CA6150车床横向进给改造的设计说明书.doc

CA6150车床横向进给改造的设计【7张图纸】【优秀】

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CA6150车床 车床横向 横向进给 改造设计 图纸
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CA6150车床横向进给改造的设计

17页 7400字数+说明书+任务书+7张CAD图纸【详情如下】

CA6150车床横向进给改造的设计说明书.doc

任务书.doc

任务书模板.doc

横向向电机架.dwg

横向向电机架外套桶.dwg

横向尾支架.dwg

横向电机架内套筒.dwg

横向电机架内端盖.dwg

横向电机架外端盖.dwg

横向进给装配图.dwg

目  录

第 1 章设计方案的论证2

第 2 章机械部分的改造4

2.1对机床进行恢复精度4

2.3Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算4

2.3.1滚珠丝杠副支撑方式的选择4

2.3.2精度选择4

2.3.3丝杠导程P的确定5

2.3.4根据类比法初步确定丝杠规格5

2.3.5承载能力校核5

2.3.5.1摩擦阻力F1的计算5

2.3.5.2承载能力校核6

2.3.5.3压杆稳定性校核6

2.3.5.4丝杠刚度的校核7

2.3.6交流伺服电机选择计算7

2.3.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号7

2.3.6.2最高转速校核9

2.3.6.3电机轴上的负载惯量校核9

第 3 章数控系统的加装11

3.1数控系统的发展趋势11

3.2交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择11

3.3北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统的性能11

3.3.1系统简介11

3.3.2系统特点12

3.3.3系统性能12

3.3.4系统简介12

3.4数控自动换刀刀架的选择14

3.5电器原理图14

第 4 章结论15

参考文献16

致  谢17

    机床经长期使用后,会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷,所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料,其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此,在改造中利用CA6150车床旧床身,采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨,对称三角行导轨在垂直载荷的作用下,磨损能自动补偿,不产生间隙,故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单,制造检验和修理方便,导轨较宽,承载能力大,刚度高,应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点,并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工,表面粗糙度Ra0.8mm,以提高粘接强度。最后,应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量,记录在案。  Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。

精度选择

  滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/3~1/2,在最后精度验算中确定。初选Z向四级。

丝杠导程P的确定

   丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:

P(2.9) vmax=10000mm/min

    nmax=3000r/min i=1

   P=10000/3000=3.3 mm

   车床改造中取P=4,5,6,8

   所以取P=4mm

  N=(10/4)*=2500Nmax

  所以满足要求

根据类比法初步确定丝杠规格

  关于根据类比法:L=L1*K

       式中 L—新选滚珠丝杠公称直径mm

          L1------原机床丝杠公称直径40mm

          K-------系数(0.6~0.9)

