CH687278A5

CH687278A5 - Macchina utensile polifunzionale.

Info

Publication number: CH687278A5
Application number: CH02293/91A
Authority: CH
Inventors: Armando Corsi
Original assignee: Jobs Spa
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1996-10-31
Also published as: IT9044804A0; GB9102418D0; IT1247585B; US5285579A; IT9044804A1; JPH04216106A; GB2242543A; FR2658442B1; GB2242543B; FR2658442A1; DE4105314A1

Description

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Descrizione

La presente invenzione propone una macchina utensile polifunzionale del tipo comprendente una testa operatrice ad utensile intercambiabile, montata su un supporto a più gradi di libertà e dispositivi elettronici che controllano gli spostamenti di detta testa e detto supporto, in cui è prevista, integrata in detti dispositivi elettronici di controllo, una unità di post-processing atta ad elaborare un file di superficie CAD fornendo in uscita un NC file.

Il software di controllo della macchina comprende anche un sistema CAM ed un post-processor, così da permettere di collegare direttamente il plotter ad un sistema CAD, senza la necessità di dispositivi che eseguano le elaborazioni intermedie del file di superficie generato da quest'ultimo.

Questa caratteristica rende l'utilizzazione della macchina estremamente semplice, consentendone l'uso anche a personale non particolarmente esperto.

La macchina secondo l'invenzione si configura quindi come un sistema per effettuare multilavora-zioni quali disegni, rilievi, scansioni, digitalizzazioni, fresature ecc. ed è ideale per uffici di progettazione o di design, ove una volta fatto il disegno di una struttura si rende necessario ricavarne un modello in scala reale sia per verificarne l'aspetto dal vero, che per eseguire prove, apportare modifiche ecc.

Quest'esigenza si riscontra, ad esempio, in numerosi uffici di progettazione, quali possono essere gli uffici ove si studiano e si sviluppano superfici complesse tipo le carrozzerie delle auto. In casi come quello esemplificato occorre, una volta fatto il disegno, realizzare il modello velocemente e a basso costo per vedere come questo si presenta nella realtà e poi, una volta apportate al modello tutte le modifiche necessarie, riportare queste ultime sulla superficie CAD, per la successiva fase di produzione, realizzazione di stampi ecc.

È chiaro che in situazioni come quella accennata, con le apparecchiature tradizionali si riscontrano problemi non indifferenti. È estremamente difficile, infatti, realizzare con precisione il disegno di un modello al quale sono stati apportati, manualmente, una serie di ritocchi.

Esistono già diverse apparecchiature utilizzate per effettuare, singolarmente, l'una o l'altra delle operazioni descritte.

Ad esempio sono note apparecchiature per la scansione di superfici nelle quali un tastatore percorre la superficie rilevandone punto per punto le coordinate e fornendo una serie di segnali che permettono la successiva matematizzazione ed elaborazione della superficie a mezzo di un computer.

Esistono poi macchine utensili in grado di riprodurre un modello, a partire da un disegno o meglio da un file contenente i dati relativi a questo disegno, opportunamente rielaborato.

Tutte queste apparecchiature note, però, non si prestano ad essere utilizzate all'interno di un ufficio tecnico, sia a causa delle dimensioni spesso notevoli, sia perche occorrerebbe disporre di diverse macchine sia perché il loro uso risulta piuttosto complicato.

Con le tecniche note, infatti, sono necessari un sistema CAD-CAM che generi un modello matematico della superficie tridimensionale, e un sistema in grado di elaborare questo modello matematico tramite un processor di fresatura; ciò perché i sistemi CAD-CAM generano percorsi utensile in formato indipendente da quello della macchina.

Per meglio comprendere il processo che porta alla realizzazione di modelli con i mezzi attualmente noti, si può far riferimento alla fig. 1, ove è riportato lo schema a blocchi del processo di elaborazione e sviluppo dei dati generati da un sistema CAD per giungere alla realizzazione del modello 3D.

Il sistema CAD genera un file di superficie che viene introdotto o trasmesso ad un sistema CAM, al quale a necessario fornire anche alcuni input indifferibili quali il profilo utensile e le tolleranze dimensionali.

