CN103217288A - 滚珠丝杠动态特性参数的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，所述测试平台包括底座试验台、滚动导轨、滚动导轨滑块、左轴承座、右轴承座、电机、梅花联轴器、滚珠丝杠、螺母、螺母座、工作台、支架、轴向预拉伸调节装置、激振器、弹性绳、至少一个压电式加速度传感器、阻抗头；所述轴向预拉伸调节装置包括左端锁紧螺母、右端锁紧螺母、左端支撑轴承组、右端支撑轴承组；本发明具有测试原理清晰、机械结构简单、测试精度高、可以测试不同丝杠长度，不同公称直径以及不同预拉伸力工况下，螺母在各个位置时的动态特性参数的特点。

Description

滚珠丝杠动态特性参数的测试装置

技术领域

本发明属于机床测试领域，具体涉及一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，尤其是在滚珠丝杠长度可变、公称直径可变、螺母在滚珠丝杠上位置可变以及预拉伸力可调的情况下，该测试装置能够对滚珠丝杠副的动态特性参数进行识别和测量。

背景技术

目前对滚珠丝杠副的研究主要通过其接触变形来分析它的静、动态特性。滚珠丝杠副属于滚动结合面，其动态特性参数在机床进给系统有着重要影响。王丹、王文竹等在《滚珠丝杠副接触变形影响因素分析》一文中着重讨论外载荷以及螺旋升角和接触角对滚珠丝杠副的静态特性的影响，并未对滚珠丝杠在实际工作状况下其长度、公称直径以及预拉伸力对滚珠丝杠副动态特性的影响加以考虑，该发明装置充分考虑上述因素，测试原理正确、机构简单、测试精度高。

张会端、孙俊玲在《弹性支撑条件下传动丝杠的横向振动分析》一文中，分析了轴承刚度以及转速和预拉伸力对横向振动频率和振型的影响，然而，滚珠丝杠在实际工作中主要承受轴向载荷，其轴向的动态特性对进给系统尤为重要，该发明装置可以通过试验，考虑滚珠丝杠长度、公称直径、预拉伸力和螺母与丝杠的位置关系这四个因素对滚珠丝杠副的轴向动态特性和法向动态特性的的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，能够测量的滚珠丝杠的长度可以在1m～3m的范围内变动，滚珠丝杠的公称直径可以在40mm～80mm的范围变动，对滚珠丝杠施加的预拉伸力可以在100N～4000N范围内调节。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，包括测试平台、数据采集器、功率放大器、电荷放大器和计算机，所述测试平台包括底座试验台、滚动导轨、滚动导轨滑块、左轴承座、右轴承座、电机、梅花联轴器、滚珠丝杠、螺母、螺母座、工作台、支架、轴向预拉伸调节装置、激振器、弹性绳、至少一个压电式加速度传感器、阻抗头；所述轴向预拉伸调节装置包括左端锁紧螺母、右端锁紧螺母、左端支撑轴承组、右端支撑轴承组。

