CN101281011A - 具有恒定接触力的振动扫描探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用扫描探针(2)对工件表面进行扫描的方法，所述扫描探针(2)安装在坐标测量机(4)上的支撑件(3)上。支撑件包含驱动装置(5、7)，用于致动扫描探针(2)相对于支撑件(3)的运动。所述方法进一步包括：检测装置(9)，其测量施加在探针末梢(10)和表面(1)之间的接触力F；控制装置(13)，其连接到驱动装置；和存储装置(14)，其用于存储表面的理论轮廓(19)和坐标(20)。该方法的特征在于：控制装置(13)沿着扫描路径(18)调节驱动装置(5、7)的致动，以便在沿着扫描路径(18)的整个扫描操作期间将接触力(11)保持在预定数值范围(15)内。

Description

具有恒定接触力的振动扫描探针

参考数据

【0001】本发明要求2007年4月3日提交的欧洲专利申请第2007EP-105559号的优先权。

技术领域

【0002】本发明涉及一种用于扫描工件表面的方法及其相关设备。

背景技术

【0003】已知多种扫描方法，其中机械探针固定在机器心轴上，该机器心轴在每个可能方向(X、Y、Z)上沿多条直线在工件表面上来回移动。在每条线完成之后，机器心轴使探针运动到与已完成的线相移位的新位置，并沿着平行线重复上述运动。

【0004】这类本领域已知的方法的一个主要缺陷在于，由于整个机器需要来回运动以便覆盖表面的整个扫描区域，因此这些方法相对较慢。进一步，由于较强的惯性力，机器的加速和减速会增加测量过程的不精确性，所述较强惯性力是因负责对表面检测装置进行定位的工件的较重重量造成的。结果，当所施加的偏转力过高时，一些工件会弯曲，并且会使测量结果无效。

【0005】为了对上述缺陷进行补救，实现更高的精度，在EP1503174中介绍了加速补偿扫描探针。该专利中公开的扫描探针包括由弹性构件支撑的测量触针、对测量触针和工件表面之间的接触力进行测量的力检测器。基于平衡重系统的接触力调节机构允许消除惯性的影响，并将接触力保持在预定的低水平，以便进行直行运动。

【0006】EP 0402440公开了另一种扫描方法，其允许在根据传统(x，y，z)轴线的线性运动之外增加旋转自由度。探针包括安装在测量机头部上的触针，其中，所述头部包括可围绕两条正交轴线转动的转轴。所述触针可围绕所述两条轴线进行角定位，而所述头部被所述测量机定位在其操作区域内的任意位置。由此，可以沿着曲线路径以相对恒定的速度更为有效地执行扫描，而同时惯性效应将由于触针重量较轻而得到最小化。触针的朝向可采用任意方向，从而使末梢保持与待扫描表面接触。进一步，所述转轴可被马达驱动，马达可被调整为恒定转矩模式，以将接触力施加在触针末梢和扫描表面之间，马达或者可被调整为定位模式，以产生横向于头部的路径方向的振动。

【0007】然而，现有技术中并未公开有哪种方法能够对三维空间中形成和延伸的复杂表面进行有效扫描，这种扫描将通过非线性运动实现，并且要将施加到表面上的力仍然保持为恒定或者保持在一个预定范围内。为了实现上述目标，需要考虑采用其它调整来调节接触力，从而使触针的弯曲保持最小，并且不论表面轮廓如何，总能保证测量的精密精度。

发明内容

【0008】根据本发明，上述目标是通过一种包括权利要求1特征的方法来实现的，具体地，该方法使用安装在坐标测量机(CMM)上的支撑件上的扫描探针来扫描工件表面，所述支撑件包含驱动装置用于致动所述扫描探针相对于所述支撑件的运动，连接到所述驱动装置的控制装置，和用于存储所述表面的理论轮廓和坐标的存储装置，所述方法包括如下步骤：

