JP2014040001A - ワーク加工装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳鉄等の硬い材質のワークを加工する場合に、衝撃的な加工反力が発生しても加工精度を維持しかつ工具の破損等を防止することができるワーク加工装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】３次元的に移動可能なロボットハンドに取り付けられ、これに作用する外力を検出する力センサ１２と、力センサに取り付けられワーク１の外面を倣う倣い部材１５を有する倣い治具１４と、倣い治具に取り付けられワークを加工する加工工具１６と、倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力Ｆａｌｌを予想される加工反力Ｒの最大値よりも大きい値に力制御する加工制御装置２０とを備える。倣い部材１５でワーク１の外面を倣いながら倣い治具１４をワークの外面に沿って移動し、加工工具１６によりワーク１を加工する。
【選択図】図３

Description

本発明は、産業用ロボットなどのロボットハンドに取り付けて使用するワーク加工装置とその制御方法に関する。

産業用ロボットなどのロボットハンドに取り付けて使用し、ワークのバリ取り、Ｃ面取り、ラウンドエッジ加工等の切削加工や研削加工をする「ワーク加工装置」として、例えば特許文献１，２が既に提案されている。
特許文献１の「力制御装置及びそれを用いたロボット」は、切削によって生じる加工反力を計測し、切削工具をワークへ押付ける力が設定した値になるように力制御しながら、予め教示した軌道に沿って加工するものである。
また、特許文献２の「ワークの倣い加工装置」は、形状にばらつきのあるワークに対して、基準面に倣いながら加工するものである。

特許第３２１７３５１号公報 特開２００２−３７０１１６号公報

図１は、特許文献１の制御における工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。
図１（Ａ）に示すように、工具押付け力Ｆｔが目標値になるように力制御した場合、加工反力Ｒの変動に追従できない問題点があった。すなわち、特許文献１の制御手段により鋳鉄等の硬い材質のワークを加工した場合、工具押付け力Ｆｔの目標値からのズレをフィードバックして目標値に近づけようとしても、高周期の振動や衝撃力には、通常の制御周期では制御が追いつかずに工具の位置が変位し、加工面に悪影響が出る。そのため、図１（Ｂ）に示すように、ロボットハンドに取付けたワーク加工装置が衝撃力によりワークから離れる方向、或いはワークから離れる方向以外にも発生する。（例えば、加工反力が急に小さくなったらそれに合わせて工具を押付けなくてはならない。）
いずれにせよ工具反力の激しい変動を打ち消すように制御することは通常の制御周期では困難であるため、加工精度の劣化や工具の破損等が発生する問題点があった。
また、基準面に倣いながら加工する特許文献２の手段は、比較的柔らかい材質の製品を対象としているため、鋳鉄等の硬い材質のワークには適用できない。また、緩衝機構を備えているため、加工反力の変動で加工精度が劣化する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、鋳鉄等の硬い材質のワークを加工する場合に、衝撃的な加工反力が発生しても加工精度を維持しかつ工具の破損等を防止することができるワーク加工装置とその制御方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、ワークのバリ取り、Ｃ面取り、ラウンドエッジ加工、平面の加工、及びワークに基準とできる形状があれば、それを倣うができるワーク加工装置とその制御方法を提供することにある。
さらに、本発明の第３の目的は、Ｃ面取り及びラウンドエッジ加工の寸法を変化させることができるワーク加工装置とその制御方法を提供することにある。

本発明によれば、空間６自由度をカバーして移動可能なロボットハンドに取り付けられ、これに作用する外力を検出する力センサと、
該力センサに取り付けられワークの外面を倣う倣い部材を有する倣い治具と、
該倣い治具又はロボットハンドに取り付けられワークを加工する加工工具と、
前記倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力を、予想される加工反力の最大値よりも大きい値に力制御する加工制御装置とを備え、
前記倣い部材でワークの外面を倣いながら倣い治具をワークの外面に沿って移動し、前記加工工具によりワークを加工する、ことを特徴とするワーク加工装置が提供される。

