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数控机床读书笔记
数控技术读书笔记
第一章绪论
第一节机床数控技术的基本概念
1.1
(1)数字控制:
简称数控,它是利用数字化的信息对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。
数控(NC)机床:
用数控技术实施加工控制的机床,或是装备了数控系统的机床。
(2)数控系统包括:
数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。
(3)数控机床:
是数字控制机床的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置。
经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。
(4)数控机床的工作流程:
(1)数控加工程序的编制;
(2)输入;(3)译码;(4)刀具补偿;(5)插补;(6)位置控制和机床加工。
第二节数控机床的组成和分类
1.1数控机床的组成部分及作用:
(1)输入输出设备:
输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、储存和打印;
(2)装置:
数控装置是数控机床的核心。
它接受来自输入设备的程序和数据,并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能;
(3)伺服系统:
伺服系统是接受数控装置的指令,驱动机床执行机构运动的驱动部件(如主轴驱动、进给驱动等);
(4)测量反馈装置:
该装置由测量部件和响应的测量电路组成,其作用是检测速度和位移,并将其信息反馈给数控装置,构成闭环控制系统。
没有测量反馈装置的系统称为开环控制系统;
(5)机床本体:
机床本体是数控机床的主体,是用于完成各种切削加工的机械部分,包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
1.2数控机床的分类:
1.2.1按机械加工的运动轨迹分类:
(1)点位控制:
仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动;对轨迹不作控制要求;只要求刀具能最终准确到达目标位置运动过程中不进行任何切削加工,一般采用快速运动。
适用范围:
数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。
(2)直线控制:
不仅要求控制点到点的精确定位,而且要求控制相关两点间的位移速度和路线,沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。
具备刀补功能主轴转速控制功能适用范围:
简易数控车床、数控铣床
(3)轮廓控制:
对多个坐标轴同时进行控制,使之协调运动(坐标联动),使刀具相对工件按程序规定的轨迹和速度运动,在运动过程中进行连续切削加工。
适用范围:
数控铣床、数控车床、加工中心。
1.2.2按伺服系统的控制原理分类:
(1)开环控制:
没有位置检测装置,数控装置将零件程序处理后,输出数字指令信号给伺服系统,驱动机床运动。
指令信号流向是单向。
结构简单,制造成本较低,价格便宜, 精度一般不高。
用于经济型数控车、铣、线切割机床。
(2)闭环控制:
带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上,精度最高;但系统稳定性易受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。
(3)半闭环控制:
带有位置检测装置,常安装在伺服电机上或丝杠的端部,精度介于开环和闭环之间;但由于不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节,因此可以获得稳定的控制特性,而且调试比较方便,价格较全闭环系统便宜。
第三节数控机床的特点及适用范围
1.1数控机床特点:
(1)加工零件的适应性强,灵活性好;
(2)加工精度高,产品质量稳定;
(3)生产率高;
(4)减少工人劳功强度;
(5)生产管理水平提高;
1.2数控机床的适用范围:
