CN101995849A - 数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法,是应用于一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹点计算。该路径轨迹点计算装置主要包含一上位控制器及一服务驱动器。该上位控制器是提供一解译器用以解译该加工路径轨迹以产生多个执行指令。该些执行指令是通过串行通讯接口,由该上位控制器传送至该服务驱动器的一队列缓冲器储存,再由一路径轨迹点计算器接收并计算该队列缓冲器所传送出的该些执行指令,以产生多个路径轨迹点。
Description
技术领域
本发明是有关一种数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法,尤指一种具有一队列缓冲器的一数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法。
背景技术
运动控制是精密加工机械上关键的核心技术,其应用范围包涵了从定位控制或速度控制的产业机械到高精密度的各类计算机数值控制工具机(CNCmachine tools)。运动控制系统的建立是必须整合各种软硬件的技术而成的,对于使用者而言,除了对系统的基本功能要求外,成本高低、系统稳定性、使用频率、保固服务、与其它软硬件的扩充性和兼容性…等等,也都是评估运动控制系统的因素。另外在实际运动控制系统的考量上不仅要控制各轴位置,同时也要控制各轴的速度。因此,当各轴位置或速度控制不好,将直接影响机械定位的不精准而使产品的良率下降。
计算机数值控制CNC(Computer Numerical Control)利用计算机辅助制造(Computer-aided manufacturing,CAM)软件产生数值控制的G-Code文件,再将该G-Code文件程序传入CNC控制系统,由计算机通过数值信号,控制机器的自动位移工作,达到对象的切削加工作业。
数值控制工具机就是在工具机装上一套计算机数值控制系统(computerized numerical control system),借着输入数值数据到计算机数值控制系统,计算机数值控制系统经计算后发出命令,对工具机进行主轴运转、刀具更换、刀具移动、冷却剂开关····等加以控制,以完成程序设计者所预期的动作。
美国专利US 6,772,020B2揭露一种利用移动式滤波器(moving filter)和延迟器来建立回算器,如此,可获得较平滑的同相位的位置、速度和加速度命令,并且对服务延迟现象会有很大改善。由于该方法是采用二阶段滤波器架构,实现控制回路的命令重建,并且,在滤波器的设计上必须同时考虑机台的特性。惟,虽然增加了命令回算器在设计上的复杂程度,却也降低此一方法的实用性,使得该方法并无法保证更高次曲线的连续性。
因此,如何设计出一种数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法,能以降低串行通讯的数据量,并解决轨迹误差产生的问题,乃为本案发明所欲行克服并加以解决的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种数值控制系统的路径轨迹点计算装置,应用于一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹点计算,以计算机辅助制造(CAM)软件产生的一G-code文件以定义该加工路径轨迹。该路径轨迹点计算装置包含一上位控制器及一服务驱动器。
该上位控制器包含一解译器(interpreter)及一第一高速串行通讯接口。该解译器(interpreter)读取该G-code文件,并解译该G-code文件以产生多个执行指令(executable instructions)。该第一高速串行通讯接口连接该解译器,用以提供传送该些执行指令的通讯接口。
该服务驱动器包含一第二高速串行通讯接口、一队列缓冲器(queue buffer)及一路径轨迹点计算器。该第二高速串行通讯接口是连接该上位控制器的该第一高速串行通讯接口,用以电性连接该服务驱动器与该上位控制器,并提供接收该些执行指令的通讯接口。该队列缓冲器(queue buffer)连接该第二高速串行通讯接口,用以提供储存空间以储存该上位控制器传送至该服务驱动器的该些执行指令。该路径轨迹点计算器连接该队列缓冲器,用以接收并计算该队列缓冲器所传送出的该些执行指令,以产生多个路径轨迹点。
为了解决上述问题,本发明提供一种数值控制系统的路径轨迹点计算方法,该数值控制系统应用于一上位控制器,提供多个执行指令至一服务驱动器,用以计算一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹。该路径轨迹点计算方法的步骤包含:首先,读取一G-code文件;然后,通过一解译器解译该G-code文件以产生该些执行指令;然后,依序传送该些执行指令至一队列缓冲器,以储存该些执行指令;然后,依序传送该些执行指令至一路径轨迹点计算器;最后,通过该路径轨迹点计算器直接计算该些执行指令为多个路径轨迹点。
为此,该数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法,可大幅降低该上位控制器传给该服务驱动器的数据量,而不用提高串行通讯速度。并且,可直接以基本执行指令(单节指令)来计算路径轨迹,而不会有产生轨迹误差的问题,同时能达到路径轨迹位置、角速度及角加速度的计算与位置回路同步计算,大幅提升系统的追随性能。并且,若执行指令传送错误,即可要求重传,增加系统的稳健度。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一上位控制器与一服务驱动器的通讯示意图;