两根滚动导轨通过楔形块平行地固定在底座试验台的导轨安装面上，所述滚动导轨上方分别设有两个滚动导轨滑块，滚动导轨滑块上设有工作台，工作台底部中间连接螺母座，滚珠丝杠、螺母、螺母座、左端支撑轴承组、右端支撑轴承组调整同轴心后，螺母与螺母座采取端面定位方式，通过螺母座轴向端面平均分布的六个螺栓保证滚珠丝杠和螺母在重复装卸时的定位精度，该种装配方法简便易行，而且大大缩减成本，螺母中间贯穿有滚珠丝杠，滚珠丝杠左端轴肩和右端轴肩分别与左端支撑轴承组和右端支撑轴承组过盈配合，所述左端支撑轴承组和右端支撑轴承组分别置于左轴承座和右轴承座内，右轴承座通过螺栓固定在底座试验台右端，所述左轴承座通过底座试验台上加工的T形槽轴向滑动，左轴承座的安装位置可以在距右轴承座1m～3m的范围内进行调节。右端支撑轴承组与滚珠丝杠右端轴肩过盈配合，右端支撑轴承组的两个轴承面对面布置，靠内轴套连接，右端支撑轴承组通过右轴承座、滚珠丝杠右端轴肩、端盖、内轴套和右锁紧螺母完全固定，端盖通过螺栓固定在右轴承座的右端面上，所述右端锁紧螺母旋紧在滚珠丝杠的右端轴肩端部；左端支撑轴承组与滚珠丝杠左端轴肩过盈配合，左端支撑轴承组的两个轴承采用背对背布置，靠外轴套连接，左端支撑轴承组通过左轴承座和内轴套以及左端锁紧螺母顶紧，所述左端锁紧螺母旋紧在滚珠丝杠的左端轴肩端部，通过改变左端锁紧螺母的旋紧量来改变预拉伸力。右轴承座一端设有电机安装架，所述电机安装架内部设有梅花联轴器，所述梅花联轴器两端分别与滚珠丝杠和电机相连；激振器通过弹性绳悬挂在支架上，激振器前端设置阻抗头，阻抗头另一端吸附在工作台上；压电式加速度传感器通过磁头吸附在预先建模确定的各测试点上；阻抗头的力信号输出端和压电式加速度传感器输出端分别与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器输出端与数据采集器输入端c相连，数据采集器通过USB数据线与电子计算机相连，数据采集器的输出端d与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端e与激振器的输入端相连。

轴向激振时，对工作台激振，将激振力分离到滚珠丝杠轴的中心上，识别滚珠丝杠副的动态特性参数。工作台的左右两侧分别设置四个压电式加速度传感器，滚珠丝杠两个轴端分别设置一个压电式加速度传感器，再在底座试验台上安放四个压电式加速度传感器来消除基础位移对试验的影响。

一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置的安装调试方法，包括以下步骤：

步骤1：安装滚动导轨、滚动导轨滑块，通过螺栓使滚动导轨滑块固连在工作台上，在工作台底部中间通过螺栓使螺母座连结在工作台上，根据滚珠丝杠的长度，将左轴承座在底座试验台上的T形槽上轴向滑动到合适的安装位置，使得滚珠丝杠、螺母座、左端支撑轴承组、右端支撑轴承组、右轴承座以及左轴承座同轴心，正确安装后再通过改变左端锁紧螺母的旋紧量得到试验测试时需要的预拉伸力；

步骤2：在支架上通过弹性绳将激振器悬挂于工作台的轴向位置并将阻抗头安装在激振器连接螺纹孔上，阻抗头吸附在工作台的轴向的对称面上；

步骤3：其它测试装置的联接，用相应的数据线将压电式加速度传感器、激振器、阻抗头、电荷放大器、数据采集器、功率放大器和电子计算机联接起来构成整个测试系统，即阻抗头的力信号输出端和压电式加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器的输出端和数据采集器的输入端相连，数据采集器的USB接口连接在电子计算机上，数据采集器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端连接激振器；

步骤4：根据进给系统几何参数和测试点的位置，建立测点的几何模型。所述测试点的选择应遵循以下原则：（1）保证试验模态的可辨识性条件，即明确显示试验频段内所有模态振型的特征及区别；（2）测试点应包括被测试件的所有结构点；（3）以减少漏掉模态为原则，均匀分布测试点。考虑到滚珠丝杠表面有供滚珠滑动的沟槽，安放加速度传感器比较困难，故只要在工作台两侧及滚珠丝杆轴向端面布置测点，通过工作台上和滚珠丝杠轴向端面的测点得到其模态振型，从而反映滚珠丝杠副的动态特性；

步骤5：测试参数设置，在电子计算机中进行相应的参数设置，确定扫频范围，电荷放大器放大倍数，压电式加速度传感器和阻抗头力传感器校正因子，平均次数，触发方式，调节功率放大器的电流和电压得到适宜的放大倍数；

步骤6：采用单点激振，多点拾振的方法测量，根据测点位置放置压电式加速度传感器，在底座试验台上放置压电式加速度传感器消除基础位移的影响，保存试验数据；

步骤7：试验结果处理与分析，测量结束后，对试验结果进行可靠性和正确性进行验证；考察系统振型是否满足振型相关矩阵校验，如满足要求，则此次测量有效，保存试验数据，进行下一步计算，如果振型不满足要求，则返回到步骤1重新改变测量参数、检查各试验装备是否正常后，重新试验；

