CN101576509B - 一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法及设备；该设备包括小球自动分布装置、摄像装置、自动下料装置和小球自动翻滚装置；小球自动翻滚装置通过传送机构在小球自动分布装置、摄像装置和自动下料装置之间自动循环流转，传送机构与PLC连接；PLC与计算机信号连接；其检测方法包括球体大小自动分级、小球的自动上料和自动阵列分布；相机捕获不断变换的球面图像、对有缺陷小球进行行列定位、剔除装置剔除缺陷小球和下料等步骤。本发明使球体自动成批阵列排布和同时自动多向翻滚，使整个阵列中的球面能同时成像和被识别，无需借助煤油为工作介质，适用于检测任何材质的小球。

Description

一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法及设备 

技术领域

本发明涉及球体表面缺陷自动检测，特别是涉及一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法及设备。 

背景技术

滚珠轴承是应用及其广泛的通用机械产品，其中滚珠为球体，其需求量极大，而其表面质量直接影响轴承质量。我国轴承滚珠生产企业基本上都是采用人工目检法对球体表面质量进行检测，即人手拨动平铲中的球体并在散光灯下用眼睛(或借助于低倍放大镜)观察其表面，发现缺陷钢球后由人工挑剔出来。人的眼睛在灯光下观察极易疲劳，特别是抛光钢球表面高反光刺激眼睛，同时操作者用手工拨动的方法也无法保证球体的整个表面完全被观察到。随着无损探伤技术、电子技术和计算机技术的发展，逐渐出现了钢球涡流检测、视觉检测等技术。钢球涡流检测机从捷克进口，该设备采用涡流探伤技术对钢球表面裂纹等缺陷进行检测，采用成型轮使被测钢球逐个子午线翻滚。该产品进口价格高昂，适用范围为中大型钢球，且易引起缺陷漏检。 

专利号为ZL 200310109912.4的中国发明专利公开了一种钢球表面缺陷检测方法，该方法是利用一个旋转的圆盘为进给盘，其上靠外圆均匀分布一圈通孔，被测钢球由进料机构逐个送入进给转盘上的第一孔中，其下方有展开托盘托住被测钢球，进给转盘及其孔中的被测钢球浸在煤油中，进给转盘按节奏转动，展开托盘作偏心旋转而带动钢球在孔内转动，正上方的CCD相机采集几个相邻孔中的被测钢球面的信息，由计算机识别钢球的表面放大图像并判别钢球表面质量，将不合格钢球手动控制送入废料仓。由于该方法中钢球是逐个上料，一次只能进一个钢球，被测钢球只在采集图像上单列占据对角线位置，使这种方法和设备的检测效率受限制，不适合检测小型钢球(如直径3mm以下)；该方法需要用煤油为工作介质，对钢球自身存在一定程度的污损，以及产生对钢球表面进行清洗的后续程序，需经常更换煤油介质，增加流程步骤和成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中存在的不足之处，提供一种基于机器视觉、成批上料和摄取球面图像、适应3mm以下小球表面检测和检测效率高的球面缺陷自动检测方法。 

本发明的另一目的在于提供实施上述方法的设备。 

本发明目的通过以下技术方案实现： 

一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，包括小球自动分布装置、摄像装置、自动下料装置和小球自动翻滚装置；小球自动翻滚装置通过传送机构在小球自动分布装置、摄像装置和自动下料装置之间自动循环流转，传送机构与PLC(可编程逻辑控制器)连接； 

小球自动分布装置包括料斗、栅栏、料道、隔料板、隔料板运动控制装置和上料板；料斗底部通过栅栏与料道连接，料道中设有多个通孔形成的阵列，每一通孔的直径大于被检测小球的直径，使小球顺利通过；料道通过隔料板与上料板连接，隔料板和上料板上都设有与料道中的通孔阵列相应的通孔；隔料板活动连接在料道与上料板之间，能接通或断开料道与上料板的阵列通孔连接；隔料板由控制装置驱动往复位移，或利用隔料杆径向针齿在隔料板通孔面积内出入；控制装置与PLC连接； 