图2为本发明路径轨迹点计算方法的流程图;
图3为本发明一队列缓冲器储存多个执行指令的流程图;
图4为本发明该队列缓冲器储存该些执行指令的示意图;
图5A为本发明一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹的范例图;及
图5B为对应于图5A该加工路径轨迹的G-code程序指令。
其中,附图标记
〔本发明〕
10上位控制器
20服务驱动器
102解译器
104第一高速串行通讯接口
202第二高速串行通讯接口
204队列缓冲器(queue buffer)
206路径轨迹点计算器
S100~S500步骤
Ie1~IeN执行指令
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:
请参见图1,为本发明数值控制系统的路径轨迹点计算装置的一上位控制器与一服务驱动器的通讯示意图。该数值控制系统的该路径轨迹点计算装置,应用于一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹点计算,以计算机辅助制造(CAM)软件产生的一G-code文件以定义该加工路径轨迹。该路径轨迹点计算装置主要包含一上位控制器10及一服务驱动器20。该上位控制器10包含一解译器(interpreter)102及一第一高速串行通讯接口104。此外,该服务驱动器20包含一第二高速串行通讯接口202、一队列缓冲器(queue buffer)204及一路径轨迹点计算器206。
该解译器102读取该G-code文件,并解译该G-code文件用以产生多个执行指令(executable instructions)。该第一高速串行通讯接口104连接该解译器102,用以提供传送该些执行指令的通讯接口。该第二高速串行通讯接口202连接该上位控制器10的该第一高速串行通讯接口104,用以电性连接该服务驱动器20与该上位控制器10,并提供接收该些执行指令的通讯接口。该队列缓冲器(queue buffer)204连接该第二高速串行通讯接口202,用以提供储存空间以储存该上位控制器10传送至该服务驱动器20的该些执行指令。该路径轨迹点计算器206连接该队列缓冲器204,用以接收并计算该队列缓冲器204所传送出的该些执行指令,以产生多个路径轨迹点。
该G-code文件的内容为加工图形码,又称为准备机能码(preparatoryfunction codes)。该些加工图形码包含从G00至G99共一百多个程序指令,然而主要直接影响加工路径轨迹的指令为G00指令、G01指令、G02指令、G03指令。其中该G00指令为快速定位(rapid positioning)指令、该G01指令为直线切削(linear interpolation)指令、该G02指令为顺时针方向圆弧切削(CW circularinterpolation)指令、以及该G03指令为逆时针方向圆弧切削(CCW circularinterpolation)指令。其它的G-code指令大多是工具机机台的控制指令。
请参见图2,为本发明路径轨迹点计算方法的流程图。该路径轨迹点计算方法的步骤如下详述。首先,一解译器(interpreter)读取一G-code文件(S100)。该G-code文件通过该解译器解译,以产生多个执行指令(S200)。亦即,当该G-code文件依序读入该解译器时,该解译器会进行最佳化策略来决定进给速率、转角、单节拟合,而输出最适合的该些执行指令。然后,一上位控制器依序传送该些执行指令至一服务驱动器的一队列缓冲器,以储存该些执行指令(S300)。当该服务驱动器接收到由该上位控制器所传送的该些执行指令后,就会将该些执行指令依序储存在该队列缓冲器内。(详见后续配合图3的说明)。然后,当该服务驱动器的一路径轨迹点计算器读取储存在该队列缓冲器的该些执行指令,就会依序传送该些执行指令至该路径轨迹点计算器(S400)。然后,该些执行指令通过该路径轨迹点计算器直接计算,以产生多个路径轨迹点(S500)。因此,该G-code文件经由该解译器解译成为该些执行指令,并该些执行指令用以当作串行通讯的内容,并直接通过该服务驱动器计算,而达到该数值控制系统的路径轨迹点计算。
请参见图3为本发明该队列缓冲器储存多个执行指令的流程图。当该解译器产生多个执行指令(S200)之后,先判断该上位控制器是否发送一停止传送指令(S310),以确认该上位控制器进行该些执行指令的传送或停止该些执行指令的传送。若该上位控制器发送该停止传送指令,即表示该上位控制器停止该些执行指令的传送,则停止传送该些执行指令至一队列缓冲器(S312),以确保当该上位控制器发出紧急停止要求,能够立即停止将该些执行指令传送该服务驱动器,以中断该服务驱动器的操作。若该上位控制器无发送该停止传送指令,即表示该上位控制器允许进行该些执行指令的传送,则该上位控制器判断该些执行指令是否全部传送结束(S320)。若该上位控制器判断该些执行指令已经全部传送结束,则结束传送该些执行指令(S322)。若该上位控制器判断该些执行指令尚未全部传送结束,则该服务驱动器判断该队列缓冲器的储存空间是否已经存满(S330)。若该服务驱动器判断该队列缓冲器的储存空间已经存满,则停止传送该些执行指令至该队列缓冲器(S312)。亦即,当该队列缓冲器的储存空间已满,则该服务驱动器通知该上位控制器停止再传送该些执行指令。若该服务驱动器判断该队列缓冲器的储存空间尚未存满,则传送该些执行指令至该队列缓冲器储存(S332)。亦即,当该队列缓冲器的储存空间未满,则该服务驱动器系通知该上位控制器继续传送该些执行指令。然后,在该步骤(S332)之后,该服务驱动器判断已接收该些执行指令是否正确(S340),以确认该上位控制器传送正确的该些执行指令给该服务驱动器。若该服务驱动器接收该些执行指令为非正确,则该服务驱动器删除已接收该些执行指令并要求该上位控制器重新传送该些执行指令(S342)。若该服务驱动器接收该些执行指令正确,则执行步骤(S400),也就是依序将该队列缓冲器内的该些执行指令传送至该路径轨迹点计算器。
