程開關行程開關，位置開關（又稱限位開關）的一種，是一種常用的小電流主令電器。利用生產機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動。</

86、p><p>　　在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關的作用是實現順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設備的行程及限位保護。構造：由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。</p><p>　　在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。&

87、lt;/p><p><b>　　4.2模塊設計過程</b></p><p><b>　　皮帶傳動部</b></p><p>　　圖 4.2 皮帶傳動</p><p>　　選用皮帶傳送是因為適用于兩軸中心距較大的傳動場合，現實加工中的機器大都規(guī)模較大因此采用皮帶傳送。同時皮帶工作時傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、

88、吸振。工作中如遇到過載，帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用。而且造價低廉、不需要潤滑以及緩沖、吸震、易維護等特點。</p><p>　　因為本次設計是是實驗模塊，要求精度不高，所以選用平帶開口傳動。</p><p><b>　　齒輪傳動部分如下：</b></p><p>　　圖 4.3 齒輪傳動</p>&

89、lt;p>　　齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接傳遞運動和動力的裝置。</p><p>　　在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力。</p><p>　　齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、結構緊湊、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達300m/s；齒輪直徑可以從幾毫

90、米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設備，嚙合傳動會產生噪聲。</p><p>　　為了節(jié)省開支，在滿足設計要求的情況下，本次設計齒輪選用非金屬材料制造。</p><p><b>　　連桿機構部分如下：</b></p><p>　　曲柄滑塊機構廣泛應用于往復活塞式發(fā)動機、壓縮機、沖床等的主機構中?；钊桨l(fā)動機以滑塊為主動件，把往復移動轉換為不

91、整周或整周的回轉運動；壓縮機、沖床以曲柄為主動件，把整周轉動轉換為往復移動。偏置曲柄滑塊機構的滑塊具有急回特性，鋸床就是利用這一特性來達到鋸條的慢進和空程急回的目的。</p><p>　　圖 4.4 曲柄滑塊機構</p><p><b>　　模塊機座部分如下：</b></p><p>　　模塊機座主要起支撐作用，同時方便各種電動機與模塊相連接。

92、基于實驗室現有的情況，機座應在滿足模塊需求的情況下盡量縮小尺寸。</p><p><b>　　模塊其它部分：</b></p><p>　　為了方便實驗模塊與外界輸入連接，模塊應該具有其他相關機構配合使用。</p><p>　　聯(lián)軸器：用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器

93、還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。聯(lián)軸器又分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器，本次設計模塊要求較低，因此選用剛性聯(lián)軸器，優(yōu)點是結構簡單、尺寸小、成本低、承載能力大，用于被連接兩軸在安裝和運轉中相對位移較小且載荷比較平穩(wěn)的傳動系統(tǒng)中。</p><p>　　減速器：減速機在原動機和工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，減

94、速機是一種相對精密的機械，使用它的目的是降低轉速，上海長城減速機蝸桿減速機和行星齒輪減速機；按照傳動級數不同可分為單級和多級減速機廠輪形狀可分為圓柱齒輪減速機、圓錐齒輪減速機和圓錐－圓柱齒引輪減速機；按照傳動的布置形式又可分為展開式、分流式和同進軸式減速機。減速器是一種由封閉在剛性殼體內的齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪-蝸桿傳動所組成的獨立部件，常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置 。在原動機和工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用

95、，在現代機械中應用極為廣。</p><p>　　軸承：軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數的部件。也可以說，當其它機件在軸上彼此產生相對運動時，用來降低動力傳遞過程中的摩擦系數和保持軸中心位置固定的機件。軸承是當代機械設備中一種舉足輕重的零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，用以降低設備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數。按運動元件摩擦性質的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。本次設計主要選用滾動軸承即

96、可。</p><p><b>　　模塊實際模型：</b></p><p>　　圖4.5 簡化牛頭刨床模塊</p><p>　　固態(tài)繼電器（SSR）是一種新興的無觸點繼電器工業(yè)產品，具有許多傳統(tǒng)電磁式繼電器（EMR）無法比擬的優(yōu)越性。它是一種無觸點通斷電子開關，當施加輸入信號后其主回路呈導通狀態(tài)。無信號呈阻斷狀態(tài)，它利用分立器件和集成器件及微電子

97、技術實現了控制回路（輸入端）與負載回路（輸出端）之間的電隔離及信號耦合，沒有任何可動部件或觸點，實現了具有相當于電磁繼電器一樣的功能。</p><p>　　固體繼電器一般為一個四端組件，其中兩個為輸入端，兩個為輸出端，至少由三部分組成。</p><p>　　4.3 模塊功能驗證</p><p>　　在設計中應注意的是設計模塊是為了進行多種實驗而不是設計整體，模塊應當

98、能配合其他模塊共同組成實驗。因此，設計部分實驗以驗證模塊的實用性。</p><p>　?。?）實驗一：PLC控制三相異步電機驅動模塊</p><p>　　圖4.6 PLC控制三相異步電機運轉</p><p>　　傳感器在接線圖中通常以開關表示</p><p>　　I0.0為正轉啟動按鈕同時連接傳感器SB1，按下啟動按鈕后，電機開始正轉啟動，當