(i)确定施加在所述扫描探针的末梢和所述表面之间的接触力的第一数值范围；

(ii)操作所述驱动装置，以定位与所述表面相接触的所述末梢；

(iii)操作所述定位机，以使所述支撑件沿确定轨迹运动；

(iv)操作所述驱动装置，从而形成所述扫描探针相对于所述支撑件的相对运动，这与所述支撑件相对于所述表面的相对运动是同时发生的；

藉此，所述控制装置沿着扫描路径调节所述驱动装置的致动，以便在沿着所述扫描路径的整个扫描操作期间，将所述接触力保持在所述第一数值范围内。

【0009】根据这一方法，当表面为不寻常或者复杂的三维形式时，所执行的扫描可具有较大的扫描灵活性和精确性。实际上，根据表面轮廓对接触力进行的调节防止了触针弯曲。在本发明的一个优选实施例中，当所述调节不能将接触力限制在预定边界值内时，可进行进一步校正。对于接触力的这种调节，也可考虑由于惯性力引起的影片效应(cinematic effects)。

附图说明

【0010】在通过示例给出并由附图示的实施例的描述的帮助下，本发明将得到更好的理解，其中：

【0011】图1示出了扫描设备的侧视图。

【0012】图2示出了沿着扫描路径运动的支撑件和探针的俯视图。

【0013】图3示出了探针安装的截面图。

【0014】图4示出了扫描探针的三维视图。

【0015】图5示出了接触力沿扫描路径的演变过程。

【0016】图6示出了根据本发明一方面的接触力调节过程的状态图。

【0017】图7示出的状态图说明了根据本发明一方面的双模式功能。

具体实施方式

【0018】图1公开了根据本发明一个优选实施例的一种坐标测量机，亦被称为CMM 4，其中，支撑件3可沿任意线性方向(X、Y、Z)运动，并且扫描探针2附接到支撑件3，同时相对支撑件3具有两个旋转自由度。在该例中，用于该转动的轴线为轴线Z和Y，不过也可以考虑其它轴线的组合(例如，X和Y)。探针末梢10(优选呈球形)接触被支撑以便扫描的表面1。在探针末梢10和待扫描表面1之间的接触力F被定义为由该表面施加于探针末梢10上的反作用力。因此，所述接触力F垂直于与表面1的接触点相切的表面；换句话说，接触力总是法向地或垂直地作用于表面1。

【0019】图2示出了在投影在平面(x，y)上的潜在扫描路径。待扫描的表面1由虚线表面表示；它可包括在平面(x，y)中或者在三维空间(x，y，z)中伸展。支撑件3的轨迹17为直行点划线，其可以指向任意方向。在本发明的优选实施例中，支撑件3存在于伽利略参照系中，即，以恒定速度运动，因此不受惯性力影响。构成扫描探针的触针2的重量被选择得尽可能轻，以便使施加到探针末梢10的惯性力最小。探针的固有运动结合支撑件3沿着轨迹17的运动，确定了探针末梢10所遵循的扫描路径18。虽然图2仅示出该路径沿两个方向的投影，不过该路径并不局限于一个平面，也可以在三维空间伸展。

【0020】图3以截面形式显示了如下内容，即，探针2在支撑件3上的安装，以及驱动装置5、7如何对运动进行致动。第一驱动装置5是将中心转轴沿轴线Z致动的转子，优选为电机。探针头25安装在所述转轴的底部上，从而固定探针2并将旋转运动传递到探针2。探针头25被设计成使得探针2也能够围绕另一轴线自由转动，而这一第二轴线正交于第一轴线(该示例中为Z轴)，不过第二轴线在平面中的方向取决于中心转轴的位置。探针围绕上述轴线所进行的旋转致动有赖于其它驱动装置7，这些驱动装置也优选为电机。所述两条轴线的交叉点具体化为点24。在本发明的优选实施例中，点24为两个旋转运动的共同中心，并代表支撑件3的伽利略参照系的中心。探针长度L能够确定探针末梢13和两轴线交叉点24之间的接触点的位置，并因而由此推断出接触点20的绝对坐标，这是因为点24沿轨迹17的坐标已知。

【0021】探针末梢20探触到的所述表面上的点的绝对坐标由如下方面确定，即，图1中所示的定位机4的轴线(轴X、Y、Z)的线性位置，和根据如图4所示的转角α、θ的探针的角位置。定位机4和探针角位置的这些参数由合适的编码器提供，并由定位机的控制器采样，该控制器将这些参数转换成表面的各点沿扫描路径的绝对坐标，并存储该结果。上述确定过程也可以考虑多种附加参数和校正因素，例如本领域已知的探针偏斜、CMM变形、校准数据等。

