CN111958320B - 一种集成式刀柄实时监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提供了一种集成式刀柄实时监测系统及其方法，该系统包括：刀柄结构体、力传感器组件、振动传感器、电源系统模块、信息处理‑采集模块和无线传输模块；所述力传感器组件和所述振动传感器均与所述电源系统模块、信息处理‑采集模块和无线传输模块相连；将压电测力传感器和电容式加速度传感器集成于刀柄结构体，并配合使用电源系统模块、信息处理‑采集模块、无线传输模块，以合理的结构安排形成一体化集成式刀柄系统，既可以伴随机床主轴完成旋转切削，也可以实时在线采集切削力和振动信号，同时将信息无线传输给PC端，进行后续的信号存储与分析。使用该刀柄系统进行监测，具有高精度、高灵敏度、高稳定性的性能优势。

Description

一种集成式刀柄实时监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及切削力和振动监测技术领域，更具体的说是涉及一种集成式刀柄实时监测系统及其方法。

背景技术

刀具系统，作为在加工系统中重要的组成成分，其状态对产品质量、加工效率、生产安全性以及制造成本等均有着很大程度的影响。为确保系统在良好加工状态下进行自动化和智能化生产，制造业领域将切削过程监测技术引入加工系统，利用传感器对加工过程的相关信号进行采集，实现对刀具状态的实时在线监控。

切削过程监测技术按监测的物理特征信号类型可以分类为：切削力监测技术、振动监测技术、声发射监测技术和温度监测技术等。其中，切削力和振动信号与刀具磨损最为相关，故而采用切削力和振动监测技术来对系统状态进行表征识别是最为常见且有效的方法。

在对相关信号采集的过程中，传感器的安装位置会对信号采集结果造成极大的影响。传统的安装方式，一般将传感器固定在机床主轴、工作台或工件等位置上，这在一定程度上造成原有加工系统结构的改变，同时传感器与切削点间的距离较大，且二者相对位置的不断变化，引起信号在传输中的衰减程度增大，也易受到噪声的干扰，降低信号的精确性和稳定性，进而影响系统状态的识别精度。

伴随着集成技术、信息技术以及制造技术的不断发展，将传感器集成于刀柄结构，配合使用多种信息模块，组成智能刀柄系统，是提升监测技术精度的有效手段。

因此，如何提供一种灵敏、精确的集成式刀柄实时监测系统及其方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种集成式刀柄实时监测系统及其方法，其目的在于提供一种用于铣削过程中能对力和振动进行监测的集成式刀柄系统，灵敏、精确地实现对力和振动信号的采集、处理、记录和传输。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成式刀柄实时监测系统，包括：刀柄结构体，所述刀柄结构体的上端固定连接于机床主轴，下端固定连接铣刀；还包括：力传感器组件、振动传感器和信息处理-采集模块；所述力传感器组件和所述振动传感器均与所述信息处理-采集模块相连；

所述刀柄结构体的上端为固连机床主轴部分，所述固连机床主轴部分的下端内部径向上设置有振动传感器集成内腔，所述振动传感器安装于所述振动传感器集成内腔之中；

所述固连机床主轴部分的下方设置有总集成内腔，所述总集成内腔的上顶面设置有晶体凹槽，所述力传感器组件安装于所述晶体凹槽内；

所述力传感器组件包括八个石英晶体，所述八个石英晶体每隔45°均匀设置于所述晶体凹槽内；

其中，八个所述石英晶体均分为两组，分别为第一晶组和第二晶组，所述第一晶组内的石英晶体均包括2组Y0°切型晶片和1组X0°切型晶片，所述第二晶组内的石英晶体均包括1组Y0°切型晶片，且所述第一晶组与所述第二晶组交错均匀分布于所述晶体凹槽内，相邻的两个石英晶体不属于同一个晶组；

所述信息处理-采集模块与所述力传感器组件和所述振动传感器均电连接，且所述信息处理-采集模块安装于所述总集成内腔中。

需要说明的是：

四向力的测量原理为以四个测力点的三向监测值的合力分别作为三向力的测量值，再以四个测扭矩点的径向力作为数据基础，以“力×力臂”的模式解算轴向扭矩。

其中振动传感器采用MEMS技术支撑的电容式加速度传感器，加工过程中的振动使得传感器的电容片产生相对位移，进而引起电容值的改变，据此可解算出振动测量值。

采用上述技术方案的有益效果：

选用压电式测力传感器，可以增加切削力的测量范围，适用于低速、高速以及超高速的切削过程，在动态力的测量上具备出色的稳定性和精确性。石英晶组采用八点支撑布局的排列方式，测力点和测扭矩点有效区分，一定程度地减小三向力对轴向扭矩的耦合作用，提升测量的准确性。对晶组做防潮处理，可延长测力传感器的使用寿命。