99、行進到傳感器SB2位置時，觸發(fā)SB2傳遞給PLC信號。此時反轉按鈕I0.2啟動，KM2接通，電機開始反轉，從而實現了模塊正向進給和反向進給的控制。</p><p>　　圖4.7 PLC控制三相異步電機運轉梯形圖</p><p>　?。?）繼電器控制直流電機驅動模塊</p><p>　　圖4.8 繼電器控制直流電機運轉</p><p>　　合上

100、總開關K1，再把總停旋鈕合上，按下按鈕1，電機開始正轉，當電機碰到行程1時，KM1停止工作，電機停轉，時間繼電器開始工作，觸電斷開，當時間繼電器過3秒后動作時，時間繼電器觸電閉合，KM2開始工作，電機反轉，繼電器斷電停止工作。當碰到行程2時，KM2停止工作，電機停轉，時間繼電器又開始工作，觸電斷開，過3秒后，時間繼電器觸電合閉，KM1又開始工作，時間繼電器停止工作，觸電合閉。如此循環(huán)工作。如須停止，則把總停旋鈕關上或者關閉總開關K1。&

101、lt;/p><p>　　圖4.9 繼電器控制直流電機運轉調速</p><p>　　如圖4.9所示，在控制電路中，按下ＳＢ２時，交流接觸器ＫＭ１線圈得電，ＫＭ１的動合主觸頭ＫＭ１接通，直流電動機Ｍ正轉；當按下SB3時，交流接觸器ＫＭ２線圈得電，ＫＭ２的動合主觸頭ＫＭ２接通，電路實現交叉連接，改變電樞回路中的電流方向，直流電動機Ｍ反轉。電路中采用互鎖，一條電路接通時，立即切斷另一條電路。調節(jié)ＲＰ可

102、以改變電動機的轉速。</p><p>　　圖4.8與4.9均為繼電器控制直流電機運轉，不同的是4.8只可以控制直流電機運轉方向，而4.9不僅可以控制直流電機運轉還可以調速。</p><p>　?。?）直流電機驅動模塊調速</p><p>　?。?）用DAC0832D/A轉換電路的輸出，經放大后驅動直流電機。</p><p>　?。?）編制程序

103、，改變DAC0832輸出經放大后的方波信號的占空比來控制電機轉速。</p><p>　　1）DAC0832的片選信號CS_0832連到譯碼輸出Y6。</p><p>　　2）對58B機型，0832的輸出DOUT端連到電機模塊上的插孔DJ，對模塊化機型0832的輸出DOUT端連到電機模塊上的MC插孔。</p><p>　　3）對模塊化機型，M0和M1插孔分別連兩個開關

104、或+5V和GND,以控制電機的正反轉。</p><p>　　圖4.10 單片機控制直流電機運轉</p><p><b>　　程序清單如下：</b></p><p>　　CODE SEGMENT</p><p>　　ASSUME CS:CODE</p><p>　　DAPORT EQU 0060H&

105、lt;/p><p>　　START:MOV AL,0FFH</p><p>　　DACON1:MOV DX,DAPORT</p><p><b>　　OUT DX,AL</b></p><p>　　MOV CX,1000H</p><p>　　DACO2:LOOP DACO2</p>&

106、lt;p><b>　　DEC AL</b></p><p>　　JNZ DACON1</p><p>　　DACO3:MOV DX,DAPORT</p><p><b>　　OUT DX,AL</b></p><p>　　MOV CX,1000H</p><p>　　D

107、ACO4:LOOP DACO4</p><p><b>　　INC AL</b></p><p><b>　　JNZ DACO3</b></p><p>　　JMP DACON1</p><p><b>　　CODE ENDS</b></p><p>&

108、lt;b>　　END START</b></p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計是以機電一體化課程為理論基礎進行機電一體化實驗室模塊的設計與維護,機電一體化實驗中涉及到機械部分和控制部分,設計過程主要包含了以下三部分內容:</p><p>　　(1)根據機電一體化課程所學知識,結合實驗室

109、實際情況,對模塊功能原理和結構進行了介紹。 </p><p>　　(2) 概述了機電一體化模塊的維護原理，成功修復了實驗室損壞的模塊和閥體，并解釋常見的模塊損壞原因以及修理方法和技巧。</p><p>　　(3)成功運用PRO/E軟件進行了新模塊的建模，通過新模塊的建立以及實驗的設計，證明了本次新模塊的設計是可行的，能夠實際應用到機電一體化實驗室的建設中，從而加強實驗室機械模塊方面的實驗部

110、分。</p><p>　　在維修模塊的過程中遇到部分接線問題，學會使用工具完成接線。在PRO/E建模過程中學會使用機構功能解決了模型仿真問題，同時對模塊模型不同機構之間的連接進行了優(yōu)化，最終成功建立模型。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 孫桓 陳作模 葛文杰. 機械原理[M]. 第七版. 北京:高等教育

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