JP5489017B2 - 真円度測定装置における心ずれ量算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、真円度測定装置における心ずれ量算出方法に係り、特に、真円度測定装置の検出器の測定子を測定物に当接させる検出点と測定物の母線とのずれを示す心ずれ量を算出して心ずれ量の補正をする機能を備えた真円度測定装置における心ずれ量算出方法に関するものである。

従来より、円筒物などの円形の物体の真円度を測定する真円度測定装置（真円度測定機）が知られている。この真円度測定装置は、例えば、円筒物などの円形の断面を有する測定物（ワーク）を回転可能な載置台の上に載置して、ワークの表面に先端子（測定子）を接触させ、ワークの回転に伴う先端子の変位を測定して検出することにより円形断面の外形形状を測定する。

例えば、特許文献１には、真円度測定機において、円柱状ワークに対して第１の検出器の接触子を水平に、かつ直径方向に案内する水平腕と、この腕の先端に設けられて第１の検出器の接触子を直径の位置の２点に向かって接触可能とした第１の検出器の支持枠と、水平腕の水平移動量を検出する径読取りの第２の検出器とから構成される真円度測定機の直径測定装置が記載されている。この装置は、まずマスターピースを回転台の上にセットし、第１の検出器の接触子をマスターピースの右側面に当て、第２の検出器の読みを求め、次いで接触子をマスターピースの左側面に当てて、第２の検出器の読みを求め、これら第２の検出器の２つの読みからマスタの既知寸法によりこの装置の誤差値を算出しておく。そして、マスタの代わりにワークをセットし、同様にして直径寸法を測定して、誤差補正を行っている。

また、特許文献２には、真円度測定機の原点情報取得及び測定物の表面形状を測定する検出器の校正を行う真円度測定機用基準治具であって、この基準治具は、回転テーブル上のＸＹテーブルの上面に取り外し可能に載置され、段付きの円板状に形成されたた台座と、台座の上段部にプローブ（検出器）の感度校正を可能とする校正マスタが設けられ、校正マスタの上方に、その最下面、最上面のＸ軸方向及び右側面、左側面のＺ軸方向の測定が可能なように配置された原点ボール（基準球）を備え、プローブの各姿勢におけるプローブに設けられたスタイラス（センサ）の位置ずれを求めて補正値とするものが記載されている。これは、真円度測定機用基準治具を測定物回転機構の上に載せ、真円度測定機の検出器のセンサを基準球に接触させることで真円度測定機の原点情報を得るとともに、検出器のセンサを校正マスタに関与させることで検出器の感度校正を行うようにしたものである。

特開平１−２５９２１１号公報 特許第４１６３５４５号公報

しかしながら、真円度測定装置のテーブル上に測定物を設置して検出器の測定子を測定物に当接させて検出を行う際、測定物の母線と測定子を測定物に当接させる検出点とを一致させることが非常に難しく、従来基準となる測定物の直径値と異なる直径値の測定物については、正確な直径値を測定することができないという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みて成されたものであり、測定物の母線と検出点とのずれ量である心ずれ量を算出して補正することにより、基準となる測定物の直径値とは異なる直径値を有する測定物であっても正確な直径値を算出することのできる真円度測定装置における心ずれ量算出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の真円度測定装置における心ずれ量算出方法は、測定物の中心と回転の中心を一致させて測定物を検出器に対して相対的に回転させるようにして測定物の真円度を測定する真円度装置における心ずれ量算出方法であって、前記検出器を前記測定物に対して所定の方向に直線的に移動させる手段を備え、前記検出器の先端球を、直径値既知の異なる直径値を有する２つの基準測定物に対し、前記各基準測定物の中心を通り前記検出器が水平に直線移動する方向に平行な直線である母線と平行に移動して前記各基準測定物の対向する２つの検出点でそれぞれ前記各基準測定物に接触させて測定を行い、前記各基準測定物について各測定差を検出する工程と、前記各測定差に基づいて、前記各基準測定物の母線と前記検出点とのずれ量である心ずれ量を算出する心ずれ量算出工程と、を備えたことを特徴とする。

これにより、測定物の母線と検出点とのずれ量である心ずれ量を算出して補正することにより、基準となる測定物の直径値とは異なる直径値を有する測定物であっても正確な直径値を算出することが可能となる。

