CN112912198B - 用于电池单元组中的焊接位置检测的框架、视觉系统以及焊接电池上的一个或多个焊点的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于使用视觉系统定位电池(221,222)以确定电池上的至少一个焊点的框架(206)。该框架(206)包括能够由视觉系统检测的至少一个视觉参考特征部(202,204)。该视觉系统使用所述参考特征部(202,204)来确定焊点。例如,至少一个视觉参考特征部包括限定线的一对短插芯(202,204),并且基于线来确定至少一个焊点。又如,一对短插芯(202,204)对应于相应电池(221,222),该相应电池在所述框架(206)内彼此相邻布置。又如,短插芯(202,204)的相应中心沿着中心线排列,该中心线从相应电池(221,222)的相应端面的相应中心延伸。视觉系统包括视觉电路、耦接到视觉电路的处理电路和焊接系统。
Description
本公开涉及用于针对焊接定位电池单元的系统和方法,并且更具体地涉及用于定位电池单元以使视觉系统确定焊接位置的系统和方法。
相关申请的交叉引用
本公开要求2018年11月13日提交的美国临时专利申请62/760,846的权益,该临时申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。
发明内容
用于激光焊接的典型视觉系统识别可见表面上的特征部以定位焊点。然而,在必须针对不可见的小特征部例如圆柱形电池单元(本文也称为电池)的边缘上的平坦区域进行焊接时这是不合适的,这些平坦区域几乎完全被所述平坦区域将与其焊接的母线、箔元件、柔性PCB或集电器掩蔽。
在一些实施方案中,本公开涉及用于使用视觉系统定位电池以确定电池上的至少一个焊点的框架。框架包括能够由视觉系统检测的至少一个视觉参考特征部。视觉系统使用参考特征部来确定该至少一个焊点。
在一些实施方案中,该至少一个视觉参考特征部包括限定线的一对短插芯,并且基于线来确定该至少一个焊点。在一些实施方案中,该对短插芯对应于相应电池,这些电池在框架内彼此相邻布置。在一些此类实施方案中,短插芯的相应中心沿着中心线排列,该中心线从相应电池的相应端面的相应中心延伸。
在一些实施方案中,框架包括至少一个位置参考特征部,该位置参考特征部分别接合电池以将电池定位在预定位置。在一些实施方案中,该至少一个位置参考特征部包括至少一个挤压特征部。在一些实施方案中,框架包括用于使至少一个电池对位置参考特征部作出反应的表面。在一些实施方案中,框架包括至少一个注塑部分,并且该至少一个位置参考特征部和该至少一个视觉参考特征部两者专有地位于注塑部分的芯中或注塑部分的腔中。
在一些实施方案中,框架至少包括注塑部分。
在一些实施方案中,该至少一个电池中的电池和电极在该至少一个焊点中的焊点处焊接在一起。
在一些实施方案中,该至少一个电池包括圆柱形电池。
在一些实施方案中,框架包括引入锥体,该引入锥体被配置为接纳并引导该至少一个电池中的电池就位。
在一些实施方案中,本公开涉及视觉系统。视觉系统包括视觉电路、处理电路和焊接设备。视觉电路生成视觉信号,该视觉信号包括指示至少一个参考特征部在框架中的位置的数据,该框架被配置为定位电池。处理电路耦接到视觉电路并且被配置为分析视觉信号以基于该至少一个参考特征部来确定电池上被视觉电路遮挡的至少一个焊点。处理电路还被配置为基于该至少一个焊点来生成焊接控制信号。焊接设备耦接到处理电路,该处理电路将焊接控制信号传送到焊接设备,使得焊接设备在该至少一个焊点处执行焊接。
在一些实施方案中,处理电路被配置为在视觉信号中确定框架的一对短插芯的位置,内插连接一对短插芯的线,并且基于该线来确定焊点。
在一些实施方案中,处理电路被配置为确定焊点将沿着线。
在一些实施方案中,处理电路被配置为在视觉信号中定位电池的外表面与框架的水平壁的接触点,基于线并且基于距接触点的距离来确定电池的中心点,基于中心点来描绘同心弧,并且
将所述焊点确定为沿着所述弧。弧具有基于电池尺寸的预定半径并与线相交。
在一些实施方案中,距离基于电池的标称半径。
在一些实施方案中,框架被配置为定位第二电池,并且在第二电池上不存在焊点。
附图说明
