薛 鋒，楊 雪，常永壽，韓 軍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

薛 鋒，楊 雪，常永壽，韓 軍

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。首先介紹了滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，主要介紹了試驗(yàn)臺(tái)的加載控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖以及軟件設(shè)計(jì)流程圖。該測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)提供了軟硬件基礎(chǔ)。

滾珠絲杠副；壽命；測(cè)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

0 引言

滾珠絲杠副具有傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高、同步性能好、使用壽命長、傳動(dòng)可逆性等優(yōu)良特性，被廣泛用作中小型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng),其壽命指標(biāo)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能有很大影響[1]。我國在中高端機(jī)床產(chǎn)品方面與國際先進(jìn)水平有較大差距，主要體現(xiàn)壽命、額定動(dòng)載荷等指標(biāo)，限制了國產(chǎn)產(chǎn)品在中高檔數(shù)控機(jī)床中的推廣應(yīng)用。因而希望開發(fā)一種測(cè)試滾珠絲杠副壽命的試驗(yàn)裝置，為被測(cè)樣件提供壽命參數(shù)，并為研究如何延長滾珠絲杠副使用時(shí)間，提高機(jī)床壽命提供試驗(yàn)平臺(tái)[2]。

目前，國內(nèi)滾珠絲杠副的試驗(yàn)裝置大多針對(duì)滾珠絲杠副的綜合性能，大多數(shù)試驗(yàn)臺(tái)都不具備加載能力[3]，無法模擬壽命試驗(yàn)所需的實(shí)際加載情況，缺乏模擬各種實(shí)際工況的能力，不能測(cè)評(píng)在不同加載情況下滾珠絲杠副的壽命。

針對(duì)這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)研發(fā)滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)十分重要。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)可以對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行模擬實(shí)際工況的跑合與加載，加載力可調(diào)且調(diào)節(jié)范圍較大，傳感器通過數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)得的信號(hào)傳送到工控機(jī)中，數(shù)據(jù)處理軟件處理分析數(shù)據(jù)，用以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工方法和材料特性對(duì)壽命的影響，修正我國滾珠絲杠副壽命公式，同時(shí)研究提高壽命的途徑[4]，為研究如何提高國產(chǎn)滾珠絲杠副的性能提供依據(jù)。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成組成。以機(jī)械結(jié)構(gòu)為硬件基礎(chǔ)，利用測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制、加載與數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，有以下四個(gè)部件：驅(qū)動(dòng)部件、加載部件、床身部件和工作臺(tái)部件。驅(qū)動(dòng)部件和加載部件分別位于床身部件的頭尾兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)中間的被測(cè)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，加載部件對(duì)兩側(cè)的加載滾珠絲杠副進(jìn)行加載，工作臺(tái)部件在床身部件上，可以在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在床身部件上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)被測(cè)滾珠絲杠副進(jìn)行跑合。

圖2 滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由測(cè)控系統(tǒng)控制，滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)由加載力控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)工作臺(tái)部件在床身上往復(fù)運(yùn)動(dòng)；加載力控制系統(tǒng)控制加載部件對(duì)加載絲杠進(jìn)行加載，加載力作用在被測(cè)絲杠上形成軸向載荷，加載力大小可調(diào)，模擬滾珠絲杠副工況下的加載情況；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行采集、分析和處理。

1.2 加載力控制系統(tǒng)

1.2.1 試驗(yàn)的加載力分析

我國目前的壽命試驗(yàn)臺(tái)存在加載方式單一，加載力不可調(diào)，不能提供高加載等問題[5]。為了模擬實(shí)際工況，壽命試驗(yàn)的加載力的范圍應(yīng)能保證是滾珠絲杠副額定動(dòng)載荷的20%左右[6]。經(jīng)過分析，設(shè)計(jì)外力加載方案，加載力可以調(diào)節(jié)且范圍大，可以很好的模擬實(shí)際加載情況。