槽数量等于上型板点阵圆孔的列数，槽宽等于上型板点阵圆孔直径，每一直槽的一侧槽壁高度小于被检测小球半径，另一槽壁大于被检测小球半径；上型板固装在型座上，下型板通过型座嵌装在上型板下面，上型板的点阵圆孔对齐下型板的直槽，在检测工位下型板由固定在该工位的往复运动驱动机构带动沿上型板凹槽作直线往复滑动，孔底缘、槽底面和槽壁带动被测小球作不同方向旋转，实现小球多向自动翻滚；往复运动驱动机构与PLC连接； 

摄像装置包括计算机、光源和相机，相机与计算机信号连接；光源位于上型板8的上方，相机位于光源上方； 

自动下料装置包括剔除装置和下料机构，剔除装置位于下料机构上方；剔除装置为负压剔除装置或磁吸式剔除装置；下料机构包括下料槽和第三往复机构，第三往复机构固定安装在下料工位，驱动下型板滑动，倾斜安装的下料槽位于上型板下方，承接由下型板移出上型板而带出的所有小球；第三往复机构与PLC连接，PLC与计算机信号连接。 

所述的负压剔除装置由管接头座板、活板、管接头和软管以及第一往复机构组成，管接头座板固定安装在上型板上方，活板、管接头和软管的数量与上型板中通孔数量相同，并与上型板中的通孔阵列尺寸对应；活板在管接头座板中滑动，起遮断和连通吸头座板通孔的作用；活板由第一往复机构驱动；软管与负压抽吸器相连；被遮断孔中的球不动，被连同孔中的球被吸出；第一往复机构与PLC连接，PLC与计算机信号连接。 

所述的负压抽吸器为真空泵或吸尘器。 

所述的磁吸式剔除装置由磁吸头座板、磁吸头座、磁吸头、刷盘以及往复驱动机构组成，磁吸头座板固定安装在上型板上方，磁吸头座和磁吸头的数量与上型板中通孔数量相同，并与上型板的通孔位置对齐；磁吸头座为微型气缸或油缸或电磁铁，磁吸头为活塞或可动电磁铁芯柱，可上下伸缩，向下伸进上型板的孔中吸住钢球；刷盘由第二往复机构驱动，当小球被吸出孔外，第二往复机构驱动刷盘前行，收集被吸出的小球；磁吸头和第二往复机构与PLC连接，PLC与计算机信号连接。 

所述隔料板的厚度等于小球的直径。 

基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法，包括如下步骤： 

(1)被检测小球成批倒入料斗，经底部栅栏自动落入料道，直径大于栅栏的栅槽宽度的小球被阻挡，从而实现球体大小自动分级；料道中有阵列通孔，小球经这些通孔落入隔料板的阵列通孔中； 

(2)通过隔料板的作用接通与断开料道与上料板的阵列通孔，支承与释放小球；一层小球从隔料板阵列通孔经上料板阵列通孔掉入小球自动翻滚装置上型板的阵列孔中，每孔中落有一个小球，实现小球的自动上料和自动阵列分布； 

(3)工位传送机构自动将小球自动翻滚装置送至摄像装置处，固定安装在此工位的往复驱动机构驱动下型板相对上型板滑动，上型板的圆孔底缘和下型板的直槽底面、槽侧壁共同带动阵列检测空间中的各个被检测小球多向翻滚，使相机捕获不断变换的球面图像； 

(4)小球图像传入计算机，经图像分析识别，判断球面有无缺陷，对有缺陷小球进行行列定位，并将信息发送给剔除装置； 

(5)工位传送机构自动将小球自动翻滚装置送至自动下料工位，经剔除装置剔除缺陷小球后，第三往复机构驱动下型板相对上型板移动，无缺陷的小球被带出上型板之外，落入下料槽下料。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 

(1)本发明方法使球体自动成批阵列排布上料和同时自动多向翻滚，使整个阵列中的球面能同时成像和被识别。相对于现有技术单个进料成像检测的方法，本发明的检测方法效率高，并能适宜检测小球表面。 

