CN114952219A - 一种高锁螺栓智能装配***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高锁螺栓智能装配***及方法,其包括:插钉机器人包括第一机械臂、第一快换盘和视觉组件;所述第一机械臂的末端设置有所述第一快换盘,位于所述第一机械臂的末端侧部设置有所述视觉组件;锁紧机器人包括第二机械臂和第二快换盘;所述第二机械臂的末端设置有所述第二快换盘;插钉工具通过所述第一快换盘设置在所述第一机械臂的末端,通过所述插钉机器人带动进行插钉;锁紧工具通过所述第二快换盘设置在所述第二机械臂的末端,与所述插钉机器人配合,用于对待锁紧的工件进行锁紧。本发明既可以节省劳动力,又能提高整机制造效率,还能保证零件连接性能的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及飞机制造业技术领域,特别是关于一种高锁螺栓智能装配***及方法。
背景技术
机器人在飞机装配中的应用已成为未来航空制造业发展的必然趋势。在飞机蒙皮装配中,最具代表性的连接零部件就是高锁螺栓。在传统的飞机蒙皮装配工艺中,高锁螺栓主要是由人工钻铆来完成连接和装配的,而飞机蒙皮的铆钉数量之庞大,必然导致工人劳动强度高且装配效率低,由于人工的参与同时也导致了装配零部件性能一致性较差的问题。
目前,也有根据飞机蒙皮装配而开发的专用自动化设备,但是这些设备存在体积庞大、造价昂贵、用途单一、维护困难的问题。因此如何开发一种基于机器人的高锁螺栓智能装配设备成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种高锁螺栓智能装配***及方法,其既可以节省劳动力,又能提高整机制造效率,还能保证零件连接性能的一致性。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种高锁螺栓智能装配***,其包括:插钉机器人,其包括第一机械臂、第一快换盘和视觉组件;所述第一机械臂的末端设置有所述第一快换盘,位于所述第一机械臂的末端侧部设置有所述视觉组件;锁紧机器人,其包括第二机械臂和第二快换盘;所述第二机械臂的末端设置有所述第二快换盘;插钉工具,通过所述第一快换盘设置在所述第一机械臂的末端,通过所述插钉机器人带动进行插钉;锁紧工具,通过所述第二快换盘设置在所述第二机械臂的末端,与所述插钉机器人配合,用于对待锁紧的工件进行锁紧。
进一步,所述第一机械臂的末端与所述第一快换盘之间设置有第一六维力传感器;所述第二机械臂的末端与所述第二快换盘之间设置有第二六维力传感器。
进一步,所述锁紧工具包括连接板、伺服电机、行星齿轮减速器和齿轮箱;所述连接板的一端与所述锁紧机器人末端上的所述第二快换盘的母盘连接;所述伺服电机的输出轴与所述行星齿轮减速器连接,所述行星齿轮减速器的输出轴与所述齿轮箱的主动齿轮连接;所述齿轮箱设置在所述连接板的另一端。
进一步,所述锁紧工具还包括伺服电机编码器和扭矩传感器;所述伺服电机编码器设置在所述伺服电机上,用以测量所述伺服电机的转角及转速,所述扭矩传感器设置在所述行星齿轮减速器上,用于测量所述行星齿轮减速器的输出扭矩。
进一步,所述齿轮箱包括箱体、主动齿轮、箱盖、预紧螺母、固定帽、预紧弹簧、六角批头和从动齿轮;
