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非球面加工技术
非球面加工技术
1.引言
1.1意义
非球面是光电系统的基本元件,与球面光学元件相比,使用非球面元件有许多优越性。
首先,非球面可以获得球面元件无可比拟的成像质量,它可以有效矫正多种象差。
其次,一个或几个非球面零件代替多个球面零件,从而简化仪器结构,降低成本并有效的减轻仪器重量。
以星载成像光学系统为例,使用非球面元件可以减轻20%—30%的重量;而每减轻1千克的重量,其发射的成本相应可降低5万元人民币。
非球面元件能够达到甚至采用多球面元件组也无法达到的设计要求。
正因为非球面有诸多的优点,所以得到了越来越广泛的应用,具体表现在如下几方面:
(1)军事方面:
如卫星红外望远镜、导弹导引头、夜视仪器、导航装备等。
如由于导弹导引头需要高品质、高成像质量和高可靠性,导弹导引头往往设计成非球面轮廓。
(2)民用光电产品:
如摄影镜头和取景器、变焦镜头、电影放影镜头、录像机镜头、CD/DVD的读取头、数码相机、光纤通信的光纤接头、医疗上的内窥镜等。
1.2难点
非球面零件有诸多的优点,但是它在加工中存在着许多困难,主要有以下几点:
(1)非球面的面形比较复杂,表面各点的曲率不同,抛光模与加工表面无法很好的吻合,故抛光时表面难以修正;
(2)非球面对其另一个平面或球面的偏斜无法用磨边来纠正,不能用定心的方法保证光学表面的同轴性;(3)非球面的检验也不能用传统的球面检验方法,需要专门的辅助设备。
这些问题增加了非球面零件的制造难度,限制了非球面零件的应用。
非球面可分为旋转对称型非球面和自由曲面两种,使用最多的是旋转对称型非球面,常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。
2.非球面零件的概念及应用
所谓的非球面光学元件是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的曲率半径均不同的光学元件。
目前光学系统应用最广泛的旋转对称型非球面,其最基本的面形是二次曲面,若选光轴为
轴,非球面的顶点为坐标原点,则该二次曲面可表示为:
(1.1)
式中,
是非球面顶点处的曲率;
表示非球面上任一点到光轴
的距离;
是二次曲面系数,它与二次曲面的离心率
有关,
值的不同则表示不同形状的非球面,如图1.2
H
图1二次曲线
当K=0时,表示为一个圆,如图1.2中曲线1;
当K>0时,表示椭圆。
如图1.2中曲线2;
当-1K<0时,表示抛物线。
如图1.2中曲线3;
当K<-1时,表示双曲线的一支。
如图1.2中曲线4。
将它们分别绕光轴Z旋转,就可以得到不同形状的非球面面形。
偏离二次曲面的非球面则是高次非球面。
实际应用最多的是偶次非球面,它的方程可表示为:
(1.2)
3.非球面的加工
非球面光学零件的加工可简单分为铣磨成型和精密抛光两个阶段。
第一阶段,铣磨成型。
这一阶段要能保证光学零件具有较高的面形精度(P-V:
1~2m);第二阶段,精密抛光。
由于第一阶段零件的面形精度已得到了保证,所以精密抛光中只需去除精磨后表面的破坏层,达到规定的表面粗糙度的要求。
这一阶段关键在于不改变面形,也就是要求均匀抛光。
图2加工简单流程
3.1铣磨加工原理
3.1.1球面铣削原理
球面铣削加工原理如图3所示。
金刚石磨轮刃口通过工件顶点,磨轮轴线和工件轴线相交于O点,并且两轴夹角为α,磨具绕自身轴高速旋转,工件绕自身轴低速转动,这种运动轨迹的包络面就形成球面。
图3球面铣削加工原理
2.2.2非球面铣磨原理
非球面的铣磨原理与球面铣磨有很大的差别,非球面的铣磨采用的是金刚石单点车削方法实现的。
该技术由美国国防科研机构于60年代率先开发、80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。
在超精密数控车床上,通过计算机加工参数的精确控制,直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。
