CN112757206A - 一种抗冲击的自动拧紧扳手及其自拧紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冲击的自动拧紧扳手及其自拧紧方法，属于装配工具技术领域，解决了现有技术中的装配工具难以实现自拧紧以及拧紧时带来的反作用力增大了劳动强度，容易造成工人疲劳、反应迟钝、注意力不集中的问题。本发明包括：驱动组件、传动组件和输出组件；所述驱动组件包括：电机内转子和电机外转子；输出组包括：脉冲器和输出轴；电机内转子与输出轴固定连接；电机外转子通过轴承安装在扳手外壳内；脉冲器能够对输出轴输出脉冲冲击，冲击力用于拧紧螺栓，避免拧紧冲击的反作用力作用于人体。

Description

一种抗冲击的自动拧紧扳手及其自拧紧方法

技术领域

本发明涉及装配工具技术领域，尤其涉及一种抗冲击的自动拧紧扳手及其自拧紧方法。

背景技术

螺栓连接是生产制造领域中最常用的紧固方式之一，适用于连接两个或两个以上的零部件，具有装配方便、拆卸简单、效率高、成本低的优点，尤其适合于需要重复装拆结构的连接和临时性连接。一般使用扭矩扳手等螺栓装配工具安装和拆卸螺栓，使拧紧操作更加省力化、机械化和自动化。

现有扭矩扳手虽然在一定程度上减轻了工人的负担，但均无法做到自拧紧将扳手套筒与待拧紧螺栓接合后，拧紧工作中不需要操作者提供支撑的拧紧动作，在使用中需要操作人员手臂支撑装配工具拧紧时带来的反作用力。目前的生产制造中，该反作用力的存在会加大工人劳动强度，降低生产效率。

现有的螺栓装配工具从省力原理上可分为两种，一种是采用减速原理的手动增力扳手；另一种是通过设置飞轮等方式抵消反作用力的低反作用力扳手。现有的扳手在使用中仍然需要工人提供拧紧力。

综上，现有的螺栓装配工具中，低反作用力扳手在拧紧过程中存在加速力矩作用于操作人员，而大螺栓装配工具或增力扳手在工作时损失了空间尺寸和工作速度，且对反作用力仅起到减小的效果，均没有做到在拧紧过程中对操作者基本无反作用力。反作用力的存在增大了工人的劳动强度，容易造成疲劳，反应迟钝，注意力不集中等负面影响，不符合人体工程学的要求，将直接影响劳动效率、工作质量和安全。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种抗冲击的自动拧紧扳手及其自拧紧方法，用以解决现有的螺栓装配工具均无法做到自拧紧将扳手套筒与待拧紧螺栓接合后，拧紧工作中不需要操作者提供支撑的拧紧动作，即在使用中需要操作人员手臂支撑装配工具拧紧时带来的反作用力。反作用力的存在增大了工人的劳动强度，容易造成疲劳，反应迟钝，注意力不集中等负面影响，不符合人体工程学的要求，将直接影响劳动效率、工作质量和安全的问题。基于上述现有螺栓装配工具对工人普遍存在反作用力的背景，通过研发一款螺栓装配工具，实现在拧紧过程中对操作者的反作用力基本为零，从而大幅降低劳动强度，满足人体工程学的要求，提高劳动生产效率是十分有必要的。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种抗冲击的自动拧紧扳手，包括：驱动组件、传动组件和输出组件；驱动组件包括：电机内转子和电机外转子；输出组包括：脉冲器和输出轴；电机内转子与输出轴固定连接；电机外转子通过轴承安装在扳手外壳内；脉冲器能够对输出轴输出脉冲冲击。