所述箱体一端的侧壁安装在所述连接板上,所述箱体的底部设置有所述箱盖,所述箱体内设置有相互啮合的所述主动齿轮和所述从动齿轮,所述主动齿轮与所述行星齿轮减速器的输出轴同轴连接;与所述从动齿轮连接的转轴采用中空轴,所述中空轴的一端延伸至所述箱盖的外部形成延伸部;所述六角批头穿设在所述中空轴内,所述六角批头的大端位于所述箱体顶部外侧,所述六角批头的小端穿过所述套筒位于所述中空轴外;所述固定帽的底部安装在所述箱体顶部外侧,所述六角批头的大端位于所述固定帽内;所述固定帽的顶部设置有所述预紧螺母,位于所述预紧螺母与所述六角批头的端部之间设置有所述紧预紧弹簧。
进一步,位于所述中空轴的侧壁周向设置有一圈凹槽,并在所述箱盖上设置有与所述凹槽连通的通孔,沿所述中空轴长度方向在中空轴侧壁内设置有与所述凹槽连通的气道,所述通孔、所述凹槽和所述气道构成第一负压气道;位于所述延伸部端部的气道端口形成螺母适配孔,通过所述第一负压气道和所述螺母适配孔进行螺母拾取。
进一步,所述中空轴延伸部的端部为内六方孔。
进一步,所述固定帽的内部为六方孔,用于限制所述六角批头的大端旋转;所述六角批头的大端和小端均为外六方结构。
进一步,所述插钉工具包括安装圆板、连接杆和螺钉吸头;所述安装圆板通过螺钉安装在所述插钉机器人的所述第一快换盘上,所述连接杆的第一端与所述安装圆板的中部通过螺纹连接,所述连接杆的第二端通过螺纹与所述螺钉吸头固定连接;
所述螺钉吸头的侧部开设有第二负压气道,所述螺钉吸头的端部设置有与所述第二负压气道连通的螺栓适配孔。
一种基于上述装配***实现的高锁螺栓智能装配方法,其包括以下步骤:
1)插钉机器人移动至工具托盘的插钉工具放置位,第一快换盘安装插钉工具;
2)插钉机器人移动到螺钉托盘上方,视觉组件拍照识别螺钉位置后移动到相应的拾取位置,此时插钉工具中的第二负压气道开始吸气,插钉机器人拾取螺钉后移动到过渡点位置;
3)插钉机器人移动到螺母托盘上方经视觉组件拍照识别螺母位置后移动到过渡点位置等待;
4)锁紧机器人移动到相应的拾取位置,此时伺服电机启动,带动行星齿轮减速器转动,进而带动主动齿轮和从动齿轮转动,同时齿轮箱的第一负压气道开始吸气,螺母被从动齿轮末端螺母适配孔拾取并认帽成功;
5)锁紧机器人移动到指定的过渡点等待,插钉机器人移动到指定的孔位,在视觉组件拍照并识别后插钉机器人将螺钉***对应的孔位;
6)在指定孔位被识别后,锁紧机器人带动末端锁紧工具到达指定孔位并将高锁螺母与高锁螺栓对准;伺服电机先慢速转动直到六角批头的小端***高锁螺栓端面内孔后才高速转动进而带动从动齿轮高速转动将螺栓旋转至与工件贴合,再让伺服电机根据设定的低速带动从动齿轮低速旋转,根据扭矩传感器反馈锁紧力矩的变化趋势监测到螺母的螺帽断开后,锁紧机器人停止锁紧并带动末端锁紧工具将断开的螺帽丢人废料盘后回到初始位置,完成一个装配周期。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:
1、本发明的智能锁紧工具实现了螺母旋钮运动与螺栓返扭不动这两种运动状态的分离。
2、本发明的高锁螺栓智能装配机器人实现了高锁螺栓的自动拾取、柔性认帽、螺栓溯源、以及自动锁紧,有效地提高了高锁螺栓的装配精度和效率。
3、本发明的高锁螺栓智能装配机器人及其末端装配工具可以将拧紧过程参数记录、保存并上传云端,为后续飞机制造过程的数字孪生、飞机服役性能及健康监测、全生命周期管理等工作提供数据基础和可追溯手段。此外,本发明还可以为高锁螺栓国产化的性能一致性方面提供数据基础。
4、本发明能够实现高锁螺栓装配过程中螺母与螺钉的无序拾取、自主***、智能装配以及参数记录。在视觉***的引导下,机器人可以识别螺母与螺钉在料盘的位置,并在末端工具的负压作用下将其拾取。在视觉***和力传感器的引导下,机器人可以将螺栓***既定孔位。锁紧机器人持拧紧工具将高锁螺母锁紧于螺栓上并扭断套环。智能伺服拧紧机和力传感器实时测量并存储高锁螺栓的拧紧过程参数,如锁紧力矩、锁紧角度、锁紧转速、断裂峰值扭矩等数据。
