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1、武 漢 輕 工 大 學(xué)科 研 訓(xùn) 練 論 文論文題目:高速、高精直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)分析報(bào)告 姓 名 桂 佳 清 學(xué) 號(hào) 110309252 院 (系) 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 劉 海 岷 2015年01月10日高速高精直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)分析報(bào)告桂佳清機(jī)械工程學(xué)院摘 要:隨著國防、航空、高鐵、汽車和模具等重要裝備制造行業(yè)需求量的大幅增長(zhǎng),中國數(shù)控機(jī)床也取得了快速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床技術(shù)在高速化、復(fù)合化、精密化、多軸化等方面取得了顯著進(jìn)步和一系列突破。先進(jìn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展離不開先進(jìn)功能部件的支持,為我國機(jī)床附件尤其是機(jī)床核心部件數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。關(guān)鍵詞:直驅(qū);轉(zhuǎn)臺(tái)
2、;機(jī)床附件0引言進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,尤其是隨著國家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”專項(xiàng)的啟動(dòng),極大地推動(dòng)了機(jī)械裝備工業(yè)的發(fā)展,“高速、精密、復(fù)合、智能化”的機(jī)床發(fā)展進(jìn)程得到了進(jìn)一步加速。作為數(shù)控機(jī)床的功能附件的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),同樣受到了重視,高速直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、大型重載數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、浸油式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等幾種數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)直接列入了國家重大專項(xiàng)的開發(fā)計(jì)劃之內(nèi)1。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的重要部件之一。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)鏈的存在而引起彈性變形、摩擦和反向間隙等一系列問題。直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)不僅有效地解決了上述問題,而且具有轉(zhuǎn)矩高、響應(yīng)速度快和定位精度高等性能優(yōu)勢(shì)。近年來,直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)部
3、件是多軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。就是以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)永磁環(huán)形力矩電機(jī)及其控制策略為研究對(duì)象,針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)問題展開工作的2,3。電機(jī)具有很好的伺服剛性和動(dòng)態(tài)性,可使轉(zhuǎn)臺(tái)加速度增大,回轉(zhuǎn)速度大幅度提高。由于直驅(qū)電機(jī)直接與轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載相連,因此在電機(jī)和負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)了“零”傳動(dòng)?;诖?,直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用于加工中心將是一種較好的選擇4。1直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r與可行分析1.1直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀采用直驅(qū)技術(shù)制造回轉(zhuǎn)功能部件目前已經(jīng)成為國際機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)即采用大推力力矩電機(jī)或直線電機(jī)替代原有的包括齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng),即用電氣傳動(dòng)替代機(jī)械傳動(dòng)。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)具有精度高(精度
4、直接取決于控制技術(shù)和傳感技術(shù))、速度快(直線電機(jī)可達(dá)100m/min,力矩電機(jī)可達(dá)500rpm)、無磨損(沒有機(jī)械磨損)、無間隙(沒有機(jī)械物理間隙)、受力狀態(tài)優(yōu)良(區(qū)域出力,沒有點(diǎn)接觸和線接觸受力環(huán)節(jié))等優(yōu)勢(shì)5。采用直驅(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)功能部件,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、速度快,是三軸數(shù)控機(jī)床向高檔5軸數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵功能部件。在直驅(qū)技術(shù)日益成熟的條件下,國際主流機(jī)床廠商迅速推出采用直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品,而且其應(yīng)用水平的提升呈加速趨勢(shì)。目前,處于世界機(jī)床產(chǎn)銷量前幾位的DMG、MAZAK、森精機(jī)等公司均開始大量改用直驅(qū)功能部件6,7,8。我國直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)的發(fā)展與國際水平有很大差距。自2005年