优选的，每个所述晶体槽集成晶体后进行封装用于防潮。

优选的，所述振动传感器通过振动传感器载体安装在所述振动传感器集成内腔内，所述振动传感器的中心轴线与所述刀具结构体中心轴线保持一致。

需要说明的是：

将振动传感器的中心轴线同刀具结构体中心轴线保持一致，用以消除测量过程中的横向效应。

采用上述技术方案的有益效果：

采用MEMS技术支撑的电容式加速度传感器，既可以满足振动测量的频率范围要求，也可以凭借自身体积小的优势满足集成操作的需求。同时，利用传感器载体完成封装，可以有效消除测量过程中传感器的横向效应，也便于实施后续的拆装、调整和维修等过程。

优选的，所述信息处理-采集模块包括信号处理电路板和单片机微处理器；

所述信号处理电路板上设置有信号放大电路、负电压转正电压电路和AD转换电路，所述力传感器组件与所述信号放大电路电连接，所述信号放大电路依次与所述负电压转正电压电路和所述AD转换电路相连，所述振动传感器与所述AD转换电路相连，所述AD转换电路与所述单片机微处理电连接。

采用上述技术方案的有益效果：

通过放大处理将微弱的电压信号进行有效增强，再通过电路处理将负电压信号转为正电压信号，最后通过AD转换处理将模拟信号转换为数字信号，这些处理操作使得信号的通信性和抗干扰能力显著提升。设置防护罩有利于对电路板的保护。

优选的，所述信号处理电路板上设置有防护罩，所述总集成内腔的底板上设置有充电口。

优选的，还包括电源模块，所述电源模块包括可充电式锂电池和电源电路；

所述可充电式锂电池至少包括两组，并均匀设置于所述总集成内腔中；

所述电源电路包括充电电路、供电电路、DC-DC电压转换电路和控制开关电路；

所述充电电路与所述可充电式锂电池相连，所述可充电式锂电池依次与所述供电电路和所述DC-DC电压转换电路相连，所述控制开关电路与所述充电电路和供电电路相连。

需要说明的是：

为满足系统中各元件的工作电压，可将多节锂电池进行串联，并分置固定于刀柄两侧的电池模块集成内腔中。

控制开关通过调控开关实现充电电路和供电电路工作状态的切换。采用DC-DC电压转换电路，将锂电池电压进行合理分载，使得各元件处于正常工作电压状态。电源电路板固定于刀柄系统的电路系统集成内腔中，并对电源电路板设置防护罩。刀柄结构体上的充电口，在充电状态下与外接充电线进行连接，实现对系统的充电。

采用上述技术方案的有益效果：

采用可充电式锂电池，避免电池的频繁更换，满足刀柄系统较长的工作时间需求。同时，可充电式锂电池均匀设置于所述总集成腔体中内，可维持全系统质量的对称平衡，有效提升刀柄的固有频率和动平衡性。由于刀柄系统各元件的工作电压不同，采用DC-DC电压转换模块可确保各元件处于正常工作电压状态，避免各元件由于电压过载出现的损坏。分置电池模块和电路系统，便于后续的检修、维护和元件更换。设置防护罩有利于对电路板的保护。

优选的，还包括无线传输模块，用于实现单片机微处理器与PC端之间的无线连接。

优选的，还包括封盖，所述封盖包括第一上封盖、第二上封盖和周向封盖；

所述第一上封盖与所述第二上封盖相适配，安装在所述总集成内腔之上，所述周向封盖安装在所述总集成内腔的外部。

优选的，所述振动传感器为电容式加速度传感器。

一种集成式刀柄实时监测方法，包括以下步骤：

S1.以第一晶组中的四个石英晶体作为测力点，以第二晶体中的四个石英晶体作为测扭矩点，实时通过四个测力点的三向监测值的合力分别作为三向力的测量值，以四个测扭矩点的径向力作为数据基础，解算轴向扭矩，并将所得到的三向力的测量值和轴向扭矩实时发送至信息处理-采集模块；