综上,本发明为飞机蒙皮钻铆装配提供了智能工具,为高锁螺栓连接性能参数的溯源提供数据基础和检测方法,为飞机的智能制造提供了数字化手段和孪生接口。
附图说明
图1是本发明实施例中高锁螺栓智能装配***的整体结构意图;
图2是本发明实施例用于锁紧机器人末端的锁紧工具的整体示意图;
图3是本发明实施例用于锁紧机器人末端的锁紧工具中的齿轮箱的全剖视图;
图4是本发明实施例用于锁紧机器人末端的锁紧工具中的齿轮箱的仰视图;
图5是本发明实施例用于插钉机器人末端的插钉工具示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供一种高锁螺栓智能装配***及方法,在飞机制造业中高锁螺栓的智能装配领域中应用。插钉机器人包括第一机械臂、第一快换盘和视觉组件;第一机械臂的末端设置有第一快换盘,位于第一机械臂的末端侧部设置有视觉组件;锁紧机器人包括第二机械臂和第二快换盘;第二机械臂的末端设置有第二快换盘;插钉工具通过第一快换盘设置在第一机械臂的末端,通过插钉机器人带动进行插钉;锁紧工具通过第二快换盘设置在第二机械臂的末端,与插钉机器人配合,用于对待锁紧的工件进行锁紧。本发明基于上述装配工具通过两个机器人的协同工作实现了高锁螺栓的无序抓取和智能装配,既可以节省劳动力,又能提高整机制造效率,还能保证零件连接性能的一致性。
在本发明的一个实施例中,提供一种高锁螺栓智能装配***。本实施例中,如图1所示,该***包括:
插钉机器人1,其包括第一机械臂2、第一快换盘3和视觉组件4;第一机械臂2采用6自由度,其末端设置有第一快换盘3,位于第一机械臂2的末端侧部设置有视觉组件4,拍摄识别插钉位置信息,即时检测螺钉、螺母的位置,用于对锁紧机器人5和插钉机器人1进行位置姿态标定;
锁紧机器人5,其包括第二机械臂6和第二快换盘7;第二机械臂6采用6自由度,其末端设置有第二快换盘7;
插钉工具8,通过第一快换盘3设置在第一机械臂2的末端,通过插钉机器人1带动对工作面进行插钉;
锁紧工具9,通过第二快换盘7设置在第二机械臂6的末端,与插钉机器人1配合,用于对待锁紧的工件进行锁紧。
上述实施例中,插钉机器人1的第一机械臂2的末端与第一快换盘3之间设置有第一六维力传感器10,通过第一六维力传感器10可同时检测插钉机器人1拾取螺钉及插钉时的3个力和3个力矩。使用时,第一六维力传感器10实时输出施加力的大小和方向,具有高精度和高响应能力。
上述实施例中,锁紧机器人5的第二机械臂6的末端与第二快换盘7之间设置有第二六维力传感器11。通过第二六维力传感器11可同时检测锁紧机器人5锁紧螺钉时的3个力和3个力矩。
在一个优选的实施例中,如图2所示,锁紧工具9包括连接板901、伺服电机902、行星齿轮减速器903和齿轮箱904。连接板901的一端与锁紧机器人5末端上的第二快换盘7的母盘连接;伺服电机902的输出轴与行星齿轮减速器903连接,行星齿轮减速器903的输出轴与齿轮箱904的主动齿轮连接,行星齿轮减速器903将伺服电机902的回转数减速到锁紧螺母所需要的回转数,并能达到较大的转矩。齿轮箱904设置在连接板901的另一端,由齿轮箱904的输出端带动螺母锁紧。使用时,伺服电机902输出的动力由行星齿轮减速器903平稳过渡传输至齿轮箱904,为齿轮箱904提供动力。
上述实施例中,锁紧工具9还包括伺服电机编码器906和扭矩传感器907。伺服电机编码器906设置在伺服电机902上,用以测量伺服电机902的转角及转速。扭矩传感器907设置在行星齿轮减速器903上,用于测量行星齿轮减速器903的输出扭矩。
