CN111571159B - 无夹具部件组装 - Google Patents
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Abstract
一种组装多个子部件以形成成品部件的方法包括用第一臂端工具抓取第一子部件，其中所述第一臂端工具附接到第一机器人臂，并且用第二臂端工具抓取第二子部件，其中所述第二臂端工具附接到第二机器人臂。移动所述第一和第二臂端工具以将所述第一子部件相对于所述第二子部件定位在预组装位置，并且接着移动所述第一和第二臂端工具以接合所述第一和第二子部件的接口表面。用附接到接合机器人臂的接合工具在所述第一子部件与所述第二子部件之间形成接合点以便由此组装所述成品部件。
Description
技术领域
本公开涉及一种无夹具部件组装系统和一种组装部件的方法。
背景技术
制造系统通常对零件、子组件和/或组件进行移动、转换或操作，这些零件、子组件和/或组件必须准确定位并保持在适当位置，以便进行制造和组装操作。例如，金属板零件或钢板、子组件或组件可能需要准确定位并保持在适当位置，以在车辆组装厂中或沿着用于诸如电器、飞机、家具和电子产品等物品的组装线进行组装、焊接和检查操作。零件定位夹具通常用于此目的。
零件定位夹具通常包括多个固定销和一个或多个夹子，固定销配置成装配到由零件界定的多个定位孔中，夹子配置成将零件保持在适当位置。零件定位夹具通常仅能够用于一种特定零件大小和/或形状，并且通常需要修改或重构以定位并保持不同大小和/或形状的零件。制造工厂中的各种各样的零件以及各种各样的组装和制造操作通常需要多个零件定位夹具。因此，虽然当前系统实现了其预期目的，但是仍需要一种新的且改进的系统和方法来组装部件，更明确地说，需要使用无夹具部件组装系统来组装部件。
发明内容
根据本公开的几个方面，一种组装多个子部件以形成成品部件的方法包括用第一臂端工具抓取第一子部件，其中第一臂端工具附接到第一机器人臂，以及用第二臂端工具抓取第二子部件，其中第二臂端工具附接到第二机器人臂。移动第一和第二臂端工具以将第一子部件相对于第二子部件定位在预组装位置，并且接着移动第一和第二臂端工具以接合第一和第二子部件的接口表面。使用相机在视觉上定位第一和第二子部件的接口表面，并且估计预组装位置与所需组装位置之间的偏移。移动第一和第二臂端工具以接合第一和第二子部件的接口表面，并且将第一和第二子部件移动到所需组装位置。用安装在第一和第二臂端工具上的传感器测量由第一和第二臂端工具施加在第一和第二子部件上的扭力和侧向力，并且基于扭力和侧向力确定第一和第二子部件何时处于所需组装位置。用非接触测量装置扫描第一和第二子部件并定位组装基准点，并且将第一和第二子部件的位置与所需组装位置进行比较。
根据本公开的另一方面，该方法还包括在将第一和第二子部件的位置与所需组装位置进行比较之后，用附接到接合机器人臂的接合工具在第一子部件与第二子部件之间形成接合点以便由此组装成品部件。
根据本公开的另一方面，该方法还包括在用附接到接合机器人臂的接合工具在第一子部件与第二子部件之间形成接合点以便由此组装成品部件之后，扫描成品部件以验证几何形状。
根据本公开的另一方面，该方法还包括在用非接触测量装置扫描第一和第二子部件并定位组装基准点并且将第一和第二子部件的位置与所需组装位置进行比较之后，在确立的公差范围内将第一和第二子部件移动到所需组装位置。
根据本公开的另一方面，该方法还包括在用非接触测量装置扫描第一和第二子部件并定位组装基准点并且将第一和第二子部件的位置与所需组装位置进行比较之后，将第一和第二子部件移动到热变形补偿位置。
根据本公开的另一方面，该方法还包括在扫描成品部件以验证几何形状之后，移动第一和第二机器人臂并且使成品部件塑性变形。
根据本公开的另一方面，定位第一和第二子部件的接口表面还包括使用固定相机在视觉上定位第一和第二子部件的接口表面。
根据本公开的另一方面，定位第一和第二子部件的接口表面还包括将安装到检查机器人臂上的相机移动到检查位置，并且使用相机在视觉上定位第一和第二子部件的接口表面。