          所以L=40*0.8=32mm

           根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长1000mm

           根据设计需要初选滚珠丝杠总长1200mm

   所以初选汉江丝杠厂生产Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000

内容简介:
目 录目 录第 1 章设计方案的论证2第 2 章机械部分的改造42.1对机床进行恢复精度42.3Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算42.3.1滚珠丝杠副支撑方式的选择42.3.2精度选择42.3.3丝杠导程P的确定52.3.4根据类比法初步确定丝杠规格52.3.5承载能力校核52.3.5.1摩擦阻力F1的计算52.3.5.2承载能力校核62.3.5.3压杆稳定性校核62.3.5.4丝杠刚度的校核72.3.6交流伺服电机选择计算72.3.6.1加减速时扭矩初步确定伺服电机型号72.3.6.2最高转速校核92.3.6.3电机轴上的负载惯量校核9第 3 章数控系统的加装113.1数控系统的发展趋势113.2交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择113.3北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统的性能113.3.1系统简介113.3.2系统特点123.3.3系统性能123.3.4系统简介123.4数控自动换刀刀架的选择143.5电器原理图14第 4 章结论15参考文献16致 谢17 第 17 页毕 业 论 文(设 计)用 纸第 1 章 设计方案的论证1.1 数控系统的选择方案1 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电机转动,通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序,便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端,故称之为开环系统,该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度,齿轮丝杠等传动元件的节距精度,所以系统的位移精度较低。该系统结构简单,调试维修方便,工作可靠,成本低,易改装成功。方案2 交/直流伺服电机拖动,编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上,间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差,因此,它的精度比闭环系统的精度低,但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。根据数控改造后机床要达到较高的精度,快速定位X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位X 轴0.0005mm , Z轴0.001mm,并且,直流伺服电机有电刷和换向器,必须定期的维修,而交流伺服电机采用全封闭无刷机构,不需要定期的维修,交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的性能.得到越来越广泛的应用。所以,方案3比较合适。1.2 滚珠丝杠螺母副与电机的连接方案1 采用齿轮连接 这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重,提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是,传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加,从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在,在开环和半闭环系统中,将影响加工精度。方案2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接,这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。 综上所素,由于CA6150车床属于中小型机床,控制系统采用半闭环,为了提高机床精度方案2 较合适。 第 2 章 机械部分的改造2.1 对机床进行恢复精度机床经长期使用后,会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷,所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料,其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此,在改造中利用CA6150车床旧床身,采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角行导轨和矩形导轨,对称三角行导轨在垂直载荷的作用下,磨损能自动补偿,不产生间隙,故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单,制造检验和修理方便,导轨较宽,承载能力大,刚度高,应用广泛。三角行导轨和矩形导轨组合它间有两种导轨优点,并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工,表面粗糙度Ra0.8mm,以提高粘接强度。最后,应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量,记录在案。2.2 Z向滚珠丝杠副和伺服电机的选择和计算2.2.1 滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定-支承式。如图2.3。图2.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。2.2.2 精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。初选Z向四级。