S2.实时通过振动传感器采集振动测量值，并将所得到的振动测量值实时发送至信息处理-采集模块；

S3.通过信息处理-采集模块对所获取到的信息进行处理、读取和记录。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种集成式刀柄实时监测系统及其方法，将压电测力传感器和电容式加速度传感器集成于刀柄结构体，并配合使用电源系统模块、信息处理-采集模块、无线传输模块，以合理的结构安排形成一体化集成式刀柄系统，既可以伴随机床主轴完成旋转切削，也可以实时在线采集切削力和振动信号，同时将信息无线传输给PC端，进行后续的信号存储与分析。使用该刀柄系统进行监测，具有高精度、高灵敏度、高稳定性的性能优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的整体结构示意图；

图2附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的各模块之间信号传递流程示意图；

图3附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的各晶组构成和排布方式示意图；

图4附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的第一晶组的结构示意图；

图5附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的第二晶组的结构示意图；

图6附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的振动传感器原理示意图；

图7附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的刀柄结构体的装配体示意图；

图8附图为本实施例提供的总集成内腔结构分配示意图；

图9附图为本发明一种集成式刀柄实时监测系统提供的刀柄结构体整体结构示意图；

其中，1—刀柄结构体，2—力传感器的压电石英晶组一，3—力传感器的压电石英晶组二，4—振动传感器集成内腔，5—上端封盖一，6—振动传感器载体，7—振动传感器，8—开关口，9—周向封盖，10—充电口，11—力传感器集成内腔，12—上端封盖二，13—电池模块集成内腔一，14—信息处理-采集-传输集成内腔，15—电池模块集成内腔二，16—电路系统集成内腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种集成式刀柄实时监测系统及其方法。

该系统包括：刀柄结构体1、力传感器组件(由第一晶组2、第二晶组3构成和集成板)、振动传感器7、电源系统模块、信息处理-采集模块、无线传输模块、导线、封装外壳，该系统与PC端无线连接。

刀柄结构体1内部设置总集成内腔和导线通道，总集成内腔包括：测力传感器集成内腔11、振动传感器集成内腔4、电池模块集成内腔15、电路系统集成内腔16、信息处理-采集-传输集成内腔14；

导线通道为各模块间的连接导线提供布设空间。力传感器的各晶组置于力传感器集成内腔11，配合上端封盖一5和上端封盖二12，利用紧固螺钉实现力传感器的集成与固定封装。振动传感器7通过螺钉固连在振动传感器载体6上，振动传感器载体6置于振动传感器集成内腔4，使用螺钉将传感器载体6与刀柄结构体1进行固定，实现振动传感器的集成。

电源系统模块分为可充电式锂电池和电路系统两部分，可充电式锂电池分置粘贴固定于刀柄结构体1两侧的电池模块集成内腔一13和电池模块集成内腔二15中，电路系统焊接于电源系统电路板上，粘贴固定于电路系统集成内腔16中。

信息处理-采集模块中的处理功能芯片、单片机微处理器和相应的使用电路焊接在信号处理-采集电路板上，粘贴固定于信息处理-采集-传输集成内腔14中。无线传输模块中的芯片和电路焊接在信号传输电路板上，粘贴固定于信息处理-采集-传输集成内腔14中。

力传感器、振动传感器7、电源系统模块、信息处理-采集模块和无线传输模块依照功能关系，通过导线进行连接。封装外壳包括上端封盖一5、上端

封盖二12和周向封装外壳9，上端封盖一5和上端封盖二12与力传感器相配合，利用紧固螺钉实现封装；周向封装外壳9与刀具结构体1相配合，利用螺栓实现封装。无线传输模块与PC端通过无线的模式进行连接。

集成式刀柄上端固连机床主轴，下端固连铣刀。将电源开关置于供电状态，可充电式锂电池对全系统进行供电，并通过DC-DC电压转换电路确保各元件处于正常工作电压状态。加工过程中，在PC端点击开始采集按钮，控制命令通过无线方式传送给单片机微控制器并使其处于工作状态，此时力传感器和振动传感器将感知到的力信号和振动信号转换为相应的电信号，通过导线进行传递，经放大、负电压转正电压以及AD转换等处理，读取记录在采集卡上，再以无线方式传输至PC端，进行存储以及一系列的分析过程。在PC端点击停止采集按钮，控制命令通过无线方式传送给单片机微控制器并中断其工作状态。

力传感器选择压电式测力传感器，在同一圆周(半径为r)的8个力传感器集成内腔中，分置一个压电石英晶组，并作防潮处理，八点支撑布局完成对三向力和轴向扭矩的测量。压电石英晶组由不同切型的压电石英晶片组合而成，各晶片采用正方形结构，并在中心处设置圆孔，方便固定。