【0022】当探针头17简单地沿直行轨迹17运动时，触针2沿任意方向(α，θ)的定向提供了较大的扫描灵活性，因为它允许扫描而又不与具有多成角表面1的工件脱离接触。进一步，采用重量较轻的触针2，反之使其支撑件3重量较重，就使惯性效应最小化。探针末梢10的绝对坐标沿扫描路径18运动，其中扫描路径18由探针末梢10和表面1之间的所有接触点构成。在本发明的优选实施例中，绝对坐标20存储在如图6所示的存储装置14中。

【0023】结果，根据本发明的设备允许通过如下方式进行高速连续扫描，即，使定位机4在工件表面上以相对高却恒定的速率沿着线13运动，而同时操作驱动装置5、7使所述头转动，例如以横向于支撑件3运动的振动运动中，从而使扫描路径呈图2所示的正弦曲线形。还可以通过驱动支撑件3使其进行直线运动并驱动探针头使其进行圆周运动，来扫描孔或圆柱表面，从而使探针末梢10的扫描路径18呈螺旋形。

【0024】除了可以针对不同类型的表面进行灵活高速扫描并使惯性效应最小化之外，本发明的目标还在于使坐标测量的精确性较为灵敏，这就需要消除施加到探针2的弯曲力。一方面，这些由驱动装置5、7施加的转矩所引发的弯曲力可在定位机4上产生振动；另一方面，这些力趋向于使构成探针2的触针偏离其笔直形式，如果所施加的力过大并导致探针2弯曲，就使所测得的坐标可能不正确。

【0025】图5示出了当待扫描的表面1在三维空间中延伸并且支撑件的轨迹17为(x，y)平面内的直行线时，接触力F会沿着扫描路径18演变。实际上，图5为根据含路径17的竖直面的截面，因此仅显示出接触力F的一个分量，而对于根据一般平面的截面，也将采用相同的推理。

【0026】在支撑件的第一位置(A)以及相应的相关伽利略参照系的中心处，探针2的角位置为θ，由第二驱动装置7引发的力为MF。所述力MF被探针末梢10根据与探针2正交的方向施加于工件表面上，并与工件施加于探针末梢的力(未示出)大小相等方向相反。可忽略其它外力，例如摩擦力或惯性力，采用这种近似，通过设定力F相对轴线8的惯量等于第二驱动装置7的转矩，就得出正交于表面1的接触力F。

【0027】由于力MF等于Mlcos(β)，其中M代表转矩，β代表探针2和与表面1相切的平面之间的角度，而l代表探针长度，则接触力F通过如下公式给出：

              (1)F＝MFlcos(β)

【0028】在支撑件的第二位置(B)和相应的相关伽利略参照系的中心处，探针2的角位置为θ’，而由第二驱动装置7引发的力仍为MF，并且该力总是根据正交于探针2的方向施加于探针末梢10上。不过，在探针2和相切于表面1的平面之间的角度β现在不同于位置A的情况。在这种情况下，现在接触力F以不同的因素cos(β’)正比于力MF。重要的是，由于探针正在扫描工件的倾斜部分而该倾斜部分不平行于支撑件的路径17，所以角度β’不为恒定，而是随着扫描点的升高而变化，并且力F和MF之比根据cos(β’)而变化。

【0029】在支撑件的第三位置(C)和相应的相关伽利略参照系的中心处，探针2的角位置现在为0”，并且在探针2和相切于表面1的平面之间的角度β”再次变化。F和MF之比仍等于cos(β”)，也相应变化。

【0030】本发明的目标在于，使接触力在预定值范围15内保持为恒定，并优选保持为使偏转力保持处于低水平且能够被适当地解决的恒定值。因此，驱动装置7的转矩必须与投影角β、β’、β”相适应。当投影角为恒定时(如位置(A)和(C)的情况)，可以针对平面表面采用“静态”方式实现上述目标，或者可以通过采用公式(1)实时地计算所需转矩来实现上述目标。