该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的光学零件,其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好。
采用该项金刚石车削技术加工出来的直径120mm以下的光学零件,面形精度达l/2~1,表面粗糙度的均方根值为0.02~0.06mm。
非球面进行单点车削加工的基本原理如图4所示,工件通过真空吸附安装在工件轴上作回转运动,安装在固定支架上的杯状磨轮以一定角度作回转运动,通过数控系统控制工件轴实现X、Y方向的进给运动。
实际加工中,磨轮的磨削轨迹是一系列的同轴圆,当磨轮磨削轴对称非球面上某一点时,由于工件轴的回转运动形成圆周磨削,经过一定时间的数控进给运动,回转磨轮的表面所形成的包络面即为要加工非球面。
该技术可以加工出符合光学质量要求的非球面光学零件,主要用于加工中小尺寸、中等批量的光学零件,其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好。
采用该项技术,可以加工f120mm以下的光学零件,面形精度达l/2~1l,表面粗糙度的均方根值为0.3~0.1um。
目前实验室非球面铣磨采用德国LOH公司的设备,该设备精度高,细磨后,面形精度可达1um,粗糙度RMS小于200nm
3.2非球面抛光方法
在长期的科学研究和生产实践中,人们发明了许多抛光方法来实现非球面抛光。
目前,常用的非球面抛光方法主要有以下几种:
3.2.1研磨抛光法
常用的研磨抛光包括古典的低速抛光和现代的高速抛光[12],是最古老的目前仍在广泛采用的一种抛光方法。
它是在被抛光工件表面和抛光盘之间加入抛光液,利用抛光盘与工件表面的相对滑动,借助抛光液与工件表面机械化学和物理作用实现对工件表面的抛光。
非球面的研磨抛光是采用机修与手修结合的方法,特别是在最后的面形修抛阶段更是完全依靠加工者的经验进行手修。
这种传统的非球面抛光工艺不仅周期长,劳动强度大,效率低。
而且手修的过程不容易控制,抛光精度取决于技术人员的经验,对加工者的个人经验和能力要求很高。
3.2.2射流抛光法
射流抛光技术[13-15](FluidJetPolishing,简称FJP)是近几年来刚刚提出用于先进光学制造业的新方法,是在磨料射流技术的基础上发展起来的集流体力学、光学制造、表面技术于一体的先进光学加工工艺,属于非接触式抛光方法。
它是利用由小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛光液作用于工件表面,借助于磨料粒子的高速碰撞剪切作用达成材料去除的目的。
通过控制液体喷射的压力、方向及驻留时间等来定量的修正被加工工件面形的光学加工工艺。
图1.3为液体喷射抛光的实验原理图。
混有磨料粒子的抛光液经高压泵加速后,以极高的速度从喷管喷出射向工件表面,与工件发生碰撞,对工件表面进行抛光。
碰撞结束后,磨料粒子随水流回流到收集器,循环往复,可对工件进行连续抛光。
在喷射抛光过程中,高速磨料粒子如同一把把微小的柔性车刀,对工件表面进行切削、刻划加工。
图1.3液体喷射抛光的实验原理图
目前国内外在这方面的研究还处于起步阶段。
荷兰Delft大学的0.W.Fahnle和H.vanBrug等人曾进行过实验研究,利用液体喷射抛光技术,使得平面样板玻璃BK7的表面粗糙度Ra由初始的475nm降到5nm,并且对于已抛光的样板玻璃(初始表面粗糙度Ra=1.6nm),经过该技术的作用后,表面粗糙度没有增加。
2.3计算机控制抛光技术
计算机控制小工具抛光技术(Computercontrolledopticalsurfacing,简称CCOS)是20世纪70年代发展起来的一项新型光学加工技术[16-18]。
在大口径、高精度非球面(特别是离轴非球面)的加工中,这项技术有着非常重要的作用和地位。
计算机控制小工具抛光技术的发展可以追溯到20世纪60~70年代。
美国Itek公司最早提出了利用计算机控制一个小型加工工具进行光学加工的技术思想,即CCOS。
并在控制软件、机床设备和检测方法等方面做了大量的工作。
