CN108689240B - 一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置。所述装置的线筒上的线穿过过线轮展开成直线形态后，线的张力会通过过线轮和张力杆拉动弹簧，同时，张力杆、张力杆转轴的转动同步带动角度传感器的输入轴转动，角度传感器将张力杆的角度变化反馈给了控制计算机，控制计算机精确控制驱动电机的转速，进而使得本发明的走线装置的走线张力稳定；相机采集线的图像，控制计算机对图像进行处理得到线的偏斜角a，并控制计算机控制滑台电机驱动滑台移动使得线筒也相应移动，有效减少走线时由于线的偏斜所产生的线与线之间的滑动摩擦，从而减少走线过程中对线的损伤。

Description

一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置

技术领域

本发明涉及一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，属于机械自动化领域。

背景技术

现有工业生产过程中需要对线进行供应，目前线通常是绕在线筒上供应的，如漆包线。

但在现实使用时，有些走线情况下需要线稳定地的展开，但目前走线装置张力大小并不稳定，而且也无法对张力进行精确调整控制张力大小，即张力大小不能准确的进行调整，从而导致走线装置难于实现高精度和自动化。另外，线的偏斜有两种情况，一种情况是线在过线轮上偏斜（图2中线在过线轮上是不偏斜的），如图1所示，线在过线轮上左偏斜，如图3所示，线在过线轮上右偏斜；另一种情况是线在线筒上偏斜，由于现有的线筒长度较长，而且线筒在轴向位置是固定的，当线在线筒轴向的大部分位置时线是偏斜的，如图5所示，线在线筒上偏斜（线不偏斜时如图4所示），上述两种情况均加大了线筒上线与线之间的滑动摩擦以及线与过线轮之间的滑动摩擦，对线的表面造成更大的损伤，这在某些场合是不允许的，例如，变压器（特别是高压变压器）在绕制时不允许漆包线的漆膜受到损伤，以防止漆包线绝缘性能下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的就是提供一种新型的走线装置，操作使用时线的张力可由角度传感器准确测量，并可通过数字信号进行设置调整，据此对其进行精确控制，从而实现张力稳定、高精度、可调式的走线装置的发明目的；另外，对线的偏斜进行视觉测量和反馈控制，以减小走线时由于线的偏斜所产生的线与线之间以及线与过线轮之间的滑动摩擦，从而减小走线过程中对线的损伤。

本发明提供了一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置。

具体技术方案如下所述。

一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，包括滑台电机1、滑台底座2、滑台3、驱动电机4、电机支架5、刚性联轴器6、定位圈7、线筒安装轴8、夹紧螺母9、线筒10、角度传感器支架11、柔性联轴器12、角度传感器13、外壳14、张力杆安装座15、张力杆转轴16、张力杆17、相机支架18、光源19、镜头20、背景板21、背景板支柱22、过线轮23、相机安装板24、弹簧25、止转销26、弹簧支承杆27、弹簧支承杆底座28、线29、挡圈30、相机31，

如图7所示，滑台底座2水平安装于外壳14底部，滑台3安装于滑台底座2上，并且滑台电机1驱动滑台3沿滑台底座2直线往复移动；

驱动电机4通过电机支架5固定在滑台3上并随滑台3直线移动，刚性联轴器6一端与驱动电机4的输出轴连接，另一端穿过外壳14侧板下方与线筒安装轴8连接，线筒安装轴8穿过线筒10中心线与其固定，线筒安装轴8一端穿过定位圈7与刚性联轴器6连接，另一端穿过定位圈7后通过夹紧螺母9紧固，使得驱动电机4转动时带动线筒10同步转动，此外，线筒安装轴8的中心线平行于滑台3直线往复运动的方向；

如图7和8所示，张力杆安装座15和弹簧支承杆底座28固定在外壳14侧板的外壁上方，且张力杆安装座15中心有孔，张力杆17为倒置“L”状，其远离过线轮23的一端焊接固定在张力杆转轴16的一端，其另一端安装有过线轮23，张力杆转轴16穿过张力杆安装座15上的孔并由两个挡圈30轴向固定在张力杆安装座15的孔中，并且张力杆转轴16能够绕张力杆安装座15的孔中心线转动，张力杆转轴16的另一端穿过外壳14侧板与柔性联轴器12连接，张力杆17的下端杆部的中心线与张力杆转轴16的中心线垂直；

如图8所示，角度传感器13安装在角度传感器支架11上，角度传感器支架11固定在外壳14侧板内壁上，张力杆转轴16和角度传感器13的输入轴通过柔性联轴器12连接，实现对张力杆17的转动角度的测量，进而可计算出张力杆17所承受的张力；

