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第3章數(shù)控車床(NCLathe)?數(shù)控車床主要用于加工各種軸類、套筒類和盤(pán)類零件上的回轉(zhuǎn)表面。?1.按數(shù)控系統(tǒng)的功能分(1)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床
圖3.1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床?(2)全功能型數(shù)控車床
圖3.2全功能型數(shù)控車床?(3)車削中心
圖3.3車削中心?(4)FMC車床圖3.4FMC車床?2.按主軸的配置形式分類(1)臥式數(shù)控車床(2)立式數(shù)控車床還有具有兩根主軸的車床,稱為雙軸臥式數(shù)控車床或雙軸立式數(shù)控車床。?3.按數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)分類(1)兩軸控制的數(shù)控車床(2)四軸控制的數(shù)控車床對(duì)于車削中心或柔性制造單元,還要增加其他的附加坐標(biāo)軸來(lái)滿足機(jī)床的功能。?3.1.3數(shù)控車床的組成
1.主機(jī)主機(jī)是數(shù)控車床的機(jī)械部件,如圖3.5所示,是典型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)組成圖。圖3.5典型數(shù)控車床結(jié)構(gòu)組成圖?2.?dāng)?shù)控裝置作為控制部分是數(shù)控車床的控制核心。3.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控車床切削工作的動(dòng)力部分,主要實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。4.輔助裝置輔助裝置是指數(shù)控車床的一些配套部件。數(shù)控車床主軸安裝有脈沖編碼器,主軸的運(yùn)動(dòng)通過(guò)同步齒形帶1∶1的傳到脈沖編碼器。?臥式數(shù)控車床的布局可以產(chǎn)生單主軸單刀架、單主軸雙刀架、雙主軸雙刀架等不同的結(jié)構(gòu)變化,如下圖所示。?
下面介紹臥式數(shù)控車床床身導(dǎo)軌和刀架布局。1.床身和導(dǎo)軌布局按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對(duì)位置,數(shù)控臥式車床床身導(dǎo)軌與水平面的相對(duì)位置有幾種形式,如圖3.7所示。?圖3.7數(shù)控臥式車床床身導(dǎo)軌布局形式?(1)水平床身的工藝性好,便于導(dǎo)軌面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的運(yùn)動(dòng)精度。(2)水平床身配上傾斜放置的滑板,并配置傾斜式導(dǎo)軌防護(hù)罩。(3)斜床身導(dǎo)軌傾斜角有30°、45°、60°、75°和90°幾種。傾斜角度小,排屑不便;傾斜角度大,導(dǎo)軌的導(dǎo)向性及受力情況差。?
斜床身和平床身—斜滑板布局形式在數(shù)控車床中被廣泛采用,因?yàn)榫邆淙缦聝?yōu)點(diǎn):①容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。②機(jī)床外形整齊、美觀,占地面積小。③從工件上切下的熾熱切屑不致于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度。④容易排屑和安裝自動(dòng)排屑器。⑤容易設(shè)置封閉式防護(hù)裝置。⑥宜人性好,便于操作。⑦便于安裝機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化。?2.刀架布局回轉(zhuǎn)刀架在機(jī)床上有兩種布局形式:一種是用于加工盤(pán)類零件的回轉(zhuǎn)刀架,其回轉(zhuǎn)軸垂直于主軸;另一種是用于加工軸類和盤(pán)類零件的回轉(zhuǎn)刀架,其回轉(zhuǎn)軸平行于主軸。目前兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控車床多采用12工位回轉(zhuǎn)刀架,也有采用6工位、8工位和10工位的,4工位方刀架主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型前置刀架數(shù)控車床。?隨著機(jī)床精度的不同,數(shù)控車床的布局要考慮到切削力、切削熱和切削振動(dòng)的影響。要使這些因素對(duì)精度影響最小,機(jī)床在布局上就要考慮到各部件的剛度、抗振性和在受熱時(shí)使得熱變形的影響在不敏感的方向。如臥式車床主軸箱熱變形時(shí),隨著刀架的位置不同,而對(duì)尺寸的影響不同,如圖3.8所示。??數(shù)控車床與普通車床相比,有以下幾個(gè)特點(diǎn):1.高精度2.高效率3.高柔性4.高可靠性5.工藝能力強(qiáng)6.模塊化設(shè)計(jì)