随后,诸如Tinsley公司、Perkin-Elme公司、美国的亚里桑那大学光学科学中心、法国空间光学制造中心、德国蔡司公司、俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究所等在该领域开展了深入的研究。
CCOS技术根据定量的面形检测数据,用计算机控制一个小磨头(直径通常小于工件直径的1/4)对光学元件进行研磨或抛光,通过控制磨头在工件表面的驻留时间及磨头与工件之间的相对压力来控制材料的去除量。
在加工过程中,由于小磨头能够比较有效的跟踪非球面表面各点曲率半径的变化,因而能与非球面的面形良好的吻合,从而获得很高的加工精度。
它充分发挥了计算机执行速度快,记忆准确等优势,因而使加工的重复精度及效率大幅度提高。
计算机控制抛光(CCOS)基本原理是建立在描述材料去除量与其影响因素之间关系的数学模型――Preston方程的基础上的。
Preston方程描述如下:
(1.4)
式中
——单位时间材料去除量;
——与加工条件及材料性能有关的系数;
——磨头与工件间的相对压力;
——磨头与工件间的相对运动速度。
计算机控制抛光技术的实质和目的是把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化,从而控制抛光模对光学表面进行加工。
与传统经典的抛光相比,计算机控制抛光技术对工件面形的判断更加准确;抛光过程的控制更加可靠;使大口径非球面光学元件的加工效率和加工精度得到了大幅度的提高。
虽然计算机控制小工具抛光技术发展得比较早,但是这项技术真正取得突破性发展却是在20世纪80年代中期。
70年代初至80年代中前期,CCOS技术尚处于初始阶段。
当时由于受计算机技术和精密测量技术的制约,CCOS还没有做到完全实用化。
这期间美国Itek公司的Ronald和Arizona大学的R.E.Wagner等人对CCOS的数学模型和研磨阶段的材料去除机理作了开创性的研究。
1977年R.A.Jones在Ronald所作CCOS数学模型的基础上,提出了一种采用卷积迭代法计算小工具驻留时间的模型[19]。
这一数学模型在以后几十年里一直是CCOS技术最重要的理论依据。
此外他还对不同运动方式下小工具的加工效果进行了大量研究,得出CCOS过程中面形误差收敛的条件是小工具去除函数趋于高斯分布。
要产生这样的去除函数,小工具除自转外还需要一个公转运动,这种双旋转小工具到目前为止仍被CCOS工艺广泛采用。
在此基础上,R.A.Jones设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机床[20,21],并为美国空军加工出一块Φ500mm,F3.5的抛物面反射镜,面形精度为RMS0.04m,表而粗糙度小于5nm,总加工周期为3个月,这一效率要明显高于手工加工。
到了80年代中后期,随着计算机和精密测量技术的飞速发展,CCOS技术也得到了进一步的完善。
Itek公司对9台CCOS设备的数控单元进行了改造,采用了直流伺服加位置反馈控制技术,前台操作采用VAX-II小型机联网管理并配有与CAD系统的接口[22,23]。
改造后的CCOS系统的计算速度和精度都得到了大幅度提高。
从长远观点来看,Itek公司此举的目的是要把CCOS发展成为CAD/CAM一体化、非专家可操作的先进光学制造系统。
但到目前为止,这一目标还没有实现,最大障碍是由于光学制造工艺的复杂性使得建立准确、全面描述加工过程的数学模型变得异常困难。
国内从20世纪80年代后期开始进行CCOS技术的研究,南京紫金山天文台、北京理工大学、清华大学等单位分别研制了ρ-θ型和X-Y型实验机床,开展了一些计算机控制抛光的原理性研究。
1997年浙江大学进行了光学非球面自动加工的研究[24],取得了较好的结果。
此后长春光机所研制成功FSGJ-1数控非球面光学加工中心[25],面形精度可以达到λ/20。
成都精密光学加工中心也于1998年从俄罗斯引进了AD-100型三轴抛光机床。
总体来说,我国非球面光学零件的加工能力十分落后,CCOS技术的发展与发达国家相比具有很大差距。