在本实施例中,由伺服电机902、伺服电机编码器905、行星齿轮减速器903、扭矩传感器907和齿轮箱904构成智能伺服锁紧机。该锁紧机可采用速度法锁紧,扭矩法锁紧,综合法锁紧等三种锁紧方式实现螺栓螺母的慢速定位、快速旋合、慢速贴合,例如在进行扭矩法锁紧时,锁紧机首先认帽,认帽完成后,锁紧机根据用户设定的转速参数,对螺栓进行锁紧,锁紧过程中锁紧机通过高速预紧,将螺栓旋转至与工件贴合,再通过低速锁紧,将锁紧力矩控制在设定的目标力矩附近。锁紧完成后,为了便于套筒与螺栓分离,锁紧机将根据卸载角度与卸载力矩执行卸载动作。除此之外在锁紧过程中判断锁紧角度、时间、圈数等参数是否在设定的安全范围之内,如果超出设定范围,则停止锁紧同时进行NG报警。
上述实施例中,如图3、图4所示,齿轮箱904包括箱体9041、箱盖9042、主动齿轮9043、从动齿轮9044、六角批头9045、固定帽9046、预紧螺母9047和预紧弹簧9048。
箱体9041一端的侧壁安装在连接板901上,箱体9041的底部设置有箱盖9042,箱体9041内设置有主动齿轮9043和从动齿轮9044,且主动齿轮9043与从动齿轮9044啮合,主动齿轮9043与行星齿轮减速器903的输出轴同轴连接,由伺服电机902带动主动齿轮9043转动,进而带动从动齿轮9044转动。
与从动齿轮9044连接的转轴采用中空轴9053,中空轴9053的一端延伸至箱盖9042的外部形成延伸部。六角批头9045穿设在从动齿轮9044的中空轴9053内,六角批头9045的大端位于箱体9041顶部外侧,六角批头9045的小端穿过中空轴9053位于延伸部外,且六角批头9045的小端与中空轴9053之间具有间隙。固定帽9046的底部安装在箱体9041顶部外侧,六角批头9045的大端位于固定帽9046内,固定帽9046与中空轴9053同心;固定帽9046的顶部设置有预紧螺母9047,位于预紧螺母9047与六角批头9045的端部之间设置有预紧弹簧9048。使用时,六角批头9045的小端***高锁螺栓端部的内六方孔内,用以限制高锁螺栓旋转。
位于中空轴9053的侧壁周向设置有一圈凹槽,并在箱盖9042上设置有与该凹槽连通的通孔,沿中空轴9053长度方向在中空轴9053侧壁内设置有与凹槽连通的气道,由通孔、凹槽和气道构成第一负压气道9049。位于中空轴9053延伸部端部的气道端口形成螺母适配孔,通过第一负压气道9049和螺母适配孔进行螺母拾取。
上述实施例中,从动齿轮9044的中空轴9053延伸部的端部为内六方孔,用以带动高锁螺母旋转。
上述实施例中,固定帽9046的内部为六方孔,用以限制六角批头9045的大端旋转。六角批头9045的大端和小端均为外六方结构。
上述实施例中,主动齿轮9043通过主动齿轮轴承9050设置在箱体9041内,从动齿轮9044通过从动齿轮轴承9051设置在箱体9041内。
上述实施例中,位于中空轴9053与箱盖9042之间,在第一负压气道9049的上下两侧设置由密封圈9052。
在一个优选的实施例中,如图5所示,插钉工具8包括安装圆板801、连接杆802和螺钉吸头803。安装圆板801通过螺钉安装在插钉机器人1的第一快换盘3上,连接杆802的第一端与安装圆板801中部通过螺纹连接,连接杆802的第二端通过螺纹与螺钉吸头803固定连接。
其中,螺钉吸头803的侧部开设有第二负压气道804,螺钉吸头803的端部设置有与第二负压气道804连通的螺栓适配孔805。使用时,在第二负压气道804端装有吸气装置进行抽气,通过第二负压气道804和螺栓适配孔805作用由螺钉吸头803拾取螺钉。