参考例によれば、前記倣い治具は、前記倣い部材をワークの外面に向けて付勢するばねを有し、該ばねのばね定数は、加工反力の変動による倣い治具の変位が無視できるように大きく設定され、要求されている加工精度に収まるように成されている。

また、前記倣い部材は、Ｃ面もしくはラウンドエッジ加工するエッジを共有するワークの２面を倣う第１倣い部材と第２倣い部材からなる。

また本発明の好ましい一実施形態によれば、前記第１倣い部材と第２倣い部材は、それぞれ球面ローラ、又は曲面ローラからなる。

また本発明の好ましい別の一実施形態によれば、前記倣い治具に取付けられ、前記加工工具を直線上又は曲線上に移動させる工具移動装置を備える。

（１）倣い部材をワークの外面に向けて付勢するばねを有する、（２）倣い部材が球面ローラからなる、（３）加工工具を移動させる工具移動装置を備える、等の構成により、Ｃ面取り及びラウンドエッジ加工の寸法を変化させることができる。

また本発明によれば、空間６自由度をカバーして移動可能なロボットハンドに取り付けられ、これに作用する外力を検出する力センサと、
該力センサに取り付けられワークの外面を倣う倣い部材を有する倣い治具と、
該倣い治具又はロボットハンドに取り付けられワークを加工する加工工具と、
前記倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力を力制御する加工制御装置とを備え、
前記倣い治具押付力を予想される加工反力の最大値よりも大きい値に設定し、
前記倣い部材でワークの外面を倣いながら倣い治具をワークの外面に沿って移動し、前記加工工具によりワークを加工する、ことを特徴とするワーク加工装置の制御方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記加工制御装置は、前記力制御と、前記倣い治具を予め教示した経路に沿って移動する位置制御とのハイブリッド制御を行う。

また、複数の倣い治具又は加工工具を準備し、これを順次交換して、前記加工を複数回実施する、ことが好ましい。

また、複数の倣い治具又は加工工具を準備し、これを順次交換して、上述した加工を複数回実施することにより、ワークのバリ取り、Ｃ面取り、及びラウンドエッジ加工ができる。

上記本発明の装置及び方法によれば、力センサによりロボットハンドに作用する外力（すなわち加工反力）を検出し、加工制御装置により倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力を予想される加工反力の最大値よりも大きい値に力制御するので、加工反力の変動が瞬間的に発生した場合でも、加工反力の最大値が倣い治具の押し付け力を超えず、倣い治具がワーク表面を離れる方向の加速度は発生しないため、結果として加工工具の変位は抑えられ、滑らかな加工面が得られる。
また、ロボットハンド４の剛性が低い場合でも、ロボットハンド及びこれに取り付けられた加工工具が加工反力によって逃げない（すなわち変位しない）ため、加工量は倣い治具と加工工具との幾何学的関係で決まり、１回の加工で精度の高い加工面が得られる。
従って、鋳鉄等の硬い材質のワークを加工する場合に、衝撃的な加工反力が発生しても加工精度を維持しかつ工具の破損等を防止することができる。

特許文献１の制御における工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。 本発明のワーク加工装置を備えた産業用ロボットの構成図である。 本発明のワーク加工装置の第１実施形態図である。 図３の装置による工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。 図３の装置によるラウンドエッジ加工の説明図である。 図３の装置によるラウンドエッジ加工の別の説明図である。 本発明のワーク加工装置の第２実施形態図である。 参考例のワーク加工装置の図である。 図８の装置による工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。 本発明のワーク加工装置の第３実施形態図である。 図１０の装置によるＣ面取り加工の説明図である。 図１０の装置によるＣ面取り加工の別の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明のワーク加工装置を備えた産業用ロボットの構成図である。この図において、１はワーク（被加工部材）、２はテーブル、３はロボット、４はロボットハンド、５はロボット制御装置、１０はワーク加工装置である。