此外,在该步骤(S312)之后,也就是停止传送该些执行指令至该队列缓冲器之后,则重新执行步骤(S310),也就是判断该上位控制器是否发送该停止传送指令。另外,在该步骤(S342)之后,也就是该服务驱动器删除已接收该些执行指令并要求该上位控制器重新传送该些执行指令,则重新执行步骤(S310),也就是判断该上位控制器是否发送该停止传送指令。并且,在该步骤(S310)之后,则反复前述的各步骤动作流程,在此不再赘述。
请参见图4为本发明该队列缓冲器储存该些执行指令的示意图。队列(queue)是一种数据处理机制,主要在于保持输入的串行数据的顺序性,也就是说,先存进队列的元素,也会先被取出来,这种方式为先进先出(First-In-First-Out,FIFO)。故此,在本发明中,该服务驱动器20提供一队列缓冲器(queue buffer)204,用以提供储存空间以储存该上位控制器10传送至该服务驱动器20的该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN。该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN依该上位控制器10所传送至该服务驱动器20的顺序,依序被储存至该服务驱动器20的该队列缓冲器204的储存空间。图中箭头符号方向代表该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN的存取方向。如图所示,一G-code文件是由计算机辅助制造(CAM)软件产生,以定义计算机数值控制工具机的加工路径轨迹。该G-code文件是经由该上位控制器10的一解译器(未图示,请参见图1)读取,并且该G-code文件是经由该解译器解译以产生多个执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN。该上位控制器10具有一第一高速串行通讯接口(未图标,请参见图1),而该服务驱动器20具有一第二高速串行通讯接口(未图标,请参见图1),用以提供传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN的通讯接口。针对本实施例,假若该队列缓冲器204的储存空间尚未存满,则该服务驱动器20通知该上位控制器继续传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN,因此,该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN依序被储存至该队列缓冲器204的储存空间。此外,当该服务驱动器20的一路径轨迹点计算器(未图示,请参见图1)从该队列缓冲器204的储存空间读取该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN时,则该服务驱动器20以先进先出方式,依序将该队列缓冲器204内的该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,IeN传送至该路径轨迹点计算器,以产生多个路径轨迹点。
请参见图5A及图5B,分别为本发明一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹的范例图及对应于图5A该加工路径轨迹的G-code程序指令。在本实施例中,重点在于说明该G-code程序指令对应于该加工路径轨迹如何应用在该计算机数值控制工具机的加工程序上,故此,省略了在实际加工过程中所需要的刀具半径补正指令及其它工具机机台的控制指令。该些刀具半径补正指令分别为G40指令(取消刀径补正)、G41指令(刀径左向补正)及G42指令(刀径右向补正)。所谓刀具半径补正是因为刀具本身具有一定的半径,因此,在实际加工过程中,被加工的工件外形尺寸会减少一刀具直径值,而相对地,该工件内形尺寸会增加一刀具直径值。
该G-code文件的主要直接影响加工路径轨迹的指令为G00指令、G01指令、G02指令及G03指令。其中该G00指令为快速定位(rapid positioning)指令、该G01指令为直线切削(linear interpolation)指令、该G02指令为顺时针方向圆弧切削(CW circular interpolation)指令、该G03为指令逆时针方向圆弧切削(CCW circular interpolation)指令。因此,在图5B中,第(1)行G-code执行指令是控制该刀具快速定位至A(-20,-20)点的位置。第(2)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由A(-20,-20)点加工至B(0,0)点。第(3)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由B(0,0)点加工至C(0,35)点。