位置(1)、(3)、(5)、(7)为测力点，晶轴所在坐标系为X₁Y₁，整体呈菱形分布，放置第一晶组2(由2组Y0°切型晶片和1组X0°切型晶片构成)；位置(2)、(4)、(6)、(8)为测扭矩点，晶轴所在坐标系为X₂Y₂，整体呈正方形分布，放置第二晶组3(由1组Y0°切型晶片构成，其中(2)和(6)的极化方向为X向，(4)和(8)的极化方向为Y向)。

各晶组置于力传感器集成内腔，上侧用端盖进行封装，并使用紧固螺钉实现端盖与刀具结构体1的连接以及压电晶组的固定。压电式测力传感器的工作电压为-10V和10V，输出电压范围为-10V～10V，信号频率约为2kHz。四向力的测量原理如下：当压电晶组受力产生电压信号，通过线性比例关系解算出力信号的数值。以四个测力点的三向监测值的合力分别作为F_x、F_y、F_z的测量值，再以(2)和(6)处的监测值F_x、(4)和(8)处的监测值F_y作为数据基础，以“力×力臂”的方式解算轴向扭矩。具体的计算方式如下：

F_xi＝k_xi·U_xi,F_yi＝k_yi·U_yi,F_zi＝k_zi·U_zi(i＝1,2,…,8)

F_x＝F_x1+F_x3+F_x5+F_x7

F_y＝F_y1+F_y3+F_y5+F_y7

F_z＝F_z1+F_z3+F_z5+F_z7

M_z＝(F_x2-F_y4-F_x6+F_y8)r

其中，k_xi、k_yi和k_zi分别为三向各晶组灵敏度比例系数，通过标定操作可以确定。

振动传感器7选择MEMS技术支撑的电容式加速度传感器，尺寸精小，便于集成。该传感器的测量范围为±10g，工作电压为5V，输出电压范围为0.5V～4.5V，信号频率约为2.4kHz。该传感器等效于一个差分式电容，上电级板和下电极板与中间电极板的距离均为y₀，两极板电容的初始电容值均为C₀，当产生振动时，传感器的两极板电容值发生改变，加速度值可通过电容变化量进行求解，公式如下：

其中，M为传感器质量，k为弹性系数。

电源系统模块，包括电池和电路两部分。电池采用可充电式锂电池，为满足系统中各元件的工作电压，将多节锂电池进行串联。电路包括充电电路、供电电路和DC-DC电压转换电路三部分。刀柄结构体1上设置开关口8，置入控制开关，通过开关调控实现充电电路和供电电路工作状态的切换；采用DC-DC电压转换电路，将锂电池电压进行合理分载，使得各元件处于正常工作电压状态。三部分电路焊接于电源系统电路板上，并对电路板设置防护罩。在刀柄结构体1上设置充电口10，外接充电线，可实现对刀柄系统的充电过程。

信息处理-采集模块包括：针对压电式测力传感器信号的放大、负电压转正电压和AD转换，由于该信号微弱且存在的负电压信号导致无法直接进行AD转换，可通过放大处理将微弱的电压信号进行有效增强，再通过电路处理将存在的负电压信号转为正电压信号，最后通过AD转换处理将模拟信号转换为数字信号；针对振动传感器信号的AD转换，由于该信号不存在负电压，仅作适当的分压处理即可直接进行AD转换。信息采集模块采用单片机微处理器，对处理好的数字信号进行读取和记录。将这些处理功能芯片、单片机微处理器和相应的使用电路一同焊接在信号处理-采集电路板上，并对电路板设置防护罩。各处理芯片、电路以及微控制器依靠电路板内部导线进行连接。根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于模拟信号最高频率的2倍时，采样后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍，据此设定采样频率为6kHz。

无线传输模块，采用WIFI传输设备，将单片机读取的信息传输给PC端。该设备具备覆盖范围广、传输速度快和信号损失小等优势特征。将该设备焊接在信号传输电路板上，并对电路板设置防护罩。

PC端接收无线传输来的力和振动信号数据，通过LabVIEW系统程序显示信号波形，实现数据的可视化。并将信号数据进行存储，以便后续对信号数据的一系列分析过程。此外，PC端设置命令界面，包括控制界面、设置界面、存储界面以及分析界面。

控制界面包括两种控制命令：开始采集和停止采集，通过点击操作按钮，将控制命令信号以无线的形式传输给刀柄系统，通过控制单片机微控制器的通断，实现对采集过程的控制。设置界面包括：参数化设置和个性化设置，参数化设置可对信号采集过程的相关参数进行调整，个性化设置可根据用户自身需求进行选择。存储界面包括：存储和导出，存储可实现数据信号在计算机硬盘上的记录，导出可实现数据信号的多种表达和管理方式。分析界面包括：时域、频域和时频域，通过三种分析手段，有效提取信号的有关特征。