5、起國內(nèi)就開展了以力矩電機(jī)為核心驅(qū)動(dòng)元件的轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā),但大多尚停留在產(chǎn)品樣機(jī)階段。在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國家政策大力支持、上下游產(chǎn)業(yè)振興等背景下,我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)的旺盛需求仍將保持高速增長(zhǎng),尤其是高檔數(shù)控機(jī)床將迎來更大的市場(chǎng)空間,這必將帶動(dòng)我國國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件的市場(chǎng)發(fā)展,也無疑為國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商不斷發(fā)展自己的技術(shù),擴(kuò)大市場(chǎng)提供了極好的機(jī)遇。數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備是裝備制造業(yè)的“工作母機(jī)”,具有基礎(chǔ)性、通用性和戰(zhàn)略性的特征。目前國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的制造商較少,其中相當(dāng)一部分又集中在中國臺(tái)灣地區(qū),主要對(duì)象是國內(nèi)中低端數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái);國外的生產(chǎn)商家則主要集中在德國、意大利、美國、日
6、本地區(qū),生產(chǎn)對(duì)象涵蓋了從低端到高端的全部轉(zhuǎn)臺(tái)市場(chǎng),尤其在一些高端轉(zhuǎn)臺(tái)制造領(lǐng)域。9,10跟國外這些著名的轉(zhuǎn)臺(tái)品牌相比,國內(nèi)制造的轉(zhuǎn)臺(tái)性能較落后,主要體現(xiàn)在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速、承載能力以及轉(zhuǎn)臺(tái)的分度定位精度等方面。因此,為了提高我國的轉(zhuǎn)臺(tái)制造水平,我們需要清楚的認(rèn)識(shí)這種差距,進(jìn)一步提倡技術(shù)上的創(chuàng)新,尤其是在數(shù)控直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)方面,努力改善國內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)制造領(lǐng)域技術(shù)落后的現(xiàn)狀。1.2直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)可行分析“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)主要瞄準(zhǔn)的航空航天、船舶、汽車和發(fā)電設(shè)備四大行業(yè)呈現(xiàn)三大特點(diǎn):一是行業(yè)發(fā)展迅速,汽車、船舶、發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量上升很快,航空工業(yè)加工任務(wù)很重;二是行業(yè)發(fā)展前景好,企業(yè)普遍加大技改投
7、入;三是需要大批高檔數(shù)控機(jī)床進(jìn)行裝配。機(jī)械制造行業(yè)未來十年發(fā)展前景比較寬廣。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床上的關(guān)鍵功能部件之一,安裝于各類加工中心,配合完成機(jī)床的各種加工要求,擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍,提高了機(jī)床的加工精度,并大大提高了機(jī)床的加工效率。直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)克服了傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式(伺服電機(jī)加此輪、蝸桿齒輪副)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)剛度差及摩擦和間隙誤差等缺點(diǎn),具有推力大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及加速度高等特點(diǎn)。目前直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)正廣泛應(yīng)用于一些快速加工中心中,其發(fā)展代表了未來轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)代機(jī)床有向精密化、大型化發(fā)展的趨勢(shì),作為機(jī)床的重要附件,轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展將在很大程度上制約機(jī)床的發(fā)展,縱觀我國轉(zhuǎn)臺(tái)行業(yè)的發(fā)展,主要
8、集中于中檔數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的開發(fā)研制,而像直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)這類高檔轉(zhuǎn)臺(tái),國內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)廠家市場(chǎng)響應(yīng)不大,其主要原因在于轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵部分的制造主要依靠于國外的先進(jìn)制造技術(shù),技術(shù)上不突破,將難以支撐我國整個(gè)機(jī)床制造業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展,也形成不了我們制造產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步發(fā)展。而直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的多點(diǎn)液壓油缸制動(dòng)定位方法,雖然在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定程度的應(yīng)用,但是在技術(shù)上仍然存在一些不足,還有較大的改進(jìn)空間11。相比之下,國外高端轉(zhuǎn)臺(tái)制造領(lǐng)域的技術(shù)較為成熟,如直驅(qū)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的阻尼制動(dòng)定位技術(shù)已經(jīng)得到了較大范圍的應(yīng)用,因涉及核心技術(shù),對(duì)外十分保密,我們無法獲取相關(guān)信息,了解甚少。直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)在國內(nèi)機(jī)床行業(yè)算是一項(xiàng)較為新的技術(shù),在機(jī)床研發(fā)制造改