步骤8：根据步骤7测量得到的工作台的频响函数X(ω)和底座试验台的频响函数Y(ω)以及简谐激振力的频响函数F(ω)的数据，在Matlab中计算得到等效单自由度系统频响函数

其中m为工作台和螺母以及螺母座的模态质量，这样就可以得到所测丝杠螺母结合面的刚度

和阻尼

式中ω_n为系统的共振频率，

是系统的阻尼比。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）测试装置结构紧凑，应用广泛，测试原理清晰，容易准确地获取进给系统中滚珠丝杠副的动态特性参数；（2）该装置可以更换不同长度以及公称直径的滚珠丝杠以及螺母，再通过T形槽可以非常方便地改变左轴承座的安装位置，测试丝滚珠杠副的动态特性参数就可以测试相关尺寸对其动态特性的影响。（3）本装置可以通过转动丝杠，是螺母处于不同位置，测试丝杠螺母的相对位置对其动态特性的影响。（4）通过旋紧左端锁紧螺母的旋紧量，就可以改变丝杠的预拉伸力，分析预拉伸力对动态特性参数的影响。（5）通过在螺母座轴向端面通过平均分布的六个螺栓固定螺母，保证滚珠丝杠和螺母在重复装卸时的定位精度，该种装配方法简便易行，而且大大缩减成本。（6）对工作台激振，将激振力分离到滚珠丝杠的轴线方向，更接近于机床正常工作时的实际情况，利用此种方法今后可以直接在机床上直接识别滚珠丝杠副的动态特性参数，而不需要制造相应的试验台装置。（7）测试时通过在底座试验台设置压电式加速度传感器消除了底座试验台的基础位移，测试结果更为准确。（8）为得到平稳的振型并忽略工作台本身的刚度对试验的影响，将工作台的厚度做的足够大，从而简化进给系统的动力学模型。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的进给系统中丝杠动态特性测试装置总体结构图。

图2是本发明的工作台的局部装配图。

图3是本发明的轴向预拉伸力可调装置。

图4是图3中A的局部放大图。

图5是图3中B的局部放大图。

图6是本发明的测试系统结构图。

图7是本发明的测试信号相位与幅值图，其中图7（a）为相位图，图7（b）为幅值图。

具体实施方式

一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，包括测试平台、数据采集器23、功率放大器24、电荷放大器22和计算机25，所述测试平台包括底座试验台1、滚动导轨6、滚动导轨滑块8、左轴承座2、右轴承座17、电机21、梅花联轴器19、滚珠丝杠15、螺母16、螺母座7、工作台9、支架14、轴向预拉伸调节装置、激振器11、弹性绳12、压电式加速度传感器13、阻抗头10；所述轴向预拉伸调节装置包括左端锁紧螺母3、右端锁紧螺母26、左端支撑轴承组5、右端支撑轴承组18。

