CN114309261A - 双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法。所述方法包括:依据期望形状建立目标三维数字模型;将其分解为多个矩形单元;在基于高斯曲率的约束条件下,依据最小能量原理求解每一个单元的应变最小能量加载轨迹,从而得到压头的目标加载位置以及支撑系统的设计布置位置;驱动压头在对应于目标加载位置处加载成形力,布置支撑系统在对应于设计布置位置处;加载成形力后,检测成形工件的实时形状,获取实时形状的点云数据,并构建实际三维数字模型;比较实际三维数字模型与目标三维数字模型的差值,若差值超出公差范围,则重复驱动压头加载成形力。采用该方法能够提升双曲面金属板材的渐进成形弯曲过程的工作效率以及成形精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材的成形技术领域,尤其涉及一种双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法。
背景技术
双曲面金属板材的成形一直是船舶工业、汽车工业以及航空航天工业等行业的技术难点,尤其是采用渐进成形技术加工双曲面金属板材。渐进成形技术是依靠逐次变形的累积而产生整体的变形,对于双向都存在弯曲的双曲面而言,在两个不同的方向(例如,横向上的弯曲与纵向上的弯曲)分别控制金属板材曲面的累积弯曲难度较大。
针对该问题,目前有文献提出了曲面金属板材的渐进成形弯曲设备及方法。然而,该方法实质上是基于Euler-Bernoulli梁的弯曲力学模型提出的渐进成形弯曲方法,其在实践中被发现更适用于单曲面金属板材的成形。至于较为复杂的双曲面金属板材,若仍然采用该方法成形获得期望的双曲面形状,则需要在金属板材上数量庞大的成形位置上进行成形弯曲,因而成形效率低下。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出了一种双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,采用该方法在相对较少的成形位置成形弯曲,即可获得具有期望形状的双曲面金属板材。
本发明实施例提出了一种双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法。所述方法包括:
依据目标工件的期望形状建立目标三维数字模型;
将所述目标三维数字模型分解为多个矩形单元;
在基于高斯曲率的约束条件下,依据最小能量原理求解所述多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹,从而得到压头的目标加载位置以及支撑系统的设计布置位置,所述设计布置位置位于所述目标加载位置的下方;
驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力,布置所述支撑系统在所述待加工金属板材对应于所述设计布置位置处,所述待加工金属板材经渐进成形后成为成形工件;
加载成形力后,检测所述成形工件的实时形状,获取所述实时形状的点云数据,并依据所述点云数据构建实际三维数字模型;
比较所述实际三维数字模型与目标三维数字模型的差值,若所述差值超出公差范围,则重复驱动所述压头加载成形力。
可选地,在高斯曲率约束条件下依据最小能量原理求解所述多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹的过程包括:
将所述多个矩形单元之间采用虚拟弹簧联接;
建立关于应变最小能量的非线性目标函数;
在高斯曲率的约束条件下求解应变最小能量的最优解,从而得到双曲面板材成形沿高斯曲率方向的最小能量加载路径。
可选地,所述关于应变最小能量的非线性目标函数如下:
其中,D(u,v)为UV坐标系(u,v)下的参数曲面,金属板材由平面渐进弯曲成形为曲面时沿最大主曲率方向的应变及沿最小主曲率方向的应变分别为εs(u,v)和εt(u,v),
而基于高斯曲率的约束条件如下所示:
其中,高斯曲率K表示为E、F、G及对应导数的函数,如下所示:
可选地,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,采用多级逐次成形的方式。
可选地,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着所述待加工金属板材的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于所述待加工金属板材同时弯曲成形。
可选地,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着所述待加工金属板材的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于所述待加工金属板材交替弯曲成形。