外力加載原理如圖3所示：伺服電機(jī)輸出扭矩M3，轉(zhuǎn)化力F5傳遞給工作臺(tái)，兩根加載絲杠對(duì)稱布置于被測(cè)絲杠兩側(cè)，加載絲杠副軸端分別與電渦流制動(dòng)器連接，分別控制兩側(cè)電渦流制動(dòng)器的電流使輸出扭矩R3相等，電渦流制動(dòng)器輸出扭矩R3等效轉(zhuǎn)化力F6，二者之和作為試驗(yàn)加載力。受力分析得出：被測(cè)頭架受力為F5，工作臺(tái)受力為0，被測(cè)尾架受力為F5，加載頭架與加載尾架受力均為F6，工作臺(tái)受到扭轉(zhuǎn)力矩為0[7]。

負(fù)載選用電渦流制動(dòng)器，利用渦流損耗原理來吸收功率，提供加載，其輸出轉(zhuǎn)矩與激勵(lì)電流具有優(yōu)良的線性關(guān)系，加載力平穩(wěn)，大小可調(diào)，同時(shí)配套了制冷機(jī)對(duì)電渦流制動(dòng)器進(jìn)行水冷。

1.2.2 加載力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)被測(cè)絲杠進(jìn)行加載，模擬實(shí)際工作情況，并且系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加載力的控制。電渦流控制器型號(hào)為WLK-5A，控制器控制信號(hào)電流0～5A，通過改變電流大小可以改變阻力大小。操作時(shí)，輸入工控機(jī)試驗(yàn)預(yù)計(jì)所需的加載力對(duì)應(yīng)的控制器控制信號(hào)電流值，PCI-1716輸出卡給電渦流控制器相應(yīng)的電流信號(hào)，控制電渦流制動(dòng)器輸出預(yù)置的加載力，力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)絲杠所受的加載力并反饋給工控機(jī)，提示操作人員輸入的電流的值是否對(duì)應(yīng)合適的加載力。

1.3 伺服控制系統(tǒng)

1.3.1 伺服控制控制的分析

滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，來控制工作臺(tái)的運(yùn)行速度和換向動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用伺服電機(jī)，與編碼器組合交流調(diào)速，改變信號(hào)電壓即可精確改變輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，同時(shí)具有快速響應(yīng)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度較高等特點(diǎn)。

電機(jī)控制卡控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制卡通過接收相應(yīng)的脈沖信號(hào)控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，根據(jù)輸入的脈沖量控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制工作臺(tái)部件的移動(dòng)速度。同時(shí)對(duì)工作臺(tái)部件的位置進(jìn)行控制，在床身一側(cè)布置兩個(gè)非接觸式光電開關(guān)控制正反向和兩個(gè)接觸式限位開關(guān)控制極限位置，給出換向信號(hào)以及極限位置的急停保護(hù)。

1.3.2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用固高控制卡控制伺服電機(jī)，輸出兩路脈沖信號(hào)，一路控制伺服電機(jī)的啟停，另一路控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)。光電開光安裝在工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn),作為原點(diǎn)信號(hào)HOME，當(dāng)工作臺(tái)不在原點(diǎn)但需要回原點(diǎn)時(shí)，光電開關(guān)給固高控制卡發(fā)出信號(hào)，使伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)回到原點(diǎn)。兩個(gè)限位開關(guān)安裝在工作臺(tái)可運(yùn)動(dòng)的最大范圍的起點(diǎn)和終點(diǎn)，直接與固高控制卡連接，作為運(yùn)動(dòng)位置的正極限和反極限。一旦試驗(yàn)臺(tái)接觸或是人工觸碰到任意限位開關(guān)，試驗(yàn)臺(tái)都會(huì)當(dāng)即停止，防止工作臺(tái)失控，造成事故[8]。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.4.1 數(shù)據(jù)采集分析

壽命試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)受加載力進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，被測(cè)絲杠的動(dòng)態(tài)扭矩、行程誤差、振動(dòng)、噪聲等參數(shù)是體現(xiàn)滾珠絲杠副壽命的表征。通過監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)扭矩、行程誤差、振動(dòng)信號(hào)、噪聲等參數(shù)相對(duì)時(shí)間的變化曲線，分析被測(cè)絲杠的磨損疲勞狀況，從而判斷被測(cè)絲杠是否到使用壽命。同時(shí)，拉壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)絲杠的加載力，確保被測(cè)絲杠的負(fù)載與預(yù)設(shè)的相同。