两根滚动导轨6通过楔形块28平行地固定在底座试验台1的导轨安装面上，所述滚动导轨6上方分别设有两个滚动导轨滑块8，滚动导轨滑块8上设有工作台9，工作台9底部中间连接螺母座7，滚珠丝杠15、螺母16、螺母座7、左端支撑轴承组5、右端支撑轴承组18调整同轴心后，螺母16与螺母座7采取端面定位方式，通过螺母座7轴向端面平均分布的六个螺栓保证滚珠丝杠15和螺母16在重复装卸时的定位精度，该种装配方法简便易行，而且大大缩减成本，螺母16中间贯穿有滚珠丝杠15，滚珠丝杠15左端轴肩和右端轴肩分别与左端支撑轴承组5和右端支撑轴承组18过盈配合，所述左端支撑轴承组5和右端支撑轴承组18分别置于左轴承座2和右轴承座17内，右轴承座17通过螺栓固定在底座试验台1右端，所述左轴承座2通过底座试验台1上加工的T形槽29轴向滑动，左轴承座2的安装位置可以在距右轴承座17的距离范围在1m～3m内进行调节。右端支撑轴承组18与滚珠丝杠15右端轴肩过盈配合，所述右端支撑轴承组18的两个轴承面对面布置，靠内轴套4连接，右端支撑轴承组18通过右轴承座17、滚珠丝杠15右端轴肩、端盖27、内轴套4和右端锁紧螺母26完全固定，端盖27通过螺栓固定在右轴承座17的右端面上，所述右端锁紧螺母26旋紧在滚珠丝杠15的右端轴肩端部；左端支撑轴承组5与滚珠丝杠15左端轴肩过盈配合，左端支撑轴承组5的两个轴承采用背对背布置，靠外轴套29连接，左端支撑轴承组5通过左轴承座2和内轴套4以及左端锁紧螺母3顶紧，所述左端锁紧螺母3旋紧在滚珠丝杠15的左端轴肩端部，通过改变左端锁紧螺母3的旋紧量来改变预拉伸力。右轴承座17一端设有电机安装架20，所述电机安装架20内部设有梅花联轴器19，所述梅花联轴器19两端分别与滚珠丝杠15和电机21相连；激振器11通过弹性绳12悬挂在支架14上，激振器11前端设置阻抗头10，阻抗头10另一端吸附在工作台9上；压电式加速度传感器13通过磁头吸附在预先建模确定的各测试点上；阻抗头10的力信号输出端和压电式加速度传感器13的输出端分别与电荷放大器22的输入端相连，电荷放大器22输出端与数据采集器23输入端c相连，数据采集器23通过USB数据线与电子计算机25相连，数据采集器23的输出端d与功率放大器24的输入端相连，功率放大器24的输出端e与激振器11的输入端相连。

具体而言，选取其中一种滚珠丝杠15的长度为3m，把左轴承座2在T形槽上轴向滑动到安装位置，通过四个螺栓固定在底座试验台1的左边，再通过四个螺栓把右轴承座17固定在底座试验台1右端，调节左端锁紧螺母3的旋紧量使得预拉伸力为2000N时，旋动滚珠丝杠15的轴端，带动工作台9在滚动导轨6上移动到滚珠丝杠15的中点位置，再将支架14放于工作台9的轴向位置，用弹性绳12把激振器11悬挂在支架14上，采用单点激振，多点拾振的方法进行动态测试，轴向激振时，激振点选在工作台9轴向端面的中心线上，这样可以得到平稳的振型，但激振点应避开节点位置，数据处理时，将激振力分离到滚珠丝杠15的轴线上以识别滚珠丝杠副的动态特性参数。使用压电式加速度传感器13拾振，压电式加速度传感器13通过磁头吸附在预先建模确定的各测试点上。

上述阻抗头10的力信号输出端、压电式加速度传感器13输出端与电荷放大器22的输入端相连，电荷放大器22输出端与数据采集器23输入端c相连，通常情况下将阻抗头10的力信号接入电荷放大器第1通道，而压电式加速度传感器13输出信号可接入2～10通道，电荷放大器为4通道，数量为3台，数据采集器23为16通道。数据采集器13的USB端口与电子计算机25通过USB数据线相连，数据采集器23的USB端口既可以接收电子计算机25的信号，又可以将采集的信号传输到电子计算机25进行处理，完成采集信号与操作指令的交互功能。数据采集器23的d端口与功率放大器24的输入端相连，可以将电子计算机25发出的扫频信号传输给功率放大器24，功率放大器24与激振器11的输入端相连，激振器11可以接收来自功率放大器24的扫频信号，从而控制激振器11对工作台9进行激励。

结合图1-7，说明本发明的一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置的安装调试方法，具体步骤如下：