可选地,所述渐进成形弯曲方法还包括:
在驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力之后,对所述待加工金属板材进行电磁感应加热。
可选地,所述支撑系统包括基本支撑柱与辅助支撑柱,所述基本支撑柱及所述辅助支撑柱间隔分布且所述辅助支撑柱的高度可调。
可选地,所述渐进成形弯曲方法还包括:
所述压头向下加载成形力的过程中,所述基本支撑柱向上运动,而所述辅助支撑柱随着所述待加工金属板材向下运动。
可选地,所述渐进成形弯曲方法还包括:
所述压头向下加载成形力的过程中,所述基本支撑柱在上下方向上保持不动,而所述辅助支撑柱随着所述待加工金属板材向下运动。
本发明实施例中的技术方案至少具有如下有益效果:通过高斯曲率约束条件下的最优解问题,计算得到了双曲面板渐进弯曲成形的应变最小能量加载轨迹。相较于已有的渐进弯曲成形方法,采用本发明实施例中的技术方案获得的加载轨迹最大限度地减小了成形力,并且极大地缩短了板材的弯曲加工时间,加工效率大幅提高,尤其适用于双曲面金属板材的弯曲成形。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出。由此,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的渐进成形弯曲方法的流程示意图;
图2为本发明实施例中的以渐进成形弯曲方法的过程示意图;
图3本发明实施例中的以渐进成形弯曲方法的原理示意图;
图4为本发明实施例中的以虚拟弹簧联接的矩形单元的示意图。
图中:
100-期望形状;
110-矩形单元,120-虚拟弹簧,130-待加工金属板材;
210-基本支撑柱,220-辅助支撑柱;
310-压头,320-加载线;
410-电磁感应加热装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。本发明各实施例之间的技术方案可以以本领域普通技术人员能够实现为基础相互结合。
应当指出,在本发明的描述中,“双曲面”的含义是指在两个不同方向存在曲率,例如马鞍形板在两个相互垂直的方向均存在弯曲延伸的曲面。
在本发明中涉及类似“第一”或“第二”等用语仅用于描述目的,不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
以下以冲压弯曲成形获得帆形板及马鞍形板的过程为例,结合图1、图2、图3以及图4,描述本发明的实施例中的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法。应当指出,本发明的实施例中的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法的应用场景不局限于加工帆形板或马鞍形板。可以理解地,该方法也可以用于加工获得其它形状的双曲面板。加载成形力也不局限于采用冲压的方式。
请参阅图1,本发明的实施例提出了一种双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法。该方法包括:
S100,依据目标工件的期望形状建立目标三维数字模型;
S200,将该目标三维数字模型分解为多个矩形单元;
S300,在基于高斯曲率的约束条件下,依据最小能量原理求解多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹,从而得到压头的目标加载位置以及支撑系统的设计布置位置,设计布置位置位于目标加载位置的下方;
S500,驱动压头在待加工金属板材上对应于目标加载位置处加载成形力,布置支撑系统在待加工金属板材对应于设计布置位置处,所述待加工金属板材经渐进成形后成为成形工件;
S700,加载成形力后,检测成形工件的实时形状,获取实时形状的点云数据,并依据点云数据构建实际三维数字模型;
S900,比较实际三维数字模型与目标三维数字模型的差值,若差值超出公差范围,则重复驱动压头加载成形力。
请结合参阅图2和图3,具体而言,该方法的主要步骤如下:(1).根据板材的期望形状建立CAD模型;(2).根据板材的期望形状将CAD模型分解成为多个矩形单元;(3).根据最小能量原理,对每一个单元求解压头310的渐进加载轨迹及支撑点位置,并生成机床加工所需的数控代码。压头310可以是冲压机床的冲头;(4).校准板材位置并进行弯曲成形;(5).成形结束后,采用计算机视觉技术测量成形后的板材曲面形状,三维扫描系统将成形后的板材曲面形状作为点云数据进行成像并记录。根据点云数据重建CAD模型,获得成形后的板材的CAD模型与板材的期望形状CAD模型的差值;(6).如果上述差值超出了公差范围,则返回第(4)步重新开始;否则,渐进成形弯曲过程结束。