信号分析的目的是提取信号的有关特征，用以评估系统状态。信号分析可分为三种模式：时域分析、频域分析和时频域分析，对应提取的特征分别为时域特征、频域特征和时频域特征。时域特征可以反映出信号随加工时间的变化以及发展趋势，进而确定某些明显现象的发生与否。频域特征可以反映出信号的频率成分以及频率能量的分布状况，据此将不受干扰或对磨损敏感的频带信号过滤出来，从而对频谱中特定的周期成分进行分析和对比。时频域特征可以反映出非平稳或准平稳条件下敏感尺度信号的相关信息，是与加工系统状态更为相关的特征量，为加工过程的监测与控制提供有效依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种集成式刀柄实时监测系统，包括：刀柄结构体，所述刀柄结构体的上端固定连接于机床主轴，下端固定连接铣刀；其特征在于，还包括：力传感器组件、振动传感器和信息处理-采集模块；所述力传感器组件和所述振动传感器均与所述信息处理-采集模块相连；

所述刀柄结构体的上端为固连机床主轴部分，所述固连机床主轴部分的下端内部径向上设置有振动传感器集成内腔，所述振动传感器安装于所述振动传感器集成内腔之中；

所述固连机床主轴部分的下方设置有总集成内腔，所述总集成内腔的上顶面设置有晶体凹槽，所述力传感器组件安装于所述晶体凹槽内；

所述力传感器组件包括八个石英晶体，所述八个石英晶体每隔45°均匀设置于所述晶体凹槽内；

其中，八个所述石英晶体均分为两组，分别为第一晶组和第二晶组，所述第一晶组内的石英晶体均包括2组Y0°切型晶片和1组X0°切型晶片，所述第二晶组内的石英晶体均包括1组Y0°切型晶片，且所述第一晶组与所述第二晶组交错均匀分布于所述晶体凹槽内，相邻的两个石英晶体不属于同一个晶组；

包括以下步骤：

S1.以第一晶组中的四个石英晶体作为测力点，以第二晶体中的四个石英晶体作为测扭矩点，实时通过四个测力点的三向监测值的合力分别作为三向力的测量值，以四个测扭矩点的径向力作为数据基础，以“力×力臂”的方法解算轴向扭矩，并将所得到的三向力的测量值和轴向扭矩实时发送至信息处理-采集模块；

S2.实时通过振动传感器采集振动测量值，并将所得到的振动测量值实时发送至信息处理-采集模块；

S3.通过信息处理-采集模块对所获取到的信息进行处理、读取和记录；

所述信息处理-采集模块与所述力传感器组件和所述振动传感器均电连接，且所述信息处理-采集模块安装于所述总集成内腔中。

2.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，每个所述晶体槽集成晶体后进行封装用于防潮。

3.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，所述振动传感器通过振动传感器载体安装在所述振动传感器集成内腔内，所述振动传感器的中心轴线与所述刀具结构体中心轴线保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，所述信息处理-采集模块包括信号处理电路板和单片机微处理器；

所述信号处理电路板上设置有信号放大电路、负电压转正电压电路和AD转换电路，所述力传感器组件与所述信号放大电路电连接，所述信号放大电路依次与所述负电压转正电压电路和所述AD转换电路相连，所述振动传感器与所述AD转换电路相连，所述AD转换电路与所述单片机微处理电连接。

5.根据权利要求4所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，所述信号处理电路板上设置有防护罩，所述总集成内腔的底板上设置有充电口。

6.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括可充电式锂电池和电源电路；

所述可充电式锂电池至少包括两组，并均匀设置于所述总集成腔体中内；

所述电源电路包括充电电路、供电电路、DC-DC电压转换电路和控制开关电路；

所述充电电路与所述可充电式锂电池相连，所述可充电式锂电池依次与所述供电电路和所述DC-DC电压转换电路相连，所述控制开关电路与所述充电电路和供电电路相连。

7.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，还包括无线传输模块，用于实现单片机微处理器与PC端之间的无线连接。

8.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，还包括封盖，所述封盖包括第一上封盖、第二上封盖和周向封盖；

所述第一上封盖与所述第二上封盖相适配，安装在所述总集成内腔之上，所述周向封盖安装在所述总集成内腔的外部。

9.根据权利要求1所述的一种集成式刀柄实时监测系统，其特征在于，所述振动传感器为电容式加速度传感器。

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