如图7和图9所示，相机安装板24焊接在张力杆17的靠近过线轮23的同一侧，相机31通过相机支架18固定在相机安装板24上，光源19安装于镜头20和相机31之间用于照亮镜头前的线29以获取线29的清晰图像，背景板21通过背景板支柱22安装在相机安装板24上，并且背景板21的面积覆盖相机31的视野；

弹簧支承杆27焊接固定在弹簧支承杆底座28上，并与张力杆17通过弹簧25连接，使得弹簧支承杆27通过弹簧25给张力杆17提供反张力以平衡通过过线轮23传递的线29的张力，同时，止转销26安装于张力杆安装座15上靠近弹簧支承杆底座28的一侧用于对张力杆17限位，

并且，张力杆安装座15、张力杆转轴16、弹簧支承杆底座28、线筒安装轴8的中心线相互平行。

优选，背景板21面向相机31视野一侧表面颜色为纯色并且与线29的颜色有较大的差别，从而使相机31所获得的线29的图像中除了线29以外只有纯色的背景，易于识别线29和计算其偏斜角度。

优选，相机安装板24上方略向过线轮23一侧倾斜，以使镜头20的光轴与附近的线29垂直或近似垂直。

优选，角度传感器13为精密塑料电位器或光电编码器。

优选，张力杆安装座15和弹簧支承杆底座28与外壳14的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

优选，张力杆17与张力杆转轴16的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

优选，弹簧支承杆27与弹簧支承杆底座28的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

优选，角度传感器支架11与外壳14的连接方式为焊接、粘接或铆接。

优选，相机安装板24与张力杆17的的连接方式为螺纹连接、粘接或铆接。

本发明的创新在于提供了一种实现了走线装置的张力稳定、张力精确调控和减少走线摩擦的设计思路，予以分析如下：1）线筒10上的线29穿过过线轮23展开成直线形态后，线29的张力会通过过线轮23和张力杆17拉动弹簧25，同时，张力杆17、张力杆转轴16的转动同步带动角度传感器13的输入轴转动，角度传感器13将张力杆17的角度变化反馈给了控制计算机，控制计算机计算出实际张力值后，控制计算机对张力设定值和实际张力值进行比较并根据二者的偏差实现精确控制驱动电机4的转速（转速可用数字信号进行设置），进而使得本发明的走线装置的走线张力稳定；2）相机31采集镜头20前方的线29的图像，控制计算机对图像进行处理得到线的偏斜角a，并将偏斜角a与最大允许的线偏斜角为a _E 做比较，当偏斜角a不满足要求时，控制计算机控制滑台电机1驱动滑台3移动使得线筒10也相应移动，有效减少走线时由于线的偏斜所产生的线与线之间的滑动摩擦，从而减少走线过程中对线的损伤，当偏斜角a满足要求时，滑台电机1不工作。

技术效果如下，

与现有装置相比，本发明装置采用角度传感器准确测量线的张力，并据此对其进行精确控制，其大小可用数字信号进行设置；另外，对线的偏斜进行视觉测量和反馈控制，以减少走线时由于线的偏斜所产生的线与线之间以及线与过线轮之间的滑动摩擦，从而减少放线过程中对线的损伤。

本发明的装置尤其适用于变压器（特别是高压变压器）在绕制时不允许漆包线的漆膜受到损伤时的应用。

附图说明

图1为线29在过线轮23上的偏斜情况（线左偏）示意图。

图2为线29在过线轮23上的偏斜情况（线不偏斜）示意图。

图3为线29在过线轮23上的偏斜情况（线右偏）示意图。

图4为线29在线筒10上的不偏斜情况示意图。

图5为线29在线筒10上的偏斜情况示意图。

图6为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置的使用控制示意图。

图7为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置结构示意图。

图8为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置局部图。

图9为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置局部图。

图10为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置的线29偏斜角说明指示图。

图11为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置的线29偏斜角测量原理图。

图12为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置的测量张力的原理示意图。

图13（a）为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置使用时线29的偏斜情况（a < -a _E ）说明示意图。

图13（b）为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置使用时线29的偏斜情况（-a _E ≤a ≤ a _E ）说明示意图。

图13（c）为一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置使用时线29的偏斜情况（a > a _E ）说明示意图。