2.2.3 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式2.1为:P(2.9) vmax=10000mm/min nmax=3000r/min i=1P=10000/3000=3.3 mm 车床改造中取P4,5,6,8所以取P=4mmN=(10/4)*=2500Nmax所以满足要求2.2.4 根据类比法初步确定丝杠规格关于根据类比法:L=L1*K式中 L新选滚珠丝杠公称直径mmL1-原机床丝杠公称直径40mmK-系数(0.60.9)所以L=40*0.8=32mm 根据工作台X向移动距离选滚珠丝杠的螺纹长1000mm 根据设计需要初选滚珠丝杠总长1200mm所以初选汉江丝杠厂生产Z向HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-10002.2.5 承载能力校核2.2.5.1 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦,摩擦系数u(0.0802)取u=0.1,因主切削力压向导轨,则由式2.4得:F1=(G+ Fc)*u(2.11)F1=(G+ Fc)*u=(400*10+7490.83)*0.1=1149.08N2.2.5.2 承载能力校核由式2.12计算丝杠的最大动载荷Q Q=(2.12)式中L=60NT/,取T=15000,N=3000;=1.0,=1.2,= Ff +F1=749.08+1149.08=1898.16N则Q=31889.09 N根据汉江丝杠厂生产的HJG-S系列FYND32*4R-3-P4-1200-1000丝杠额定载荷=60803Q(所以满足使用) 2.2.5.3 压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,Z向是长丝杠,所以需要校核。临界压缩载荷按下式进行校核计算:式中:E为丝杠材料的弹性模量;I为最小惯性截面矩为压杆稳定的支撑系数如表2.1固定固定4固定支承2支承支承1固定自由 0.25表2.1 稳定的支撑系数实际承受载荷能力如果时会使死杠失去稳定易发生翘曲。式中 =2,E=2.1*Pa,I= =3.83()取K=4,L=120cm则=2.51*N(所以满足使用)2.2.5.4 丝杠刚度的校核滾珠丝杠在轴向力的作用下产生拉伸或压缩。在扭矩的作用下产生扭转,这將引起丝杠导程的变化,从而影响其传动精度及定位精度,因此滾珠丝杠应演算满载时的变形量。滾珠丝杠在工作负载P和扭矩M的作用下引起那种每一导程的变化量L为:L=(2.12)式中 导程=0.4cm钢的弹性模量E=2.1*Pa丝杠的最小截面积S=19.63()丝杠的小径的截面积I=3.83(),扭矩M=784,工作负载P=1898.16N则L= 0.0344um而Z轴的最小移动单位0.001mm 0.0344um (所以满足使用)2.2.6 交流伺服电机选择计算2.2.6.1 加减速时扭矩初步确定伺服电机型号(1)求等效到电机轴上的转动惯量Z向 = 10m/min,=3000r/min,=400kg丝杠的转动惯量=7.8*3*120*=7.58(kg)=7.58*(kg)设电机转子的转动惯量为=2.6*(kg)则等效到电机轴上的转动惯量为=*400*(10/3000)+ +=1.13*(kg)(2) 等效负载转矩。= =1.01(Nm)(3)启动惯性阻力矩T的计算。以最不利于电机启动时的快进速度计算,设启动加速或制动时间为t=0.3s电机转速,取加速曲线为等加(减)速梯形曲线,故角加速度为(2.13)=314(1/s) =1046.67(1/) T=*=1.13*1046.67=1.18(Nm) (4)电机输出轴上总负载转矩的计算 =T+(2.14) =1.01+1.18=2.19(Nm)(5)考虑机械系统的传动效率和由于材料的不均匀等因素的影响引起负载转矩突然增大,情况。取安全系数K=1.5,选择机械传动总效率=0.7时 =K/=1.5*2.19/0.7=4.69初选三菱公司生产的HC-UFS系列交流伺服电机152(B)型号 (伺服放大器型号MR-J2S-200A/B)其额定转矩为7.16(Nm)大于所以满足要求2.2.6.2 最高转速校核Z向N max=3000, V m =10,i=1, P=4N=(10/4)*=2500Nmax所以满足要求2.2.6.3 电机轴上的负载惯量校核转换到电机轴上的负载惯量负载惯量应限制在2.5 倍电机惯量之内,Z向HC-UFS系列交流伺服电机132(BG)型号电机转动惯量J1=4.2*(kg),等效到电机轴上的转动惯量为:=1.29*(kg),4.2*2.5 *2.5 所以满足要求。X向螺母座图如2.14 2.3 主轴箱和拖板箱的改造拆除原拖板箱,利用此位置安装新拖板箱,新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外都不要。在主轴箱的二轴加装主轴17位位置编码器。将主轴正反离合器手动刹车装置拆除,在主轴驱动电抗上加装自动刹车离合器装置。电器系统控制电机正反转。拆除原机床操纵杆,变向杠、立轴等杠杆零件。电路连接如电器原理图。原冷却泵该由数控系统控制,如电器原理图。考虑车床工作台Z向的的移动范围,选择IGUS公司的E4系列拖链302型号。2.4 安全防护 高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施,是不可忽视的。滚珠丝杠副是精密元件,工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面密封好,防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。并且滚珠丝杠在使用时,也要防止螺母脱离丝杠表面,因为螺母一旦脱离滚珠将散落,此时滚珠丝杠副不能正常工作,严重时会引起设备事故,因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程保护装置,为了保障机床的运行安全,机床的X向和Z向运动通常设置有软限位(参数设定限位)和硬限位(行程开关限位)两道保护“防线”。 软限位由选择的数空系统参数设定限位,硬限位在X向和Z向分别装一对行程开关,电路连接如电路图。第 3 章 数控系统的加装3.1 数控系统的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统,到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展,当今的数控系统功能已经非常强大,与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。3.2 交流伺服电机驱动的车床数控系统的选择针对某台或某几台机床,确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线,甚至有否鼠害等外界使用条件,这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据,使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。当然,电气系统的选择必须考虑成熟产品,性能合理、实用,有备件及维修支持,功能满足当前和今后若干年内的发展要求等。