在机械加工业中,大批量零件的生产宜采用专用机床或自动线,对于小批量产品的生产,由于生产过程中产品品种的变换频繁、批量小、加工方法的区别大,宜采用数控机床。
数控机床的适用范围见图。
第二章数控加工编程基础
第一节概述
1.1
(1)数控加工:
在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法,用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。
(2)数控编程:
是数控加工准备阶段的主要内容之一,它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。
第二节编程的基础知识
1.2数控编程的内容:
分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序、制备控制介质、程序校验和试切削等。
(1)确定加工工艺过程:
在分析零件图的基础上进行工艺分析,确定零件的加工方法;
(2)数值计算:
根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系,计算零件粗、精加工运动的轨迹,得到刀位数据;
(3)编写零件加工程序:
根据加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿量、机床辅助动作及刀具运动轨迹;
(4)制备控制介质:
把编制好的程序单上的内容记录在控制介质上,作为数控装置的输入信息;
(5)程序校验和试切削:
编写的程序和制备好的控制介质,必须经过校验和试刀才能正式使用。
1.2.1数控编程的方法
数控编程分类:
手工编程和自动编程。
(1)手工编程:
从分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序单、制作控制介质到程序校验都是人工完成。
它要求编程人员不仅要熟悉数控指令及编程规则,而且还要具备数控加工工艺知识和数值计算能力。
对于加工形状简单、计算量小、程序段数不多的零件,采用手工编程较容易,而且经济、及时。
(2)自动编程:
利用计算机专用软件来编制数控加工程序,编程人员只需根据零件图样的要求,使用数控语言,由计算机自动地进行数值计算及后置处理,编写出零件加工程序单,加工程序通过直接通信的方式送入数控机床,指挥机床工作,自动编程使得一些计算繁琐、手工编程困难或无法编出的程序能够顺利地完成。
1.3编程基础知识
1.3.1零件加工程序的结构
(1)程序的构成:
一个完整的零件加工程序由程序号(名)和程序段组成;每个程序段由若干个指令字组成;每个指令字由字符(字母、数字、符号)组成。
数控编程的方法
(2)程序名:
由地址码O和四位数字组成,例如“OXXXX”。
程序号:
可作为识别、调用该程序的标志,“OXXXX”是整个程序的程序号,每一个独立的程序都应有程序号。
(3)不同的数控系统,程序号地址码可不相同。
编程时,程序号地址码应根据说明书的规定使用,否则系统将不接受。
(4)每个程序段以程序段号“NXXXX”开头,用“;”表示程序段结束(有的系统用LF、CR等符号表示),每个程序段中有若干个指令字,每个指令字表示一种功能,也称功能字。
功能字的开头是英文字母、其后是数字。
一个程序段表示一个完整的加工工步或加工动作。
(5)一个程序的最大长度取决于数控系统中零件程序存储区的容量。
一个程序号的字符数也有一定的限制。
1.3.2程序段格式
(1)程序段格式:
指一个程序段中指令字的排列顺序和表达方式。
(2)字地址程序段格式:
由一系列指令字或称功能字组成,程序段的长短、指令字的数量都是可变的,指令字的排列顺序没有严格要求。
字地址程序段的一般格式为:
N_G_X_Y_Z_…F_S_T_M_;
常用地址符及其含义
1.3.3主程序和子程序
(1)零件数控加工程序可由主程序和子程序组成。
(2)程序中子程序以外的部分便称为主程序。
在一个加工程序中,如果有几个连续的程序段在多处重复出现,则可将这些重复使用的程序段按规定的格式独立编号成子程序,输入到数控系统的子程序存储区中,以备调用。
子程序嵌套:
子程序执行过程中可以调用其它的子程序,嵌套的层数依据不同的数控系统而定。
在执行主程序的过程中,如果需要,可调用子程序,并可以多次重复调用。
通过采用子程序,可以加快程序编制,简化和缩短数控程序,便于程序更改和调试。
第三节常用指令功能的编程方法
1.1数控机床的坐标系