目前,光学非球面加工存在这样一种趋势,即以CCOS为技术基础,向光学CAD/CAM乃至CIMS发展,并变得更加高效、低耗和非专家可操作。
预计在本世纪CCOS技术将在整体上成为大尺寸脆性材料非球面零件的主要加工手段[26]。
计算机控制抛光也存在着不可避免的问题:
(1)计算机控制抛光技术要求抛光模在加工过程中能够适时变形以始终保持与工件表面的吻合。
但是由于抛光模材料的磨损和流动速率低于抛光模运动速率,抛光模与工件表面也常常是不吻合的。
所以,实际的抛光过程只是局部符合计算机控制抛光的基础原理。
(2)在计算机控制抛光的过程中,通常是将抛光盘悬出工件边缘一部分,这样在边缘附近的压力将比中心附近的大,导致边缘去除量的增加,很难精确控制面形变化而容易发生塌边或翘边的现象,即所谓的边缘效应。
2.4磁流变抛光技术
磁流变抛光技术[27-30](MagnetorheologicalFinishing,简称MRF)出现在上世纪九十年代初期,是由W.I.Kordonski、I.V.Prokhorov及其合作者将电磁学和流体动力学理论相结合并应用于光学加工的一种技术。
以加工凸球面光学元件为例,阐述这种抛光方法的抛光机理。
图1.4和图1.5分别为磁流变抛光方法加工凸球面的原理示意图和工作过程示意图。
被加工工件位于运动盘上方,并与运动盘成一很小的固定不变的距离,于是工件表面与运动盘表面形成了一个凹空隙。
磁极置于工件和运动盘的下方,并且在工件和运动盘所形成的小空隙附近形成一个高梯度磁场。
运动盘内盛有磁流变抛光液,当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小空隙附近时,梯度场使之聚结、变硬,形成一凸起缎带,成为具有粘塑性的Bingham介质。
这样具有较高运动速度的Bingham介质通过小空隙时,对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力,从而使工件表面材料被去除。
图1.4原理图图1.5工作过程示意图
工件表面被抛光的区域称为抛光区。
从图1.4中可以看出,工件轴除了可以绕自身轴线作回转运动外,还可以以轴上某点为中心,以工件的曲率半径为半径进行摆动。
于是工件表面的各个带区都可以经过抛光区,从而实现对工件整个表面的材料去除。
通过控制工件表面各个带区在抛光区内的停留时间,来控制各带区材料的去除量,进而精修工件面形。
抛光区的大小和形状取决于很多因素,如磁流变抛光液的成份,磁流变抛光液被送入磁场之前的机械成型方式,工件表面被抛光部分的形状,工件浸入磁流变抛光液的深度,抛光区磁场强度的分布以及工件的机械性能等。
在磁流变抛光过程中,应对这些因素加以控制,以确保抛光区的稳定性。
磁流变抛光方法可以认为是磁流变抛光液在磁场作用下,在抛光区范围内形成的具有一定硬度的“小磨头”代替散粒磨料抛光过程中的刚性抛光盘。
在磁场的作用下,磁流变抛光液变硬,粘度变大,并且“小磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制,而影响抛光区稳定性的其它因素都固定不变。
这样既能通过控制磁场来控制抛光区的大小和形状,又能确保在一定磁场强度下抛光区的稳定性。
这些优点是传统的刚性抛光盘所无法比拟的。
但是磁流变抛光也有下列的缺点:
(1)MRF技术可以抛光任意曲率半径和形状的凸曲面,但不能加工小曲率半径的凹面。
(2)应用MRF技术修抛时由于材料的去除量较小,对被修正表面的面形精度要求较高,一般精度在1~2个波长之间,因此在应用MRF技术之前,被抛光表面需要采用传统的工艺进行预抛光处理。
2.5应力盘抛光技术
应力盘抛光技术[31-34](StressLapPolishing)是在20世纪90年代初美国亚利桑那大学提出的。
它利用主动变形技术使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光过程中,通过计算机控制实时改变抛光盘的形状,使其符合理论非球面面形,进而将被加工面进行修正。
