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1、題 目 plc在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用班 級 學(xué)生姓名 實習(xí)單位 指導(dǎo)老師 日 期 plc在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要:近年來,plc在工業(yè)自動控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣,它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著plc技術(shù)的發(fā)展, 它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來越多。在機(jī)床的實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中,為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度,對其定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。永宏fbs系列plc的nc定位功能較其它plc更精準(zhǔn),且程序的設(shè)計和調(diào)試相當(dāng)方便。本文提出的是如何應(yīng)用永宏plc的nc定位控制實現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法來滿足控制要求,
2、在實際運行中是切實可行的。整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng),具有良好的性能價格比等顯著優(yōu)點,其軟硬件的設(shè)計思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床設(shè)計改造借鑒。關(guān)鍵詞:plc;數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng);應(yīng)用;維護(hù)前言 可編程序控制器(plc)主要以計算機(jī)的微處理器為基礎(chǔ),綜合計算機(jī)的應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動控制技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用控制器。雖然plc由較為復(fù)雜的微處理器組成,但是在實際應(yīng)用過程中,完全不必了解微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最初,plc還僅是作為繼電器接觸器控制系統(tǒng)的替代品,而自從進(jìn)入數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)領(lǐng)域后,凸顯了其獨有的優(yōu)越性,以其自身強(qiáng)大的抗干擾能力、自診斷
3、功能等,提高了數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的可靠性,基本解決了普通繼電器及接觸器中常見的故障問題,經(jīng)過調(diào)試后可長期安全可靠地運行。本文將對plc的特點、基本工作過程、機(jī)床數(shù)控特點原理、在數(shù)控機(jī)床控制中的應(yīng)用等問題進(jìn)行分析與闡述。第1章 可編程序控制器(plc)的特點1.1 體積小重量輕超小型的plc底部尺寸100mm,重量150g,其功耗僅為數(shù)瓦。由于其體積小,很容易裝入機(jī)械中,便于機(jī)電一體化的實現(xiàn)。1.2實用性普遍 plc可適用于各種規(guī)模的電氣控制場合,除了基本的邏輯處理功能之外,當(dāng)前大多plc具有數(shù)據(jù)運算能力,并可應(yīng)用于數(shù)字控制領(lǐng)域中。近年來,plc的功能日益完善,plc的應(yīng)用已經(jīng)普遍到溫度控制、位置
4、控制及cnc等多個控制領(lǐng)域。 1.3抗干擾能力強(qiáng) 由于plc采用了現(xiàn)代化的大規(guī)模集成電路技術(shù),在內(nèi)部電路、生產(chǎn)工藝等方面均采取先進(jìn)的抗干擾處理技術(shù),具有較高的可靠性。另外,plc還自備硬件故障自動檢測功能,一旦出現(xiàn)故障即可發(fā)出警報。在軟件應(yīng)用中,應(yīng)用者還可編入外圍器件的自診斷故障程序,讓系統(tǒng)中出了plc之外的電路與設(shè)備也能獲得自我保護(hù)功能。 1.4應(yīng)用簡單、普遍 plc作為直接面向企業(yè)的工控設(shè)備,具有接口容易、編程語言易于被工程技術(shù)人員接受并理解等特點,尤其圖形符號及梯形圖語言、表達(dá)方式等與繼電器電路圖基本類似,只需通過plc的少量開關(guān)量邏輯控制指令就能熟練實現(xiàn)在電氣控制中的應(yīng)用。 1.5維護(hù)
5、與改造方便 plc通過存儲邏輯替代了接線邏輯,減少了控制設(shè)備外在的接線,極大減少了控制系統(tǒng)設(shè)計和建造的時間,為后期維護(hù)提供了方便,同時程序較易改變,可極快應(yīng)用于生產(chǎn)過程的改變。 第二章 可編程序控制(plc)的基本工作過程 plc及相關(guān)外圍設(shè)備的設(shè)計原則應(yīng)滿足“與工業(yè)控制系統(tǒng)為一個整體、方便功能擴(kuò)展”,所有的電氣控制系統(tǒng)的實現(xiàn)都是根據(jù)工藝要求,最終提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。因此,在設(shè)計plc控制系統(tǒng)時,應(yīng)滿足被控對象的基本要求,并對實際工作現(xiàn)場進(jìn)行研究、收集資料,并實現(xiàn)設(shè)計人員與操作人員的密切配合,共同擬定可操作方案,對可能潛在的問題進(jìn)行共同分析、共同解決。并在滿足各方控制要求的前提下,考慮控制
6、系統(tǒng)的簡單性與經(jīng)濟(jì)性,方便后期的使用及維修,并確保電氣控制的安全性、穩(wěn)定性。plc在電氣控制中的基本工作過程為: (1)現(xiàn)場信息的輸入:在系統(tǒng)軟件的控制下,按照順序?qū)斎朦c進(jìn)行掃描,并讀取輸入點的狀態(tài)。 (2)程序的執(zhí)行:對用戶程序中的指令按順序掃描,并根據(jù)輸入的狀態(tài)及指令進(jìn)行邏輯性運算。 (3)控制信號的輸出:根據(jù)以上邏輯運算的結(jié)果,輸出狀態(tài)寄存器向各個輸出點同時發(fā)出相應(yīng)的信號,以實現(xiàn)所需的邏輯控制功能。 以上過程完成后,再重新開始,并反復(fù)執(zhí)行,每執(zhí)行一次即完成一個掃描周期。在實際應(yīng)用時,很多機(jī)械設(shè)備的工作流程可分為一系列不斷重復(fù)的順序動作,而plc的工作程序恰與其相似,因此plc程序能很好