?1.主傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控車床的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈的兩端部件是主電動(dòng)機(jī)與主軸,它的功用是把動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞給主軸,使主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng),并滿足主軸變速和換向的要求。主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控車床的最重要組成部分之一,它的最高與最低轉(zhuǎn)速范圍、傳遞功率和動(dòng)力特性決定了數(shù)控車床的最高切削加工工藝能力。?數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)在一般采用交流主軸電動(dòng)機(jī),通過(guò)帶傳動(dòng)或主軸箱內(nèi)2~4級(jí)齒輪變速傳動(dòng)主軸。主軸電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩,隨著轉(zhuǎn)速的變化,功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。下面以HTC2050型數(shù)控車床為例來(lái)介紹主傳動(dòng)系統(tǒng),如圖3.9所示。
??其中主傳動(dòng)系統(tǒng)由功率為11kW的變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)一級(jí)5∶8的帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),使主軸在45~4000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500~6000r/min時(shí),為恒功率輸出;當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在70~1500r/min時(shí),為恒轉(zhuǎn)矩輸出。主軸功率特性如圖3.10所示,主軸轉(zhuǎn)矩特性如圖3.11所示。
?圖3.10主軸轉(zhuǎn)速和功率特性?圖3.11主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性?2.主軸箱結(jié)構(gòu)
(1)HTC2050型數(shù)控車床的主軸箱展開(kāi)圖,如下圖所示。
?主軸前支承是三個(gè)角接觸球軸承7020ACTBTP4,前面兩個(gè)大囗向外(朝向主軸前端),后面一個(gè)大口朝里(朝向主軸后端),形成背靠背組合形式。軸承由壓塊鎖緊圓螺母9預(yù)緊,預(yù)緊量在軸承制造時(shí)已調(diào)好,為了防止圓螺母9回松用圓螺母8鎖緊。后支承是二個(gè)角接觸球軸承7018CDBP4,形成背靠背組合形式,軸承由壓塊鎖緊圓螺母5預(yù)緊。主軸脈沖編碼器11是由主軸通過(guò)帶輪1、帶輪2和齒形帶及聯(lián)軸器12帶動(dòng),和主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)螺紋切削和主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。?(2)CK7815型數(shù)控車床主軸箱展開(kāi)圖,如圖3.13所示,電動(dòng)機(jī)經(jīng)二級(jí)塔形帶輪1、2和三聯(lián)V帶帶動(dòng)主軸,帶輪2直接安裝在主軸上,為了加強(qiáng)剛性,主軸后支承為雙列向心短圓柱滾子軸承。主軸脈沖發(fā)生器4是由主軸通過(guò)一對(duì)帶輪和齒形帶帶動(dòng)的,和主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn),齒形帶的松緊由螺釘5來(lái)調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是可選擇主軸高速檔或者低速檔,通過(guò)低速檔來(lái)提高主軸扭矩,因此適合低速車削。?圖3.13CK7815型數(shù)控車床主軸箱?(3)TND360型數(shù)控車床主軸箱展開(kāi)圖,如圖3.14所示,主電動(dòng)機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)軸上齒數(shù)為27的同步齒形帶輪,經(jīng)同步齒形帶將運(yùn)動(dòng)傳到主軸箱Ⅰ軸上齒數(shù)為48的同步齒形帶輪,Ⅰ軸上安裝有一雙聯(lián)滑移齒輪,齒輪齒數(shù)分別為29和84,主軸上裝有兩個(gè)圓柱齒輪,齒數(shù)為86和60,雙聯(lián)滑移齒輪由液壓缸帶動(dòng)撥叉驅(qū)動(dòng)。?圖3.14TND360型數(shù)控車床主軸箱?3.卡盤(pán)結(jié)構(gòu)卡盤(pán)是數(shù)控車床的主要夾具,為了減少數(shù)控車床裝夾工件的的輔助時(shí)間,廣泛采用液壓動(dòng)力自定心卡盤(pán),卡盤(pán)的松夾是靠用拉桿連接的液壓卡盤(pán)和液壓夾緊油缸的協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如圖3.15所示。(a)?