第(4)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由C(0,35)点加工至D(20,35)点。第(5)行G-code执行指令是控制该刀具以65单位长为半径长度逆时针方向圆弧切削,且路径轨迹是由D(20,35)点加工至E(25,60)点。第(6)行G-code执行指令是控制该刀具以25单位长为半径长度顺时针方向圆弧切削,且路径轨迹是由E(25,60)点加工至F(65,60)点。第(7)行G-code执行指令是控制该刀具以65单位长为半径长度逆时针方向圆弧切削,且路径轨迹是由F(65,60)点加工至G(70,35)点。第(8)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由G(70,35)点加工至H(90,35)点。第(9)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹系由H(90,35)点加工至I(90,0)点。第(10)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由I(90,0)点加工至J(45,10)点。第(11)行G-code执行指令系控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由J(45,10)点加工至B(0,0)点。第(12)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由B(0,0)点加工至A(-20,-20)点。
配合图4的说明,在本实施例中,该第(1)行至第(12)行指令是为G-code文件的内容,该G-code文件是经由该解译器读取,并且该解译器解译该G-code文件以产生对应于第(1)行至第(12)行指令的多个执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12。当该上位控制器10无发送该停止传送指令,即该上位控制器10允许传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12。然后,当该服务驱动器20判断该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12尚未全部传送结束,以本实施例为例,目前该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12尚未全部传送结束。然后,当该服务驱动器20判断该队列缓冲器的204储存空间尚未存满,则该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12依序传送至该队列缓冲器204储存。假设该上位控制器10允许传送前三个执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204储存,则前三个执行指令Ie1,Ie2,Ie3被以先进先出(first-in-first-out)方式依序存入该队列缓冲器204,即第(1)行G-code执行指令是控制该刀具快速定位至A(-20,-20)点的位置。第(2)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由A(-20,-20)点加工至B(0,0)点。第(3)行G-code执行指令是控制该刀具直线切削,且路径轨迹是由B(0,0)点加工至C(0,35)点。然后,当该服务驱动器20接收该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3正确,则依序将该队列缓冲器204内的前三个执行指令Ie1,Ie2,Ie3传送至该路径轨迹点计算器206,并且,通过该路径轨迹点计算器206计算,以产生多个路径轨迹点。
然而,假若在传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204的过程中,该服务驱动器20接收该些执行指令Ie 1,Ie2,Ie3”有错误(第三个执行指令Ie3”有误)时,即该些接收的执行指令Ie1,Ie2,Ie3”为非该上位控制器10所要传送的该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,则该服务驱动器10删除已接收的该错误执行指令Ie3”并要求该上位控制器10重新传送正确的该执行指令Ie3。此外,假若在传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204的过程中,该服务驱动器20判断该队列缓冲器204的储存空间已经存满,则该上位控制器10停止传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204。此外,假若在传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204的过程中,假若该上位控制器10判断该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12已全部传送结束,则结束传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12的操作。此外,假若在传送该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3至该队列缓冲器204的过程中,该上位控制器10发送该停止传送指令,则该服务驱动器会停止在目前单节的目的点,以确保当该上位控制器10发出紧急停止要求,能够立即停止将该些执行指令Ie1,Ie2,Ie3,...,Ie12传送该服务驱动器20,以中断该服务驱动器20的操作。