1.4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)能夠接發(fā)信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、加載信號(hào)的傳送和測(cè)試信號(hào)的采集，需要一個(gè)上位機(jī)與各個(gè)模塊之間實(shí)現(xiàn)通訊[9]。圖4所示為滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，硬件結(jié)構(gòu)的搭建包括上位機(jī)、控制模塊和測(cè)試模塊三部分。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、計(jì)數(shù)卡IK220、研華數(shù)據(jù)采集卡PCI1716以及固高運(yùn)動(dòng)控制卡等。

控制模塊中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過固高控制卡控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)被測(cè)滾珠絲杠副所受到的軸向載荷，使電渦流制動(dòng)器提供合適的負(fù)載。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過給PCI1716采集卡發(fā)信號(hào)，控制固態(tài)繼電器使?jié)櫥猛瓿稍囼?yàn)的潤滑。

測(cè)試模塊中，振動(dòng)傳感器、扭矩傳感器以及噪聲傳感器采集到的信號(hào)通過PCI1716的模擬量輸入口采集到工控機(jī)中；圓磁柵和長光柵的編碼器與IK220計(jì)數(shù)器配套使用，將試驗(yàn)采集到的編碼器信號(hào)和計(jì)數(shù)器信號(hào)傳入工控機(jī)，以直線行程誤差的計(jì)算函數(shù)輸出曲線采集到電壓電流信息傳入工控機(jī)，以直線行程誤差的計(jì)算函數(shù)輸出曲線，分析出行程誤差；根據(jù)采集到的扭矩、加載力、振動(dòng)、噪聲和行程誤差等信號(hào)，分析被測(cè)絲杠的壽命。

2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為使用戶界面直觀、友好，測(cè)控系統(tǒng)軟件用Visual Basic作為開發(fā)工具，軟件主要用于實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)試和數(shù)據(jù)分析三個(gè)功能?？刂栖浖饕糜诳刂扑欧姍C(jī)、潤滑泵和電渦流制動(dòng)器；測(cè)試軟件主要是監(jiān)測(cè)被測(cè)絲杠的加載力、動(dòng)態(tài)扭矩、行程誤差、噪聲和振動(dòng)等性能指標(biāo)；數(shù)據(jù)分析軟件完成對(duì)測(cè)試軟件采集到的數(shù)據(jù)的存檔、分析和處理。

2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，試驗(yàn)前，打開試驗(yàn)軟件，輸入試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)以及被測(cè)滾珠絲杠副的參數(shù)；接著把被測(cè)絲杠通過工裝安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，開啟潤滑系統(tǒng)進(jìn)行潤滑，做好試驗(yàn)準(zhǔn)備工作；接下來，根據(jù)所需的加載力輸入電渦流制動(dòng)器的控制電流值對(duì)被測(cè)絲杠進(jìn)行加載，來模擬絲杠實(shí)際工況；然后對(duì)傳感器上電，開始監(jiān)測(cè)性能指標(biāo)參數(shù)；啟動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，使伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)被測(cè)絲杠進(jìn)行跑合。在測(cè)試軟件里，可以對(duì)扭矩、振動(dòng)、噪聲和行程誤差等信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過濾波處理和軟件分析后顯示在程序界面上，通過觀察各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)相對(duì)時(shí)間變化的情況來分析絲杠壽命。當(dāng)參數(shù)數(shù)值有異常時(shí)，檢測(cè)被測(cè)絲杠是否出現(xiàn)點(diǎn)蝕，如果出現(xiàn)點(diǎn)蝕并且被測(cè)絲杠的試驗(yàn)行程沒有達(dá)到額定值，說明此產(chǎn)品壽命指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，為不合格品，數(shù)據(jù)分析軟件記錄下此不合格絲杠的信息；若被測(cè)絲杠沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕并且試驗(yàn)行程達(dá)到額定值，則說明被測(cè)絲杠的壽命合格，數(shù)據(jù)分析軟件記錄下此合格絲杠的信息。以上述的流程進(jìn)行滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 試驗(yàn)臺(tái)程序主界面

程序的主界面如圖6所示，界面上包括參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行與加載、行程誤差、扭矩測(cè)試、數(shù)據(jù)采集卡測(cè)試、綜合查詢、用戶管理、試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試等功能。