根据本公开的另一方面，该方法还包括用第三臂端工具抓取第三子部件，其中第三臂端工具附接到第三机器人臂。移动第三臂端工具以将第三子部件相对于第一和第二子部件定位在预组装位置。使用相机在视觉上定位第三子部件的接口表面，并且估计预组装位置与所需组装位置之间的偏移。移动第三臂端工具以接合第一、第二和第三子部件的接口表面。将第三子部件移动到所需组装位置，用安装在第三臂端工具上的传感器测量由第三臂端工具施加在第三子部件上的扭力和侧向力，并且基于扭力和侧向力确定第三子部件何时处于所需组装位置。用非接触测量装置扫描第三子部件并定位组装基准点，并且将第三子部件的位置与所需组装位置进行比较。
在本公开的另一方面，该方法还包括在将第一、第二和第三子部件的位置与所需组装位置进行比较之后，用附接到接合机器人臂的接合工具在第一子部件与第二子部件之间形成接合点，并且用附接到接合机器人臂的接合工具在第二子部件与第三子部件之间形成接合点，以便由此组装成品部件。
根据本公开的几个方面，一种无夹具部件组装系统包括：第一机器人臂，其上安装有第一臂端工具并且适于抓取第一子部件；第二机器人臂，其上安装有第二臂端工具并且适于抓取第二子部件；以及系统控制器，适于控制第一和第二机器人臂以及第一和第二臂端工具以将第一和第二子部件相对于彼此定位。检查相机与系统控制器通信并且适于在视觉上定位第一和第二子部件的接口表面，其中系统控制器估计预组装位置与所需组装位置之间的偏移。传感器安装在第一和第二臂端工具上，并且适于在第一和第二臂端工具将第一和第二子部件移动到所需组装位置时测量由第一和第二臂端工具施加在第一和第二子部件上的扭力和侧向力。
根据本公开的另一方面，无夹具部件组装系统还包括其上安装有接合工具的接合机器人臂，其中系统控制器控制接合机器人臂使接合工具与第一和第二子部件成接合状态并将第一和第二子部件彼此接合。
根据本公开的另一方面，接合工具是适于将第一子部件焊接到第二子部件的焊接工具。
根据本公开的另一方面，第一和第二机器人臂适于由系统控制器基于位置控制和力控制中的一者来控制，在位置控制中，第一和第二机器人臂的位置是基于机器人臂在给定空间内的三维位置来控制的，在力控制中，第一和第二机器人臂的位置是基于由第一和第二测力计测得的由第一和第二机器人臂施加在第一和第二臂端工具上的力来控制的。
根据本公开的另一方面，检查相机安装在固定位置。
根据本公开的另一方面，检查相机安装到检查机器人臂上，其中检查机器人臂适于将检查相机移动到检查位置以在视觉上定位第一和第二子部件的接口表面。
根据本公开的另一方面，无夹具部件组装系统还包括第三机器人臂，其上安装有第三臂端工具并且适于抓取第三子部件。其中，系统控制器还适于控制第三机器人臂和第三臂端工具以将第三子部件相对于第一和第二子部件定位，检查相机还适于在视觉上定位第三子部件的接口表面，并且系统控制器估计预组装位置与所需组装位置之间的偏移，并且传感器安装在第三臂端工具上并适于在第三臂端工具将第三子部件移动到所需组装位置时测量由第三臂端工具施加在第三子部件上的扭力和侧向力。
根据本公开的另一方面，无夹具部件组装系统还包括其上安装有接合工具的接合机器人臂，其中系统控制器控制接合机器人臂使接合工具与第一、第二和第三子部件成接合状态并将第一、第二和第三子部件彼此接合。
根据本公开的另一方面，系统控制器适于基于由第一、第二和第三臂端工具上的传感器测得的扭力和侧向力与参考力目标的比较来将第一、第二和第三臂端工具移动到所需组装位置。
根据本公开的另一方面，第一和第二机器人臂适于在接合第一、第二和第三子部件之前向第一和第二子部件施加力以使第一和第二子部件变形到热变形补偿位置，并且在第一和第二子部件接合之后向第一和第二子部件施加力以使成品部件塑性变形。
从这里提供的描述中，另外的应用领域将变得显而易见。应当理解的是，所述描述和特定示例仅仅是为了说明的目的，而不希望限制本公开的范围。
附图说明
这里描述的附图仅用于说明目的，而不希望以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据示例性实施例的无夹具部件组装系统的透视图；以及
图2是根据示例性实施例的组装部件的方法的示意流程图。
具体实施方式