坐标轴及运动方向的规定
(1)在数控机床上,机床的动作是由数控装置来控制的,为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动,必须先确定机床上运动的位移和运动的方向,这就需要机床坐标系。
(2)机床的一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。
如图:
规定采用右手直角笛卡尔坐标系;
直角坐标系(基本坐标系):
X、Y、Z;
回转坐标系:
A、B、C,正向:
右手螺旋法则;
附加坐标系:
U、V、W。
(2)直线进给和圆周进给运动坐标系正向规定:
一般都假定工件相对静止不动,而刀具在移动,并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。
(3)机床原点
机床原点的建立:
用回零方式建立。
机床原点建立过程,实质上是机床坐标系建立过程。
机床坐标系的原点:
机床原点、机械原点,是机床上固有的点,不能随意改变。
(4)机床坐标系
机床坐标系:
是数控机床中所建立的工件坐标系的参考坐标系,一般不作为编程坐标系,仅作为工件坐标系的参考坐标系。
以机床原点为坐标系原点的坐标系,是机床固有的座标系,它具有唯一性。
第四节数控编程的工艺处理
一、合理确定零件的加工路线
1.1含义:
是指数控机床加工过程中刀具刀位点相对于被加工零件的运动轨迹和运动方向。
1.1.1零件的加工方法:
行切法、环切法等。
1.1.2确定加工路线的原则主要有:
(1)应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求;
(2)应尽量缩短加工路线,减少刀具空行程移动时间;
(3)应使数值计算简单,程序段数量少,以减少编程工作量。
二、合理选择换刀点、对刀点
2.1选择对刀点的原则:
(1)要便于数学处理和简化程序编制;
(2)在机床上找正容易,加工中检查方便;
(3)引起的加工误差小。
三、合理选择装夹方法、刀具和切削用量
3.1夹具的作用:
(1)保证加工质量、提高机床加工精度等级。
如相对位置精度的保证,精度的一致性;
(2)提高生产率:
用夹具来定位、夹紧工件,避免了手工找正等操作,缩短了安装工件的时间;
(3)减轻劳动强度:
如可用气动、电动夹紧;
(4)扩大机床的工艺范围:
在机床上安装一些夹具就可以扩大其工艺范围。
3.2夹具的类型:
通用夹具、专用夹具、组合夹具。
3.3选用夹具的原则:
(1)尽量采用通用夹具、组合夹具,避免采用专用夹具;
(2)要能快速、方便、可靠进行工件的装卸;
(3)不影响加工面。
3.4切削用量:
切削用量主要根据刀具的耐用度、工件材料以及机床-工件-刀具系统的刚性来选择。
它包括主轴转速、切削深度、切削宽度、进给速度等。
四、合理编制工艺文件
4.1工艺文件:
工序卡、刀具调整单、机床调整单。
第五节程序编制中的数值计算
一、概述
1.1数控编程中的数值计算:
是指根据工件的图样要求,按照已确定的加工路线和允许的编程误差,计算出数控系统所需要输入的数据。
1.1.1基点:
是指组成零件轮廓曲线的各几何元素(如直线、圆弧、二次曲线等)间的连接点。
1.1.2节点:
是指当利用具有直线插补功能的数控机床加工零件的曲线轮廓时,任一轮廓的曲线均用连续的折线来逼近。
此时,根据编程所允许的误差,将曲线分割成若干个直线段,其相邻两直线的交点。
1.2数值计算的主要内容:
(1)基点与节点的计算;
(2)刀位点轨迹的计算(刀具补偿功能);
(3)辅助计算,如:
增量计算、脉冲数计算、辅助程序段的数值计算等。
二、直线和圆弧组成的零件轮廓的基点计算
三、非圆曲线的计算
用直线段逼近非圆曲线时的节点计算:
(1)等间距法直线逼近的节点计算;
(2)等程序段法(等直线段法)直线逼近的节点计算;
(3)等误差法直线逼近的节点计算;
(4)圆弧分割法;
(5)三点作图法。
第三章数控加工程序的编制
第一节数控加工程序的编制
一、数控机床的编程特点
1.1
(1)在一个程序段中,可以采用绝对坐标编程、增量坐标编程或二者混合编程。
(2)用绝对坐标编程时,坐标值X取工件的直径;增量坐标编程时,用径向实际位移量的2倍值表示,并附上方向符号。
(3)许多数控车床用X,Z表示绝对坐标指令,用U,W表示增量坐标指令,而不用G90、G91。
(4)第三坐标指令I,K的用途:
在不同的程序段中作用不同.