圖3.15液壓卡盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1—回轉(zhuǎn)‘液壓缸;2—拉桿;3—連接套;4—滑套;
5—接套;6—活塞;(b)?如圖3.15(a)所示,液壓卡盤(pán)固定安裝在主軸前端,回轉(zhuǎn)液壓缸1與接套5用螺釘7連接,接套通過(guò)螺釘與主軸后端面連接,使回轉(zhuǎn)液壓缸隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)??ūP(pán)的夾緊與松開(kāi)由回轉(zhuǎn)液壓缸通過(guò)一根空心拉桿2來(lái)驅(qū)動(dòng),拉桿后端與液壓缸內(nèi)的活塞6用螺紋連接,連接套3的兩端螺紋分別與拉桿2和滑套4連接。圖3.15(b)為卡盤(pán)內(nèi)楔形機(jī)構(gòu)示意圖,當(dāng)液壓缸內(nèi)的壓力油推動(dòng)活塞和拉桿向卡盤(pán)方向移動(dòng)時(shí),滑套4向右移動(dòng),由于滑套上楔形槽的作用,使得卡爪座11帶著卡爪12沿徑向向外移動(dòng),則卡盤(pán)松開(kāi)。反之使卡盤(pán)夾緊工件。?4.主軸編碼器主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器。該裝置可以通過(guò)中間軸上的齒輪(如圖3.14所示)或同步帶輪(如圖3.12所示)1∶1與主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng),也可以通過(guò)彈性聯(lián)軸器與主軸同軸安裝。利用主軸編碼器檢測(cè)主軸的運(yùn)動(dòng)信號(hào),一方面可實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速的數(shù)字反饋,另一方面可用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制,例如車螺紋時(shí),控制主軸與刀架之間的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)關(guān)系。?1.進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是控制X、Z坐標(biāo)軸的伺服系統(tǒng)的主要組成部分,它將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀架的直線運(yùn)動(dòng),而且對(duì)移動(dòng)精度要求很高,X軸最小移動(dòng)量為0.0005mm(直徑編程),Z軸最小移動(dòng)量為0.001mm。采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副,可以有效地提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行。另外,消除絲杠螺母的配合間隙和絲杠兩端的軸承間隙,也有利于提高傳動(dòng)精度。?2.進(jìn)給傳動(dòng)方式(1)滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)軸端通過(guò)聯(lián)軸器直接連接,如圖3.16所示。(2)滾珠絲杠通過(guò)同步齒形帶及帶輪與伺服電動(dòng)機(jī)連接(見(jiàn)圖3.17),這種結(jié)構(gòu)連接特點(diǎn)是通過(guò)帶輪降速,提高驅(qū)動(dòng)扭矩,且安裝精度要求不高。?3.X軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置
圖3.16HTC2050數(shù)控車床X軸進(jìn)給裝置簡(jiǎn)圖
?3.X軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置圖3.16是HTC2050數(shù)控車床X軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器7帶動(dòng)滾珠絲杠12回轉(zhuǎn),其上螺母帶動(dòng)刀架沿滑板3的導(dǎo)軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)X軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠有前后兩個(gè)支承。前支承由兩個(gè)角接觸球軸承組成,其中一個(gè)軸承大口向前一個(gè)軸承大囗向后,承受雙向的軸向載荷。前支承的軸承由螺母進(jìn)行預(yù)緊,其后支承為一個(gè)深溝球軸承。?3.X軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置由于刀架為傾斜布置,而滾珠絲杠又不能自鎖,回轉(zhuǎn)刀架的自身重力使其下滑,這個(gè)問(wèn)題可由伺服電動(dòng)機(jī)的電磁制動(dòng)來(lái)解決。?4.Z軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置圖3.17HTC2050數(shù)控車床Z軸進(jìn)給裝置簡(jiǎn)圖?4.Z軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置圖3.17是HTC2050數(shù)控車床Z軸進(jìn)給傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖。伺服電動(dòng)機(jī)12經(jīng)同步帶輪10和8以及同步帶9傳動(dòng)到滾珠絲杠3,由螺母帶動(dòng)床鞍連同刀架沿床身17的矩形導(dǎo)軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠的右支承由二個(gè)角接觸球軸承5組成,其中右邊一個(gè)軸承與左邊一個(gè)軸承的大口相對(duì)布置,由調(diào)整螺母6進(jìn)行預(yù)緊。滾珠絲杠的左支承2為一個(gè)深溝球軸承,只用于承受徑向載荷。滾珠絲杠的支承形式為右端固定,左端支持,留有絲杠受熱膨脹后軸向伸長(zhǎng)的余地。?圖3.18HTC2050型數(shù)控車床尾座結(jié)構(gòu)?在調(diào)整機(jī)床時(shí),可以手動(dòng)控制尾座套簡(jiǎn)移動(dòng)。在機(jī)床自動(dòng)工作循環(huán)中,可通過(guò)加工程序由數(shù)控系統(tǒng)控制尾座套筒的移動(dòng)。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出尾座套筒伸出的指令后,液壓電磁閥動(dòng)作,壓力油進(jìn)入液壓缸的右腔,推動(dòng)尾座套筒3伸出。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)指令其退回時(shí),壓力油進(jìn)入液壓缸的左腔,從而使尾座套筒退同。?數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多個(gè)工步,以縮減輔助時(shí)間和減少多次安裝工件所引起的誤差,通常帶有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。自動(dòng)換刀系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分,用于夾持切削用的刀具,它的結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。下面介紹AK31系列回輪刀架工作原理。?