また、一つの実施態様として、前記心ずれ量算出工程は、前記各測定差に基づいて、前記心ずれ量とともに前記検出器の先端球の直径値を算出することを特徴とすることが好ましい。

これにより、検出器の先端球の直径値を算出することができるので、先端球が磨耗により劣化している場合でも、その正確な直径値を得ることができるので、測定制度をより向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、測定物の母線と検出点とのずれ量である心ずれ量を算出して補正することにより、基準となる測定物の直径値とは異なる直径値を有する測定物であっても正確な直径値を算出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る真円度測定装置の外観を示す斜視図である。 図１の真円度測定装置の構成を示すブロック図である。 検出器回転形真円度測定装置の測定機本体の外観を示す斜視図である。 真円度測定装置で測定物の測定を行う際心ずれのない理想的な場合を示す平面図である。 真円度測定装置で測定物の測定を行う際心ずれがある場合を示す平面図である。 既知の直径を有する基準測定物を母線からずれた位置で対向する左右２点で測定して心ずれ量を求める様子を示す平面図である。 算出した心ずれ量Ｙを用いて、測定した直径値を補正する方法を示す平面図である。 既知の異なる直径値を有する２つの基準測定物を母線からずれた位置で対向する左右２点で測定して心ずれ量及び先端球の直径値を算出する方法を示す平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る真円度測定装置における心ずれ量算出方法について詳細に説明する。

図１は、本発明で用いられる真円度測定装置の外観を示す斜視図である。

この真円度測定装置は、測定機本体と演算処理装置とから構成されており、図１には、真円度測定装置１０の測定機本体１１を示す。

測定機本体１１は、ベース（基台）１４上に測定物（ここでは図示省略）を載置する載物台（ＸＹ／傾斜テーブル）１２が設けられている。載物台（ＸＹ／傾斜テーブル）１２は、Ｘ方向微動つまみ２２及びＹ方向微動つまみ２４を備えている。Ｘ方向微動つまみ２２及びＹ方向微動つまみ２４はそれぞれ載物台移動軸に連結しており、これらの微動つまみ２２、２４によって載物台１２をＸ方向及びＹ方向に微動送りすることができ、載物台１２の水平位置を微調整することができるようになっている。
また、載物台１２には、Ｘ方向傾斜つまみ２５及びＹ方向傾斜つまみ２３が設けられておりＸ方向及びＹ方向に傾斜調整がされるようになっている。

また、載物台１２の下部には回転機構１５が設けられている。回転機構１５は、載物台１２を回転駆動することにより載物台１２の上に載置された測定物を回転させるものである。

またベース１４上には上方に略垂直に延びるコラム（支柱）２７が立設されており、コラム２７にはスライダ２８が上下動可能に装着されている。スライダ２８には水平アーム（径方向移動軸）２９が水平方向に駆動可能に装着されている。

水平アーム２９の先端には、検出器３０が設けられ、検出器３０は測定子３１を備えている。真円度測定装置１０は、この測定子３１を載物台１２上に載置された測定物に接触させて測定物を測定し、測定で得られる検出信号を検出器３０を介して演算処理装置に送り演算処理装置で処理するようになっている。なお、水平アーム２９の先端には心ずれ調整機構３２が設置されている。

図２に、真円度測定装置１０の構成を表すブロック図を示す。

図２に示すように、真円度測定装置１０は、測定機本体１１と演算処理装置１３で構成される。測定機本体１１については、図１の説明と重複する点もあるが再度説明することとする。

測定機本体１１は、ベース１４上に回転機構１５によって回転する載物台１２が設けられている。載物台１２には、水平方向の微調整及び垂直方向に対する傾斜調整を行うための、Ｘ方向微動つまみ２２、Ｙ方向微動つまみ２４及びＸ方向傾斜つまみ２５、Ｙ方向傾斜つまみ２３が設けられている。