应力盘的直径与被加工镜面口径比可达1/3~1/5,有效的解决了对面形低频误差的修改和对表面中、高频误差的控制。
如1.8mf/1.0VATT(VaticanAdvancedTechnologyTelescope)主镜,加工精度可达到20nm(RMS),具有令人满意的光滑表面。
下图为亚利桑那大学光学中心(OSC)制造的直径为1m的应力抛光盘实物照片[35]。
利用边缘的12个伺服促动器牵引横贯抛光盘背部的钢丝产生应力变形,进而实现抛光盘的低阶变形。
另外3个促动器用于控制抛光压力和压力梯度。
在计
图1.6应力盘抛光实物图
算机控制下,抛光盘在12个促动器的作用下,在不同的空间位置上可以符合不同的局部非球面面形,3个促动器根据变形误差值改变抛光压力,经计算机控制完成非球面的加工过程。
这种应力盘抛光技术的出现解决了光学表面出现中、高频误差的问题,减少了因表面存在中高频误差而造成的能量损失。
2.6离子束抛光技术
离子束抛光(IonBeamPolishing)技术[36,37]是20世纪末光学制造技术领域的一项重大创新。
这种加工方法是由美国EastmanKodak公司发展,于1988年首先发表,并在1990年建成一个实用化的Kodak2.5m计算机五轴数控离子束成型系统。
一般全口径或子口径研、抛大型反射镜欲达到理想的光学表面受到一些物理限制,像表面几何形状、非球面偏离量、磨具磨损、工件边缘效应等,预测和控制抛光去除函数受到一定限制、收敛速度低、成本高、交货慢。
离子束抛光技术是对模具研、抛技术的重大突破,它是在真空室里利用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞,通过惯量转移的方法,将离子能量传递给工件材料的原子,使其逸出表面,在原子量级上将材料去除。
它是一种典型的利用物理碰撞方法进行抛光的技术,图1.7和图1.8分别为离子束抛光工作示意图和抛光路径[38]。
理论上,离子束抛光技术对加工元件没有物理加载,离子束工具不受工件位置影响,像工件局部地区是否适配、边缘效应等。
离子束抛光是对计算机数控小工具抛光的一种很好的补充和升级,可有效地对一般模具抛光工件的边缘效应和轻质镜结构基底的复印效应的校正。
由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的去除,因而材料的去除效率较低,往往在采用该方法前,工件表面要经过传统方法的预抛光,在基本达到精度要求或接近精度要求再采用离子束抛光对面形实现很高精度的修正。
由于离子束抛光所需的设备投资较大,运行成本较高,一般很少采用,但对于某些特殊高精度要求的镜面则不得不采用离子束抛光,如Kodak公司为Wyko公司提供的、用于600mm口径干涉仪的参考平面镜就是最终采用离子束抛光方法得到的,在600mm口径内面形误差PV值小于1/15
(
=632.8nm)。
图1.7工作示意图图1.8抛光路径
与传统的光学抛光方法相比,离子束抛光方法具有以下几个优点:
(1)能在原子量级上实现材料准确去除的超精密加工;
(2)通过一次加工过程即可实现对面形误差的修正,因此可以减少加工-检测-加工的制造周期;
(3)对振动、温度以及装置稳定性不敏感;
(4)由于离子束抛光需在真空中进行,可将抛光与镀膜过程在同一真空室中进行;
(5)不会因为特殊的工件形状或复杂的面形修正过程而产生负面影响,同时在离子束抛光过程中也不会出现传统抛光方法中易出现的塌、翘边的边缘效应。
2.7等离子体化学气相抛光
等离子体化学气相抛光(PlasmaChemicalVaporizationMachining,简称PCVM)技术是一种利用原子化学反应获得超精密表面的抛光技术[39-41]。
化学气体在中空的电极(喷嘴)中在射频(RF)激励作用下产生活性等离子体,入射到工件表面,与工件表面原子发生化学反应生成挥发的混和气体来实现材料的去除。
该方法可以应用于fusedsilica,Ti:
silica,石英晶体和单晶硅。
其装置如图1.10所示[42]。
由于等离子体与表面原子作用需要大约0.5分钟才能达到平衡,所以去除率与驻留时间是非线性关系。