步骤1：安装滚动导轨6、滚动导轨滑块8，通过螺栓使滚动导轨滑块8固连在工作台9上，在工作台9底部中间通过螺栓使螺母座7连结在工作台9上，选择3m长的滚珠丝杠15，将左轴承座2在底座试验台上的T形槽上轴向滑动到合适的安装位置，用四个螺栓将左轴承座2固定在底座试验台1的左端，再通过四个螺栓把右轴承座17固定在底座试验台1右端，使得滚珠丝杠15、螺母座7、左端支撑轴承组5、右端支撑轴承组18、右轴承座17以及左轴承座2同轴心，通过改变左端锁紧螺母3的旋紧量得到2000N的预拉伸力；

步骤2：在支架14上通过弹性绳12将激振器11悬挂于工作台的轴向位置并将阻抗头10安装在激振器11连接螺纹孔上，阻抗头11吸附在工作台9的轴向的对称面上；采用单点激振，多点拾振的方法进行动态测试，轴向激振时，激振点选在工作台9轴向端面的中心对称线上，激振点要避开节点位置。使用压电式加速度传感器13拾振，压电式加速度传感器13通过磁头吸附在预先建模确定的各测试点上；

步骤3：其它测试装置的联接，用相应的数据线将压电式加速度传感器13、激振器11、阻抗头10、电荷放大器22、数据采集器23、功率放大器24和电子计算机25联接起来构成整个测试系统，即阻抗头10的力信号输出端和压电式加速度传感器13的输出端与电荷放大器22的输入端相连，电荷放大器22的输出端和数据采集器23的输入端相连，数据采集器23的USB接口连接在电子计算机25上，数据采集器23的输出端与功率放大器24的输入端相连，功率放大器24的输出端连接激振器11；

步骤4：根据进给系统几何参数和测试点的位置，建立测点的几何模型。所述测试点的选择应遵循以下原则：（1）保证试验模态的可辨识性条件，即明确显示试验频段内所有模态振型的特征及区别；（2）测试点应包括被测试件的所有结构点；（3）以减少漏掉模态为原则，均匀分布测试点。考虑到滚珠丝杠15表面有供滚珠滑动的沟槽，安放压电式加速度传感器13比较困难，故只要在工作台9的两侧及滚珠丝杆15轴向端面布置测点，通过工作台9上和滚珠丝杠15轴向端面的测点得到其模态振型，从而反映滚珠丝杠副的动态特性；

步骤5：测试参数设置，在电子计算机25中进行相应的参数设置，确定扫频范围，电荷放大器22的放大倍数，压电式加速度传感器13和阻抗头10力传感器校正因子，平均次数，触发方式，调节功率放大器24的电流和电压得到适宜的放大倍数；

步骤6：采用单点激振，多点拾振的方法测量，根据测点位置放置压电式加速度传感器13，在底座试验台1上放置四个压电式加速度传感器13消除基础位移的影响，保存试验数据；

步骤7：试验结果处理与分析，测量结束后，对试验结果进行可靠性和正确性进行验证；考察系统振型是否满足振型相关矩阵校验，如满足要求，则此次测量有效，保存试验数据，进行下一步计算，如果振型不满足要求，则返回到步骤1重新改变测量参数、检查各试验装备是否正常后，重新试验；

步骤8：根据系统的系统频响函数H(ω)得到所测丝杠螺母结合面的刚度k＝1.2×10⁹N/m和阻尼c＝1.0×10⁴N·s/m。

通过上述具体的试验例子，采用本发明中的方法实现了滚珠丝杠动态特性参数的测量，改发明装置可以简单而又准确的识别出丝杠副动态特性参数，而且可以同时考虑滚珠丝杠长度可变、公称直径可变、螺母在滚珠丝杠上位置可变以及预拉伸力可调的情况，对滚珠丝杠副的动态特性参数进行识别和测量。

表1为本发明滚珠丝杠动态特性参数的测试装置硬件总表。

表1

表2为本发明滚珠丝杠动态特性参数的测试装置中CA-YD-186型压电式加速度传感器的参数。

表2

名称	性能参数
		轴向灵敏度（20±℃）	100mV/g
测量范围（峰值）	50g
		最大横向灵敏度	≤5%
极性（加速度方向从底部到传感器）	正向
		工作电流	+2～+10mA
输出阻抗	<100Ω

Claims (7)