(2)现有技术检测钢球表面缺陷需要借助煤油为工作介质，并将钢球放在煤油中，对钢球自身存在一定程度的污损，以及产生对钢球表面进行清洗的后续程序和需要经常更换煤油介质，增加流程步骤和成本。本发明无需借助煤油为工作介质，节省了程序，降低了成本。 

(3)本发明适用于检测任何材质的小球。 

附图说明

图1是基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测系统的结构示意图； 

图2是图1的小球自动分布装置示意图； 

图3a是隔料杆的结构示意图； 

图3b是图3a隔料杆的运动位置示意图； 

图3c是图3b中A-A剖面图； 

图4a是图1中小球自动翻滚装置结构示意图； 

图4b是图4a的B-B剖面图； 

图4c是图4a的C-C剖面图； 

图5a是下型板位于左侧的小球自动翻滚运动示意图； 

图5b是下型板位于右侧的小球自动翻滚运动示意图； 

图6a是负压剔除装置示意图； 

图6b是图6a的D-D剖面图； 

图7是磁吸式剔除装置示意图； 

图8是下料机构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。 

如图1所示，基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备设有自动上料、自动检测、自动下料三个工位。自动上料工位上设有小球自动分布装置，自动检测工位上设有摄像装置，自动下料工位设有自动剔除和下料装置；由上型板8、下型板9和型座10构成的小球自动翻滚装置可通过传送机构在自动上料工位、自动检测工位和自动下料三个工位之间自动循环流转。传送机构可为通用的分度盘式自动传送机构或直线自动传送机构，上料、检测、下料三个工位可在同一水平面成环形布置，用分度盘式自动传送机构相连和传送小球自动翻滚装置；三个工位也可以成一线排列，用直线自动传送机构17实现上料到检测、检测到下料工位间的小球自动翻滚装置传送，另设从下料到上料工位间的小球自动翻滚装置自动返回段，共同组成垂直或水平循环线。传送机构与PLC(可编程序控制器)18连接，PLC与计算机19信号连接，计算机19与显示器20信号连接。 

如图2所示，小球自动分布装置包括料斗1、消拱器2、栅栏3、料道4、隔料板5、隔料板运动控制装置6和上料板7。消拱器2是由动力机构驱动的低速旋转装置，其旋转轴端头装有一软质材料(如塑料)的齿轮盘或扇叶盘，伸入料斗1内作低速旋转，以防小2也可以是个低速往复装置，由动力机构驱动的往复杆端头装有软质梳齿，伸入料斗1内作低速往复，以防小球互相起拱不下落。栅栏3是一块开有若干栅槽的板，栅槽的宽度略大于被检测小球直径，起筛滤大直径球的作用。料斗1底部通过栅栏3与料道4连接，料道4中设有多个通孔形成的阵列，每一通孔的直径略大于被检测小球的直径，保证小球顺利通过。料道4通过隔料板5与上料板7连接，隔料板5和上料板7上都设有与料道4中的通孔阵列相应的通孔，即三者的通孔大小和个数相同。隔料板5的厚度等于被检测小球的直径，隔料板5活动连接在料道4与上料板7之间，能接通或断开料道4与上料板7的阵列通孔连接，实现支承与释放小球的功能；隔料板5活动连接的方式是隔料板5由控制装置6驱动往复位移；也可是利用隔料杆径向针齿在隔料板5通孔面积内外出入。当隔料板5的通孔阵列与料道4的通孔阵列对齐时，一层小球落入隔料板5的通孔阵列中；当隔料板5的通孔阵列与上料板7的通孔阵列对齐时，这层小球落入上料板7的通孔阵列中，从而实现了小球的自动阵列分布。控制装置6与PLC18连接，PLC与计算机19信号连接。控制装置6包括直接控制装置和间接控制装置；直接控制装置中动力通过推拉杆带动隔料板5往复运动，控制小球是否通过隔料板5。如图3a、3b、3c所示，间接控制装置包括动力装置和隔料杆6a，动力装置以气或电、磁、液为动力，隔料杆6a嵌入隔料板5并作水平小幅度往复运动。如图3a所示，隔料杆6a对应隔料板5各通孔位置布置有上下两排错开的径向针齿，当下排针齿位于隔料板5的通孔面积内，料道4中的一层小球可落入隔料板5中；如图3b、图3c所示，当上排针齿位于隔料板5的通孔面积内，可挡住料道4中的小球不下落而释放隔料板5中的小球。