上述附图中的标识说明，其中，滑台电机1、滑台底座2、滑台3、驱动电机4、电机支架5、刚性联轴器6、定位圈7、线筒安装轴8、夹紧螺母9、线筒10、角度传感器支架11、柔性联轴器12、角度传感器13、外壳14、张力杆安装座15、张力杆转轴16、张力杆17、相机支架18、光源19、镜头20、背景板21、背景板支柱22、过线轮23、相机安装板24、弹簧25、止转销26、弹簧支承杆27、弹簧支承杆底座28、线29、挡圈30、相机31。

具体实施方式

实施例1

一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，包括滑台电机1、滑台底座2、滑台3、驱动电机4、电机支架5、刚性联轴器6、定位圈7、线筒安装轴8、夹紧螺母9、线筒10、角度传感器支架11、柔性联轴器12、角度传感器13、外壳14、张力杆安装座15、张力杆转轴16、张力杆17、相机支架18、光源19、镜头20、背景板21、背景板支柱22、过线轮23、相机安装板24、弹簧25、止转销26、弹簧支承杆27、弹簧支承杆底座28、线29、挡圈30、相机31，

如图7所示，滑台3安装于滑台底座2上，并且滑台电机1驱动滑台3沿滑台底座2直线移动；驱动电机4通过电机支架5用螺钉固定在滑台3上并随滑台3直线移动，刚性联轴器6一端与驱动电机4的输出轴连接，另一端与线筒安装轴8连接，线筒安装轴8穿过线筒10与其固定连接，线筒安装轴8一端穿过定位圈7与刚性联轴器6连接，另一端穿过定位圈7后通过夹紧螺母9紧固，使得驱动电机4转动时带动线筒10同步转动，此外，线筒安装轴8的中心线平行于滑台3直线运动的方向；

如图7和8所示，张力杆安装座15和弹簧支承杆底座28焊接固定在外壳14上，张力杆安装座15中心有孔，张力杆17为倒置“L”状，其远离过线轮23的一端焊接固定在张力杆转轴16的一端，其另一端安装有过线轮23，远离过线轮23的一端焊接固定在张力杆转轴16的一端，张力杆转轴16穿过张力杆安装座15上的孔并由两个挡圈30轴向固定在张力杆安装座15的孔中，并且张力杆转轴16能够绕张力杆安装座15的孔中心线转动，张力杆转轴16的另一端穿过外壳14侧板与柔性联轴器12连接，弹簧支承杆27焊接固定在弹簧支承杆底座28上，并与张力杆17通过弹簧25连接，使得弹簧支承杆27通过弹簧25给张力杆17提供反张力以平衡通过过线轮23传递的线29的张力，同时，止转销26安装于张力杆安装座15上靠近弹簧支承杆底座28的一侧用于限位，并且，张力杆安装座15、张力杆转轴16、弹簧支承杆底座28、线筒安装轴8的中心线相互平行，张力杆17的杆部的中心线与张力杆转轴16的中心线垂直；

如图7和图8所示，角度传感器13用螺钉安装在角度传感器支架11上，角度传感器支架11用螺钉固定在外壳14上，张力杆转轴16和角度传感器13的输入轴通过柔性联轴器12连接，实现对张力杆17的转动角度的测量，进而可计算出张力；

如图7和图9所示，相机安装板24焊接在张力杆17的靠近过线轮23的同一侧，相机31通过相机支架18固定在相机安装板24上，光源19套装在镜头20上用于照亮镜头前的线29以获取线29的清晰图像，背景板21通过背景板支柱22安装在相机安装板24上，并且背景板21的面积覆盖相机31的视野，背景板21面向相机31视野一侧的表面的颜色单一均匀，并且与线29的颜色有较大的差别，从而使相机31所获得的线29的图像中除了线29以外只有简单的背景，易于识别线29和计算其偏斜角度，另外，相机安装板24的上面略向过线轮23一侧倾斜，以使镜头20的光轴与附近的线29垂直或近似垂直。

使用时，先对外部操作控制系统进行调试，如图6所示，包括控制计算机、角度传感器接口、相机接口、运动控制器接口、运动控制器、两个电机驱动器、键盘及显示装置、人机接口和网络通信接口，其中，角度传感器13通过角度传感器接口与控制计算机连接，角度传感器13如果是精密塑料电位器，则角度传感器接口由A/D转换器组成，角度传感器13如果是光电编码器，则使用专用光电编码器接口；相机31通过相机接口与控制计算机连接，相机接口根据所使用的相机的种类不同可以是USB接口、以太网接口或专用CameraLink接口等；驱动电机4和滑台电机1分别先后经过电机驱动器、运动控制器、运动控制器接口与控制计算机连接，运动控制器接口视所用运动控制器不同可以是ISA接口、USB接口、PCI接口、PCIE接口等；电机驱动器根据所用驱动电机4和滑台电机1的种类不同选用，可以是步进电机驱动器或伺服放大器；键盘及显示装置通过人机接口与控制计算机相连，用于输入控制参数（如张力设定值）和显示工作信息；网络通信接口用于连接其它计算机实现网络数字通信，可以是RS-485、RS-232C接口或以太网接口等。