以下描述在本质上仅仅是示例性的，而不希望限制本公开的应用或用途。
参考图1，本公开的无夹具部件组装系统总体上以10示出。部件组装系统10包括其上安装有第一臂端工具14的第一机器人臂12、其上安装有第二臂端工具18的第二机器人臂16以及其上安装有第三臂端工具22的第三机器人臂20。第一臂端工具14适于在组装过程期间抓取第一子部件24并保持第一子部件24。第二臂端工具18适于在组装过程期间抓取第二子部件26并保持第二子部件26。第三臂端工具22适于在组装过程期间抓取第三子部件28并保持第三子部件28。
作为非限制性示例，第一、第二和第三子部件24、26、28可以是配置成汽车的行李箱盖或举升门的面板。替代地，第一、第二和第三子部件24、26、28可以是飞机机身面板、消费电器的门板、椅子扶手或配置成接合或附接到另一子部件的任何其他子部件。第一、第二和第三子部件24、26、28可以由任何合适材料形成，诸如金属、塑料、复合材料等。如图1的示例性实施例所示，第一、第二和第三子部件24、26、28是汽车的车架部件。
第一、第二和第三机器人臂12、16、20可以是可编程机械臂，可以包括手、腕、肘和肩部(未示出)，并且可以由气动装置和/或电子装置远程控制。作为非限制性示例，第一、第二和第三机器人臂12、16、20可以是六轴铰接机器人臂、笛卡尔机器人臂、球形或极性机器人臂、选择性顺从组装机器人臂等。在一个非限制性示例中，第一、第二和第三机器人臂12、16、20可以是六轴铰接机器人臂。
系统控制器30适于控制第一、第二和第三机器人臂12、16、20以及第一、第二和第三臂端工具14、18、22。系统控制器30是非广义的电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、存储器或非暂时性计算机可读介质以及收发器或输入/输出端口，所述存储器或非暂时性计算机可读介质用于存储数据，诸如控制逻辑、软件应用程序、指令、计算机代码、数据、查找表等。计算机可读介质包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、压缩光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。“非暂时性”计算机可读介质不包括输送暂时性电信号或其他信号的有线、无线、光学或其他通信链路。非暂时性计算机可读介质包括可以永久存储数据的介质和可以存储并稍后重写数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储器装置。计算机代码包括任何类型的程序代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。
系统控制器30移动第一、第二和第三机器人臂12、16、20并且致动第一、第二和第三臂端工具14、18、22，以将第一、第二和第三臂端工具14、18、22带到用于抓取第一、第二和第三子部件24、26、28的位置并将第一、第二和第三臂端工具14、18、22带到用于将第一、第二和第三子部件24、26、28相对于彼此适当定位的位置。系统控制器30基于存储在存储器中或提供给系统控制器30的可执行代码使第一、第二和第三机器人臂12、16、20移动。
无夹具部件组装系统10包括至少一个检查相机32。检查相机在视觉上定位第一、第二和第三子部件24、26、28的接口表面34、基准点和识别特征。检查相机32与系统控制器30通信。系统控制器30使用来自检查相机的信息来确定第一、第二和第三子部件24、26、28相对于彼此的位置并控制第一、第二和第三机器人臂12、16、20在整个组装过程中适当地移动第一、第二和第三子部件24、26、28。检查相机32可以安装在系统内的固定位置处。替代地，检查相机32可以安装到检查机器人臂上，其中系统控制器30将检查相机32相对于第一、第二和第三子部件24、26、28移动到各种位置。
第一测力计36安装在第一臂端工具14上并且适于测量由第一臂端工具14施加在第一子部件24上的扭力和侧向力。第二测力计38安装在第二臂端工具18上并且适于测量由第二臂端工具18施加在第二子部件26上的扭力和侧向力。第三测力计40安装在第三臂端工具22上并且适于测量由第三臂端工具22施加在第三子部件28上的扭力和侧向力。