如图4a、图4b和图4c所示，小球自动翻滚装置由上型板8、下型板9和型座10构成。上型板8中分布有与上料板7相同的阵列通孔，其下表面有可嵌装下型板9的凹槽；下型板9上部开有直槽，直槽数量等于上型板8点阵圆孔的列数，槽宽等于上型板8点阵圆孔直径，每一直槽的一侧槽壁高度略小于被检测小球半径，另一槽壁略大于被检测小球半径，便于使小球翻滚；上型板8固装在型座10上，下型板9通过型座10嵌装在上型板8下面，上型板8的点阵圆孔对齐下型板9的直槽，两者共同构成捕获小球图像的阵列检测空间； 在检测工位下型板9由固定在该工位的往复运动驱动机构11带动沿上型板8凹槽作直线往复滑动，孔底缘、槽底面和槽壁带动被测小球作不同方向旋转，从而实现小球多向自动翻滚。往复运动驱动机构11是以气或电、磁、液为动力的通用机构，如凸轮机构、直线电机、气/油缸与活塞，与PLC18连接，PLC与计算机19信号连接。 

如图5a、5b所示，在自动检测工位，小球多向翻滚装置上方设有摄像装置，摄像装置包括计算机、光源12和相机13，计算机和相机13信号连接；光源12为一个LED球积分光源，光源12也可为30°～60°照射角度的环状光源或平行光源；光源亮度可调。相机13为CCD或CMOS数字式工业相机。光源12位于上型板8的上方，相机13位于光源12上方。相机13的镜头通过上型板8的阵列通孔不断获取被光源12照明的一层小球14翻滚变换的上半表面图像，并在显示器20上显示。 

自动下料工位的自动下料装置包括剔除装置和下料机构；如图6a、6b所示，剔除装置可为负压剔除装置，以负压吸出上型板8通孔中的有缺陷小球，可适用于吸除各类材质的小球。该负压剔除装置由管接头座板15a、活板15b、管接头15c和软管15d以及第一往复驱动机构11a组成，管接头座板15a固定安装在上型板8上方，活板15b、管接头15c和软管15d的数量与上型板8中通孔数量相同，并与上型板8中的通孔阵列尺寸对应。活板15b嵌入在管接头座板15a中，活板15b可在管接头座板15a中滑动，起遮断和连通座板通孔的作用(图中右列为遮断，左列第一孔被连通)；活板15b由第一往复机构11a驱动，往复机构11a可以是凸轮、电磁铁、活塞等通用机构，其安装位置固定在自动下料工位上；往复机构11a与PLC18连接，PLC与计算机19信号连接，通过计算机控制第一往复机构11a的运动。软管15d通过管接头15c与管接头座板15a连接，软管15d与负压抽吸器相连，负压抽吸器可以为微型真空泵或吸尘器；被遮断孔中的球不动，被连通孔中的球被吸出。 

如果被检测的是铁磁性小球，剔除装置也可为磁吸式剔除装置，如图7所示。该装置由磁吸头座板15e、磁吸头座15f、磁吸头15g、刷盘15h以及第二往复机构11b组成，磁吸头座板15e固定安装在上型板8上方，磁吸头座15f和磁吸头15g的数量与上型板8中通孔数量相同，并与上型板8的通孔位置对齐；磁吸头座15f为微型气缸或油缸或电磁铁， 磁吸头15g为活塞或可动电磁铁芯柱，由PLC控制可上下伸缩，向下伸进上型板8的孔中即可吸住有缺陷钢球；刷盘15h可由第二往复机构11b驱动，第二往复机构11b可以是凸轮、电磁铁、活塞等通用机构，与PLC连接，PLC与计算机信号连接。当有缺陷小球被吸出孔外，第二往复机构11b驱动刷盘15h前行，刷落并收集被吸出的有缺陷小球。 