上述过程可进一步为如下所示:(1).确定待加工金属板材以及压头的位置以及参考距离;(2).计算当前形状与期望形状之间的距离;(3).找出当前形状与期望形状两者距离最大的位置,计算该位置的距离,记为最大距离;(4).如果最大距离大于参考距离,则采用最大距离所在的位置作为加载成形力的下一个位置;(5).在距离特定冲压深度最大的点上冲压坯料;(6).重复步骤上述(2)至(5).,直到所有的最大距离均小于参考距离。
加载轨迹在渐进弯曲成形过程中起着关键的作用,因为它不仅会显著地影响最终工件的质量,而且将显著地影响成形效率。加载轨迹的设计主要包括压头的加载轨迹以及每一步的纵向冲压进给量,前者影响成形效率,后者则对成形质量有显著影响。本发明实施例提出了针对双曲面板成形的加载轨迹的最小能量法:通过高斯曲率约束条件下的最优解问题,计算得到双曲面板渐进弯曲成形的应变最小能量加载轨迹。
经试验证实,相较于加载轨迹采用Euler-Bernoulli梁弯曲理论而计算得到最小能量法的加载轨迹的方法,采用本发明实施例所提出的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法极大地缩短了板材弯曲加工时间(对于一些复杂的双曲面金属成形工件,本方法能够在20分钟内加工完成),加工效率大幅提高。不仅如此,依据本方法的加载轨迹就行渐进成形弯曲,能够最大限度地减小成形力。
在一些实施例中,步骤S300中,高斯曲率约束条件下依据最小能量原理求解多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹的过程具体包括:
S310,将多个矩形单元之间采用虚拟弹簧联接。请参阅图4,矩形单元110之间采用虚拟弹簧120联接。图2作为目标三维数字模型的一种示例,示出了待加工金属板材的目标三维数字模型的期望形状100。图2中,期望形状100下方设计有多个基本支撑柱210。目标三维数字模型被离散分解为三个矩形单元110,三个矩形单元110之间采用虚拟弹簧120联接,矩形单元110的分界以虚线轮廓线条相区分。每个矩形单元110内部具有加载线320,加载线320以细线实线表示。
S330,建立关于应变最小能量的非线性目标函数;
S350在高斯曲率的约束条件下求解应变最小能量的最优解,从而得到双曲面板材成形沿高斯曲率方向的最小能量加载路径。
具体地,在本实施例中,由板材的期望形状所建立CAD模型被分解为多个矩形单元,每个矩形之间采用虚拟弹簧联接。随后,建立应变最小能量的非线性目标函数。假定每个矩形单元都沿着应变最小能量的方向向目标形状移动,在高斯曲率的约束条件下计算应变最小能量的最优解,从而得到双曲面板成形的沿着高斯曲率方向的最小能量加载路径。
可选地,关于应变最小能量的非线性目标函数如下:
其中,D(u,v)为UV坐标系(u,v)下的参数曲面,金属板材由平面渐进弯曲成形为曲面时沿最大主曲率方向的应变及沿最小主曲率方向的应变分别为εs(u,v)和εt(u,v),
而基于高斯曲率的约束条件如下所示:
其中,高斯曲率K表示为E、F、G及对应导数的函数,如下所示:
关于应变最小能量的非线性目标函数以及基于高斯曲率的约束条件的分析过程如下:
三维欧几里得空间中的参数曲面为r=r(u,v),其中参数u及v被限制在一定的区间内。矩形定义域D(u,v)称为参数空间。如果曲面的导数连续到第r阶,则该曲面属于r类,记为Cr。假设曲面足够光滑,因此所有(偏)导数都是有意义的。
考虑曲面S上的曲线C,它的定义由r=r(u(t),v(t))曲面上曲线的弧长ds给出:
(ds)2=I=dr·dr=Edu2+2Fdudv+Gdv2,
其中,E=ru·ru,F=ru·rv,G=rv·rv,式中的下标u及v表示偏导数。I称为第一基本形式,E、F及G为第一基本形式的系数。
为了量化曲面S的曲率,考虑曲线C在S上通过点P。t是单位切向量,n是单位法向量,k是曲线C在点P处的曲率向量:
kn=κnN,
其中κn被称为表面在P点在t方向上的法曲率。
相应地,第二基本形式如下:
II=-dr·dN=Ldu2+2Mdudv+Ndv2,
其中,L=N·ruu=-ru·Nu,M=N·ruv=-ru·Nv=-rv·Nu,以及N=N·rvv=-rv·Nv是第二基本形式的系数。法曲率可表示为:
K以及H分别为高斯曲率和平均曲率。它们是关于第一基本形式系数和第二基本形式系数的函数,如下所示:
或者,高斯曲率K表示为关于E、F、G及其导数的函数:
偏置面沿偏移距离方向的第一基本形式系数梯度与上述系数沿弯曲板壳厚度方向的梯度相对应。偏置面的第一基本形式系数梯度提供了曲面曲率的机制。在金属板材的成形中,这意味着拉伸或压缩应变在厚度上的不均匀性,产生了偏置表面在厚度上的第一基本形状系数的梯度,这反过来也产生了成形板的曲率。
对于厚度为h的曲面壳板,r=r(u,v)为中表面。如果与中表面的距离为h/2和-h/2的偏移面分别为上表面及下表面。参数曲面的第二基本形式的系数可以采用参数曲面的偏移曲面的第一基本形式的系数关于偏移距离d的导数表示,并在d=0处求值。