ワーク１は、ワーク加工装置１０により、バリ取り、Ｃ面取り、又はラウンドエッジ加工される被加工部材であり、例えば鋳鉄等の硬い材質からなる。
ワーク１は、この例ではテーブル２の上面の所定位置に正確に固定されている。

ロボット３は、この例では、多関節ロボットであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。
ロボット制御装置５は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットハンド４を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御するようになっている。
後述する本発明の加工制御装置２０は、この例では、ロボット制御装置５に含まれる。なお、加工制御装置２０をロボット制御装置５と別個に独立して設けてもよい。

図３は、本発明のワーク加工装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明のワーク加工装置１０は、力センサ１２、倣い治具１４、加工工具１６及び加工制御装置２０を備える。

力センサ１２は、例えばロードセルであり、３次元的に移動可能なロボットハンド４に取り付けられ、これに作用する外力を検出するようになっている。
この力センサ１２で検出される外力は、好ましくは６自由度の外力（３方向の力と、３軸まわりのトルク）であるが、本発明はこれに限定されず、後述する倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌが検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

倣い治具１４は、力センサ１２に取り付けられ、ワーク１の外面を倣う倣い部材１５を有する。倣い部材１５は、この例では、第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂからなる。
第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂは、Ｃ面もしくはラウンドエッジ加工するエッジ１ａを共有するワーク１の２面１ｂ，１ｃを倣うようになっている。
この例において、１ｂはワーク１の上面、１ｃはワーク１の側面であり、第１倣い部材１５ａの端面は、上面１ｂに対し垂直かつ下向きに接し、第２倣い部材１５ｂの端面は、側面１ｃに対し垂直かつ横向き（図で右向き）に接するようになっている。なお、上面１ｂは水平面、側面１ｃは鉛直面であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されない。
またこの例で、第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂは、倣い治具１４と一体に成形されている。しかし、本発明はこれに限定されず、別個であってもよい。

また、倣い部材１５ａ，１５ｂは、当て面を滑らせる、ローラが転がりながら倣う、などの構成でもよい。また、この例では２面１ｂ，１ｃについて倣う構成であるが、加工反力の変動が無視できる方向は倣い部材を省略してもよい。

加工工具１６は、倣い治具１４に取り付けられ、ワーク１を加工する。
この例において、加工工具１６は、ワーク１を加工する工具１６ａ（この例ではカッター）とこれを回転駆動する駆動装置１６ｂ（この例ではスピンドルモータ）とからなる。工具１６ａは、この例では、円錐形の切削工具又は研削工具である。しかし、工具はカッターに限定されず、その他の工具（砥石やブラシ）であってもよい。
また、駆動装置１６ｂはスピンドルモータ以外にもエアモータでも代替可能である。

加工制御装置２０は、例えばロボット制御装置５にインストールされた制御プログラムであり、倣い治具１４のワーク外面に対する倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌを予想される加工反力Ｒの最大値よりも大きい値に力制御する。すなわち、上述した力センサ１２で検出した外力（好ましくは６自由度の外力）から、第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂに作用する図で下向き及び右向きの力を算出し、それぞれの方向の倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌが予想される加工反力Ｒの最大値よりも大きい値となるようにロボットハンド４を力制御する。
なお、この計算に必要となるデータ（例えば、ワーク加工装置１０の構成部品の寸法、重量等）は、予めロボット制御装置５又は加工制御装置２０の記憶装置に記憶されている。

上述した装置を用い、本発明のワーク加工装置の制御方法は、
（Ａ） それぞれの方向の倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌを予想される加工反力Ｒの最大値よりも大きい値に設定し、
（Ｂ） 倣い部材（第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂ）でワーク１の外面（２面１ｂ，１ｃ）を倣いながら倣い治具１４をワーク１の外面に沿って移動し、加工工具１６によりワーク１を加工する。