对线29的偏斜角进行测量和反馈调整控制工作如下所述，如图10、11所示，记过线29的AB段并平行于线筒10的中心线的平面为P _d ，线段AC位于平面P _d 上，过A点且垂直于线筒10的中心线，则线29的偏斜角定义为AB与AC的夹角a。记A、B、C三点在像机31的像平面上对应点分别为A’、B’、C’，记A’B’与A’C’的夹角为a’，显然，a’与a相等。

相机31采集图像并通过相机接口传送给控制计算机，控制计算机对图像进行滤波后，对线29的图像进行细线化处理，然后进行直线拟合得到线29的斜率，计算出所述夹角a’。

如图7、9、10所示，在走线过程中，采集相机31的镜头20前方的线29的图像，对图像进行处理得到线的偏斜角a，设最大允许的线偏斜角为a _E ，如图13（a、b、c）所示，偏斜角有三种情况：图13(a): a < -a _E 、图13(b): -a _E ≤a ≤ a _E 、图13(c): a > a _E ，在图13(a)所示情况下，控制器控制滑台电机1转动，使滑台3带动固定安装在其上的驱动电机4和线筒10整体向图7中右侧移动，减小线29的偏斜角，直至达到图13(b)中所示的情况为止；在图13(c)所示情况下，控制器控制滑台电机1转动，使滑台3带动固定安装在其上的驱动电机4和线筒10整体向图7中左侧移动，减小线29的偏斜角，直至达到图13(b)中所示的情况为止；在图13(b)所示情况下，线29的偏斜角满足要求，不需要调整。

张力控制工作如下所述，如图12所示，线29的张力T作用于过线轮23上，产生合力F _L ，F _L 通过过线轮23作用于张力杆17上，记张力杆17的旋转中心O与F _L 的作用线之间的距离为d ₁；弹簧25作用于张力杆17的弹性力记为F _S ，记张力杆17的旋转中心O与F _S 的作用线之间的距离为d ₂；线29的张力稳定时，F _L 产生的转矩与F _S 产生的转矩相平衡，即F _L ·d ₁ = F _S ·d ₂，不同的张力T对应不同的F _L ，进而对应不同的F _S ，不同的F _S 则对应弹簧25不同的变形量，也对应不同的张力杆17的转角b，由于角度传感器13的输入轴与张力杆转轴16通过柔性联轴器12连接，则张力杆17的转角与角度传感器13的转角相同，即不同的张力T对应角度传感器13不同的转角，并确定二者之间的对应关系，因此，控制计算机通过测量角度传感器13的转角测量线29的张力。

如图7和图8所示，线筒10上的线29穿过过线轮23展开成直线形态，线29的张力会通过过线轮23和张力杆17拉动弹簧25变形，弹簧25的弹性力改变，以平衡线29的张力，同时，张力杆17以及张力杆转轴16转动，进而带动角度传感器13的输入轴转动，角度传感器13将张力杆17的角度位置的变化反馈给控制器，控制器据此计算出实际张力值，张力设定值可以通过键盘输入或通过网络通信接口由其它计算机传入，控制器比较张力设定值和通过角度传感器13测量得到的实际张力值的大小，根据它们的偏差的大小控制驱动电机4的转速，控制算法可以是带死区的开关控制、PID控制或其它控制算法，本例中以带死区的开关控制算法为例说明控制原理。

假设张力设定值为T ₀，死区设定值为d _T ，实际张力为T，则当T>T ₀+d _T 时，则每个控制周期内控制器控制线筒驱动电机4的转速增大一个预设的值d _n ，直到T≤T ₀+d _T 为止；反之，若T<T ₀-d _T ，则每个控制周期内控制器控制驱动电机4的转速减小一个预设的值d _n ，直到T≥T ₀-d _T 为止。