设定沿最大主曲率方向和最小主曲率方向的参数分别为s和t,则:
假设金属板材渐进弯曲成形时,由平面弯曲成形为曲面的过程中,沿最大主曲率方向和最小主曲率方向的应变分别为εs(u,v)≥0和εt(u,v)≥0。根据应变的定义,有:
|rs|=(1+εs)|RS|,|rt|=(1+εt)|Rt|。
由于沿着最大主曲率方向,有:
从而得到,沿着最大主曲率方向:
同样地,沿着最小主曲率方向,可得:
假设在弯曲后,主曲率方向保持正交,从而:
rS·rt=(ruus+rvvs)·(ruut+rvvt)=0,
Eusut+F(usvt+utvs)+Gvsvt=0。
因此,有关于E,F以及G的三个线性方程组。求解三个线性方程组,得:
根据最小能量原理,将应变εs(u,v)和εt(u,v)最小化,所应满足的条件是:将上述最小应变添加至高斯曲率为零的平面上后,能够消耗最小的能量即可成形为双曲面。最小化问题在积分意义上利用应变的平方实现。由此,有关于应变最小能量的非线性目标函数如下:
,而基于高斯曲率的约束条件为:
通过数值求解法可得到上述非线性约束的最小化问题的解,从而确定沿高斯曲率方向的最小能量加载路径。
对于一些复杂的双曲面结构(例如,曲面的曲率较大),仅单次加载成形力而得到的成形形状可能无法达到预期。在一些实施例中,驱动压头在待加工金属板材上对应于目标加载位置处加载成形力的过程中,采用多级逐次成形的方式。
渐进弯曲成形的过程是通过多次地加载成形力而得到期望的弯曲形状。“渐进”的含义是指,多次逐步地成形,而非一次成形即获得期望形状,后者通常采用模具一次成形即获得期望形状。“多次”的含义是指至少两次。
具体地,将待加工金属板材放置在由支撑柱矩阵组成的柔性支撑系统上。随后,用压头按照预先定义的加载路径对板材进行冲压,使其一步一步地渐进弯曲。待加工金属板材逐步地被弯曲成为曲面形状,最终得到期望形状。在每个冲压步中,冲头施加的力使得该金属板材受到超过其屈服强度的应力,从而导致该金属板材产生塑性变形,但不会该破坏金属板材,也不会在该金属板材表面形成凹痕。
在一些实施例中,驱动压头310在待加工金属板材130上对应于目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着待加工金属板材130的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于待加工金属板材130同时弯曲成形。试验证实,在一定条件下,待加工金属板材的两个曲率方向的弯曲成形同步进行,最终成形的双曲面金属板材的试验结果与设计目标的平均误差均小于3mm。
在一些可替代的实施例中,驱动压头310在待加工金属板材130上对应于目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着待加工金属板材130的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于待加工金属板材130交替弯曲成形。对于某些期望形状的双曲面结构而言,两个曲率方向(即第一主曲率方向以及第二主曲率方向)交替弯曲成形得到的成形精度更佳。
请参阅图2和图3,为了减少某些位置的弯曲变形趋势过大,在一些实施例中,渐进成形弯曲方法所采用的支撑系统除了配备基本支撑柱210外,还设置了辅助支撑柱220,基本支撑柱210及辅助支撑柱220间隔分布且辅助支撑柱220的高度可调。
图3中,实线线条表示渐进成形弯曲过程的起始阶段。渐进成形弯曲过程的起始阶段,待加工金属板材130接近于平面结构。压头310位于待加工金属板材130的上方准备加载成形力。加载成形力后,待加工金属板材130有了一定程度的弯曲,如图3中的虚线线条所示(图3中的待加工金属板材130的两个虚线线条中的最下方即为期望形状100,也是将成形的最终形状;另一个虚线线条即为渐进成形弯曲过程中的中间阶段)。
在渐进成形弯曲过程的起始阶段,辅助支撑柱220位于待加工金属板材130的下方且留有间隙,此时仅有基本支撑柱210对于待加工金属板材130起到支撑作用。随着渐进成形弯曲过程的逐步进行,辅助支撑柱220对于已有一定程度的弯曲的金属板材也起到了支撑作用(已有一定程度的弯曲的金属板材以虚线线条表示)。支撑系统采用离散矩阵布置,即基本支撑柱210及辅助支撑柱220间隔分布。辅助支撑柱220的高度可调,能够为不同期望形状的金属板材提供灵活的支撑。对于中间下凹弯曲的双曲面板结构,基本支撑柱位于离散矩阵的四周,而中间区域可布置辅助支撑柱。
发明人已有的试验证实,在辅助支撑柱的作用下,相邻矩形单元的影响被限制。因此,具有不对称曲率的双曲面金属板的成形精度被显著提高。
进一步地,在一些实施例中,渐进成形弯曲方法还包括:压头310向下加载成形力的过程中,基本支撑柱210向上运动,而辅助支撑柱220随着待加工金属板材130向下运动。对于弯曲程度较大的某些期望形状或者需要尽快实现较大弯曲的阶段,基本支撑柱与辅助支撑柱分别向上下两个相反方向移动,有助于提高成形效率和成形精度。