In base a questi dati il sistema CAM elabora, a partire dal file di superficie, una serie di percorsi utensile o «CL file».

Questo CL file non è però compatibile con il formato del file CNC, per cui si rende necessaria una ulteriore elaborazione attraverso un secondo processore o post-processor.

È anche necessario fornire al sistema altre direttive per la programmazione al pivot point dell'utensile, quali lunghezza utensile, tolleranza di linearizzazione, controllo di velocità al centro utensile ecc.

Il post-processor produce in uscita un file detto «NC file», generalmente registrato su un supporto magnetico.

Tutte queste operazioni avvengono generalmente nel centro di calcolo, mentre le successive sono effettuate in officina, ove si trova la macchina utensile.

Caricato il file NC della macchina utensile, si impostano i parametri per il controllo delle libertà residue (compensazione, diametro e lunghezza utensile, alterazione feed e spindle rate, simmetrizzazio-ne, scalatura del pezzo ecc.), dopo di che la macchina inizia la lavorazione.

È chiaro che questa procedura risulta assai onerosa in termini sia di costi che di tempo.

Sono infatti necessarie diverse apparecchiature, occorre far ricorso a personale specializzato, i tempi di lavorazione si allungano.

Per questa ragione è sentita l'esigenza, nel settore, di una macchina in grado di eseguire autonomamente tutte le operazioni alle quali si è accennato.

Un apparecchio di questo genere, finalizzato all'uso in un ufficio tecnico, deve essere di dimensioni contenute, ma avere un rapporto fra il volume del pezzo lavorato e volume esterno della macchina tale da consentire la produzione di modelli di dimensioni non eccessivamente ridotte e comunque paragonabili a quelle reali. Inoltre deve risultare di facile utilizzazione, così da essere accessibile anche a tecnici senza una specifica preparazione nel settore, ma deve nello stesso tempo essere in grado di effettuare tutti i tipi di lavorazione previsti e questo con estrema precisione, per poter poi utilizzare il prodotto, sia esso un modello che un file di superficie, anche per la produzione di serie senza la necessità di ulteriori interventi, rielaborazioni ecc.

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È chiaro quindi che la realizzazione di una siffatta apparecchiatura comporta la risoluzione di problemi tecnici non indifferenti sia nella realizzazione della parte meccanica della macchina, che di quella elettronica.

Una tale apparecchiatura deve poter essere in grado di effettuare lavorazioni entro tolleranze di pochi centesimi di millimetro, la qual cosa comporta la necessità di una struttura rigida e in grado di assorbire senza deformazioni le reazioni trasmesse dall'utensile durante il funzionamento e le inerzie conseguenti alle accelerazioni notevoli (fino a 0,5 G) impartite al supporto dell'utensile durante i suoi spostamenti.

Questa caratteristica mal si concilia con la necessità, finalizzata alla realizzazione di una macchina da collocare in un ufficio, di realizzare una struttura leggera, compatta e che possa essere cabinata ed isolata acusticamente.

Oltre a ciò, l'introduzione del pezzo deve risultare agevole anche in condizioni di scarsa disponibilità di spazio.

Inoltre, per essere veramente funzionale, la macchina deve risultare semplice da utilizzare anche da parte di personale non particolarmente esperto, con la eliminazione di numerosi passaggi intermedi nella elaborazione del file di superficie, che attualmente richiedono l'intervento di tecnici specializzati.

Anche per ciò che riguarda i parametri da fornire alla macchina durante le varie fasi del ciclo di elaborazione, è necessario che questa operazione venga semplificata quanto più possibile.

Il problema viene poi complicato dal fatto che a differenza dei plotter bidimensionali, ove la posizione dell'utensile (nel caso un pennino) viene definita attraverso due sole coordinate cartesiane, nel caso di un plotter 3D occorre definire sia la posizione dell'utensile nello spazio, attraverso una terna di coordinate cartesiane, sia il suo orientamento, tramite i coseni direttori della normale alla superficie.

Oltre a quelli sopra indicati, intervengono poi altri parametri in relazione al tipo di lavoro da effettuare e dell'utensile utilizzato, dei quali si discuterà in dettaglio più oltre, nella descrizione della parte elettronica dell'apparecchiatura.