載物台１２は、軸受１６、エンコーダ１８、モータ２０等を備えた回転機構１５によって回転される。載物台１２は、軸受１６を介してモータ２０によって回転可能に支持されている。モータ２０の回転軸にはエンコーダ１８が取り付けられ、回転角が高精度に読み込まれるようになっている。軸受１６は、例えば、超高精度の静圧エアーベアリングが用いられ、載物台１２は非常に高い回転精度（例えば、０．００５μｍ）で回転される。

またベース１４上に立設されたコラム（支柱）２７にはスライダ２８が上下動可能に装着され、スライダ２８には水平アーム（径方向移動軸）２９が水平方向に駆動可能に装着されている。そして、水平アーム２９の先端には、検出器３０が設けられ、検出器３０には測定子３１が設置されている。また、検出器３０には差動変圧器を用いた電気マイクロメータが使用されており、測定物２６に接触する測定子３１の変位量を検出するようになっている。

測定時には、測定物２６を載物台１２上に載せ、測定子３１を測定物に接触させて測定を行う。測定で得られる検出信号は、検出器３０を介して演算処理装置１３に送られる。

演算処理装置１３は、増幅器３３、Ａ／Ｄ変換器３４、演算／処理手段３６及びこれらの制御を行うためにメモリに記憶されたプログラム３８からなり、さらに処理結果を表示する表示手段を備えている。

測定子３１を測定物２６に接触させて得られた検出信号は検出器３０を介して演算処理装置１３に送られる。演算処理装置１３では、まず増幅器３３で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３４によってデジタル信号に変換されて、演算／処理手段３６に入力される。

この真円度測定装置１０で測定物２６の真円度等を測定する場合には、測定物２６を載物台１２上に載置した後、最初に載物台１２の回転中心と測定物２６の中心との偏心補正と、載物台１２の回転軸に対する測定物２６の傾斜補正を行う。これにより、載物台１２の回転中心と測定物２６の中心とは一致しているものとする。

次に、検出器３０の測定子３１を測定物２６の側面に接触させた状態で、載物台１２がモータ２０によって１回転され、測定物２６の側面１周分のデータがアナログ電圧値として採取される。アナログ電圧値として得られた検出信号は、上述したように増幅器３３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタル信号に変換されて、演算／処理手段３６に入力される。演算／処理手段３６は、エンコーダ１８から入力される回転角度データと、検出器３０で検出された変位データとから測定物２６の真円度を演算し、演算結果を表示手段４０に表示する。

なお、以上説明してきた真円度測定装置１０は、測定物２６を載せた載物台１２が回転し、測定子３１は前後方向（水平アーム２９の移動方向）及び上下方向（スライダ２８の移動方向）に移動するだけで、測定子３１は回転しない、載物台回転形の真円度測定装置であったが、本発明は、このような載物台回転形真円度測定装置に限定されるものではない。載物台は回転せず、測定子が前後方向及び上下方向に移動するとともに、測定子が測定物の回りを回転して測定する、検出器回転形の真円度測定装置にも適用可能である。

図３は、検出器回転形真円度測定装置の測定機本体の外観を示す斜視図である。

図３に示すように、この真円度測定装置１００の測定機本体１１１は、ベース１１４上に測定物を載せる載物台１１２が設けられている。載物台１１２は、Ｘ方向微動つまみ１２２及びＹ方向微動つまみ１２４を有している。なお、ここでは省略したが、前の例と同様にＸ方向傾斜つまみ及びＹ方向傾斜つまみを備えていてもよい。

またベース１１４上には上方に略垂直に延びるコラム（支柱）１２７が立設されており、コラム１２７にはスライダ１２８が上下動可能に装着されている。スライダ１２８は、コラム１２７に設けられた送り装置１５０によって上下に移動されるようになっている。またスライダ１２８の下側には水平アーム（径方向移動軸）１２９が取り付けられており、水平アーム１２９には検出器１３０及び測定子１３１が設置されている。

真円度測定装置１００は、測定子１３１を載物台１１２上に載置された測定物に接触させながら、測定子１３１を測定物の回りに回転させて測定物を測定する。測定で得られる検出信号は、検出器１３０を介して図示を省略した演算処理装置に送られ、演算処理装置で処理されるようになっている。なお、水平アーム１２９と検出器１３０との間には心ずれ調整機構１３２が設置されている。