进一步地，传动组件包括第一连接杆和行星轮系。

进一步地，行星轮系包括：太阳轮、行星轮、行星架和齿圈；齿圈通过第一连接杆与电机外转子固定连接。

进一步地，太阳轮上设有中间通孔；输出轴穿过中间通孔与被拧紧对象配合。

进一步地，行星架与输出轴同轴且固定连接。

进一步地，脉冲器包括：主动冲击部件、滚子和活塞；活塞安装在输出轴上；滚子滚动安装在活塞的端部，且与主动冲击部件的内表面接触。

进一步地，主动冲击部件与太阳轮之间通过超越离合器连接。

进一步地，主动冲击部件为筒形，套设在输出轴的外部，且能够相对旋转。

进一步地，主动冲击部件的内侧设有内部凸起；内部凸起能够通过滚子和活塞冲击输出轴。

进一步地，内部凸起对称设置在主动冲击部件上。

进一步地，活塞有两个，且对称安装在输出轴上；活塞在输出轴上径向安装，且能够径向相对滑移；两个活塞之间设有复位弹簧。

进一步地，脉冲器还包括凸轮轴；凸轮轴与主动冲击部件固定连接，且凸轮轴设置在两个活塞之间，用于实现活塞的强制复位。

一种自动拧紧扳手的自拧紧方法，采用上述抗冲击的自动拧紧扳手对螺栓进行拧紧，包括以下步骤：

步骤S1：将扳手的输出轴的底部与螺栓配合；输出轴与螺栓配合后，螺栓能够与输出轴同步旋转；

步骤S2：启动电机，电机内转子带动输出轴旋转对螺栓进行预拧紧；预拧紧完成时，螺栓的螺头底面与被连接件的上表面贴合；

步骤S3：预拧紧完成后，电机内转子、行星架和输出轴在螺栓的阻挡下停转；超越离合器结合，电机外转子通过行星轮系带动太阳轮旋转；主动冲击部件同步太阳轮旋转，并通过内部凸起冲击滚子、活塞和输出轴；输出轴在主动冲击部件的冲击下发生角度偏转拧紧螺栓。

步骤S4：重复步骤S3，直至螺栓与被连接件完全固定。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

本发明通过将脉冲器与行星轮系相组合，且电机定子、转子均不固定，实现在拧紧过程中不需要操作者承担拧紧中的反作用力，从而大幅降低劳动强度，满足人体工程学的要求，提高劳动生产效率。

本发明的自拧紧扳手工作时，电机外转子驱动主动冲击部件旋转，当内部凸起与滚子接触时，两者发生碰撞使滚子受到冲击力，随后传递给活塞，并进一步带动输出轴旋转θ角度拧紧螺栓。碰撞过程中滚子与活塞被向内压缩，复位弹簧用于碰撞之后滚子和活塞的复位，保证持续稳定的脉冲冲击。

本发明设置凸轮轴用于强制复位，目的是防止工作过程中的零件变形导致活塞与滚子无法由弹簧力复位的情况。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的自动拧紧扳手的整体结构示意图；

图2为本发明的脉冲器截面图；

图3为本发明的自动拧紧扳手工作原理示意图。

附图标记：

1－扳手外壳；2－轴承；3－第一连接杆；4－行星轮系；5－齿圈； 6－行星轮；7－第二连接杆；8－脉冲器；9－输出轴；10－电机内转子； 11－电机外转子；12－太阳轮；13－超越离合器；14－行星架；15－螺栓；16－被连接件；17－底座；18－内部凸起；19－滚子；20－活塞；21－复位弹簧；22－主动冲击部件；23－凸轮轴。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种抗冲击的自动拧紧扳手，包括：包括扳手外壳1、动力组件、传动组件和输出组件；其中，动力组件包括电机外转子11和电机内转子10，电机外转子11和电机内转子10能够相对旋转并通过电机内转子10输出转速，电机外转子11与扳手外壳1 通过轴承2装配；传动组件包括行星轮系4和超越离合器13，输出组件包括脉冲器8和输出轴9；输出组件通过传动组件与动力组件连接；脉冲器8能够对输出轴9输出脉冲冲击，输出轴9能够与被拧紧对象(例如螺钉)配合，带动被拧紧对象同步旋转。