9、造中有很廣闊的發(fā)展前景,直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的產(chǎn)業(yè)化的內(nèi)涵包括:開發(fā)、質(zhì)量、關(guān)鍵設(shè)備、信息化管理、個(gè)性化服務(wù)和市場(chǎng)開拓。要全方位、一體化地去思考和研究、結(jié)合自己的產(chǎn)品特點(diǎn)、企業(yè)特點(diǎn)做好資金分配。以上幾個(gè)方面是相互關(guān)聯(lián)的,對(duì)這幾個(gè)方面的資金投入都應(yīng)該適當(dāng)考慮,全面分析、突出重點(diǎn)。2轉(zhuǎn)臺(tái)的直驅(qū)與間驅(qū)比較2.1直驅(qū)與間驅(qū)方式對(duì)比一般直接驅(qū)動(dòng)是由電機(jī)或者液壓裝置直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象,即轉(zhuǎn)臺(tái)中的框架結(jié)構(gòu)。下圖是以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的間接直接驅(qū)動(dòng)的法式簡(jiǎn)圖。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖1圖1(a)、(b)為直接驅(qū)動(dòng)方式;圖1(c)、(d)、(e)和(f)為間接驅(qū)動(dòng);圖1(a)、(c)、(e)為單端驅(qū)動(dòng),圖
10、1(b)、(d)和(f)為雙端驅(qū)動(dòng);圖1(a)、(b)、(c)和(d)為電機(jī)-減速器-框架同軸驅(qū)動(dòng)方式;圖1(e)、(f)為電機(jī)-減速器-框架不同軸驅(qū)動(dòng)方式。2.2直驅(qū)與間驅(qū)優(yōu)缺點(diǎn)分析及選用2.2.1直驅(qū)與間驅(qū)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比一般間接驅(qū)動(dòng)比直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)尺寸大;直接驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)比較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度,又苦于提高系統(tǒng)的頻帶和反應(yīng)速度。簡(jiǎn)接驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)小的驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)較大的慣量,易于實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)要求,但是由于有中間的傳動(dòng)變速環(huán)節(jié),系統(tǒng)的固有頻率特性不易提高,并有間隙問題需采取相應(yīng)處理措施。間接驅(qū)動(dòng)所需力矩是直接驅(qū)動(dòng)力矩的(i為從框架到驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)比);框架轉(zhuǎn)動(dòng)同樣角度,間接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)
11、轉(zhuǎn)角的i倍,或者從精密控制角度來說,若電機(jī)的最小控制轉(zhuǎn)角為,則直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的最小轉(zhuǎn)角為,而間接驅(qū)動(dòng)的被控對(duì)象的最小轉(zhuǎn)角為。因此間接驅(qū)動(dòng)與直接驅(qū)動(dòng)相比有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):容易驅(qū)動(dòng)較大的控制負(fù)荷(動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)載力矩)和容易達(dá)到較高的控制精度12。2.2.2驅(qū)動(dòng)方式的選用當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸和慣量較大、動(dòng)態(tài)特性要求較高時(shí),常采用雙端驅(qū)動(dòng)方式;當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸和慣量較小、主要運(yùn)行于低速情況的轉(zhuǎn)臺(tái)常采用單端驅(qū)動(dòng);現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺(tái)基本采用直接驅(qū)動(dòng);當(dāng)要求精度較高,運(yùn)行速度較低時(shí),可以采用間接驅(qū)動(dòng),但應(yīng)考慮補(bǔ)償問題,一消除間接傳動(dòng)的間隙。兩種驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì):內(nèi)環(huán)框架:運(yùn)動(dòng)范圍小、遠(yuǎn)動(dòng)速度極低、精度高、動(dòng)靜負(fù)載較小,所以采用了單端直
12、接電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。外環(huán)框架:運(yùn)動(dòng)范圍小、運(yùn)動(dòng)速度極低、精度高、動(dòng)靜負(fù)載較大(內(nèi)環(huán)作為負(fù)載使外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大),所以采用單端間接電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。3高速、高精直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)析3.1直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1)直驅(qū)電機(jī)的作用是通過將電能轉(zhuǎn)化為磁能,借助與在其外部產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),以此來實(shí)現(xiàn)磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的目的。電機(jī)轉(zhuǎn)子上附有永磁鐵,通過電機(jī)線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)被動(dòng)地旋轉(zhuǎn),由于電機(jī)轉(zhuǎn)子跟軸承轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)臺(tái)體相連,從而達(dá)到帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的目的13。 (2)抱閘機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)之一,在油壓的作用下,其環(huán)形薄壁套發(fā)生彈性變形,并牢固的抱緊內(nèi)部轉(zhuǎn)臺(tái),通過接觸面產(chǎn)生的靜摩擦作用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)防松的目