【0031】类似地，对于探针23的其它角自由度，采用角度α也可以进行相同的推理。结果，通过采用公知的几何方法(如果合适，还包括针对诸如摩擦力和惯性力的其它外力的合适近似)对表面1进行三维扫描，就驱动装置5、7的转矩进行了调整。这种调整通过连接到驱动装置5、7的控制装置13实现。在本发明的优选实施例中，控制装置13调节馈送到马达5、7的输入电压或电流，而马达5、7根据所提供的输入产生所希望的转矩。

【0032】一般而言，角度β不能仅由角位置(α，θ)推出，而需要该表面的某些先验知识。因此，针对表面的理论轮廓19可以加载到存储装置14中，以针对沿着扫描路径14的每个接触点的角度β。这种理论轮廓19由控制装置13构建，以便针对沿着扫描路径18的每个坐标20进行瞬时调节。

【0033】上述调节过程的结果是，所得到的接触力F总是假定具有恒定量，并总是垂直地作用。这是优选的，因为探针在被促动而过度紧靠表面时往往会变形，并且探针2的弯曲变化不能得到校准以估计它们所造成的测量误差。并且，这种调节过程允许更为平稳地跟随所述表面，而不会产生损害探针并导致整个系统振动的间断或跃变。

【0034】图6示出了由控制装置13执行的调节过程。优选地，控制装置13存在于计算机中，该计算机根据加载在存储装置14中的理论轮廓19来处理执行程序31。许多这类轮廓19可以被动态加载(箭头33)在存储装置14中。执行程序31可以从对应的角位置(α，θ)推出相应的投影角β1，β2，接着控制装置13将转矩M1和M2推断为β1和β2的相应余弦函数。因此，它输出所希望的恒定接触力11，如箭头36所示。在驱动装置5、7中的每一个均以孤立模式致动之前，通过将探针末梢10放置在预定位置处来完成校准过程34，为此，计算接触力F的值所必要的所有参数均为已知(即，M1、M2、β1、β2)，从而使针对所述力之值的数值范围15也得到动态加载(箭头32)。在本发明的改造实施例中，借助第二数值范围16和接触力检测装置9的反馈来执行校准过程34。检测装置9优选为测量偏转力(也称为弯曲力)D的应变仪，所述偏转力沿空间的三个方向(例如x，y，z)施加于探针末梢10。不过也可以使用其它测力装置，这也包含在本发明的范围内。接触力检测装置其中可包括光学偏转检测器、磁偏转检测器、压电力检测器、感应力检测器或其它合适的力检测装置。

【0035】根据本发明的一个变例，通过评估由CMM和测量头的致动器产生的运动和/或线性力及转矩，来间接地执行接触力检测。

【0036】不过，应该注意到，偏转力D没有必要总是等于接触力F。图示这两个力之间区别的简单示例为，考虑图5(A)、(B)、(C)的位置，并假设探针末梢还未移动。此情况下，由于探针末梢10还未移动，施加到探针的合力(形成偏转力)与探针10施加到表面1的力恰好相反。因此，当比较接触力F和偏转力D的值时，必须执行将投影角β纳入考虑的反校正。当探针2正在移动时，很可能会进一步考虑采用影片校正(cinematiccorrection)，如该文献进一步所提。无论何种情况，针对接触力F所设置的数值范围15必须被调节并变换成另一数值范围16，以便应用于偏转力D。偏转力D所引发的探针2的弯曲不会在所有方向上都相同，不过只要这些数值范围15、16均接近零，就可以将数值范围15、16选为相等。如果这些数值范围的目标在于确保力F、D本身非常微弱，则在采用这些数值范围时将满足在测量精确性方面的要求。

【0037】根据图6所示的状态图，可以注意到，接触力检测装置9可用于其它目的，而非仅仅用于校准过程34。检测装置9优选地也用作反馈工具，以确定探针末梢10实际上是否遵循其轮廓事实上对应于存储装置14中所存储的理论轮廓19的表面1。两个驱动装置6、8的经调节的转矩输出接触力F，该接触力F被变换(箭头37)，并接着与由应变仪9确定的实际偏转力D的数值进行比较(箭头38)。假定偏转力D和接触力F的变换值是相同的，那么如果在偏转力D和接触力F的变换值之间存在差异，就意味着实际扫描路径18并非计划路径。因此，这个预先调节并不符合保持接触力F恒定的要求，而且对于这种情况，如果没有额外特性被预见到，那么接触力的大小和方向将超出控制。