(5)编程时,常认为刀尖是一个点,而实际中刀尖为一个半径不大的圆弧,因此需要对刀具半径进行补偿。
(6)许多数控车床用X,Z表示绝对坐标指令,用U,W表示增量坐标指令,而不用G90、G91。
(7)第三坐标指令I,K的用途:
在不同的程序段中作用不同.
(8)刀具半径补偿建立与取消指令G41、G42、G40。
一般车刀均有刀尖半径,即在车刀刀尖部分有一圆弧构成假想圆的半径值。
二、车削固定循环功能
2.1柱面循环指令
(1)用于内外圆柱面切削的循环
(2)单循环指令:
N-GΔΔX(U)-Z(W)-F-;GΔΔ中的符号ΔΔ表示两位阿拉伯数字;X、Z是C点的坐标值,也可以用增量坐标U、W;虚线为G00快进。
(3)多次循环指令:
N-GΔΔX(U)-Z(W)-I-K-H-F-;H后的数字表示重复循环次数。
X(U)和Z(W)为第一次循环的坐标值。
X=XC;Z=ZC;I、K为每次循环完成后的推进量。
2.2锥面循环指令
(1)用于切削内外锥面的自动循环。
(2)单次循环指令:
N-GΔΔX(U)-Z(W)-F-;
(3)多次循环指令:
N-GΔΔX(U)-Z(W)-I-K-H-F-;
(4)锥面的斜率决定于U、W值,U为圆锥大小头直径差。
用绝对坐标编程时,取B点的X值(C点的X值与A点的相同)和C点的Z值。
2.3复合式粗车循环指令
(1)应用场合:
零件需多次走刀才能加工到规定尺寸的场合
(2)格式:
N-GΔΔ-P(ns)Q(nf)U(Δu)W(Δw)D(Δd)F-S-T-;
ns—精加工程序段中第一个程序段的序号;nf—精加工程序段中最后一个程序段的序号;
Δu—X方向留的精加工余量;ΔW—Z方向留的精加工余量;Δd—每次切削深度.
(3)三种类型:
外圆粗车循环、端面粗车循环、组合面粗车循环
第二节数控铣床与加工中心的程序编制
一、数控铣床的编程特点
1.1数控铣床的编程特点
(1)铣削包括平面铣削和轮廓铣削。
二坐标联动数控铣床用于平面零件轮廓;三坐标以上的数控铣床用于难度较大的复杂零件的立体轮廓加工。
(2)数控铣床的数控装置具有多种插补方式。
一般都具有直线插补和圆弧插补。
有的还具有极坐标插补,抛物线插补,螺旋线插补等多种插补功能。
(3)程序编制要充分利用数控铣床各种功能,如刀补、固定循环、对称加工等功能。
编程时要合理充分地选择这些功能,以提高加工精度和效率。
(4)由直线、圆弧组成的平面轮廓铣削的数学处理简单。
非直线、圆弧,要采用自动编程。
二、数控铣床编程中的特殊功能指令
2.1
(1)工件坐标系设定指令:
除了用G92以外,还可用G54-G59指令设置工件坐标系。
(2)G54-G59与G92的区别:
G54-G59在安装工件后测量工件坐标系原点相对于机床坐标系原点在各轴方向的偏置量,然后用MDI(手动)方式将其输入到数控系统的工件坐标系偏置值寄存器,G92后必须跟尺寸字,安装工件时要按此尺寸调整机床.