圖6 程序主界面

2.3 參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置程序界面如圖7所示，用戶可以在這個(gè)界面輸入被測(cè)絲杠型號(hào)和尺寸等基本參數(shù)以及精度等級(jí)等參數(shù)，并且可以輸入試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

2.4 加載力及扭矩界面

加載力及扭矩界面如圖8所示，改變加載設(shè)定中的加載電流大小可以控制加載力大小，加載力由拉壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定，輸入輸出扭矩由扭矩傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定。

圖8 加載力及扭矩界面

2.5 行程誤差檢測(cè)界面

行程誤差檢測(cè)界面如圖9所示，點(diǎn)擊開始采集，會(huì)彈出行程誤差測(cè)量界面實(shí)時(shí)檢測(cè)正向和反向的行程誤差并分析數(shù)據(jù)。

圖9 行程誤差檢查界面

2.6 振動(dòng)檢測(cè)界面

如圖10所示，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)參數(shù)的變化，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷被測(cè)絲杠是否發(fā)生點(diǎn)蝕和故障。

圖10 振動(dòng)檢測(cè)界面

2.7 噪聲檢測(cè)界面

如圖11所示，可以采集被測(cè)絲杠試驗(yàn)過程中的噪聲情況。采集時(shí)背景噪聲和試驗(yàn)噪分開測(cè)量，通過數(shù)據(jù)處理軟件排除背景噪聲對(duì)試驗(yàn)噪聲的干擾。

圖11 噪聲檢測(cè)界面

2.8 數(shù)據(jù)處理軟件

本測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件以Access數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了滾珠絲杠副壽命信息數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫管理軟件[10]，用來保存滾珠絲杠副基本參數(shù)、試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)、壽命試驗(yàn)結(jié)果原始數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，能很好的幫助試驗(yàn)人員完成試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)成果

如圖12所示，為滾珠絲杠副可靠性試驗(yàn)臺(tái)，滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計(jì)搭建完成，并根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試；試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)可以模擬滾珠絲杠副的工況進(jìn)行跑合與加載，電渦流加載系統(tǒng)可以為被測(cè)絲杠提供0～20000N的負(fù)載；扭矩傳感器、拉壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器和長光柵、圓光柵等的信號(hào)正常，可以被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集并顯示；數(shù)據(jù)庫保存壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)并且可以被數(shù)據(jù)分析軟件調(diào)用處理。

圖12 滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)所需達(dá)到的性能指標(biāo)，分析和研究了其測(cè)控系統(tǒng)。結(jié)合滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)裝置，提出了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，用以實(shí)現(xiàn)模擬被測(cè)絲杠在工況下的跑和、絲杠的加載以及性能指標(biāo)的的檢測(cè)。本文提出的滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠達(dá)到滾珠絲杠副壽命試驗(yàn)的軟硬件要求，有助于國內(nèi)廠家開展?jié)L珠絲杠副壽命研究，為研究如何提高滾珠絲杠副壽命提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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[9] 李戰(zhàn)明.基于VB與研華數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012(7):236-238.

[10] 馮虎田,楊艷國,王小牧,等.滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副摩擦力動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].金屬加工,2010(20):54-56.

(編輯 李秀敏)

Design of Control System for Life Testbed of Ball Screw

XUE Feng, YANG Xue, CHANG Yong-shou, HAN Jun

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at the requirements of the life test for the ball screw, design the control system for life testbed of ball screw. Firstly, the structure of the ball screw life test rig is introduced, then analyse functions that is needed to realize according to the test rig. Mainly introduce the design of load control system, drive control system, and data collection system for the test bed. Put forward the hardware structure diagram and software design flow chart of the control system. The design method of control system offer the software and hardware foundation for the ball screw life test.

ball screw; life；control system; hardware design; software design

1001-2265(2016)12-0092-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.025

2016-01-21；

2016-02-04

國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX04011031)

薛鋒(1992—) ，男，江蘇蘇州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闈L珠絲杠副精度保持性和壽命的研究，(E-mail)njustxuefeng@163.com; 通訊作者:韓軍(1963—)，女，南京人，南京理工大學(xué)副研究員，研究方向?yàn)榫軝C(jī)械測(cè)控系統(tǒng),(E-mail)hanjun7045@163.com。

TH166;TG659

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