以下、本実施形態の真円度測定装置１０（あるいは１００）による心ずれ量の算出とこれを用いた心ずれ量補正方法について説明する。

真円度測定時には、図４に示すように、測定子３１の先端球３１ａを載物台１２（ここでは図示省略）上に載せた測定物２６に接触させる。

そして、載物台回転形の真円度測定装置１０の場合には、図４に矢印Ａで示すように載物台１２を回転することによって測定物２６を回転する。また、検出器回転形の真円度測定装置１００の場合には、図４に矢印Ｂで示すように測定子３１（先端球３１ａ）を測定物２６の外周に沿って回転させる。なお、測定物２６の中心と載物台１２の回転中心とは一致しているものと仮定する。また、ここで測定物２６の中心とは、測定物２６の外周を形成する図形（正確に言うと、先端球３１ａを接触させて測定する点（検出点）を含み載物台１２の表面に平行な断面の外周の図形）の最小二乗円の中心であるとする。

このとき、いずれの場合も測定子３１の先端球３１ａが測定物２６と接触しているようにする。例えば、載物台回転形の真円度測定装置１０の場合には、図４に矢印Ｄで示すように、先端球３１ａを測定物２６の外表面に常に押し当てながら、測定物２６を矢印Ａ方向に回転する。このとき、測定物２６が真円でなく、測定物２６の回転につれて半径が変化すると、先端球３１ａは回転中心側に寄って行ったりあるいは離れたり、矢印Ｄ方向内でその位置が変化する。

この先端球３１ａの位置の変化を検出器３０を介して検出し、演算処理装置１３で処理することにより測定物２６の真円度が検出される。

図４に示すように、測定子３１の先端球３１ａを、矢印Ｄが示す検出方向に移動して測定物２６と接触させて測定を行う検出点Ｐが、測定物２６の中心を通る母線Ｍと一致している場合には、正確に測定物２６の真円度を測定することができる。

しかし、実際の測定においては、測定子３１の先端球３１ａの測定物２６に対する検出点Ｐが測定物２６の母線Ｍと一致しているとは限らない。

装置によっては、例えば図５に示すように、測定子３１の先端球３１ａが測定物２６と接触する検出点Ｑが、測定物２６の母線Ｍと一致しない場合がある。この場合には、測定物２６の母線Ｍと一致する検出点Ｐと、実際の測定での検出点Ｑとにおける、先端球３１ａの検出方向Ｄに関する先端球３１ａの中心間の距離εだけ測定誤差が生じる。

また、検出点Ｐと検出点Ｑにおける、検出方向Ｄと垂直な方向に関する先端球３１ａの中心間の距離Ｙが、このときの検出点Ｑの母線Ｍからのずれを表しており、この値Ｙが心ずれ量である。

次にこの心ずれ量Ｙを求める方法について説明する。

以下述べる方法は、直径値が既知の基準測定物の測定子３１の検出方向に対向する２点を測定し、その測定誤差から心ずれ量を算出して、補正を行うようにするものである。

図６に示すように、既知の直径値の基準測定物２６−１に対して、図に矢印Ｄで示す検出方向と平行な方向に、右側及び左側からそれぞれ真円度測定装置１０の測定子３１の先端球３１ａを接触させて測定する。

また、基準測定物２６−１の直径値をＤ０、先端球３１ａの直径をｄとする。

ここで、測定子３１の先端球３１ａが、心ずれがなく、基準測定物２６−１と正しく接触したと仮定した場合の右側検出点をＰ１、左側検出点をＰ２とする。すなわち検出点Ｐ１及び検出点Ｐ２は基準測定物２６−１の母線Ｍと一致しているとする。また、このときの右側検出点をＰ１における検出値をＲ１、左側検出点をＰ２における検出値をＲ２とする。ここで、図より検出値Ｒ１と検出値Ｒ２の差Ｒ１−Ｒ２は、基準測定物２６−１の直径値Ｄ０、と先端球３１ａの直径ｄとの和となる。

すなわち、Ｒ１−Ｒ２＝Ｄ０＋ｄである。

次に、測定子３１の先端球３１ａが、心ずれしている場合、すなわち測定子３１と基準測定物２６−１とが図の基準測定物２６−１の母線Ｍと直交する方向に相対的に移動しているとする。このとき、基準測定物２６−１に対して、図に矢印Ｄで示す検出方向と平行な方向に、右側及び左側からそれぞれ真円度測定装置１０の測定子３１の先端球３１ａを接触させて測定する。