下料机构如图8所示，下型板9由固定在该工位的第三往复机构11c驱动而沿上型板8滑动，倾斜安装的下料槽16承接由下型板9移出上型板8而带出的所有无缺陷小球。第三往复机构11c与PLC18连接，PLC与计算机19信号连接。 

在自动上料工位，被检测小球成批倒入料斗1，由消拱器2的运动而使小球源源不断经底部栅栏3自动落入料道4，直径大于栅栏3的栅槽宽度的小球被阻挡，从而实现球体大小自动分级；料道4中有阵列通孔，小球经这些通孔落入隔料板5的相同阵列通孔中，隔料板5的厚度等于被检测小球的直径，上料板7具有隔料板5相同的阵列通孔，并与下方检测型块的上型板8的点阵通孔对齐；通过隔料板5的作用可接通与断开料道4与上料板7的阵列通孔，实现支承与释放小球的功能。一层小球从隔料板5阵列通孔经上料板7阵列通孔掉入小球自动翻滚装置上型板8的阵列孔中，每孔中落有一个小球，从而实现了小球的自动上料和自动阵列分布。 

工位传送机构自动将由上型板8、下型板9和型座10组成的小球翻滚装置送至检测工位。固定在该工位的往复运动驱动机构11驱动下型板9相对上型板8滑动，上型板8的圆孔底缘和下型板9的直槽底面、槽侧壁共同带动阵列检测空间中的各个被检测小球多向翻滚，使相机13捕获不断变换的球面图像。通过上型板8、下型板9相互滑动距离、时间和拍摄帧率的控制，可拍摄到全部球面，从而可实现小球的全面图像检测。 

小球图像传入计算机，经图像分析识别，判断球面有无缺陷，对有缺陷小球进行行列定位，并将信息发送给剔除装置。 

工位传送机构自动将由上型板8、下型板9和型座10送至下料工位。负压或磁吸自动剔除装置15根据收到的点阵行列定位信息从上型板8的通孔上方选择性吸出有缺陷小球。如果用负压吸出机构，活板15b是常闭状态(遮断管接头座板15a中的孔)，当所在位置下的小球被检测出有表面缺陷时，第一往复机构11a驱动活板15b打开，小球被吸出后活板15b复位为常闭。如果用磁吸机构，磁吸头15g常收缩在最短状态，当所管辖位置的小球被检测出有表面缺陷时，磁吸头15g伸出到上型板8通孔中，吸住小球后缩回到最短状态，往复驱动机构11b驱动刷盘15h前行，刷落并收集吸出的小球，然后刷盘15h退回原位。负压吸出机构或磁吸机构与PLC18连接，各个活板或吸头可以同时动作。剔除有缺陷小球后，固定安装在该工位的第三往复机构11c驱动下型板9相对上型板8移动到图8所示位置，无缺陷的小球被带出上型板8之外，全部落入下料槽16而一次性下料。 

如上所述即可较好实施本发明。 

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，其特征在于，包括小球自动分布装置、摄像装置、自动下料装置和小球自动翻滚装置；小球自动翻滚装置通过传送机构在小球自动分布装置、摄像装置和自动下料装置之间自动循环流转，传送机构与可编程逻辑控制器连接；

小球自动分布装置包括料斗、栅栏、料道、隔料板、隔料板运动控制装置和上料板；料斗底部通过栅栏与料道连接，料道中设有多个通孔形成的阵列，每一通孔的直径大于被检测小球的直径，使小球顺利通过；料道通过隔料板与上料板连接，隔料板和上料板上都设有与料道中的通孔阵列相应的通孔；该相应的通孔是指隔料板和上料板上的通孔与料道中的通孔的尺寸、数量完全相同；隔料板活动连接在料道与上料板之间，能接通或断开料道与上料板的阵列通孔连接；隔料板由控制装置驱动往复位移，或利用隔料杆径向针齿在隔料板通孔面积内出入；控制装置与可编程逻辑控制器连接；