然后，所述控制器中的控制计算机通过运动控制器接口、运动控制器、电机驱动器控制驱动电机4的启停、旋转方向和转速，进而控制线筒10的旋转；所述控制器中的控制计算机通过运动控制器接口、运动控制器、电机驱动器控制滑台电机1的启停、旋转方向、转速和角位移，进而控制滑台3的直线运动。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于包括滑台电机（1）、滑台底座（2）、滑台（3）、驱动电机（4）、电机支架（5）、刚性联轴器（6）、定位圈（7）、线筒安装轴（8）、夹紧螺母（9）、线筒（10）、角度传感器支架（11）、柔性联轴器（12）、角度传感器（13）、外壳（14）、张力杆安装座（15）、张力杆转轴（16）、张力杆（17）、相机支架（18）、光源（19）、镜头（20）、背景板（21）、背景板支柱（22）、过线轮（23）、相机安装板（24）、弹簧（25）、止转销（26）、弹簧支承杆（27）、弹簧支承杆底座（28）、线（29）、挡圈（30）、相机（31），

滑台底座（2）水平安装于外壳（14）底部，滑台（3）安装于滑台底座（2）上，并且滑台电机（1）驱动滑台（3）沿滑台底座（2）直线往复移动；

驱动电机（4）通过电机支架（5）固定在滑台（3）上并随滑台（3）直线移动，刚性联轴器（6）一端与驱动电机（4）的输出轴连接，另一端穿过外壳（14）侧板下方与线筒安装轴（8）连接，线筒安装轴（8）穿过线筒（10）中心线与其固定，线筒安装轴（8）一端穿过定位圈（7）与刚性联轴器（6）连接，另一端穿过定位圈（7）后通过夹紧螺母（9）紧固，使得驱动电机（4）转动时带动线筒（10）同步转动，此外，线筒安装轴（8）的中心线平行于滑台（3）直线往复运动的方向；

张力杆安装座（15）和弹簧支承杆底座（28）固定在外壳（14）侧板的外壁上方，且张力杆安装座（15）中心有孔，张力杆（17）为倒置“L”状，其远离过线轮（23）的一端焊接固定在张力杆转轴（16）的一端，其另一端安装有过线轮（23），张力杆转轴（16）穿过张力杆安装座（15）上的孔并由两个挡圈（30）轴向固定在张力杆安装座（15）的孔中，并且张力杆转轴（16）能够绕张力杆安装座（15）的孔中心线转动，张力杆转轴（16）的另一端穿过外壳（14）侧板与柔性联轴器（12）连接，

角度传感器（13）安装在角度传感器支架（11）上，角度传感器支架（11）固定在外壳（14）侧板内壁上，张力杆转轴（16）和角度传感器（13）的输入轴通过柔性联轴器（12）连接；

相机安装板（24）焊接在张力杆（17）的靠近过线轮（23）的同一侧，相机（31）通过相机支架（18）固定在相机安装板（24）上，光源（19）安装于镜头（20）和相机（31）之间用于照亮镜头前的线（29）以获取线（29）的清晰图像，背景板（21）通过背景板支柱（22）安装在相机安装板（24）上，并且背景板（21）的面积覆盖相机（31）的视野；

弹簧支承杆（27）焊接固定在弹簧支承杆底座（28）上，并与张力杆（17）通过弹簧（25）连接，使得弹簧支承杆（27）通过弹簧（25）给张力杆（17）提供反张力以平衡通过过线轮（23）传递的线（29）的张力，同时，止转销（26）安装于张力杆安装座（15）上靠近弹簧支承杆底座（28）的一侧用于对张力杆（17）限位，

并且，张力杆安装座（15）、张力杆转轴（16）、弹簧支承杆底座（28）、线筒安装轴（8）的中心线相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于背景板（21）面向相机（31）视野一侧表面颜色为纯色并且与线（29）的颜色有较大的差别。

3.根据权利要求1所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于相机安装板（24）略向过线轮（23）一侧倾斜使镜头（20）的光轴与附近的线（29）垂直或近似垂直。

4.根据权利要求1所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于角度传感器（13）为精密塑料电位器或光电编码器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于张力杆安装座（15）和弹簧支承杆底座（28）与外壳（14）的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于张力杆（17）与张力杆转轴（16）的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于弹簧支承杆（27）与弹簧支承杆底座（28）的连接方式为螺纹连接、粘接、铆接或过盈连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于角度传感器支架（11）与外壳（14）的连接方式为焊接、粘接或铆接。

9.根据权利要求1-4任一项所述的一种能够有效减少滑动摩擦的高精度张力可调控的走线装置，其特征在于相机安装板（24）与张力杆（17）的的连接方式为螺纹连接、粘接或铆接。

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