本发明的抗冲击的自动拧紧扳手，工作时，对被拧紧对象(螺栓) 进行拧紧过程可分为脉冲碰撞输出扭矩和补充碰撞损失能量两部分，由于碰撞输出扭矩过程时间极短，因此反作用力主要存在于补充碰撞能量部分。

本发明的一种具体实施方式中，行星轮系4包括齿圈5、行星轮6、太阳轮12、行星架14。其中，齿圈5通过第一连接杆3与动力组件中的电机外转子11同轴且固定连接。太阳轮12上设有中心通孔，电机内转子10穿过太阳轮12的中心通孔与脉冲器8的输出轴9固定连接，太阳轮12通过超越离合器13与脉冲器8的主动冲击部件22连接，行星架14 与输出轴9固定连接。

超越离合器13是一种利用主动件和从动件的转速变化或回转方向变换而自动接合和脱开的一种离合器。当主动件带动从动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开以各自的速度回转时，称为超越状态。

超越离合器13(超越状态)时，超越离合器13分离，太阳轮12和脉冲器8的主动冲击部件22处于分离状态，太阳轮12和主动冲击部件 22以各自的速度独立旋转。超越离合器13结合后(结合状态)，将太阳轮12与脉冲器8的主动冲击部件22锁定。

本发明的一种具体实施方式中，输出轴9底端与螺栓15装配，通过输出轴9的旋转带动螺栓15拧紧，将被连接件16和底座17固定连接。

本发明的一种具体实施方式中，如图2、图3所示，脉冲器8包括：滚子19、活塞20、复位弹簧21、主动冲击部件22和凸轮轴23。

其中，凸轮轴23通过螺钉锁定在主动冲击部件22内部，主动冲击部件22为圆筒形，凸轮轴23设置在主动冲击部件22内部，且与主动冲击部件22通过螺钉固定连接，凸轮轴23与主动冲击部件22同步旋转。滚子19和活塞20均有两个，活塞20对称设置凸轮轴23的两侧，两个活塞20之间设有复位弹簧21，滚子19滚动安装在活塞20的半圆球形槽中。

进一步地，活塞20设置在输出轴9的内部，且在输出轴9的侧面上设有对称的两个柱形孔，两个活塞20的圆柱端均穿过柱形孔，且活塞20 能够在柱形孔内滑动，两个活塞之间安装有复位弹簧21。活塞20的轴线方向垂直于输出轴9的轴线方向，活塞20与输出轴9同步旋转，同时活塞20能够沿柱形孔方向相对于输出轴9滑移。

进一步地，滚子19凸出于输出轴9，且与主动冲击部件22的内表面接触。

进一步地，主动冲击部件22的内侧设有内部凸起18，内部凸起18 在主动冲击部件22的内表面上对侧设置。滚子19沿主动冲击部件22的内表面滚动时，内部凸起18会缩小主动冲击部件22的局部直径，即滚子19滚过内部凸起18时，两侧的内部凸起18推动两个活塞20同时向凸轮轴23的方向滑移，活塞20压缩复位弹簧21。

进一步地，输出轴9的上端通过第二连接杆7与电机内转子10固定连接，输出轴9下端与行星架14连接，且输出轴9的底端能够与螺栓15 装配。

进一步地，凸轮轴23与主动冲击部件22固定连接；凸轮轴23的横截面为扁平状椭圆形，且凸轮轴23的长度方向垂直于两个内部凸起18 的连线；如图3所示，当滚子19于内部凸起最高点接触时，活塞20与凸轮轴23的短轴接触，当滚子19逐渐偏离內部凸起18时，凸轮轴23 能够推动活塞20复位。

实施时，本发明的自动拧紧的扳手，电机外转子11与扳手外壳1通过轴承2连接；即电机内转子10和电机外转子11能够相对转动，电机外转子11与扳手外壳1能够相对转动，即电机外转子11和电机内转子 10均不固定。电机外转子11与行星轮系4中的齿圈5始终同轴固连；电机外转子11与齿圈5同步旋转。电机内转子10与输出轴9上端始终同轴固连；行星架14与输出轴9下端始终固连；电机内转子10与行星架 14同步旋转。