圖3.19AK31刀架外觀圖?圖3.20所示為AK31系列回輪刀架結(jié)構(gòu)圖,本刀架采用三聯(lián)齒盤(pán)作為分度定位元件。
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?1.自驅(qū)動(dòng)力刀具在刀架上備有刀具主軸電動(dòng)機(jī),自動(dòng)無(wú)級(jí)變速,通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝在刀架上的刀具主軸。2.增加了主軸的C軸坐標(biāo)功能機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)除作為車削的主運(yùn)動(dòng)外,還作分度運(yùn)動(dòng)(即定向停車)和圓周進(jìn)給,圖3.22為C軸功能示意圖。?圖3.22C軸功能a)C軸定向,在圓柱或端面上銑槽b)C軸、Z軸進(jìn)給,在柱上銑螺旋槽c)C軸、X軸進(jìn)給、在端面上銑槽d)C軸、X軸進(jìn)給,銑直線和平面?1.精密蝸輪副C軸結(jié)構(gòu)圖3.23為車削柔性加工單元的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和C軸傳動(dòng)及主傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。?圖2.23C軸傳動(dòng)系統(tǒng)之一?2.經(jīng)滑移齒輪控制的C軸傳動(dòng)圖3.24所示為車削中心的C軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖,由主軸箱和C軸控制箱兩部分組成。圖3.24C軸傳動(dòng)系統(tǒng)之二?圖3.25所示C軸傳動(dòng)也是通過(guò)安裝在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的滑移齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的,可以實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)給和分度。圖3.25C軸傳動(dòng)系統(tǒng)之三?3.3.4車削中心自驅(qū)動(dòng)力刀具典型結(jié)構(gòu)
1.變速傳動(dòng)裝置圖3.26是動(dòng)力刀具的傳動(dòng)裝置。圖3.26自驅(qū)動(dòng)力刀具的傳動(dòng)裝置?2.自驅(qū)動(dòng)力刀具附件自驅(qū)動(dòng)力刀具附件有許多種,下面列舉兩例。圖3.27所示是高速鉆孔附件。圖3.27高速鉆孔附件?圖3.28所示是銑削附件,分為兩部分。圖3.28銑削附件??數(shù)控機(jī)床編程及加工機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)數(shù)控機(jī)床的加工程序編制,掌握編程的方法及技巧;將在計(jì)算機(jī)上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過(guò)程校驗(yàn)程序,然后在數(shù)控機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工;結(jié)合機(jī)械加工工藝,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化編程,提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的;數(shù)控編程的內(nèi)容;編程步驟。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程,就是把零件的圖形尺寸、工藝過(guò)程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移等內(nèi)容,按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識(shí)別的語(yǔ)言記錄在程序單上的全過(guò)程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等,變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息,再送入數(shù)控機(jī)床,數(shù)控機(jī)床的CNC裝置對(duì)程序經(jīng)過(guò)處理之后,向機(jī)床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息,驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙,確定加工工藝過(guò)程;②計(jì)算走刀軌跡,得出刀位數(shù)據(jù);③編寫(xiě)零件加工程序;④制作控制介質(zhì);⑤校對(duì)程序及首件試加工。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫(xiě)程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗(yàn)及試切數(shù)控機(jī)床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng),由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成,不要求專用硬件或運(yùn)動(dòng)控制卡,所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成,操作界面由系統(tǒng)操作和機(jī)床控制兩大部分組成。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例,軟件提供下列指令:以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)(OpenSoftCNC01T)組別指令功能編程格式模態(tài)
1G00快速線性移動(dòng)G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補(bǔ)G01X(U)_Z(W)_√G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補(bǔ)G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補(bǔ)G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點(diǎn)G27
G28Z軸返回程序零點(diǎn)G28
G92定義絕對(duì)坐標(biāo)系G92X_Z_√2G04延時(shí)G04E_
3M00暫停M00
M02程序結(jié)束M02
4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開(kāi)冷卻液M08√M09關(guān)冷卻液M09√
6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_
M98子程序調(diào)用M98P_L_
M99子程序返回M99
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