このとき、基準測定物２６−１に対して右側から先端球３１ａが接触する右側検出点をＱ１とし、そのときの検出値をＲ１’とする。また、基準測定物２６−１に対して左側から先端球３１ａが接触する左側検出点をＱ２とし、そのときの検出値をＲ２’とする。

すると、測定子３１と基準測定物２６−１とを母線Ｍと直交する方向にずれている距離である心ずれ量をＹとすると、基準測定物２６−１の右側及び左側を測定して得られる測定値（Ｒ１’−Ｒ２’）は、次の式（１）で表される。

Ｒ１’−Ｒ２’＝２√［｛（Ｄ０／２）＋（ｄ／２）｝２ − Ｙ２］ …（１）
ただし、ここで√［＊］は、＊の平方根を表す。

従って、Ｒ１’−Ｒ２’を測定すれば、Ｄ０及びｄは既知であるので、上記式（１）を解けば心ずれ量Ｙは、次の式（２）のように求めることができる。

Ｙ＝√［｛（Ｄ０／２）＋（ｄ／２）｝２ −（Ｒ１’−Ｒ２’）２／４］…（２）
次に、測定した直径の値等を、算出した心ずれ量Ｙを用いて補正する方法について説明する。

図７において、測定物の外径を測定する場合（先端球３１ａが円形測定物の外形の円Ｃ１に外接する場合）、及び測定物の内径を測定する場合（先端球３１ａが円筒測定物の内側の円Ｃ２に内接する場合）について説明する。

すなわち、図７において、先端球３１ａは、円Ｃ１に外接するとともに円Ｃ２に内接するとする。また、先端球３１ａが、円Ｃ１の直径に関して対向する位置Ｅ及びＦに位置する場合に、各位置における先端球３１ａの中心間の距離をδとする。また、円Ｃ１の直径をＤ１とし、先端球３１ａの直径をｄとする。

このとき、円Ｃ１に対して位置Ｅで右側から先端球３１ａを接触させて測定するとともに、円Ｃ１に関して母線Ｍと平行な方向で位置Ｅと対向する位置Ｇで円Ｃ１に対して左側から先端球３１ａを接触させて測定する。

位置Ｅにおいて円Ｃ１に右側から先端球３１ａを接触させて測定した検出値をＲ１”とし、位置Ｇにおいて円Ｃ１に左側から先端球３１ａを接触させて測定した検出値をＲ２”とする。

すると、位置Ｅにおける先端球３１ａの母線Ｍからの距離である心ずれ量Ｙは、前述したようにして求めることができる。

前述した２つの位置Ｅ及びＦにおける先端球３１ａの中心間の距離δは、図からわかるように、この心ずれ量Ｙを用いて、次の式（３）で表すことができる。

δ ＝ √［（Ｒ１”−Ｒ２”）２＋（２Ｙ）２］ …（３）
従って、測定直径（Ｒ１”−Ｒ２”）を心ずれ量Ｙで補正することにより、先端球３１ａを外接させて測定する円Ｃ１の直径Ｄ１は、次の式（４）で求めることができる。

Ｄ１ ＝ √［（Ｒ１”−Ｒ２”）２＋（２Ｙ）２］−ｄ …（４）
また、同様に、先端球３１ａを内接させて測定する円Ｃ２の直径Ｄ２は、次の式（５）で求めることができる。

Ｄ２ ＝ √［（Ｒ１”−Ｒ２”）２＋（２Ｙ）２］＋ｄ …（５）
このように、本実施形態によれば、直径値が既知の基準測定物をその母線Ｍに平行な方向で対向する左右２つの位置から測定することにより、心ずれ量Ｙを算出することができる。また、任意の測定物を測定して得られた直径値を、この算出した心ずれ量Ｙを用いて補正することにより任意の測定物の真の直径値を算出することができる。

また、本発明によれば、図８に示すように、直径値が既知の２つの基準測定物、円Ｃ３及び円Ｃ４を測定することにより、心ずれ量Ｙを算出するとともに、先端球３１ａの直径値を算出することができる。