太阳轮12与脉冲器8的主动冲击部件22通过超越离合器13相连。

超越离合器13脱开时：太阳轮12与脉冲器8的主动冲击部件22互不干扰；行星架14、脉冲器8、输出轴9与电机内转子10同步旋转；齿圈5、第一连接杆3与电机外转子11同步旋转；电机内转子10与电机外转子11反向旋转，太阳轮12独立旋转且与电机外转子11反向。

超越离合器13结合时：太阳轮12与脉冲器8的主动冲击部件22同轴固连；主动冲击部件22与凸轮轴23固定连接；脉冲器8的主动冲击部件22和凸轮轴23与太阳轮12同步旋转。

进一步地，将螺栓15的螺栓头的下底面与被连接件16上平面接触之前的拧紧操作称为预拧紧，此时，电机外转子11与电机内转子10皆不固定，两者反向旋转；

预拧紧结束后，电机内转子10通过连接杆7和输出轴9将螺栓15 与被连接件16拧紧，电机内转子10基本固定；

预拧紧结束后，即当螺栓15接触到被连接件16的上表面时，电机内转子10固定，即输出轴9和行星架14固定，电机外转子11的动能通过行星轮系4换向后传递到主动冲击部件22，即电机外转子11的动能通过太阳轮12传递至脉冲器8的主动冲击部件，且太阳轮12和齿圈5(电机外转子)的转动方向相反，脉冲器8开始脉冲冲击动作，主动冲击部件22继续旋转并通过内部凸起18冲击滚子19，进而冲击活塞20和输出轴9，并依靠冲击产生的碰撞力带动输出轴9旋转，进一步拧紧螺栓15。

扳手的拧紧力来源于脉冲器8内部冲击产生的碰撞力，扳手的反作用力来源于冲击过后，由电机为主动冲击部件22充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺栓15与被连接件16之间的固定配合承担。

本发明的电机外转子是指在普通状态下的电机定子即用于固定在地面上的电机部分零件，在本发明中由于其在拧紧工作中会产生旋转，因此将电机定子与转子分别称为外转子和内转子。本发明的脉冲器是以脉冲的形式将能量间歇性地传递给输出部分的部件，其特点是通过相对长时间储能后快速释放从而产生较大的输出效果。

实施例2

本发明的一个具体实施例，提供一种自动拧紧扳手的自拧紧方法，采用实施例1中的扳手对螺栓进行拧紧，包括以下步骤：

步骤S1：将扳手的输出轴9的底部与螺栓15配合；输出轴9与螺栓 15配合后，螺栓15能够与输出轴9同步旋转；

步骤S1中，工作前，首先将螺栓15的一部分螺纹旋入到底座17的螺纹孔内。

步骤S2：启动电机，电机内转子10通过第二连接杆7带动输出轴9 旋转，对螺栓15进行预拧紧；预拧紧过程中，螺栓15逐渐拧入被连接件16内部，预拧紧完成时，螺栓15的螺头底面与被连接件16的上表面贴合。

打开电源开关后，电机外转子11与内转子10受内部电磁力的作用开始沿相反方向旋转，设此时内转子10为顺时针，外转子11为逆时针。

电机内转子10带动输出轴9开始预拧紧，此过程中输出轴9受到的阻力来源于螺栓15与底座17螺纹连接的摩擦力，可忽略不计，因此电机内转子10、输出轴9、行星架14同步顺时针旋转；主动冲击部件22 上的内部凸起18被安装在输出轴9上的滚子19推动使主动冲击部件22 与输出轴9同步旋转。电机外转子11与行星轮系4的齿圈5同步逆时针旋转，此时的行星轮系4为差动轮系，太阳轮12以某一转速稳定运转太阳轮的转速和转向由定子与转子的转速及行星轮系各部件的齿数决定，