小球自动翻滚装置由上型板、下型板和型座构成；上型板中分布有与上料板相同的阵列通孔，下表面设有可嵌装下型板的凹槽；下型板上部开有直槽，直槽数量等于上型板点阵圆孔的列数，槽宽等于上型板点阵圆孔直径，每一直槽的一侧槽壁高度小于被检测小球半径，另一槽壁大于被检测小球半径；上型板固装在型座上，下型板通过型座嵌装在上型板下面，上型板的点阵圆孔对齐下型板的直槽，在检测工位下型板由固定在该工位的往复运动驱动机构带动沿上型板凹槽作直线往复滑动，孔底缘、槽底面和槽壁带动被测小球作不同方向旋转，实现小球多向自动翻滚；往复运动驱动机构与可编程逻辑控制器连接；

摄像装置包括计算机、光源和相机，相机与计算机信号连接；光源位于检测型块的上型板(8)的上方，相机位于光源上方；

自动下料装置包括剔除装置和下料机构，剔除装置位于下料机构上方；剔除装置为负压剔除装置或磁吸式剔除装置；下料机构包括下料槽和第三往复机构，第三往复机构固定安装在下料工位，驱动下型板滑动，倾斜安装的下料槽位于上型板下方，承接由下型板移出上型板而带出的所有小球；第三往复机构与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与计算机信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，其特征在于，所述的负压剔除装置由管接头座板、活板、管接头和软管以及第一往复机构组成，管接头座板固定安装在上型板上方，活板、管接头和软管的数量与上型板中通孔数量相同，并与上型板中的通孔阵列尺寸对应；活板在管接头座板中滑动，起遮断和连通吸头座板通孔的作用；活板由第一往复机构驱动；软管与负压抽吸器相连；被遮断孔中的球不动，被连同孔中的球被吸出；第一往复机构与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与计算机信号连接。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，其特征在于，所述的负压抽吸器为真空泵或吸尘器。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，其特征在于，所述的磁吸式剔除装置由磁吸头座板、磁吸头座、磁吸头、刷盘以及往复驱动机构组成，磁吸头座板固定安装在上型板上方，磁吸头座和磁吸头的数量与上型板中通孔数量相同，并与上型板的通孔位置对齐；磁吸头座为微型气缸或油缸或电磁铁，磁吸头为活塞或可动电磁铁芯柱，可上下伸缩，向下伸进上型板的孔中吸住钢球；刷盘由第二往复机构驱动，当小球被吸出孔外，第二往复机构驱动刷盘前行，收集被吸出的小球；磁吸头和第二往复机构与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器与计算机信号连接。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测设备，其特征在于，所述隔料板的厚度等于小球的直径。

6.应用权利要求1所述设备的基于机器视觉的小球表面缺陷自动检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)被检测小球成批倒入料斗，经底部栅栏自动落入料道，直径大于栅栏的栅槽宽度的小球被阻挡，从而实现球体大小自动分级；料道中有阵列通孔，小球经这些通孔落入隔料板的阵列通孔中；

(2)通过隔料板的作用接通与断开料道与上料板的阵列通孔，支承与释放小球；一层小球从隔料板阵列通孔经上料板阵列通孔掉入小球自动翻滚装置上型板的阵列孔中，每孔中落有一个小球，实现小球的自动上料和自动阵列分布；

(3)工位传送机构自动将小球自动翻滚装置送至摄像装置处，固定安装在此工位的往复驱动机构驱动下型板相对上型板滑动，上型板的圆孔底缘和下型板的直槽底面、槽侧壁共同带动阵列检测空间中的各个被检测小球多向翻滚，使相机捕获不断变换的球面图像；

(4)小球图像传入计算机，经图像分析识别，判断球面有无缺陷，对有缺陷小球进行行列定位，并将信息发送给剔除装置；

(5)工位传送机构自动将小球自动翻滚装置送至自动下料工位，经剔除装置剔除缺陷小球后，第三往复机构驱动下型板相对上型板移动，无缺陷的小球被带出上型板之外，落入下料槽下料。

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