在本发明一实施例中,提供一种高锁螺栓智能装配方法,该方法基于上述各实施例中的高锁螺栓智能装配***实现。在本实施例中,该方法包括以下步骤:
1)插钉机器人1移动至工具托盘的插钉工具8放置位,第一快换盘3安装插钉工具8;
2)插钉机器人1移动到螺钉托盘上方,视觉组件4拍照识别螺钉位置后移动到相应的拾取位置,此时插钉工具8中的第二负压气道804开始吸气,插钉机器人1拾取螺钉后移动到过渡点位置。
3)插钉机器人1移动到螺母托盘上方经视觉组件4拍照识别螺母位置后移动到过渡点位置等待;
4)锁紧机器人5移动到相应的拾取位置,此时锁紧机器人5末端的锁紧工具9中的伺服电机902启动,带动行星齿轮减速器903转动,进而带动主动齿轮9043和从动齿轮9044转动,同时齿轮箱904的第一负压气道9049开始吸气,螺母被从动齿轮9044末端螺母适配孔拾取并认帽成功。
5)锁紧机器人5移动到指定的过渡点等待,插钉机器人1移动到指定的孔位,在视觉组件4拍照并识别后插钉机器人1将螺钉***对应的孔位。
6)在指定孔位被识别后,锁紧机器人5带动末端锁紧工具9到达指定孔位并将高锁螺母与高锁螺栓对准。伺服电机902先慢速转动直到六角批头9045的小端***高锁螺栓断面内孔后才高速转动进而带动从动齿轮9044高速转动将螺栓旋转至与工件贴合,再让伺服电机902根据设定的低速带动从动齿轮9044低速旋转,根据扭矩传感器907反馈锁紧力矩的变化趋势监测到螺母的螺帽断开后,锁紧机器人5停止锁紧并带动末端锁紧工具9将断开的螺帽丢人废料盘后回到初始位置,完成一个装配周期。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高锁螺栓智能装配***,其特征在于,包括:
插钉机器人,其包括第一机械臂、第一快换盘和视觉组件;所述第一机械臂的末端设置有所述第一快换盘,位于所述第一机械臂的末端侧部设置有所述视觉组件;
锁紧机器人,其包括第二机械臂和第二快换盘;所述第二机械臂的末端设置有所述第二快换盘;
插钉工具,通过所述第一快换盘设置在所述第一机械臂的末端,通过所述插钉机器人带动进行插钉;
锁紧工具,通过所述第二快换盘设置在所述第二机械臂的末端,与所述插钉机器人配合,用于对待锁紧的工件进行锁紧。
2.如权利要求1所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述第一机械臂的末端与所述第一快换盘之间设置有第一六维力传感器;所述第二机械臂的末端与所述第二快换盘之间设置有第二六维力传感器。
3.如权利要求1所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述锁紧工具包括连接板、伺服电机、行星齿轮减速器和齿轮箱;所述连接板的一端与所述锁紧机器人末端上的所述第二快换盘的母盘连接;所述伺服电机的输出轴与所述行星齿轮减速器连接,所述行星齿轮减速器的输出轴与所述齿轮箱的主动齿轮连接;所述齿轮箱设置在所述连接板的另一端。
4.如权利要求3所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述锁紧工具还包括伺服电机编码器和扭矩传感器;所述伺服电机编码器设置在所述伺服电机上,用以测量所述伺服电机的转角及转速,所述扭矩传感器设置在所述行星齿轮减速器上,用于测量所述行星齿轮减速器的输出扭矩。
5.如权利要求3所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述齿轮箱包括箱体、主动齿轮、箱盖、预紧螺母、固定帽、预紧弹簧、六角批头和从动齿轮;