参考以下附图详细描述了根据一个或多个各种实施方案的本公开。附图仅出于举例说明的目的而提供,并且仅示出典型的或示例性实施方案。提供这些附图以有利于理解本文所公开的概念,并且这些附图不应被认为是对这些概念的广度、范围或适用性的限制。应当指出的是,为了清楚起见和便于说明,这些附图未必按比例绘制。
图1示出了根据本公开的一些实施方案的一对圆柱形电池单元的示例性变型;
图2示出了根据本公开的一些实施方案的包括将电池单元定位成例如电池组的例示性框架的构型;
图3示出了根据本公开的一些实施方案的图2的构型的顶视图以及可防止视觉系统直接观察或以其他方式确定足够焊点的位置的其他部件;
图4示出了根据本公开的一些实施方案的具有挤压肋的例示性框架的底视图,其中一些电池单元布置就位;
图5示出了根据本公开的一些实施方案的例示性视觉系统;
图6示出了根据本公开的一些实施方案的用于执行焊接的例示性过程的流程图;
图7示出了根据本公开的一些实施方案的挤压肋的例示性尺寸和公差;并且
图8示出了根据本公开的一些实施方案的粘合层的例示性范围和公差。
具体实施方式
本公开涉及允许准确定位圆柱形电池单元的被遮挡边缘(及其平坦区段)的特征部组及其使用方法。本公开适用于单个电池和成对电池边缘焊接架构两者。在一些实施方案中,使用注塑视觉参考特征部来定位感兴趣的注塑部件和圆柱形电池单元之间的隐藏切线,而不管部件、其特征部和电池单元的材料条件(根据ASME Y14.5 GD&T定义,最小条件、最大条件和介于它们之间的所有条件)如何。
在位置关键的激光焊接中,可在添加任何遮挡元件之前拍摄并分析组件的图像以供稍后使用。然而,可以通过使用激光焊机中所需的相机来减少制造设施所需的相机计数、组装阶段及其缓冲器的数量以及其他步骤和部件,无论是否出于识别焊点的目的。这提供了模块装配线灵活性,并且由于所需成像和图像处理设备的最小化而可能降低成本。还可产生循环时间的减少以及废品率的潜在降低。
在注塑部件中,由芯控制的区域将相对于由芯控制的其他区域保持准确定位,其中距离和特征部尺寸缩放比例与部件的总体收缩密切相关。类似地,由腔控制的区域将相对于由腔控制的其他区域保持准确定位,其中距离和特征部尺寸缩放比例与部件的总体收缩密切相关。
随着区域之间的间距减小,并且随着特征部尺寸本身减小,部件与部件之间的相对变化也将减小。
对于通过其他工艺(包括机加工、压印、拉延、锻造、精压等)制造的部件,在单次操作中添加的特征部也将相对于其自身保持严格受控。
此外,如果具有小径向变化的两个弧区段在同一点相切并且具有相同的旋向性,则给定偏移处的端点之间的距离将为极小的。
图1示出了根据本公开的一些实施方案的一对圆柱形电池单元的示例性变型。如该示例所示,对于相互相切的两个直径分别为20.9mm和21.1mm的圆,沿着该切线投影4mm的点之间的距离为大约0.0082mm。在集电器突片就位时可见的距中心线区段4mm处,最小电池直径和最大电池直径之间的距离略小于0.01mm。该位置将识别在+/-0.005mm内的边缘切线的位置(例如,距成对电池之间的中心线+/-0.05mm)。边缘平坦部120的位置可确定在+/-0.005mm内,加上边缘平坦部120相对于边缘直径的位置的公差带。为清楚起见,边缘平坦部120是指电池单元的端面的部分,该部分基本上平坦使得部件诸如电极可在该位置处直接焊接到电池单元。在一些实施方案中,边缘平坦部120位于端面的径向向外部分上,并且完全围绕或部分围绕端面周向延伸。
假定边缘平坦部120相对于端面直径的位置为+/-0.1mm,平坦部(居中)上的宽度为0.5mm+/-0.05mm,并且焊珠(最大值,假设)为0.2mm宽,则焊珠的位置公差可为+/-0.105mm。在一些实施方案中,焊珠的最大范围宽度可为0.2mm+0.105mm=0.305mm。以焊珠中心线为中心的边缘平坦部120最小范围宽度可为0.5mm-0.05mm-0.1mm=0.35mm。边缘平坦部120最小范围宽度大于围绕同一中心线的焊珠最大范围宽度0.31mm(倒圆)。因此,焊缝可被定位成使得其整体在边缘平坦部120上。