また、加工制御装置２０は、上述した力制御と位置制御とのハイブリッド制御を行うようになっている。位置制御では、倣い治具１４を予め教示した経路に沿って移動する。なお、この位置制御の一部又は全部をロボット制御装置５で行ってもよい。

さらに、複数の倣い治具１４又は加工工具１６を準備し、これを順次交換して、前記加工を複数回実施してもよい。

図４は、図３の装置による工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。図４（Ａ）において、縦軸は倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌであり、工具押付力Ｆｔと工具に作用する加工反力Ｒの総和に相当する。

上述した本発明の装置及び方法によれば、力センサ１２によりロボットハンド４に作用する外力（すなわち加工反力Ｒ）を検出し、加工制御装置２０により倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌ（すなわち倣い治具１４のワーク外面に対する押付力）を予想される加工反力Ｒの最大値よりも大きい値に力制御するので、図４（Ａ）に示すように、加工反力Ｒの変動が瞬間的に発生した場合でも、加工反力Ｒの最大値が倣い治具の押し付け力（倣い治具押付力Ｆ_ａｌｌ）を超えず、倣い治具１４がワーク表面を離れる方向の加速度は発生しないため、図４（Ｂ）に示すように、結果として加工工具の変位は抑えられ、滑らかな加工面が得られる。

また、ロボットハンド４の剛性が低い場合でも、ロボットハンド４及びこれに取り付けられた加工工具１６が加工反力Ｒによって逃げない（すなわち変位しない）ため、加工量は倣い治具１４と加工工具１６との幾何学的関係で決まり、１回の加工で精度の高い加工面が得られる。
従って、鋳鉄等の硬い材質のワーク１を加工する場合に、衝撃的な加工反力Ｒが発生しても加工精度を維持しかつ工具の破損等を防止することができる。

倣い治具１４又は加工工具１６を交換する手段として、ツールチェンジャや複数の工具を予め準備しておくことが好ましい。また、工具とワークとの位置関係を変える手段として、カッターの刃の形状を変える、スピンドルの取付位置を変える、等を行ってもよい。

図５は、図３の装置を用い、カッターの刃の形状を変えるラウンドエッジ加工の説明図である。
この図において、１８はツールチェンジャであり、互いに着脱可能なチェンジャ本体１８ａとチェンジ部材１８ｂとからなる。上述した倣い治具１４は、ツールチェンジャ１８を介して力センサ１２に取り付けられ、チェンジャ本体１８ａとチェンジ部材１８ｂを必要に応じて分離し、異なる倣い治具１４又は加工工具１６に交換できるようになっている。
また、この図において、１６ａ−１，１６ａ−２，１６ａ−３は、刃の形状の異なる複数の工具１６ａを示している。その他の構成は、図３と同様である。

この図に示すように、予め複数（この例では３つ）の工具１６ａ（１６ａ−１，１６ａ−２，１６ａ−３）を準備し、これを順次交換して、ワーク１の加工を複数回実施することにより、ラウンドエッジ加工を行うことができる。

図６は、図３の装置を用い、スピンドル取付位置を変えるラウンドエッジ加工の別の説明図である。この図において、１４−１，１４−２，１４−３は、スピンドル取付位置）の異なる複数の倣い治具１４を示している。その他の構成は、図３と同様である。
この図に示すように、予めスピンドル取付位置の異なる複数（この例では３つ）の倣い治具１４（１４−１，１４−２，１４−３）を準備し、これを順次交換して、ワーク１の加工を複数回実施することにより、ラウンドエッジ加工を行うことができる。

図７は、本発明のワーク加工装置の第２実施形態図である。
この例において、本発明のワーク加工装置１０は、倣い治具１４に取付けられた工具移動装置１９を備える。工具移動装置１９は、この例では、加工工具１６を図で斜め方向に直線上に移動させるようになっている。なお、移動方向は直線上に限定されず、任意の曲線上であってもよい。
工具移動装置１９は、加工反力によって後退しないノンバックドライバブルであるのがよい。このような構成は、ウォームネジ、スクリューネジ、等によって構成できる。その他の構成は、図３と同様である。