これによれば、先端球３１ａが摩耗してその直径値が当初の値とは異なっている場合でも、摩耗した先端球３１ａの真の直径値を求めることができる。

図８において、円Ｃ３の直径値をＤ３とし、円Ｃ４の直径値をＤ４とするとともに、先端球３１ａの直径値をｄとする。

このとき上の例と同様に、心ずれがない場合に円Ｃ３を左右２方向から測定したときの測定直径値Ｒ３−Ｒ４は、次の式（６）のようになる。

Ｒ３−Ｒ４＝Ｄ３＋ｄ …（６）
また同様に心ずれがない場合に円Ｃ４を左右２方向から測定したときの測定直径値Ｒ５−Ｒ６は、次の式（７）のようになる。

Ｒ５−Ｒ６＝Ｄ４＋ｄ …（７）
また、心ずれ（心ずれ量Ｙ）がある場合に円Ｃ３を左右２方向から測定したときの測定直径値Ｒ３’−Ｒ４’は、次の式（８）のようになる。

Ｒ３’−Ｒ４’ ＝ ２√［｛（Ｄ３／２）＋（ｄ／２）｝２−Ｙ２］ …（８）
同様に、心ずれが（心ずれ量Ｙ）ある場合に円Ｃ４を左右２方向から測定したときの測定直径値Ｒ５’−Ｒ６’は、次の式（９）のようになる。

Ｒ５’−Ｒ６’ ＝ ２√［｛（Ｄ４／２）＋（ｄ／２）｝２−Ｙ２］ …（９）
従って、直径値Ｄ３及びＤ４がそれぞれ既知の２つの円Ｃ３及びＣ４を測定することにより、測定直径値Ｒ３’−Ｒ４’及びＲ５’−Ｒ６’を得れば、上記２つの式（８）及び（９）から、心ずれ量Ｙ及び先端球３１ａの直径値ｄを算出することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、測定物の母線と検出点とのずれ量である心ずれ量を算出して補正することにより、基準となる測定物の直径値とは異なる直径値を有する測定物であっても正確な直径値を算出することができる。

以上、本発明の真円度測定装置における心ずれ量算出方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１０…（載物台回転形）真円度測定装置、１１…測定機本体、１２…載物台（ＸＹ／傾斜テーブル）、１３…演算処理装置、１４…ベース（基台）、１５…回転機構、１６…軸受、１８…エンコーダ、２０…モータ、２２…Ｘ方向微動つまみ、２３…Ｙ方向傾斜つまみ、２４…Ｙ方向微動つまみ、２５…Ｘ方向傾斜つまみ、２６…測定物、２７…コラム（支柱）、２８…スライダ、２９…水平アーム（径方向移動軸）、３０…検出器、３１…測定子、３１ａ…先端球、３２…心ずれ調整機構、３３…増幅器、３４…Ａ／Ｄ変換器、３６…演算／処理手段、３８…プログラム、４０…表示手段、１００…（検出器回転形）真円度測定装置

Claims (2)

1. 測定物の中心と回転の中心を一致させて測定物を検出器に対して相対的に回転させるようにして測定物の真円度を測定する真円度装置における心ずれ量算出方法であって、
   前記検出器を前記測定物に対して所定の方向に直線的に移動させる手段を備え、
   前記検出器の先端球を、直径値既知の異なる直径値を有する２つの基準測定物に対し、前記各基準測定物の中心を通り前記検出器が水平に直線移動する方向に平行な直線である母線と平行に移動して前記各基準測定物の対向する２つの検出点でそれぞれ前記各基準測定物に接触させて測定を行い、前記各基準測定物について各測定差を検出する工程と、
   前記各測定差に基づいて、前記各基準測定物の母線と前記検出点とのずれ量である心ずれ量を算出する心ずれ量算出工程と、
   を備えたことを特徴とする真円度測定装置における心ずれ量算出方法。
2. 前記心ずれ量算出工程は、前記各測定差に基づいて、前記心ずれ量とともに前記検出器の先端球の直径値を算出することを特徴とする請求項１に記載の真円度測定装置における心ずれ量算出方法。

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