Da quanto sopra esposto, apparirà chiaro che il problema si presenta di rilevante complessità.

I problemi sopra descritti vengono risolti con una macchina utensile secondo la parte caratterizzante delle rivendicazioni. La macchina dell'invenzione verrà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui:

- la fig. 2 è la vista della macchina nel suo complesso;

- la fig. 3 è una vista frontale, parzialmente sezionata, della macchina secondo l'invenzione;

- la fig. 4 è una vista laterale parzialmente sezionata della macchina;

- la fig. 5 è un particolare ingrandito di fig. 4;

- la fig. 6 è la vista in pianta della macchina;

- la fig. 7 è una sezione verticale della macchina;

- la fig. 8 è una sezione verticale secondo un piano ortogonale a quello di fig. 7;

- la fig. 9 è la sezione orizzontale del basamento della macchina;

- la fig. 10 è lo schema a blocchi dei dispositivi di controllo della stessa;

- le fig. 11 e 12 sono schemi a blocchi della struttura hardware della macchina;

- le fig. da 13 a 15, sono rispettivamente i diagrammi di funzionamento dell'interpolatore lineare, del control loop e della CPU di controllo assi.

Con riferimento alla fig. 2, la macchina secondo l'invenzione comprende un basamento 1 al di sopra del quale si trovano due portali paralleli 2 e 2' supportati da quattro montanti 3 disposti agli angoii della macchina.

Sui due portali scorre, appoggiandosi su entrambi, il supporto a croce 4 di un cannotto 5.

All'estremità inferiore del cannotto 5, che scorre verticalmente all'interno del supporto a croce, è applicata una testa 6 dotata di due gradi di libertà. In tal modo la testa 6 si muove nel piano XZ fra i montanti 3, in direzione dell'asse X e tra i portali 2 e una tavola portapezzo 7 in direzione dell'asse Z.

La tavola portapezzo 7 si muove in direzione ortogonale agli assi X e Z (asse Y) e completa i tre assi ortogonali di moto.

Agli assi di lavoro X, Y e Z sopra indicati, si aggiungono gli assi polari A e C di cui è dotata la testa 6, per un totale di cinque gradi di libertà.

Questa configurazione generale consente notevoli vantaggi: il fatto di prevedere la testa 6 che scorre nello spazio compreso fra una coppia di travi scatolari 2 e 2' permette di contenere le dimensioni della struttura assicurando nello stesso tempo la massima rigidezza.

Inoltre rende possibile spostare in basso il supporto della testa ed abbassare così il punto di applicazione delle forze di reazione che questa scarica sulla struttura durante il lavoro, con una conseguente diminuzione delle deformazioni.

Tutto ciò fa sì che in una macchina compatta sia resa disponibile per la lavorazione un'area, compresa all'interno della macchina, le cui dimensioni sono prossime a quelle della macchina stessa. Al raggiungimento della massima compattezza contribuisce anche il fatto di prevedere la testa 6 portante il mandrino a sbalzo e non a forcella, con ulteriore riduzione dello spazio necessario.

In fig. 4 con 6' si indica un elettromandrino montato sulla testa 6. Le fig. 7, 8 e 9 mostrano come è composta la struttura della macchina.

I montanti 3 sono costituiti da un tubolare rotondo 8 e da un tubolare quadrato 9 collegati da una lamiera 10 unita con saldatura a tratto continuo

(fig- 9).

Nella parte superiore (fig. 8), le coppie di tubolari 8 si raccordano ad analoghi tubolari 11 e 11' che costituiscono i bordi delle traverse 2 e 2'.

Nella parte inferiore un tralicciato composto da tubolari quadrati 12 saldati a profilati di base 13 (fig. 7) funge da supporto per il piano mobile 7, che scorre lungo due guide a ricircolo di sfere su un telaio (fig. 3) fissato al basamento 1 mediante supporti 14 (fig. 7).

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Il tralicciato definisce i vani per la parte elettronica e per i dispositivi di asservimento della macchina (fig. 3).