第一、第二和第三机器人臂12、16、20适于由系统控制器30基于位置控制或力控制来控制。当系统控制器30正在使用位置控制时，基于第一、第二和第三机器人臂12、16、20在部件组装系统10的工作空间内的三维位置来控制第一、第二和第三机器人臂12、16、20。当使用位置控制时，控制第一、第二和第三机器人臂12、16、20以将它们保持在特定位置。当系统控制器30使用力控制时，基于由第一、第二和第三测力计36、38、40测得的力反馈来控制第一、第二和第三机器人臂12、16、20。
当预组装第一、第二和第三子部件24、26、28时，第一、第二和第三测力计36、38、40向系统控制器30发送反馈。系统控制器30使用来自第一、第二和第三测力计36、38、40的信息来确定何时正确地预组装第一、第二和第三子部件24、26、28。在图1所示的示例性实施例中，第一、第二和第三子部件24、26、28通过滑动配合接合来彼此接合。第二子部件26的一些部分以滑动配合接合来滑入第一和第三子部件24、28的容置部分42中。在第一、第二和第三子部件24、26、28接合时，滑动配合接合的摩擦力由第一、第二和第三测力计36、38、40测量。系统控制器30使用来自第一、第二和第三测力计36、38、40的力控制和信息来移动第一、第二和第三机器人臂12、16、20，并且基于力测量迫使第一、第二和第三子部件24、26、28彼此成分开配合接合，直到第一、第二和第三子部件24、26、28完全接合为止。
此外，可能需要在第一、第二和第三子部件24、26、28上引入预载荷以抵消焊接期间的预期热变形。第一、第二和第三子部件24、26、28的焊接将使第一、第二和第三子部件24、26、28产生热膨胀和变形。为了克服这一点，在焊接开始之前，第一、第二和第三机器人臂12、16、20可以向第一、第二和第三子部件24、26、28上施加额外的扭力和侧向力。例如，可能需要在焊接之前在预组装的第一、第二和第三子部件24、26、28中引入预载荷或弯曲。无塑性变形的弯曲将在成品部件中产生预载荷。当焊接完成并移除成品部件时，成品部件将以可预测的方式对第一、第二和第三子部件24、26、28之间新形成的焊接起反应。
在焊接过程期间，系统控制器30可以用于改变施加到第一、第二和第三子部件24、26、28的扭力和侧向力。以这种方式，在焊接过程进行时，可以响应于热膨胀、热变形或对焊接过程的其他反应来小心地控制施加到第一、第二和第三子部件24、26、28的力。最终，在将第一、第二和第三子部件24、26、28焊接在一起时，控制第一、第二和第三子部件24、26、28相对于彼此的位置并控制施加到第一、第二和第三子部件24、26、28的力使得可以控制成品部件的最终形状和材料特性。
接合机器人臂44包括安装在其上的接合工具46。接合工具46适于接合第一、第二和第三子部件24、26、28。接合机器人臂44由系统控制器30控制以使接合工具46与第一、第二和第三子部件24、26、28接合。接合机器人臂44可以是可编程的机械臂，可以包括手、腕、肘和肩部(未示出)，并且可以由气动装置和/或电子装置远程控制。作为非限制性示例，接合机器人臂44可以是六轴铰接机器人臂、笛卡尔机器人臂、球形或极性机器人臂、选择性顺从组装机器人臂等。在一个非限制性示例中，接合机器人臂30可以是六轴铰接机器人臂。
应当理解，接合工具46可以是适于接合不同材料和特性的子部件的任何类型的接合工具。在图1所示的示例性实施例中，接合工具46是适于使第一、第二和第三子部件24、26、28形成焊接附接的焊接工具。此外，可以使用多个接合机器人臂44。在图1所示的示例性实施例中，无夹具部件组装系统包括三个基本相同的接合机器人臂44，接合机器人臂44上安装有接合工具46，以在不同位置处接合第一、第二和第三子部件。