预拧紧阶段的太阳轮12的转向为逆时针时，主动冲击部件22为顺时针旋转，太阳轮12相对于主动冲击部件22逆时针旋转，因此超越离合器13不结合，太阳轮12与主动冲击部件22互不干扰；随着输出轴9 带动螺栓15继续向下拧紧，直到螺栓15的头部贴合至被连接件16的上表面，预拧紧完成。

步骤S3：预拧紧完成后，电机内转子10在螺栓15的阻挡下停转；此时电机内转子10、输出轴9、行星架14、螺栓15停止快速旋转，电机外转子11继续旋转；超越离合器13结合，脉冲器8的主动冲击部件22 通过超越离合器13与太阳轮12固定连接；

具体地，由于行星架14与输出轴9相固连，因此行星架14固定，行星轮系4由差动轮系演变为定轴轮系，以逆时针方向旋转的电机外转子11经过行星轮系4换向后，带动太阳轮12以顺时针方向旋转。主动冲击部件22在太阳轮12的带动下继续旋转，并且主动冲击部件22的内部凸起18冲击滚子19、活塞20和输出轴9；输出轴9在主动冲击部件 22的冲击下发生角度偏转，拧紧螺栓15。螺栓15将被拧紧一个角度θ，此过程中螺栓15上受到的摩擦阻力突然增大，输出轴9转速快速减小为零，并在拧紧角度θ后与被连接件16基本固定。

步骤S4：重复步骤S3，直至螺栓15与被连接件16完全固定。

具体地，每次脉冲碰撞结束后电机外转子11、太阳轮12和主动冲击部件22转速降低，在下一次脉冲碰撞前应由电机内部电磁力为电机外转子11和主动冲击部件22加速，从而使主动冲击部件22恢复到碰撞前的转速，该阶段称为补充碰撞损失能量阶段，在此阶段，螺栓15受到的反作用力来源于电机为外转子11加速产生的电磁力，显然该电磁反作用力远小于碰撞产生的拧紧力，因此螺栓将始终向着拧紧的方向旋转。脉冲器8冲击时产生的反作用力由螺栓15与被连接件16之间的固定配合承担。

如图1-3所示，螺栓15的头部贴合至被连接件16的上表面之后，电机内转子10、输出轴9、行星架14、螺栓15基本固定，此时超越离合器 13结合，电机外转子11通过齿圈5将动力传递给太阳轮12，太阳轮12 将动力通过超越离合器13传递至主动冲击部件22。随着内部凸起18与滚子19发生冲击，碰撞产生的接触力带动输出轴9进一步拧紧螺栓，同时向内压缩复位弹簧21，使内部凸起18越过滚子19继续进行下一次脉冲冲击。

进一步地，步骤S3中，主动冲击过程中，主动冲击部件22的内部凸起18逐渐从滚子19的一侧移动至另一侧，或者说，滚子19从内部凸起18的表面滚过。

进一步地，步骤S3中，主动冲击部件22的内部凸起18逐渐轧过滚子19的过程中，活塞20在内部凸起18的压力作用下向输出轴9的中心移动，同时压缩复位弹簧21。

进一步地，步骤S3中，主动冲击结束后，活塞20在复位弹簧21的弹簧弹力作用下回复原位。

进一步地，步骤S4中，活塞20复位后，电机外转子11通过行星轮系4、超越离合器13继续带动主动冲击部件22旋转，对滚子19和输出轴9进行多次主动冲击，通过多次冲击逐步拧紧螺栓15。随着螺栓15的拧紧，当螺栓15与被连接件16上表面之间的摩擦阻力增大到与脉冲器8 冲击产生的碰撞力一致时，碰撞引起的输出轴角位移基本为零，因此在当前工作条件下，之后的脉冲将重复上一次脉冲的碰撞过程，脉冲器开始打滑，输出扭矩基本保持稳定，完成对螺栓15的拧紧。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果之一：

本发明基于现有螺栓装配工具对工人普遍存在反作用力的背景，通过研发一款自拧紧扭矩扳手，实现在拧紧过程中不需要操作者承担拧紧中的反作用力，从而大幅降低劳动强度，满足人体工程学的要求，提高劳动生产效率。