7、地與機(jī)器動作相對應(yīng),且程序的編制簡單、直觀,易于修改,減少了開發(fā)軟件的費用,并縮短軟件開發(fā)周期。第三章 數(shù)控機(jī)床3.1 數(shù)控機(jī)床組成結(jié)構(gòu)及工作過程 本例數(shù)控機(jī)床由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機(jī)床主機(jī)等組成,如圖1所示。 圖1 數(shù)控機(jī)床組成機(jī)構(gòu)圖輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計算機(jī)。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的初期,輸入裝置為穿孔紙帶,現(xiàn)已趨于淘汰;目前,使用鍵盤、磁盤等,大大方便了信息輸入工作。輸出指輸出內(nèi)部工作參數(shù)(含機(jī)床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù),故障診斷參數(shù)等),一般在機(jī)床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存,待工作一段時間后,再將輸出與原始資料作比較、對照,可
8、幫助判斷機(jī)床工作是否維持正常。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心與主導(dǎo),完成所有加工數(shù)據(jù)的處理、計算工作,最終實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各功能的指揮工作。它包含微計算機(jī)的電路,各種接口電路、crt顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件??删幊炭刂破鲗χ鬏S單元實現(xiàn)控制,將程序中的轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速;管理刀庫,進(jìn)行自動刀具交換、選刀方式、刀具累計使用次數(shù)、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理;控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止、準(zhǔn)停、切削液開關(guān)、卡盤夾緊松開、機(jī)械手取送刀等動作;還對機(jī)床外部開關(guān)(行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫控開關(guān)等)進(jìn)行控制;對輸出信號(刀庫、機(jī)械手、回轉(zhuǎn)工作臺等)進(jìn)行控制。檢測反饋裝置由檢測元件和相應(yīng)的電路組成,主要是檢測速度
9、和位移,并將信息反饋于數(shù)控裝置,實現(xiàn)閉環(huán)控制以保證數(shù)控機(jī)床加工精度。數(shù)控機(jī)床的工作過程如圖2所示。 圖2 數(shù)控機(jī)床的工作過程框圖數(shù)控加工的準(zhǔn)備過程較復(fù)雜,內(nèi)容多,含對零件的結(jié)構(gòu)認(rèn)識、工藝分析、工藝方案的制訂、加工程序編制、選用工裝及使用方法等。機(jī)床的調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入刀庫、工件安裝、對刀、測量刀位、機(jī)床各部位狀態(tài)等多項工作內(nèi)容。程序調(diào)試主要是對程序本身的邏輯問題及其設(shè)計合理性進(jìn)行檢查和調(diào)整。試切加工則是對零件加工設(shè)計方案進(jìn)行動態(tài)下的考察,而整個過程均需在前一步實現(xiàn)后的結(jié)果評價后再作后一步工作。試切成功后方可對零件進(jìn)行正式加工,并對加工后的零件進(jìn)行結(jié)果檢測。前三步工作均為待機(jī)時間,為提高
10、工作效率,希望待機(jī)時間越短越好,越有利于機(jī)床合理使用。該項指標(biāo)直接影響對機(jī)床利用率的評價(即機(jī)床實動率)。3.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要解決的幾個問題 機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成,在設(shè)計總體方案時應(yīng)從機(jī)電兩方面來考慮機(jī)床各種功能的實施方案,數(shù)控機(jī)床的機(jī)械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜,所以更應(yīng)機(jī)電溝通,揚(yáng)長避短。機(jī)床控制系統(tǒng)選件、裝配、程序編制及操作都應(yīng)該比較合理,精度和穩(wěn)定性都必須滿足使用要求。同時為便于調(diào)試和檢修,各項操作均設(shè)手動功能,如手動各軸快慢移動、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤滑開關(guān)等。plc按照邏輯條件進(jìn)行順序動作或按照時序動作,另外還有與順序、時序無關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)動作的控制,
11、plc發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順序控制的主要產(chǎn)品,在機(jī)床的電氣控制中應(yīng)用也比較普遍。 在實際控制中如何既能提高定位速度,同時又能保證定位精度是一項需要認(rèn)真考慮并切實加以解決的問題。精度是機(jī)床必須保證的一項性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度,一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小,另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的,反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證