上述した構成により、工具が加工反力によって逃げないため、１回の加工で精度の高い加工面が得られる。また、ロボットアームの動作に同期させて工具移動装置１９を駆動し、工具と倣い治具との位置関係を変えることで、ロボットの軌道に沿って連続的に加工寸法を変えることができる。

図８は、参考例のワーク加工装置の図である。
この例において、倣い治具１４は、倣い部材１５（第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂ）をワーク１の外面（１ｂ，１ｃ）に向けて付勢するばね１７（例えば圧縮ばね）を有する。またこのばね１７のばね定数は、加工反力の変動による倣い治具の変位が無視できるように大きく設定されている。
その他の構成は、図３と同様である。

図９は、図８の装置による工具押付け力（Ａ）と工具の変位（Ｂ）を示す模式図である。
図９（Ａ）において、倣い治具押付け力Ｆ_ａｌｌの目標値が十分大きく、加工反力Ｒの変動が倣い治具の押し付け力Ｆ_ａｌｌを超えなければ、倣い治具１４がワーク表面を離れる方向の加速度は発生せず、またばね定数が大きいため、倣い治具１４の変位も小さく抑えられる。結果として工具の変位は抑えられ、なめらかな加工面が得られる。
また、ロボットアーム軌道に同期して、倣い治具押付け力Ｆ_ａｌｌの目標値を変えることで、図９（Ｂ）に示すように、工具を変位させ、軌道に沿ってＣ面の寸法を変えることができる。
例えば、ばね定数を５００Ｎ／ｍｍとし、倣い治具を１００Ｎで押付けたときにＣ０．３のＣ面加工ができるように倣い治具とカッターとの位置関係を決める。ロボットの軌道の途中で押付け力を２５０ＮにするとＣ０．６の面取り加工になる。また、加工中に１０Ｎの大きさの加工反力の変動があったとすると、０．０２ｍｍばねが変位する。

図１０は、本発明のワーク加工装置の第３実施形態図である。
この図において、第１倣い部材１５ａと第２倣い部材１５ｂは、それぞれ球面ローラからなる。また、工具１６ａは、この例では球面形状の球面カッターである。
その他の構成は図３と同様である。
図１０において、倣い治具１４の倣い部材１５ａ，１５ｂとして球面ローラを使用すると、ワーク１へのローラの押し当て角度によって、Ｃ面加工の寸法・角度を調整することができる。

図１１は、図１０の装置によるＣ面取り加工の説明図である。
図１０のように、球面ローラの中心を結ぶ直線６を軸に倣い治具１４を回転させると、加工工具１６（球面カッター）がワーク１に切り込む深さが変わる。
ただし球面カッターを使用した場合、球面カッターの中心が回転軸６上にあってはならない。また、球面カッターの中心と回転軸６との距離が大きいほど、少しの傾きで切り込み深さが大きく変化する。これにより、Ｃ面取りの寸法を目的の寸法に加工できる。

図１２は、図１０の装置によるＣ面取り加工の別の説明図である。
この図に示すように、２つの球面ローラのそれぞれをワーク１に接した状態でスライドさせると、球面カッターがワーク１に当たる角度が変わる。これにより、Ｃ面取りの角度を目的の寸法に加工できる。ただし、切り込み深さも変化するので、前述の方法で切り込み深さの再調整が必要になる。
さらに、これらの加工を組み合わせ、ロボットの軌道を変えて複数回加工することで、ラウンドエッジ加工を得ることができる。
なお、倣い治具は、球面ローラ以外にも、球面に加工した当て面をワーク面に滑らせても同様の効果が得られる。また、ローラ、カッターとも、球面以外の曲面を使用することも可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ワーク（被加工部材）、１ａ エッジ１ｂ 上面、１ｃ 側面、２ テーブル、３ ロボット、４ ロボットハンド、５ ロボット制御装置、６ 直線（回転軸）、１０ ワーク加工装置、１２ 力センサ１４（１４-１，１４-２，１４-３） 倣い治具、１５ 倣い部材、１５ａ 第１倣い部材、１５ｂ 第２倣い部材、１６ 加工工具、１６ａ（１６ａ-１，１６ａ-２，１６ａ-３） 工具（カッター）、１６ｂ 駆動装置（スピンドルモータ）、１７ ばね（例えば圧縮ばね）、１８ ツールチェンジャ、１８ａ チェンジャ本体、１８ｂ チェンジ部材、１９ 工具移動装置、２０ 加工制御装置