【0038】根据本发明优选实施例，控制装置13能够因此在双模式(调节模式41或校正模式42)下工作。调节模式41对应于针对所扫描的表面1对应于理论轮廓19这种情况的单纯核实，而校正模式42允许调整驱动装置5、7的转矩和探针头的轨迹17，从而使应变仪所测得的偏转力D返回到对其进行设置的预定数值范围16，这种数值设置优选关联到针对接触力F进行限定的数值范围15，并且该数值设置由此大约为零或者至少不会过高。根据理论接触力(两个调节转矩的输出)和由应变仪9测得的偏转力D之间的比较结果38，从应变仪9到所述程序的反馈设置其执行模式。这种双模式设置被箭头39图示为朝向程序31的反馈，而在本文中将通过图7进一步更为详细地阐释模式之间的切换。

【0039】在校正模式41期间，施加到探针2的偏转力D保持恒定，并类似于沿规则扫描路径18施加的力，即，保持处于低水平。于是，可以继续进行在图6上由箭头40图示的接合测量和存储过程，而不论采用何种模式(即，调节模式或校正模式)。由于模式切换并不引发由于探针不正确弯曲导致的精确度损失，所以在校正过程期间也可以连续地或采样地测量实际坐标值20，从而使这些坐标值可以与期望初始值进行比较。

【0040】在本发明的改造实施例中，只要由检测装置14测得的偏转力D保持处于所述数值范围16中，坐标20就仅仅被测量和存储在存储装置14中。该程序可进一步包含如下两个步骤，其中一个步骤记录接触力F超出数值范围15(相应地，偏转力D超出数值范围16)的时刻，另一步骤对这种情况进行通知(例如采用警报声)并停止扫描过程。

【0041】在本发明的改造实施例中，也可以具有与执行程序31展开相关的其它功能，例如，将计算接触力F的值所必要的所有参数(即，M1、M2、β1、β2)设置为简单的时间函数。为此，角速率ω1和ω2(图6中未示出)与转矩M1、M2之间的关系必须得到定义；这种关系例如可以是线性关系。不过，将时间作为用于执行程序的参数而纳入考虑这一事实，也并不排除使用另行可用的其它参数这种可能性。时间参数30的使用例如可允许，当对于沿着扫描路径18的每个接触点而言加速度的数值和方向已知时，执行影像校正。这类影像校正可用于非常精确地沿扫描路径18全程确定由检测装置9评估的偏转力D，如果角速率ω1和ω2中的至少一个较高(例如，在采用探针2的振动进行高速连续扫描的情况下)，则尤其有用。

【0042】虽然可以将这种影像校正纳入考虑，不过这类校正不能在校正模式42中进行，因为加速度在该模式中不会预先已知。针对这种模式的较好的近似方式为，考虑施加到探针末梢10的力的总和与施加到其上的力相反。实际上，探针末梢10本身构成其中不存在运动的非伽利略参照系。因此，在这种参照系中，所述合力等于由力的组合原理给出的内力的总和(尤其是对科里奥利力(Coriolis force)等产生这些值)。如果我们通过考虑探针重量和探针末梢10的加速度对于支撑件3上的点24而言足够小而忽略那些惯性力，则我们实际上获得如下结果，即，由应变仪测量的这种弯曲力的值为驱动装置5、7之转矩的平方的和的平方根的线性函数。换句话说，我们打算将转矩平方M12+M22限制为一恒定值。中所周知的公式cos ²Φ+sin²Φ＝1满足了这些要求，从而使转矩可以作为随机角Φ的互补正弦函数而在校正模式42中得到调节(M1＝M₀cosΦ并且M2＝M₀sinΦ，或者反之亦然，其中参考值M₀和角度Φ例如可以在校准过程期间设置，以配合针对接触力F之值的原本要求)。