12、。當(dāng)現(xiàn)場條件發(fā)生變化時,系統(tǒng)的某些控制參數(shù)必須能作相應(yīng)的修改,為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性,要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設(shè)定參數(shù),但編程器一般不能交現(xiàn)場操作人員使用;所以,應(yīng)考慮開發(fā)其他簡便有效的方法實現(xiàn)plc的可變控制參數(shù)的在線修改。另外為了防止電壓過高損壞plc,電源輸入端加上壓敏電阻。為了防止過熱, plc不許安裝在變壓器等發(fā)熱元件的正上方,變頻器與plc、伺服驅(qū)動器等保持一定距離。在元件間留有適當(dāng)?shù)目障?,以便散熱,并且在配電箱上安裝風(fēng)扇降溫。此外,為保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運行,還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù)問題,如系統(tǒng)的行程保護(hù)、故障元件的自動檢測等。
13、第四章 在數(shù)控機(jī)床控制中的應(yīng)用4.1永宏fbs系列plc的nc機(jī)床定位伺服控制系統(tǒng)分析 數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備,提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要??煽慷仁窃u價可靠性的主要定量指標(biāo)之一,其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機(jī)床來說,這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能,例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能,伺服性能等。數(shù)控機(jī)床的功能部件對機(jī)床的功能擴(kuò)展和性能的提升起著極為重要的作用,因此,它不同于一般配套件和附件的選用,不僅須與數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào),融入整機(jī)系統(tǒng)具有最佳的匹配性能,而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機(jī)床的個性化特征。用于高速化的數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高
14、數(shù)據(jù)處理能力,而是應(yīng)具備熱誤差補(bǔ)償單元以及能實現(xiàn)速度前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)控制等先進(jìn)控制技術(shù)的功能。所以必須選擇穩(wěn)定可靠的控制單元才能保證數(shù)控機(jī)床正常高效運行。 鑒于以上各項要求,筆者采用臺灣永宏電機(jī)股份有限公司的fbs-44mn plc作為該機(jī)床控制主單元,該型機(jī)具有較高的性價比,體積小,使用起來非常方便,接線簡捷。其編程軟件winproladder有梯形圖大師之稱,易學(xué)易用且功能強(qiáng)大,編輯、監(jiān)視、除錯等操作非常順手,按鍵、鼠標(biāo)并用及在線即時指令功能查詢與操作指引,使編輯、輸入效率倍增。同時配以人機(jī)界面進(jìn)行程序參數(shù)修改、設(shè)定以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控,可編程設(shè)置人機(jī)界面的內(nèi)容。該控制
15、系統(tǒng)具有可靠性高,價格便宜,結(jié)構(gòu)緊湊等特點,非常適合機(jī)床的控制要求,具體控制思路如圖3所示。 圖3 采用永宏plc fbs-44mn 的nc 機(jī)床定位電氣控制系統(tǒng)圖可編程邏輯控制器是該機(jī)床各項功能的邏輯控制中心,集成于數(shù)控系統(tǒng)中,主要是指控制軟件的集成化,而plc硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出,系統(tǒng)控制中心采用永宏plc fbs-44mn控制,并配以人機(jī)界面進(jìn)行程序參數(shù)修改、設(shè)定,以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控,可編程設(shè)置人機(jī)界面的內(nèi)容。三軸均為全數(shù)字交流伺服系統(tǒng),各軸伺服電機(jī)通過連軸器帶動滾珠絲杠,以移動配有直線導(dǎo)軌的工作臺和主軸銑頭,其定位準(zhǔn)確,速度快。主軸銑頭由變頻器控
16、制,根據(jù)刀具及工件和進(jìn)給量,來設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速,并在程序中設(shè)定它的啟動停止。各軸均設(shè)二端極限傳感器和原點傳感器,冷卻和潤滑也都有異常檢測,在報警燈和人機(jī)界面處顯示報警信息由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號,隨時與給定值進(jìn)行比較,將兩者的差值放大和變換,驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu),以給定的速度向著消除偏差的方向運動,直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜,成本也高,對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度,更快的速度,驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。早期使用一般電機(jī)作為定位控制,由于速度不快、或者精度要求不高,
17、所以足夠應(yīng)對所需場合;當(dāng)機(jī)械運轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時,當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越來越高時,電機(jī)停止位置的控制就不是一般電機(jī)所能達(dá)到的了。解決這一問題的最佳方法是采用nc定位控制配合步進(jìn)或伺服電機(jī)作定位控制。但在過去,由于它的價格很高,而限制了它使用的普遍性,近年來由于技術(shù)的發(fā)展及成本的降低,其價位已被用戶所接受,使用數(shù)量也越來越多。為配合這一趨勢,永宏plc fbs系列將目前市面上專用的nc定位控制器功能整合在plc內(nèi)部soc芯片內(nèi),除了免掉plc與專用nc 定位控制器之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換與連結(jié)程序外,更大幅降低整體成本,為用戶提供一種價廉物美、簡單方便的plc整合nc定位控制的方案。永宏pl