等离子体局限在电极附近,通过校准、复杂的控制和工件与电极的相对运动实现工件表面的补偿抛光。
控制工件表面与喷嘴之间的距离小于O.5mm并严格控制气压,其去除率可以稳定在
3%之间。
图1.9PVCM抛光原理图图1.10PVCM工作装置图
Nikon/Osaka大学的Takino等人还对用PCVM抛光的具体过程和方法进行了一定的研究。
工件的表面面形曲线Z0(x,y)被细分为若干等高度为ε的薄层,当电极以匀速并以图1.11的扫描方式抛光去除掉每一层时就可以获得我们所需要的面形精度。
图1.11PVCM抛光扫描方式示意图
比如,以工件的初始P-V值为1.5m,要获得最终的P-V值为0.1um的精度。
那么,可将其分成15层,每层0.1m。
这样加工后就可以得到想要的精度。
这种方法要求电极的扫描速率恒定,
y的值不变。
可以通过编写计算机程序,利用计算机来进行精密的控制。
利用这种方法Takino等人分别对平面和曲面的fusedsilica工件进行了抛光实验。
对于P-V值等于1.27m,表面粗糙度为0.34m的平面元件,加工后的P-V为0.08m,表面粗糙度降至0.015m,总耗时3个小时。
经过三次反复加工表面曲线Z=x2/800的曲面后,用干涉仪测量其表面,P-V值从0.54m降至0.13m,表面粗糙度由0.103m降至0.017m,整个加工过程耗时3.8个小时。
加工曲面的精度之所以比加工平面的要差而且要反复加工,是因为在加工曲面过程中,电极的倾斜角度要随着曲面不断变化,这样就会产生一定的误差而且它的加工行程要比加工平面的要长,这使工作电路的阻抗会产生很大的变化。
对于这种变化产生的误差,只有重复加工才能获得比较理想的面形精度。
近来报道了用该方法将160mm口径的fusedsilica加工成非球面,非球面与最接近比较球面(曲率半径404mm)的最大偏离量为O.5m。
经过3.8小时的抛光,得到0.13m的P-V值和0.017m的RMS。
该方法可以获得高精度的光学表面,但是其设备非常复杂,需要产生等离子体的真空系统,而且加工耗时长,效率低,加工过程不易控制,并且加工材料有限,对于反应方程式未知的材料无法加工。
4工件的检测
a.检测装置
工件的检测采用实验室现有的检测装置:
英国TaylorHobson公司生产的FormTalySurfSeries2接触式轮廓仪以及TalySurfCCI非接触式粗糙度检测仪。
图2.4为FormTalySurfSeries2接触式轮廓仪的检测原理图由激光器发出的激光束经分束器后,一束光射到固定的参考棱镜上,另一支射到安装在测量杆顶端的可动棱镜上[45]。
测头是用一个尖端半径很小的金刚石触针。
测量时测量杆带动金刚石测针沿非球面表面做横向滑动扫描,测针跟随零件表面轮廓的形状做垂直位移,从而改变测量光路与参考光路之间的光程差。
再通过激光干涉仪测出这一光程差就获得了被测非球面与参考球的偏差。
可以说这种检测设备最大可能地再现了工件表面的状况。
图2.4FormTalySurfSeries2检测原理图
该仪器主要技术指标:
1)检测范围:
Φ5-Φ120mm;
2)检测高度:
6mm;
3)行程:
X轴120mm,Z轴450mm;
4)横向移动速度:
0.5mm/s、1mm/s两种选择;
5)直线误差:
<0.1m
6)在12.5mm的量程内精度<0.02m。
FormTalySurfSeries2接触式检测虽然最大可能地再现了工件表面的状况,但是这种方法最大的缺陷在于测针滑过工件表面也会给工件表面造成划伤,既破坏了工件表面形貌也降低了测量精度。
所以在较高精度的测量中采用TalySurfCCI非接触式粗糙度检测仪。
TalySurfCCI2000型非接触式粗糙度检测仪是一种利用光干涉原理研制的检测仪器,主要由光纤光学照明器、扫描控制器、扫描物镜和图象传感器等部分组成。
它利用相移干涉技术及数字信号处理来产生快速、准确的三维轮廓的测量。
并利用压电陶瓷传感器(PZT)进行扫描,用CCD面阵作接收器,通过接口电路用计算机
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