2.2
(1)镜像加工指令:
在加工某些对称图形时,为避免反复编制相类似的程序,缩短加工程序,可采用镜像加工指令。
(2)镜像加工指令说明:
1)该组指令的作用是将本程序段所定义的两个程序段号之间的程序,分别按Y、X、原点对称加工,并按循环次数循环若干次。
2)镜像加工完成后,下一加工程序段是镜像加工定义段的下一程序段。
3)镜像加工指令不可作为整个加工程序段的最后一段。
若位于最后,则再写一句M02程序段。
4)循环次数为1可以不写;
5)镜像加工程序段号内不得发生其他转移指令。
2.3固定循环指令
(1)作用:
只用一个指令,一个程序段,即可完成某特定表面的加工。
如:
钻孔、镗孔等。
孔加工的固定循环功能指令(FANUC系统)。
(2)孔加工循环的组成:
1)X和Y轴定位;
2)快速运行到R点;
3)孔加工;
4)在孔底的动作,包括暂停、主轴反转等;
5)返回到R点;
6)快速退回到初始点。
三、加工中心的编程特点
3.1加工中心
(1)加工中心:
全封闭防护;工序集中,加工连续进行;使用多把刀具,自动进行刀具交换;使用多个工作台,自动进行工作台交换;功能强大,趋向复合加工;高自动化、高精度、高效率;高投入;在适当的条件下才能发挥最佳效益。
(2)加工中心适用于:
精密、复杂零件加工;周期性重复投产零件加工;多工位、多工序集中的零件加工;具有适当批量的零件加工等。
(3)主要加工对象:
箱体类零件;复杂曲面;异形件;盘、套、板类零件。
3.2编程特点
(1)工序、多刀具,要进行合理的工艺分析;
(2)要有足够的换刀空间,以防撞刀;
(3)尽量将不同工序的内容安排到不同的子程序,由主程序调用;
(4)尽量减少换刀次数,尽量缩短走刀路线,简化程序。
四、加工中心换刀程序的编制
4.1
(1)换刀动作:
换刀和选刀,选取第一把刀、换上第一把刀、准备好第二把。
(2)工艺路线:
粗铣和精铣B面-----粗镗、半精镗和精镗φ60H7孔----钻、扩、铰φ12H8孔---M16螺纹钻孔、攻丝。
第三节自动编程简介
一、自动编程概念及类型
1.1手工编程:
(1)编制形状不太复杂;
(2)计算量不大的零件的加工程序。
1.1.1自动编程:
指用计算机来代替手工编程
(1)编制形状复杂;
(2)计算量大的零件的加工程序;
(3)类型:
以自动编程语言为基础的;以计算机绘图为基础的。
1.2
(1)语言式自动编程系统:
源程序→输入编译→数学处理→后置处理→加工程序;
(2)图形交互式自动编程系统:
几何造型→生成刀具轨迹→后置处理→加工程序。
二、自动编程的发展历史现状
1953年:
美国空军资助麻省理工学院伺服机构研究室(最早);
1955年:
APT;
1958年:
APTⅡ;
1962年:
APTⅢ;
1970年:
APTⅣ;
随着计算机技术和图形处理技术的发展,图形交互式自动编程系统方式应运而生,如Pro/E,UGII,Cimatorn,MasterCAM等。
三、自动编程系统的信息处理过程
3.1语言式自动编程系统:
(1)主要由数控语言、编译程序、通用计算机组成,数控语言是类似车间用语的工艺语言;
(2)它由一些基本符号、字母、数字组成的具有一定语法的语句构成;
(3)它是用来描述零件的几何形状、尺寸、运动、工艺参数等的。
3.2图形交互式自动编程系统:
(1)建立在CAD和CAM的基础上的.