In questa struttura il supporto a croce 4 si muove lungo i portali 2 e 2' scorrendo su una coppia di guide prismatiche a ricircolo di sfere per mezzo di altrettante coppie di pattini indicate rispettivamente con 15 e 16, disposte l'una su un piano verticale e l'altra su un piano orizzontale e ciò permette una più facile regolazione del supporto a croce, ad esempio per mezzo di viti micrometriche o altro sistema analogo.

Gli spostamenti del supporto 4 con la testa 6 lungo l'asse X sono comandati da un motore C.C. 17 che aziona una vite a ricircolo di sfere 18, la quale impegna un cursore 19 solidale al supporto 4 (fig. 5). Un encoder, non illustrato, rileva questi movimenti.

Anche i movimerti degli assi Y e Z (tavola portapezzo e cannotto) della macchina sono ottenuti tramite viti a ricircolo di sfere e motori rilevati da altrettanti encoder.

In fig. 4 con il numero 20 si indica il motore che comanda gli spostamenti della tavola portapezzo 7 lungo l'asse Y, trasmettendo il moto per mezzo di una cinghia 21 ad una vite a ricircolo di sfere 22 collegata alla tavola 7.

Con 23 si indica la cella di rilevamento in asse col motore, soluzione comune ai sistemi di rilevamento degli assi X, Y e C.

Una coppia di cilindri pneumatici 24 (fig. 3) sono previsti ai lati del cannotto 5 per fornire una spinta verso l'alto atta a controbilanciare il peso di quest'ultimo.

In prossimità del piano 7 si trovano, nel basamento, bocchette 25 di aspirazione delle polveri.

Il fatto di prevedere i portali supportati da quattro montanti disposti agli angoli della macchina consente l'accesso all'interno da tutti e quattro i lati, per un più facile caricamento delle parti da lavorare, anche di dimensioni non indifferenti.

A questo scopo sono anche previsti, in prossimità dei bordi del piano 7 e alla stessa altezza di quest'ultimo, dei rulli 26.

Come detto in precedenza, nella macchina secondo l'invenzione il post-processor che elabora il file di dati proveniente dal CAD è integrato con gli altri dispositivi elettronici di controllo della macchina.

Su questo argomento è opportuno aggiungere alcune precisazioni. In generale a valle del sistema CAD si trova un sistema CAM che produce in usci* ta un file (CL file) il quale viene poi tradotto da un post-processor per ottenere un file di lavoro (NC-file). Questo, trasferito alla macchina utensile, ne comanda il funzionamento.

Una volta resa disponibile al CAM una superficie (eventualmente importata dall'ambiente CAD ad esempio facendo uso dei Poli di Bezier oppure dei coefficienti polinomiali ecc.) è necessario definire le modalità di generazione delle traiettorie utensile.

Per ottenere i percorsi del centro utensile si impongono preventivamente sulla superficie dei percorsi obbligati (ad es. linee isoparametriche) per il punto di tangenza tra utensile e pezzo e di qui, te-

nedo conto dell'orientamento dell'asse utensile, il posizionamento è determinato completamente dalla condizione di tangenza; in alternativa è possibile vincolare direttamente in modo parziale il movimento del centro utensile conservando un grado di libertà residuo che consenta di realizzare, in un punto non prestabilito, la condizione di tangenza fra utensile e pezzo (è il caso della fresatura per piani paralleli).

Occorre poi che i percorsi calcolati vengano codificati entro un formato comprensibile al controllore della macchina, per mezzo un apposito trasduttore (post-processor).

L'attuale metodologia di calcolo dei percorsi di lavorazione in ambiente CAM comporta la necessità di tornare al centro di calcolo per la revisione dei programmi che in macchina abbiano evidenziato errori di programmazione NC. Si può così instaurare un malagevole flusso bidirezionale di informazioni tra due ambienti logicamente e fisicamente separati. La flessibilità dei percorsi in forma segmentata è molto scarsa, in quanto un programma per la produzione di un pezzo standard è vincolato indissolubilmente all'uso del particolare utensile dichiarato al sistema CAM e dalla precisione dimensionale richiesta in concomitanza. Infine, la quantità di informazioni contenuta in un file NC è, nella generalità dei casi enormemente superiore a quella sufficiente alla definizione della superficie lavorata. Queste circostanze ostacolano fortemente la costituzione di un archivio di programmi pezzo presso la macchina.