参考图2，组装部件的方法总体上以50示出。利用部件组装系统10组装成品部件的方法包括用第一臂端工具14抓取52第一子部件24，用第二臂端工具18抓取52第二子部件26，以及用第三臂端工具22抓取52第三子部件28。在抓取52第一、第二和第三子部件24、26、28之后，第一、第二和第三机器人臂12、16、20将第一、第二和第三臂端工具14、18、22移动54到预组装位置。在预组装位置处，第一、第二和第三子部件24、26、28彼此非常接近，但是没有彼此接合。
在第一、第二和第三子部件24、26、28被带到预组装位置之后，检查相机32在视觉上定位56第一、第二和第三子部件24、26、28的接口表面34。检查相机32与系统控制器30通信。系统控制器30使用接口表面34的位置来估计58预组装位置与所需组装位置之间的偏移。该估计允许系统控制器30确定进一步接合第一、第二和第三子部件24、26、28所需进行的移动。
在估计偏移之后，系统控制器铰接第一、第二和第三机器人臂12、16、20以移动60第一和第二臂端工具14、18、22，从而使第一、第二和第三子部件24、26、28的接口表面34接合。当第一、第二和第三子部件24、26、28的接口表面34接合时，第一、第二和第三测力计36、38、40向系统控制器30发送反馈。系统控制器30将第一、第二和第三子部件24、26、28向所需组装位置移动62。当第一、第二和第三子部件正在向所需组装位置移动时，第一、第二和第三测力计36、38、40测量64施加在第一、第二和第三子部件24、26、28上的扭力和侧向力。系统控制器30使用来自第一、第二和第三测力计36、38、40的信息来确定第一、第二和第三子部件24、26、28何时正确地定位在所需组装位置。
在图1所示的示例性实施例中，第一、第二和第三子部件24、26、28通过滑动配合接合来彼此接合。第二子部件26的部分以滑动配合接合来滑入第一和第三子部件24、28的容置部分42中。在接合第一、第二和第三子部件24、26、28时，由第一、第二和第三测力计36、38、40测量滑动配合接合的摩擦力。系统控制器30使用来自第一、第二和第三测力计36、38、40的力控制和信息来移动第一、第二和第三机器人臂12、16、20，并且基于力测量迫使第一、第二和第三子部件24、26、28彼此成分开配合接合，直到第一、第二和第三子部件24、26、28完全接合为止。
当系统控制器30确定第一、第二和第三子部件24、26、28正确地定位在所需组装位置时，检查相机32扫描66第一、第二和第三子部件24、26、28以在视觉上定位第一、第二和第三子部件24、26、28上的组装基准点。系统控制器30将使用来自检查相机32的信息将第一、第二和第三子部件24、26、28的扫描位置与所需组装位置进行比较68，并且验证第一、第二和第三子部件24、26、28在可接受的公差范围内定位在所需组装位置。
如果系统控制器30确定第一、第二和第三子部件24、26、28没有正确地位于所需组装位置，则第一、第二和第三机器人臂12、16、20将进行调整并在所确立的公差范围内将第一、第二和第三子部件24、26、28移动70到所需组装位置。
此外，可能需要在第一、第二和第三子部件24、26、28上引入预载荷以抵消焊接期间的预期热变形。第一、第二和第三子部件24、26、28的焊接将使第一、第二和第三子部件24、26、28产生热膨胀和变形。为了克服这一点，在焊接开始之前，第一、第二和第三机器人臂12、16、20可以向第一、第二和第三子部件24、26、28上施加额外的扭力和侧向力，并且将第一、第二和第三子部件24、26、28移动72到热变形补偿位置。例如，可能需要在焊接之前在预组装的第一、第二和第三子部件24、26、28中引入预载荷或弯曲。无塑性变形的弯曲将在成品部件中产生预载荷。当焊接完成并移除成品部件时，成品部件将以可预测的方式对第一、第二和第三子部件24、26、28之间新形成的焊接起反应。
在系统控制器30将第一、第二和第三子部件24、26、28移动到所需组装位置或者可能热变形补偿位置之后，使用附接到接合机器人臂44的接合工具46在第一子部件24与第二子部件26之间形成74接合点。此外，使用附接到接合机器人臂44的接合工具46在第二子部件26与第三子部件28之间形成74接合点。