Claims (5)

1. 空間６自由度をカバーして移動可能なロボットハンドに取り付けられ、これに作用する外力を検出する力センサと、
   該力センサに取り付けられワークの外面を倣う倣い部材を有する倣い治具と、
   該倣い治具又はロボットハンドに取り付けられワークを加工する加工工具と、
   前記力センサで検出した外力に基づいて、前記倣い部材に作用する力を算出し、前記倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力を、予想される加工反力の最大値よりも大きい値に力制御する加工制御装置とを備え、
   前記倣い部材は、前記加工工具によるワークの加工位置から離れた位置においてワークの外面を倣うようになっており、
   前記加工制御装置は、前記力制御と、予め教示した経路に沿って前記倣い治具を移動する位置制御とのハイブリッド制御を行うことにより、前記倣い部材でワークの外面を倣いながら倣い治具をワークの外面に沿って移動し、前記加工工具によりワークを加工し、前記ロボットハンドおよび前記加工工具が加工反力によって変位しないようにする、ことを特徴とするワーク加工装置。
2. 前記倣い部材は、Ｃ面もしくはラウンドエッジ加工するエッジを共有するワークの２面を倣う第１倣い部材と第２倣い部材からなり、
   前記加工制御装置は、前記力センサで検出した外力に基づいて、第１倣い部材に第１方向に作用する力と、第２倣い部材に第２方向に作用する力とを算出し、第１方向の前記倣い治具押付力と第２方向の前記倣い治具押付力が予想される加工反力の前記最大値よりも大きい値に力制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のワーク加工装置。
3. 前記加工制御装置は、前記力センサで検出した外力に基づいて、前記倣い部材に作用する力を算出し、前記倣い治具押付力を前記最大値よりも大きい値に力制御することにより、衝撃的な加工反力が発生しても、加工反力の前記最大値が前記倣い治具押付力を超えないようにする、ことを特徴とする請求項１または２に記載のワーク加工装置。
4. 前記倣い治具に取付けられ、前記加工工具を直線上又は曲線上に移動させる工具移動装置を備える、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のワーク加工装置。
5. 空間６自由度をカバーして移動可能なロボットハンドに取り付けられ、これに作用する外力を検出する力センサと、
   該力センサに取り付けられワークの外面を倣う倣い部材を有する倣い治具と、
   該倣い治具又はロボットハンドに取り付けられワークを加工する加工工具と、
   前記力センサで検出した外力に基づいて、前記倣い部材に作用する力を算出し、前記倣い治具のワーク外面に対する倣い治具押付力を、予想される加工反力の最大値よりも大きい値に力制御する加工制御装置とを用意し、
   前記倣い部材は、前記加工工具によるワークの加工位置から離れた位置においてワークの外面を倣うようになっており、
   前記加工制御装置により、前記力制御と、予め教示した経路に沿って前記倣い治具を移動する位置制御とのハイブリッド制御を行うことで、前記倣い部材でワークの外面を倣いながら倣い治具をワークの外面に沿って移動し、前記加工工具によりワークを加工し、前記ロボットハンドおよび前記加工工具が加工反力によって変位しないようにする、ことを特徴とするワーク加工装置の制御方法。

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