3.2.1图形交互式自动编程系统步骤:
(1)几何造型;
(2)刀具路径的产生(刀位文件);(3)后置处理(形成数控加工程序)。
四、常用的CAD/CAM图形交互式自动编程系统简介
(1)CAXA-ME;
(2)UGII;
(3)Pro/Engineer;
(4)CATIA。
MasterCAM
五、自动编程技术的新进展
(1)在线编程(图形人机对话编程系统);
(2)实物编程(无图纸和尺寸的数字化编程);
(3)语音编程;
(4)视觉编程。
第四章计算机数控装置
第一节概述
一、CNC系统
CNC系统:
(1)从自动控制的角度来看,CNC系统是一种位置(轨迹)控制系统,其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使其协调运动的自动控制系统,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。
(2)从外部特征来看,CNC系统是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。
二、CNC装置的组成
2.1
(1)CNC系统的核心是CNC装置。
(2)CNC装置由硬件和软件两大部分组成,CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的系统平台。
(3)CNC定义:
CNC系统由数控程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器(PLC)、主轴驱动装置、进给驱动装置和检测装置等组成。
(4)CNC工作原理:
通过各种输入方式,接受机床加工零件的各种数据信息,经过CNC装置译码,再进行计算机的处理、运算,然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路,经过转换、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动。
并进行实时位置反馈控制,使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。
(4)CNC装置实质上是一种专用计算机,它除了具有一般计算机的结构外,还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。
2.2CNC系统软件组成:
(1)从本质特征来看,CNC装置软件是具有实时性和多任务性的专用操作系统;
(2)从功能特征来看,该数控装置的软件系统由管理软件和控制软件两部分组成;
(3)为了提高机床的进给速度控制,一些实时控制可以由硬件来完成,如硬件插补器。
这样CPU作些插补前的准备工作,而位置控制由硬件电路完成。
三、CNC装置的功能
3.1CNC装置的功能:
指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。
3.2数控装置的功能包括基本功能和选择功能。
(1)基本功能:
数控系统基本配置的功能,即必备功能;
(2)选择功能:
用户可根据实际要求选择的功能。
(3)控制功能:
能控制和能联动控制的进给轴数。
(4)准备功能(G)功能:
指令机床动作方式的功能。
(5)插补功能:
数控装置实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。
(6)固定循环功能:
数控装置实现典型加工循环的功能。
(7)进给功能:
进给速度的控制功能。
(8)主轴功能:
数控系统的主轴的控制功能。
(9)辅助功能(M功能):
用于指令机床辅助操作的功能。
(10)刀具功能:
实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。
(11)补偿功能:
实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。
(12)通信功能:
主要完成上级计算机与CNC装置之间的数据和命令传送。
(13)自诊断功能:
自动实现故障预报和故障定位的功能。
第二节CNC装置硬件结构
一、CNC装置硬件结构
(1)CNC装置的工作过程是在硬件的支持下,执行系统软件的过程,数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。
(2)CNC装置按体系结构可以分为专用体系结构和开放式体系结构两大类。
(3)CNC装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为单微处理机硬件结构和多微处理机硬件结构。
二、单微处理机机构的CNC装置
2.2单微处理机硬件结构的CNC装置特点:
(1)CNC装置内有一个微处理器,对存储、插补计算、输入输出控制、CRT显示等功能实现集中控制分时处理;
(2)微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连,构成CNC装置;
(3)结构简单,容易实现。
三、多微处理机机构的CNC装置
3.1多微处理机CNC装置的优点:
(1)算速度快、性能价格比高;
(2)适应性强、扩展容易;
(3)可靠性高;
(4)硬件易于组织规模化生产。
四、开放式体系结构数控系统
4.1
(1)定义:
开放式体系结构数控系统必须具备不同应用程序能协调地运行于系统平台上的能力,提供面向功能地动态重构工具,同时提供统一标准化地应用程序用户界面。
4.2特征:
(1)可互操作性:
不同应用程序模块通过标准化地应用程序接口运行于系统平台,不同模块之间保持平等地相互操作能力。
(2)可移植性:
不同应用程序模块可运行于不同供应商提供的不同系统平台上。
(3)可缩放性:
增加和减少系统功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸载。
(4)可相互替代性:
不同性能与可靠性和不同功能能力的功能模块可以相互替代。
4.3开放式CNC系统的体系结构:
4.3.1专用CNC+PC主版:
(1)采用传统数控专用模板+通用的PC模块;
(2)可以共享计算机的一部分软件、硬件资源,有一定的灵活性;
(3)具有某些开放式的特点,
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