作为可替代的一些实施例,渐进成形弯曲方法还包括:压头310向下加载成形力的过程中,基本支撑柱210在上下方向上保持不动,而辅助支撑柱220随着待加工金属板材130向下运动。相应地,在不希望弯曲趋势过大的场合下,保持基本支撑柱固定不动而辅助支撑柱向下移动,则有助于提高成形效果。
在一些实施例中,渐进成形弯曲方法还包括:在驱动压头310在待加工金属板材130上对应于目标加载位置处加载成形力之后,对待加工金属板材130进行电磁感应加热。
发明人已有的试验证实,升高温度将使金属板材的塑性提高,同时能够减小板材成形过程中回弹现象,从而提高了板材的成形精度:对于某些金属板材而言,在500℃加热温度下的试验结果与在250℃下加热相比,其曲率与期望形状更加接近。
发明人进一步的试验表明,500℃辅助加热并设置有辅助支撑柱的情况下,金属板材的回弹几乎降为零。辅助支撑与辅助加热的协同作用,减小了相邻矩形单元之间的影响,减少了回弹现象。
具体地,如图3所示,在待加工金属板材130上加载成形力位置的下方设有电磁感应加热装置410。电磁感应加热装置410可随加载成形力位置的移动而移动,例如可采用机械臂夹持电磁感应加热装置410跟随压头130而移动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,包括:
依据目标工件的期望形状建立目标三维数字模型;
将所述目标三维数字模型分解为多个矩形单元;
在基于高斯曲率的约束条件下,依据最小能量原理求解所述多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹,从而得到压头的目标加载位置以及支撑系统的设计布置位置,所述设计布置位置位于所述目标加载位置的下方;
驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力,布置所述支撑系统在所述待加工金属板材对应于所述设计布置位置处,所述待加工金属板材经渐进成形后成为成形工件;
加载成形力后,检测所述成形工件的实时形状,获取所述实时形状的点云数据,并依据所述点云数据构建实际三维数字模型;
比较所述实际三维数字模型与目标三维数字模型的差值,若所述差值超出公差范围,则重复驱动所述压头加载成形力。
2.根据权利要求1所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,在高斯曲率约束条件下依据最小能量原理求解所述多个矩形单元中的每一个单元的应变最小能量加载轨迹的过程包括:
将所述多个矩形单元之间采用虚拟弹簧联接;
建立关于应变最小能量的非线性目标函数;
在高斯曲率的约束条件下求解应变最小能量的最优解,从而得到双曲面板材成形沿高斯曲率方向的最小能量加载路径。
4.根据权利要求1所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,采用多级逐次成形的方式。
5.根据权利要求1所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着所述待加工金属板材的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于所述待加工金属板材同时弯曲成形。
6.根据权利要求1所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力的过程中,沿着所述待加工金属板材的第一主曲率方向以及第二主曲率方向对于所述待加工金属板材交替弯曲成形。
7.根据权利要求1所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,所述渐进成形弯曲方法还包括:
在驱动所述压头在待加工金属板材上对应于所述目标加载位置处加载成形力之后,对所述待加工金属板材进行电磁感应加热。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,所述支撑系统包括基本支撑柱与辅助支撑柱,所述基本支撑柱及所述辅助支撑柱间隔分布且所述辅助支撑柱的高度可调。
9.根据权利要求8所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,所述渐进成形弯曲方法还包括:
所述压头向下加载成形力的过程中,所述基本支撑柱向上运动,而所述辅助支撑柱随着所述待加工金属板材向下运动。
10.根据权利要求8所述的双曲面金属板材的渐进成形弯曲方法,其特征在于,所述渐进成形弯曲方法还包括:
所述压头向下加载成形力的过程中,所述基本支撑柱在上下方向上保持不动,而所述辅助支撑柱随着所述待加工金属板材向下运动。
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