当前生产数控系统的公司厂家比较多,国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司,;国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。考虑选择的是三菱公司生产的交流伺服电机和伺服放大器,交流伺服电机拖动,编码器反馈的半闭环数控系统。改造后机床要达快速定位X 轴 5m/min ,Z轴 10m/min最小移动单位X 轴0.0005mm , Z轴0.001m,选用了数控自动换刀刀架. 冷却泵由数控系统控制,数控系统控制主轴正反转。采用国际通用码进行数控编程。所以选用北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统。3.3 北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统的性能3.3.1 系统简介北京航天数控系统有限公司最新推出的CASNUC2100E数控系统是一个将PC104板嵌入到控制系统中的一体化的车床闭环数控系统。该系统是将控制系统、显示面板、操作面板集于一体,结构紧凑,易于安装;彩色LCD显示,具有功能全面、性能可靠、连接简单、性价比高等优点。CASNUC 2100e数控系统适用于车床、铣床、钻床、磨床等4轴以下的机械设备控制。3.3.2 系统特点1、一体化CASNUC 2100e数控系统是一个将PC104 板嵌入到控制系统中的一体化车/铣床数控系统,控制系统、显示面板、操作面板集于一体,结构紧凑,易于安装。 2 、高可靠性系统采用的PC104 板具有板载表贴内存、低功耗、不使用风扇等特点,将PC104 板嵌入到控制系统中减少了很多连接环节,系统可靠稳定,具有良好的电磁兼容、抗串扰能力设计。3 、操作简单系统采用中文菜单,人性化界面;参数界面带有中文提示,中文报警提示,操作面板按键中文标识,使其操作更加简单、方便等。3.3.3 系统性能1、控制轴数:系统最多可控制4个轴(含主轴)。2 、联动轴数:系统联动轴数:24 轴。3 、主轴控制:可连接主轴伺服、变频器。4 、显示部件: 彩色LCD 显示5 、键盘:微机兼容防水键盘(字母、数字)6 、手轮/手持盒:一个与手持器共用的手轮接口和8 个输入点的手持盒(选件)。7 、输入、输出控制:20 路输入点、11 路输出点(标准配置)。最大32 路输入点、最大 24 路输出点(选件)。8 、存储器控制: 14MByte(标配);最大可选配:256Mbit Byte9 、通讯:RS-232 通讯最高速度115200 bit/s。3.3.4 系统简介1.控制轴数:3 轴+主轴2.同时控制轴数:3 轴3.最小输入增量:0.001mm4.最大编程尺寸:0 至99999.999mm5.编程格式:ISO 标准格式,可绝对值,增量值编程6.快速速率:24000mm/分7.进给速度范围:124000mm/分8.加减速类型:直线型加减速9.插补类型:(1)直线型插补(2)圆弧插补(自动过象限)10.加工程序输入:(1)键盘输入;(2)RS232 接口11.显示方式:LCD 彩色显示12.辅助功能:(1)S:4 位数(2)M:2 位数(3)T:2 位数13.用户程序区容量:14M Byte,如果使用硬盘,容量可以扩大256Mbit Byte14.进给倍率15.手动连续进给、手轮进给、手动增量进给16.程序编程:输入、检索、修改、拷贝、插入、删除等功能17.调用用户子程序18.手动返回机床参考点19.单程序段执行20.跳选程序段执行21.存贮程序及参数断电保护22.程序复制、改名、删除等功能23.系统定时功能实时时钟24.机床辅助操作(机床锁住、空运行、Z 轴锁住、进给暂停、程序段跳选、选择停)25.丝杆反向间隙补偿26.双向螺距误差补偿27.反馈脉冲监视功能28.跟踪误差监视功能29.故障报警30.软限位报警31.零件加工程序校验功能32.刀具半径补偿功能33.刀具长度补偿34.准确停功能35.循环加工功能36.快速进给倍率功能:0 100%,每5% 一档37.自诊断功能38.内置式PLC 功能3.4 数控自动换刀刀架的选择为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工,与北京帝特马数控设备公司生产的SYSTEM 5T数控系统相匹配。采用WZD4型自动刀架。该刀架不但可代替普通车床手动刀架,还可用作数控机床微机控制元件。该刀架体积小,重复定位精度高,适用于强力车削并安全可靠。3.5 电器原理图根据CA6150车床的原电器设计新电器原理图,在原图的基础上结合数控系统的资料加装数控刀架的控制系统,原电器该用能与数控系统兼容的数控化设备。电器原理图如图3.1系统输入输出板电器原理图如图3.2,电装板电器安装位置图如图3.3。第 4 章 结 论可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展,具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点,并成为伺服系统的发展方车床经改造后不但保持了原机床主轴传动部分变速范围广的特点,在机床运动控制上可以利用编程语言编程控制,还可以在系统示教状态下将操作者手动加工过程自动生成ISO代码,以便下一零件的自动加工。实践证明该机床操作方便,降低了操作者劳动强度,提高了产品质量,为下一道工序生产创造了良好条件。而改造所需费用仅是购买简易数控车床价格的一半。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能),形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机,如在EMO2001展中,日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”(智能生产控制中心,简称CPC);日本大隈(Okuma)机床公司展出“ITplaza”(信息技术广场,简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment(开放制造环境,简称OME)等,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。参考文献1 李亚非机床的数控化再制造技术探讨,2006(2)55-57 2 徐宾士21世纪的再制造工程J中国机械工程,2000 (1) 36-38 3 孔凡玉现代工业再制造技术J工程机械, 2003(9) 33-364 周延右世界数控系统的发展与机床数控化改造J机器人(冷加工),1999(5) 3-6 5 郑提机电一体化设计基础M北京机械工业出版社, 1998 6 棼纵华数控技术M机械工业出版社,2004 7 沈兵数控机床数控系统M机械工业出版社, 2001 8 李福生实用数控机床技术手冊M.北京:北京出版社,199
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