1.一种滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：包括测试平台、数据采集器[23]、功率放大器[24]、电荷放大器[22]和计算机[25]，所述测试平台包括底座试验台[1]、滚动导轨[6]、滚动导轨滑块[8]、左轴承座[2]、右轴承座[17]、电机[21]、梅花联轴器[19]、滚珠丝杠[15]、螺母[16]、螺母座[7]、工作台[9]、支架[14]、轴向预拉伸调节装置、激振器[11]、弹性绳[12]、压电式加速度传感器[13]、阻抗头[10]；所述轴向预拉伸调节装置包括左端锁紧螺母[3]、右端锁紧螺母[26]、左端支撑轴承组[5]、右端支撑轴承组[18]；

两根滚动导轨[6]通过楔形块[28]平行地固定在底座试验台[1]的导轨安装面上，所述滚动导轨[6]上方分别设有两个滚动导轨滑块[8]，滚动导轨滑块[8]上设有工作台[9]，工作台[9]底部中间连接螺母座[7]，螺母座[7]上固定螺母[16]，螺母[16]中间贯穿有滚珠丝杠[15]，滚珠丝杠[15]左端轴肩和右端轴肩分别与左端支撑轴承组[5]和右端支撑轴承组[18]过盈配合，所述左端支撑轴承组[5]和右端支撑轴承组[18]分别置于左轴承座[2]和右轴承座[17]内，所述左轴承座[2]和右轴承座[17]通过螺栓固定在底座试验台[1]两端，右轴承座[17]一端设有电机安装架[20]，所述电机安装架[20]内部设有梅花联轴器[19]，所述梅花联轴器[19]两端分别与滚珠丝杠[15]和电机[21]相连；激振器[11]通过弹性绳[12]悬挂在支架[14]上，激振器[11]前端设置阻抗头[10]，阻抗头[10]另一端吸附在工作台[9]上；压电式加速度传感器[13]通过磁头吸附在预先建模确定的各测试点上；阻抗头[10]的力信号输出端和压电式加速度传感器[13]输出端分别与电荷放大器[22]的输入端相连，电荷放大器[22]输出端与数据采集器[23]输入端[c]相连，数据采集器[23]通过USB数据线与电子计算机[25]相连，数据采集器[23]的输出端[d]与功率放大器[24]的输入端相连，功率放大器[24]的输出端[e]与激振器[11]的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：底座试验台[1]上加工有T形槽[29]，通过该T形槽[29]，左轴承座[2]的安装位置可以在距右轴承座[17]1m ~ 3m的范围内进行调节。

3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：能够测量的滚珠丝杠[15]的长度可以在1m ~3m的范围内变动，能够测量的滚珠丝杠[15]的公称直径可以在40mm ~80mm的范围变动，对滚珠丝杠[15]施加的预拉伸力可以在100 N ~4000N范围内调节。

4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：滚珠丝杠[15]、螺母[16]、螺母座[7]、左端支撑轴承组[5]、右端支撑轴承组[18]调整同轴心后，螺母[16]与螺母座[7]采取端面定位方式，通过螺母座[7]轴向端面平均分布的六个螺栓在重复装卸螺母座[7]时固定螺母[16]。

5.根据权利要求1所述的轴向预拉伸调节装置，其特征在于：右端支撑轴承组[18]通过右轴承座[17]、滚珠丝杠[15]右端轴肩、端盖[27]、内轴套[4]和右端锁紧螺母[26]完全固定，所述端盖[27]通过螺栓固定在右轴承座[17]的右端面上，右端锁紧螺母[26]旋紧在滚珠丝杠[15]的右端轴肩端部；左端支撑轴承组[5]通过左轴承座[2]、内轴套[4]和左端锁紧螺母[3]顶紧，所述左端锁紧螺母[3]旋紧在滚珠丝杠[15]的左端轴肩端部。

6.根据权利要求1所述的滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：在底座试验台[1]上设置四个压电式加速度传感器[13]。

7.根据权利要求1所述的滚珠丝杠动态特性参数的测试装置，其特征在于：轴向激振时，工作台[9]的左右两侧分别设置四个压电式加速度传感器[13]。

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