Nella macchina secondo l'invenzione è invece previsto un sottosistema locale comprendente un interpolatore non lineare per la generazione di traiettorie e di percorsi con compensazione dell'ingombro utensile, il quale tratta le superfici in formato standard nel rispetto di un insieme di semplici direttive definite al momento dell'esecuzione e controlla direttamente gli indirizzi degli assi macchina.

Sono pertanto riuniti in un'unica fase i momenti di elaborazione CAM, post-processing ed interpretazione del file NC ad opera del controllore della macchina.

Si ha la possibilità di gestire un archivio di informazioni compatte e flessibili per l'esecuzione immediata di pezzi di repertorio e, in più, procedere a modifiche, parametrizzazioni geometriche ecc. tramite programmi di utilità implementati sulla macchina stessa.

Il sistema a in grado di trattare NC file tradizionali, i quali possono anche essere prodotti in loco in vista di una esecuzione differita qualora si vogliano sfruttare al massimo le prestazioni dell'insieme macchina-controllo con l'eliminazione di complessi calcoli in tempo reale.

Il tecnico deve solamente trasferire il file di superficie generato dal CAD nella macchina 3D secondo l'invenzione e impostare nella macchina i parametri necessari per ottenere il modello.

Nelle fig. 11 e 12 sono illustrati gli schemi a blocchi della struttura hardware dell'unita di governo della macchina.

Caratteristica del sistema è lo standard MULTI-BUS II, il quale è una architettura di BUS indipen-

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dente dal processore, con un BUS di sistema parallelo a 32 Bit, BUS locali di memoria e BUS di espansione I/O.

Questa struttura a BUS multipli offre il vantaggio che ogni BUS è ottimizzato per una funzione specifica e che BUS deversi possono effettuare operazioni in parallelo, con aumento della velocità di elaborazione.

I collegamenti C01....C06 permettono l'accesso al MULTIBUS di altrettante CPU, per svolgere le attività indicate.

In particolare il BUS di Espansione I/O collega le schede di interfaccia con i sensori e gli attuatori presenti sulla macchina. Il collegamento fra il BUS DI ESPANSIONE I/O e la CPU DI CONTROLLO ASSI è illustrato in maggior dettaglio in fig. 12.

Con 28 si indica la scheda con la CPU DI CONTROLLO ASSI, che comprende una interfaccia di collegamento al MULTIBUS II e un BUS Locale che collega detta interfaccia con le CPU di elaborazione e con una interfaccia MIX I/O.

Quest'ultima è collegata ad una analoga interfaccia MIX I/O presente su una scheda 29 e a sua volta connessa ad un DATA DRIVER una CONTROL LOGIC ed una memoria 30.

II DATA DRIVER è costituito da una serie di porte logiche per disaccoppiare l'elaborazione dei segnali provenienti dall'interfaccia MIX I/O, con il BUS LOCALE VERSO IL CAMPO.

La CONTROL LOGIC è una logica di controllo dei Data Drivers e del BUS LOCALE VERSO IL CAMPO; definisce le temporizzazioni per la sincronizzazione tra i segnali originati dal BUS MIX I/O e diretti al BUS LOCALE VERSO IL CAMPO.

La memoria 30 è una memoria RAM non volatile contenente informazioni sulla personalizzazione per la configurazione della scheda di interfaccia.

La CPU DI CONTROLLO ASSI acquisisce dal file temporaneo generato dalla CPU di Post-Processor i blocchi di movimento espressi in termini di coordinate del centro fresa e di orientamento della testa operatrice. Con tali informazioni viene pilotato l'interpolatore lineare che produce i dati per alimentare il Control Loop.

Compito dell'interpolatore lineare è quello di generare, per ogni intervallo di campionamento, a partire dai punti e dagli orientamenti iniziale e finale della testa operatrice, l'incremento di spazio e la relativa velocità per poter pilotare gli «asservimenti assi» della macchina.