18、c fbs-44mn內(nèi)部的soc芯片含有多軸高速脈沖輸出以及高速硬件計數(shù)器,并且提供簡易使用和設(shè)計的定位程序編輯,對于這方面的應(yīng)用,更是如虎添翼、如魚得水、得心應(yīng)手了。plc結(jié)合伺服驅(qū)動器所構(gòu)成的nc閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中,plc負(fù)責(zé)發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動器,除了裝在伺服電機(jī)的位移檢測信號直接反饋到伺服驅(qū)動器外,外加位移檢測器裝在傳動機(jī)構(gòu)之后,真正反映實際位移量,并將此信號反饋到plc 內(nèi)部的高速硬件計數(shù)器,這樣就可作更精確的控制,并且可避免上述半閉環(huán)回路的缺點。永宏plc fbs系列的定位功能將市面上專用nc定位控制器整合在plc內(nèi),使plc與nc控制器能共享相同的數(shù)據(jù)區(qū),而不需要作兩個系統(tǒng)
19、之間的數(shù)據(jù)交換與同步控制等復(fù)雜的工作,但仍可用一般常用的nc 定位控制指令(例如drv、spd等)。plc控制4軸的定位工作,并可作多軸同動控制,除了提供點對點的定位速度控制,還提供了各軸間直線插補(bǔ)功能。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用超過4軸時還可利用永宏plc的cpu link功能達(dá)到更多的定位運動控制。數(shù)控機(jī)床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度;定位精度和輪廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說,總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度,即當(dāng)系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時,機(jī)床移動部件會迅速反應(yīng)。在數(shù)控機(jī)床的加工中,伺服系統(tǒng)為了同時
20、滿足高速快移和單步點動,要求進(jìn)給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。 單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實際加工要求,高速度固然能提高生產(chǎn)率,但對驅(qū)動要求也就更高。此外,從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題,尤其是在計算機(jī)控制系統(tǒng)中,必須考慮軟件處理的時間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件置于被測坐標(biāo)軸的終端移動部件上,以檢測機(jī)械傳動鏈中螺距誤差、間隙及各種干擾所造成的傳動誤差,并進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制,從而提高機(jī)床的位置控制精度。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中,對位置檢測元件和反饋元件的選擇很關(guān)鍵。感應(yīng)同步器具有精度高、重復(fù)性好、抗干擾
21、能力強(qiáng),耐油耐污及維護(hù)簡單等優(yōu)點,特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的工作場合。數(shù)控機(jī)床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性,而大型數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動裝置轉(zhuǎn)動慣量較大,固有頻率低,要使其大大高于系統(tǒng)截止頻率很困難,全閉環(huán)包括了該進(jìn)給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的非線性因素,調(diào)整不當(dāng)很容易使機(jī)床產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。 因此數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性的基礎(chǔ)上主要是解決機(jī)床進(jìn)給運動的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高的位置精度。伺服電機(jī)的編碼器將位移檢測信號反饋到伺服驅(qū)動器,驅(qū)動器將輸入信號的脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號的頻率和脈沖數(shù),經(jīng)內(nèi)部的偏差計數(shù)器與頻率轉(zhuǎn)電壓電路處理后,得到脈沖偏差值與轉(zhuǎn)速誤差值,這樣使控制伺服電機(jī)實現(xiàn)高速、精密的速度與位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入信號的脈沖頻率成正比,而電機(jī)的移動量則由脈沖數(shù)決定。圖4是plc控制下的伺服電機(jī)工作示意圖。 圖4 數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)工作示意圖4.2相關(guān)程序設(shè)計與操作 plc通過編程器輸入程序,達(dá)到控制目的。由于plc工作過程是循環(huán),所以程序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測設(shè)計在采用硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上采用軟件檢測外部行程開關(guān)狀態(tài),當(dāng)行程開關(guān)失靈后,通過程序控制停止機(jī)床的運行,有效地減少了機(jī)床因元件失靈造成的事故。 圖5是使用編程軟件w
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