【0043】在校正模式42返回调节模式41之间的切换可以例如在如下情况中执行，即，当由控制装置13运行的执行程序31确定针对坐标20的测量值匹配包含在理论扫描路径中的理论坐标时，因此，甚至在校正模式42中，根据针对支撑件的预定轨迹并因此实际上遵循理论扫描路径，而继续进行扫描。图7的状态图显示这种双模式操作如何运行，特别使在模式43之间的切换如何执行以及何时执行。当扫描执行程序31运行时，它首先始于校准操作34，然后在所谓的调节模式41中继续进行。如果由应变仪测得的偏转力12和接触力F的变换值不一致，则执行程序31切换模式(箭头43)，并继续以校正模式42扫描，直至它发现测得的坐标20与属于理论轮廓19的坐标之间形成匹配44。在此刻，它切换回(箭头43)调节模式41。

【0044】在本发明另一优选实施例(未示出)中，一旦偏转力D的数值超过在第二数值范围16中设置的边界，则切换该模式也是可能的。在这种情况下，将针对接触力的变换值与偏转力D的值进行比较的步骤38就被替换成，由应变仪9测得的偏转力D的实际值和针对偏转力设置的数值范围16之间的匹配查询。因此，校正模式42将测得的偏转力D校正回至所述第二数值范围16内，并继续进行扫描，直至发现坐标匹配44。

【0045】尽管在本文中连续扫描过程多数时间里为优选，不过也可以进行离散扫描，二者均作为在执行程序中所执行的功能，其中，采样为时间函数30，而所执行的扫描仍包括探针2的连续运动，或者探针2的停止和行进运动，从而使探针停在预定位置上。

Claims (12)

1、一种使用扫描探针对工件表面进行扫描的方法，所述扫描探针安装在坐标测量机上的支撑件上，所述支撑件包含一个或多个驱动致动器用于致动所述扫描探针相对于所述支撑件的运动，控制单元连接到所述驱动致动器，存储器用于存储所述表面的理论轮廓和坐标，所述方法包括如下步骤：

(i)确定施加在所述扫描探针的末梢和所述表面之间的接触力的第一数值范围；

(ii)操作所述驱动致动器，以定位与所述表面相接触的所述末梢；

(iii)操作所述定位机，以使所述支撑件沿确定轨迹运动；

(iv)操作所述驱动致动器，从而形成所述扫描探针相对所述支撑件的相对运动，这与所述支撑件相对于所述表面的相对运动是同时发生的；

藉此，所述控制单元沿着扫描路径调节所述驱动致动器的致动，以便在沿着所述扫描路径的整个扫描操作期间，将所述接触力保持在所述第一数值范围内。

2、根据权利要求1所述的方法，进一步包括初始步骤：

(i)将待扫描的所述表面的所述理论轮廓加载到所述存储器中；

藉此，所述控制单元根据所述理论轮廓执行所述驱动致动器沿着所述路径的致动调节。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，所述坐标测量机进一步包括接触力传感器，其测量施加在所述探针的末梢和所述表面之间的接触力和/或所述接触力的偏转力分量，这样，所述控制单元根据所述接触力传感器的输出调节驱动致动器的致动，以便在沿着所述扫描路径的整个扫描操作期间将所述接触力保持在所述第一数值范围内。

4、根据权利要求2所述的方法，其中，所述驱动致动器为马达，其转矩根据所述探针的角位置和/或所述探针相对于所述表面的位置，根据所述理论轮廓进行调节。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述马达的所述转矩由输入电压或电流得出。

6、根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括如下步骤：将沿所述路径的所有瞬时坐标存储在所述存储器中。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，只要由所述力传感器测得的偏转力保持在与为接触力而限定的所述第一数值范围相关联的第二数值范围内，就执行所述将沿所述路径的所有瞬时坐标存储在所述存储器中的步骤。

8、根据权利要求3所述的方法，进一步包括如下步骤：当根据所述力传感器的偏转力落在所述第二数值范围之外时，就修改所述轨迹。

9、根据权利要求1所述的方法，其中，由所述力传感器进行的偏转力测量包括影片校正。

10、根据权利要求1所述的方法，进一步包括实时校正步骤，以将测得的偏转力校正回所述第二数值范围内。

11、根据权利要求1所述的方法，其中，所述坐标测量机和所述支撑件包括编码器，所述编码器提供坐标测量机和所述支撑件的轴线的定位数据，所述方法进一步包括如下步骤：对所述轴线的所述定位数据进行采样的步骤，以及基于所述定位数据计算所述表面沿着所述扫描路径的坐标的步骤。

12、一种用于执行权利要求1所述方法的计算机程序。

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