Il diagramma di funzionamento dell'interpolatore lineare è riportato nello schema a blocchi di fig. 12. L'interpolatore lineare viene attivato ad ogni intervallo di campionamento del sistema ed una volta calcolato il nuovo punto e la nuova velocità, attiva il CONTROL LOOP.

Compito del CONTROL LOOP è quello di mantenere la posizione reale della macchina il più vicino possibile alla posizione teorica generata dall'interpolatore.

Per fare questo ad ogni intervallo di campionamento del sistema vengono lette le quote degli assi e vengono confrontate con il valore teorico di posizione calcolato dall'interpolatore. Il risultato di questo confronto, trasformato in un segnale analogico,

alimenta gli asservimenti assi. Lo schema di funzionamento è indicato nella fig. 13.

La CPU DI CONTROLLO ASSI preleva i file contenenti i blocchi lineari generati dalla CPU DI GESTIONE SUPERFICI e provvede ad eseguirli, garantendo contemporaneamente il controllo degli assi macchina, secondo lo schema riportato in fig. 14.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere numerose modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte comprese nell'ambito del presente trovato.

Claims

Rivendicazioni

1. Macchina utensile polifunzionale del tipo comprendente una testa operatrice (6) ad utensile intercambiabile montata su un supporto a più gradi di libertà (4) e dispositivi elettronici che controllano gli spostamenti di detta testa operatrice (6) e detto supporto, a più gradi di libertà (4) caratterizzato dal fatto di prevedere, integrata in detti dispositivi elettronici di controllo, una unità di post-processing atta ad elaborare un file di superficie CAD fornendo in uscita un NC file.

2. Macchina utensile polifunzionale secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti un interpolatore non lineare per il trattamento dei files di superficie CAD e che produce in uscita detto NC file, e un interpolatore lineare che riceve detto NC file e controlla gli assi della macchina.

3. Macchina utensile polifunzionale secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere CPU separate per la gestione delle superfici CAD e CAM, per il Post Processing, il controllo dei dischi ed il Controllo Assi, dette CPU essendo collegate ad un BUS DI SISTEMA PARALLELO, la CPU di controllo assi (28) essendo collegata attraverso un BUS DI ESPANSIONE a sensori ed a attuatori della macchina.

4. Macchina utensile polifunzionale secondo la rivendicazione 3, in cui detta CPU DI CONTROLLO ASSI (28) è collegata al BUS DI ESPANSIONE I/O tramite una unità comprendente un'interfaccia MIX I/O, un DATA DRIVER per disaccoppiare l'elaborazione dei segnali con il BUS DI ESPANSIONE I/O, ed una LOGICA DI CONTROLLO che definisce le temporizzazioni per la sicronizzazione fra i segnali di controllo diretti a detto BUS DI ESPANSIONE.

5. Macchina utensile polifunzionale secondo la rivendicazione 1, in cui detta testa operatrice (6) è montata su un cannotto (5) mobile lungo una direzione verticale e montato sul supporto a più gradi di libertà (4) mobile lungo una guida orizzontale, detta guida comprendendo una coppia di traverse (2, 2') costituenti la parte superiore del telaio della macchina, dette traverse essendo parallele e distanziate fra di loro, lo spazio fra dette traverse permettendo il passaggio di detta testa operatrice (6).

6. Macchina utensile polifunzionale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli spostamenti lungo l'asse Y sono realizzati muovendo un piano (7) di supporto del pezzo da lavorare.

7. Macchina utensile polifunzionale secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto

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supporto a più gradi di libertà (4) scorre lungo una coppia di pattini (15, 16), uno disposto con il piano di appoggio verticale, l'altro orizzontale.

8. Macchina utensile polifunzionale secondo le rivendicazioni 1 o 3, in cui traverse (2, 2') di supporto di un cannotto (5) e della testa operatrice (6) sono sostenute ciascuna da una coppia di montanti (3) disposti agli angoli della macchina, così da permettere l'introduzione da ogni lato dei pezzi da lavorare.

9. Macchina utensile polifunzionale secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di avere una struttura di supporto scatolare.

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