本发明的数值控制系统的路径轨迹点计算装置及其计算方法主要是直接以利用该上位控制器10的该解译器102读取该G-code文件并解译该G-code文件以产生该些执行指令,而非在上位控制器10利用插补方式,将离散位置命令转换为平滑位置曲线的处理过程,将会产生许多的运算数据,而增加数据量的传送,因此降低串行通讯速度。在本发明的实施例中,由于仅传送该些经解译的该些执行指令,而可大大降低数据量的传送,因此可提高串行通讯速度。故此,该第一高速串行通讯接口102与该第二高速串行通讯接口202是可用于处理更多轴的计算机数值控制工具机的加工路径轨迹点计算。
综上所述,本发明具有以下的优点:
1、大幅降低上位控制器传给服务驱动器的数据量。
2、不用提高串行通讯速度。
3、不需要传统使用的命令还原器,可直接以单节指令(基本执行指令)来计算路径轨迹,而不会有产生轨迹误差的问题。
4、路径轨迹位置、角速度及角加速度的计算与位置回路同步计算,大幅提升系统的追随性能。
5.由于上位控制器传给服务驱动器所需的数据量降低,因此若执行指令传送错误,即可要求重传,增加系统的稳健度。
当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种数值控制系统的路径轨迹点计算装置,应用于一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹点计算,以计算机辅助制造软件产生的一G-code文件以定义该加工路径轨迹,其特征在于,该路径轨迹点计算装置包含:
一上位控制器,包含:
一解译器读取该G-code文件,并解译该G-code文件以产生多个执行指令;及
一第一高速串行通讯接口连接该解译器,用以提供传送该些执行指令的通讯接口;及
一服务驱动器,包含:
一第二高速串行通讯接口连接该上位控制器的该第一高速串行通讯接口,用以电性连接该服务驱动器与该上位控制器,并提供接收该些执行指令的通讯接口;
一队列缓冲器连接该第二高速串行通讯接口,用以提供储存空间以储存该上位控制器传送至该服务驱动器的该些执行指令;及
一路径轨迹点计算器连接该队列缓冲器,用以接收并计算该队列缓冲器所传送出的该些执行指令,以产生多个路径轨迹点。
2.根据权利要求1所述的数值控制系统的路径轨迹点计算装置,其特征在于,该解译器为解译该G-code文件为G01指令、G02指令、G03指令或其它G-code的基本指令。
3.一种数值控制系统的路径轨迹点计算方法,该数值控制系统应用于一上位控制器提供多个执行指令至一服务驱动器,用以计算一计算机数值控制工具机的加工路径轨迹,其特征在于,该路径轨迹点计算方法的步骤包含:
(a)读取一G-code文件;
(b)通过一解译器解译该G-code文件以产生该些执行指令;
(c)依序传送该些执行指令至一队列缓冲器,以储存该些执行指令;
(d)依序传送该些执行指令至一路径轨迹点计算器;
(e)通过该路径轨迹点计算器直接计算该些执行指令为多个路径轨迹点。
4.根据权利要求3所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c)还包含:
(c1)若一上位控制器无发送一停止传送指令,并且该些执行指令尚未全部传送结束,同时该队列缓冲器的储存空间尚未存满,则依序传送该些执行指令至该队列缓冲器储存。
5.根据权利要求3所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c)还包含:
(c2)若该上位控制器无发送该停止传送指令,并且该些执行指令尚未全部传送结束,同时该队列缓冲器的储存空间已经存满,则停止传送该些执行指令至该队列缓冲器。
6.根据权利要求3所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c)还包含:
(c3)若该上位控制器无发送该停止传送指令,并且该些执行指令已经全部传送结束,则结束传送该些执行指令传送至该队列缓冲器。
7.根据权利要求3所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c)还包含:
(c4)若该上位控制器发送该停止传送指令,则停止传送该些执行指令至该队列缓冲器。
8.根据权利要求4所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c1)之后还包含:
(c5)若该服务驱动器接收该些执行指令为非正确,则该服务驱动器删除已接收该些执行指令并要求该上位控制器重新传送该些执行指令。
9.根据权利要求4所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c1)之后还包含:
(c6)若该服务驱动器接收该些执行指令正确,则执行步骤(d)。
10.根据权利要求5所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c2)之后还包含:
(c7)重新判断该上位控制器是否发送该停止传送指令。
11.根据权利要求8所述的数值控制系统的路径轨迹点计算方法,其特征在于,该步骤(c5)之后还包含:
(c7)重新判断该上位控制器是否发送该停止传送指令。
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