13、的。其次,通過在抱閘機(jī)構(gòu)外圓開環(huán)槽通冷卻液,可起到電機(jī)冷卻的作用。 (3)軸承支座跟底座相連,并固定軸承定子部分。 軸承部分是轉(zhuǎn)臺(tái)的關(guān)鍵部分之一,承受轉(zhuǎn)臺(tái)主要的軸向力,其動(dòng)載性能的好壞直接影響轉(zhuǎn)臺(tái)的加工精度及動(dòng)載特性。(4)支撐銷是與托盤的直接接觸部分,其耐磨性的好壞將會(huì)影響到轉(zhuǎn)臺(tái)的長(zhǎng)期使用性能。 轉(zhuǎn)軸支座與星型卡爪及活塞相連,下端開有導(dǎo)向槽,可繞轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行 30 度的旋轉(zhuǎn),并通過相連活塞的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)托盤的放松和夾緊。(5)轉(zhuǎn)軸跟轉(zhuǎn)臺(tái)體相連,在零件加工過程中,隨轉(zhuǎn)臺(tái)及托盤一同旋轉(zhuǎn)。 (6)活塞在油壓的作用下可做往復(fù)運(yùn)動(dòng),主要實(shí)現(xiàn)托盤的放松夾緊。 (7)定位銷在托盤交換過程中有導(dǎo)向及定位作用。
14、 (8)轉(zhuǎn)臺(tái)體是轉(zhuǎn)臺(tái)的主要部件,B軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子部分均與轉(zhuǎn)臺(tái)體相連。 (9)底座主要用來安裝轉(zhuǎn)子的定子部分。 (10)配油套不隨轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),主要用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部各部管路的輸送。 3.2液壓環(huán)抱式制動(dòng)在轉(zhuǎn)臺(tái)非聯(lián)動(dòng)工作情況下,必須保證工件加工過程中的位置精度,因此,在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部往往是通過有力的抱閘機(jī)構(gòu),有效克服轉(zhuǎn)臺(tái)工作過程中由于切削力的作用而帶來的扭矩效果(負(fù)載扭矩)14。無論是機(jī)械式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),還是直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái),抱閘機(jī)構(gòu)的形式不外乎環(huán)抱式抱閘形式,以及端面接觸式抱閘形式。抱閘原理均是通過接觸面之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩達(dá)到有效防松的目的15。圖23.3直驅(qū)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部流體管路設(shè)計(jì)圖3根據(jù)管路進(jìn)口在轉(zhuǎn)臺(tái)底部的
15、具體位置不同,轉(zhuǎn)臺(tái)上的管路主要包括: (1)底座上的管路: 冷卻水管路(w)電機(jī)冷卻(3.5bar); 轉(zhuǎn)臺(tái)抱閘油路(16)轉(zhuǎn)臺(tái)抱閘,第一次使用時(shí)需排除空氣(80-100bar); 防塵氣路(84)-轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過程中防塵(1.5bar); (2)配油套上的管路: 托盤拉緊/放松管路(11、12)托盤放松、拉緊(80-100bar); 液壓夾具管路(37/38/47)夾具油路(250bar); 支撐銷、定位銷管路(78)清潔、氣密檢查 (4-6bar); (3)旋轉(zhuǎn)軸上的管路: 軸端防塵氣路(78)快換接口清潔(4-6bar)。 4結(jié)束語現(xiàn)代機(jī)床有向精密化、大型化發(fā)展的趨勢(shì),作為機(jī)床的重要附件,轉(zhuǎn)
16、臺(tái)的發(fā)展將在很大程度上制約機(jī)床的發(fā)展。直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)克服了傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式(伺服電機(jī)加此輪、蝸桿齒輪副)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)剛度差及摩擦和間隙誤差等缺點(diǎn),具有推力大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及加速度高等特點(diǎn)。目前直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)正廣泛應(yīng)用于一些快速加工中心中,其發(fā)展代表了未來轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn):1 羅光壽, 曾翔. 數(shù)控機(jī)床設(shè)備研究J. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2011 2 盧勝利, 王睿鵬, 祝玲. 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 20063 吳培堅(jiān). 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)J. 機(jī)械工人, 20064 岳明強(qiáng). 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)及1其定位精度J. 機(jī)械工人, 2001 5 孫宜標(biāo), 金石, 王成元. 直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)
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