应当理解，接合工具46可以是适于接合不同材料和特性的子部件的任何类型的接合工具。在图1所示的示例性实施例中，接合工具46是适于使第一、第二和第三子部件24、26、28形成焊接附接的焊接工具。此外，可以使用多个接合机器人臂44。在图1所示的示例性实施例中，无夹具部件组装系统包括三个基本相同的接合机器人臂44，接合机器人臂44上安装有接合工具46，以在不同位置处接合第一、第二和第三子部件。
在第一、第二和第三子部件24、26、28的焊接74期间，系统控制器30可以改变在接合点的整个形成74期间由第一、第二和第三机器人臂12、16、20中的每一者施加到第一、第二和第三子部件24、26、28的力的大小。
在第一、第二和第三子部件24、26、28被焊接在一起之后，检查相机扫描76成品部件以验证成品部件的最终几何形状。在扫描76之前，系统控制器将允许第一、第二和第三机器人臂12、16、20移除施加到第一、第二和第三子部件24、26、28的任何力。系统控制器30将验证成品部件具有合适的几何形状。如果需要调整成品部件的几何形状，则系统控制器30可以铰接第一、第二和第三机器人臂12、16、20以在成品部件上产生力，从而使成品部件塑性变形78。
本公开的部件组装系统10提供了几个优点。可以在不使用专用夹具的情况下组装子部件。此外，子部件16、22可以在焊接过程之前和期间受到外力的影响，以产生可预测的热变形和材料特性。最后，本公开的部件组装系统10可以如上所述执行，并且是灵活的，以适应不同类型的部件并改变形成于其中的部件的特性。
对本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型希望落入本公开的范围内。此类变型不应被视为脱离本公开的精神和范围。
Claims (2)
1.一种组装多个子部件以形成成品部件的方法，所述方法包括：
用第一臂端工具抓取第一子部件，其中所述第一臂端工具附接到第一机器人臂；
用第二臂端工具抓取第二子部件，其中所述第二臂端工具附接到第二机器人臂；
用第三臂端工具抓取第三子部件，其中所述第三臂端工具附接到第三机器人臂；
使用系统控制器移动第一、第二和第三臂端工具，以将所述第一子部件、第二子部件和第三子部件相对于另一个子部件定位在预组装位置；该系统控制器适于控制第一、第二和第三机器人臂以及第一、第二和第三臂端工具；
使用与系统控制器通信的检查相机在视觉上定位所述第一、第二和第三子部件的界面表面；
使用系统控制器估计所述预组装位置与所需组装位置之间的偏移；
致动第一、第二和第三机器人臂并移动第一、第二和第三臂端工具以接合所述第一、第二和第三子部件的界面表面；
致动第一、第二和第三机器人臂并将第一、第二和第三子部件移动到所需的组装位置，用安装在所述第一、第二和第三臂端工具上的传感器测量由第一、第二和第三臂端工具施加在第一、第二和第三子部件上的扭力和侧向力，并且基于所述扭力和侧向力确定所述第一、第二和第三子部件何时处于所述所需组装位置；
用非接触测量装置扫描第一、第二和第三子部件并且定位组装基准点；以及
将所述第一、第二和第三子部件的所述位置与所述所需组装位置进行比较；
致动第一、第二和第三机器人臂并将第一、第二和第三子部件移动到焊接热变形补偿位置，以在第一、第二和第三子部件上引入预载荷以抵消焊接期间的预期热变形；
用附接到接合机器人臂的焊接工具在所述第一子部件与所述第二子部件之间形成焊接接合点，并且用附接到接合机器人臂的焊接工具在所述第二子部件与所述第三子部件之间形成焊接接合点，以便由此组装所述成品部件；
其中，在第一、第二和第三子部件的焊接期间，系统控制器能改变在接合点的整个形成期间由第一、第二和第三机器人臂中的每一者施加到第一、第二和第三子部件的力的大小；
并使用检查相机和系统控制器扫描成品部件以验证几何形状。
2.根据权利要求所述的方法，还包括：
在使用检查相机和系统控制器扫描成品部件以验证几何形状之后；
致动第一、第二和第三机器人臂并移动第一、第二和第三臂端工具并且使所述成品部件塑性变形。
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