本发明的螺栓装配工具除在螺纹装配尤其是螺栓拧紧上的应用外，还可以应用在多种其他功能的场合，适用于各种旋转输出的工具，比如钻孔工具、铣削工具等。

本发明将脉冲器与行星轮系相组合，且为机定子、转子均不固定。实现了在预拧紧阶段通过电机内转子10(转子)带动输出轴9拧紧螺栓 15，在冲击锁紧阶段，通过电机外转子11(定子)带动主动冲击部件22 冲击输出轴9实现对螺栓15的冲击锁紧。

本发明的扳手的拧紧力来源于脉冲器内部冲击产生的碰撞力，扳手的反作用力来源于冲击过后，由电机为主动冲击部件充能产生的内部电磁力，该反作用力由螺栓与被连接件之间的固定配合承担，即消除了反作用力对人体的伤害，又实现了螺栓拧紧。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，包括：驱动组件、传动组件和输出组件；所述驱动组件包括：电机内转子(10)和电机外转子(11)；所述输出组包括：脉冲器(8)和输出轴(9)；所述电机内转子(10)与所述输出轴(9)固定连接；所述电机外转子(11)通过轴承(2)安装在扳手外壳(1)内；所述脉冲器(8)能够对所述输出轴(9)输出脉冲冲击。

2.根据权利要求1所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述传动组件包括第一连接杆(3)和行星轮系(4)。

3.根据权利要求2所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述行星轮系(4)包括：太阳轮(12)、行星轮(6)、行星架(14)和齿圈(5)；所述齿圈(5)通过所述第一连接杆(3)与所述电机外转子(11)固定连接。

4.根据权利要求3所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述太阳轮(12)上设有中间通孔；所述输出轴(9)穿过所述中间通孔与被拧紧对象配合。

5.根据权利要求3或4所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述行星架(14)与所述输出轴(9)同轴且固定连接。

6.根据权利要求3所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述脉冲器(8)包括：主动冲击部件(22)、滚子(19)和活塞(20)；所述活塞(20)安装在所述输出轴(9)上；所述滚子(19)滚动安装在所述活塞(20)的端部，且与所述主动冲击部件(22)的内表面接触。

7.根据权利要求6所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述主动冲击部件(22)与所述太阳轮(12)之间通过超越离合器(13)连接。

8.根据权利要求7所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述主动冲击部件(22)为筒形，套设在所述输出轴(9)的外部，且能够相对旋转。

9.根据权利要求8所述的抗冲击的自动拧紧扳手，其特征在于，所述主动冲击部件(22)的内侧设有内部凸起(18)；所述内部凸起(18)能够通过滚子(19)和活塞(20)冲击输出轴(9)。

10.一种自动拧紧扳手的自拧紧方法，采用权利要求1-9任一项所述的扳手对螺栓进行拧紧，包括以下步骤：

步骤S1：将扳手的输出轴(9)的底部与螺栓(15)配合；输出轴(9)与螺栓(15)配合后，螺栓(15)能够与输出轴(9)同步旋转；

步骤S2：启动电机，电机内转子(10)带动输出轴(9)旋转对螺栓(15)进行预拧紧；预拧紧完成时，螺栓(15)的螺头底面与被连接件(16)的上表面贴合；

步骤S3：预拧紧完成后，电机内转子(10)、行星架(14)和输出轴(9)在螺栓(15)的阻挡下停转；超越离合器(13)结合，电机外转子(11)通过行星轮系(4)带动太阳轮(12)旋转；主动冲击部件(22)同步太阳轮(12)旋转，并通过内部凸起(18)冲击滚子(19)、活塞(20)和输出轴(9)；输出轴(9)在主动冲击部件(22)的冲击下发生角度偏转拧紧螺栓(15)。

步骤S4：重复步骤S3，直至螺栓(15)与被连接件(16)完全固定。

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