所述箱体一端的侧壁安装在所述连接板上,所述箱体的底部设置有所述箱盖,所述箱体内设置有相互啮合的所述主动齿轮和所述从动齿轮,所述主动齿轮与所述行星齿轮减速器的输出轴同轴连接;与所述从动齿轮连接的转轴采用中空轴,所述中空轴的一端延伸至所述箱盖的外部形成延伸部;所述六角批头穿设在所述中空轴内,所述六角批头的大端位于所述箱体顶部外侧,所述六角批头的小端穿过所述套筒位于所述中空轴外;所述固定帽的底部安装在所述箱体顶部外侧,所述六角批头的大端位于所述固定帽内;所述固定帽的顶部设置有所述预紧螺母,位于所述预紧螺母与所述六角批头的端部之间设置有所述紧预紧弹簧。
6.如权利要求5所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,位于所述中空轴的侧壁周向设置有一圈凹槽,并在所述箱盖上设置有与所述凹槽连通的通孔,沿所述中空轴长度方向在中空轴侧壁内设置有与所述凹槽连通的气道,所述通孔、所述凹槽和所述气道构成第一负压气道;位于所述延伸部端部的气道端口形成螺母适配孔,通过所述第一负压气道和所述螺母适配孔进行螺母拾取。
7.如权利要求5所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述中空轴延伸部的端部为内六方孔。
8.如权利要求5所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述固定帽的内部为六方孔,用于限制所述六角批头的大端旋转;所述六角批头的大端和小端均为外六方结构。
9.如权利要求1所述高锁螺栓智能装配***,其特征在于,所述插钉工具包括安装圆板、连接杆和螺钉吸头;所述安装圆板通过螺钉安装在所述插钉机器人的所述第一快换盘上,所述连接杆的第一端与所述安装圆板的中部通过螺纹连接,所述连接杆的第二端通过螺纹与所述螺钉吸头固定连接;
所述螺钉吸头的侧部开设有第二负压气道,所述螺钉吸头的端部设置有与所述第二负压气道连通的螺栓适配孔。
10.一种基于如权利要求1至9任一项所述装配***实现的高锁螺栓智能装配方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)插钉机器人移动至工具托盘的插钉工具放置位,第一快换盘安装插钉工具;
2)插钉机器人移动到螺钉托盘上方,视觉组件拍照识别螺钉位置后移动到相应的拾取位置,此时插钉工具中的第二负压气道开始吸气,插钉机器人拾取螺钉后移动到过渡点位置;
3)插钉机器人移动到螺母托盘上方经视觉组件拍照识别螺母位置后移动到过渡点位置等待;
4)锁紧机器人移动到相应的拾取位置,此时伺服电机启动,带动行星齿轮减速器转动,进而带动主动齿轮和从动齿轮转动,同时齿轮箱的第一负压气道开始吸气,螺母被从动齿轮末端螺母适配孔拾取并认帽成功;
5)锁紧机器人移动到指定的过渡点等待,插钉机器人移动到指定的孔位,在视觉组件拍照并识别后插钉机器人将螺钉***对应的孔位;
6)在指定孔位被识别后,锁紧机器人带动末端锁紧工具到达指定孔位并将高锁螺母与高锁螺栓对准;伺服电机先慢速转动直到六角批头的小端***高锁螺栓端面内孔后才高速转动进而带动从动齿轮高速转动将螺栓旋转至与工件贴合,再让伺服电机根据设定的低速带动从动齿轮低速旋转,根据扭矩传感器反馈锁紧力矩的变化趋势监测到螺母的螺帽断开后,锁紧机器人停止锁紧并带动末端锁紧工具将断开的螺帽丢人废料盘后回到初始位置,完成一个装配周期。
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