图2示出了例如根据本公开的一些实施方案的包括将电池单元221和222(在本文中也称为电池)定位成电池组的例示性框架206的构型。此类电池组可用于例如车辆诸如电动汽车中。在一些实施方案中,框架206可由布置成位于电池单元221和222的顶部上、位于电池单元221和222的底部上、围绕一个或多个电池单元(例如,电池单元221和222)、相对于一个或多个电池单元(例如,电池单元221和222)的任何其他取向或它们的任何组合的一个或多个部件制成。框架206可由任何合适的材料构成,包括例如聚合物(例如,塑料)、金属、橡胶或胶乳、任何其他合适的材料或它们的任何材料组合。在一些实施方案中,框架206是或包括使用任何合适的注塑工艺形成以制造芯和腔的塑料。
在一些实施方案中,框架206将一个或多个电池保持在相应的预定位置(例如,如图所示,电池单元221和222处于相邻布置)。框架206还可用于将任何其他合适的部件相对于彼此、相对于电池单元221和222或它们的组合以任何合适的布置方式定位。例如,框架206可用于定位母线、箔元件、柔性PCB或集电器(图2中未示出)。
根据本公开提供短插芯202和204作为视觉参考特征部,视觉系统可使用这些视觉参考特征部来定位焊点。焊点是电池可焊接到任何合适的其他部件的位置,其他部件包括例如任何合适的母线、箔元件、柔性PCB或集电器。
图3示出了根据本公开的一些实施方案的图2的构型的顶视图以及可防止视觉系统直接观察或以其他方式确定足够焊点的位置的其他部件。例如,由于焊点预期位于端面上而端面被箔元件310遮挡,视觉系统可能不能够识别被遮挡的特征部或物体。例如,参照图2的未遮挡图示,位置208和210可为焊接母线或集电器的期望位置(即,沿着所示电池的相应边缘平坦部)。然而,由于图3所示的遮挡物,视觉系统将不能直接定位位置208和210。
相反,本公开的视觉系统可依赖于短插芯202和204来将位置208和210识别为焊点。视觉系统依赖于短插芯202和204,它们的中心可被布置成与布置在框架内的电池的中心成一直线。视觉系统可通过连接短插芯202和204的中心来内插参考线(例如,线220)。该线(线220)将向外延伸,并且至少在特定公差内穿过电池单元端面的中心。
参考图3,视觉系统检测电池单元的可见部分与适当水平参考(例如,壁或线)的交点。例如,视觉系统可检测交点320和322。然后,视觉系统确定沿着线220的与那些交点距离为标称单元半径(例如,对于所示的电池单元为10.5mm)的点。如图所示,标称单元中心330和332被确定为沿着线220的与相应交点320和322距离为标称单元半径的点。
在一些实施方案中,可根据本公开使用框架的其他视觉特征部来定位标称单元中心并因此定位焊点。例如,在一些实施方案中,图2的弧203和205可用于代替短插芯202和204。弧203和205的中点沿着线220定位,并且因此可用于确定该参考线。在该示例中,弧203和205用作不太明显的短插芯。又如,弧203和205可被成形为使得这些弧的中心点与标称单元中心对齐。在该示例中,可能不需要找到交点320和322以便找到标称单元中心。相反,检测弧的形状并确定对应中心点。在一些实施方案中,短插芯202和204不包括在框架206中,并且相反,对应的边缘包括类似于弧203和205的弧。在一些实施方案中,这些弧的中点沿着线220定位,并且这些弧的中心点与标称单元中心对齐。在一些实施方案中,使用两个、三个或所有四个弧来确定标称单元中心。
然后,视觉系统使用新确定的标称单元中心描绘电池单元的边缘平坦区段的标称中点的曲线(例如,对于所示的电池单元为9mm)。应当理解,描绘包括确定迹线的位置。还应当理解,电池单元的中心不必非常精确,因为存在比边缘平坦位置误差(基于上述单元尺寸,约0.01mm)和边缘平坦位置误差(单独地基于单元尺寸,约0.1mm)大的公差带(例如,约0.5mm)。因此,视觉系统可通过确定例如边缘平坦曲线与连接短插芯202和204的线相交的位置来确定两个所示电池单元沿着其相应边缘平坦部的焊点。
应当理解,虽然短插芯以特定几何形状和形状示于图2和图3中,在不脱离本公开的范围的情况下,可使用任何其他合适的几何形状和形状。
为了帮助确保电池单元中心与上文讨论的焊接基准表面对齐,框架可被布置成使得电池单元以可重复的方式进入其杯状物。例如,框架的每个电池单元杯状物部分地由引入锥体形成,该引入锥体的交点自然地形成引入特征部。(例如,21mm标称直径的)电池单元可能需要放置在大约24mm直径的圆内,以便适当地下落就位。在一些实施方案中,位置参考特征部可被包括在框架中以帮助将电池单元定位在框架内。例如,可使用两个平衡的居中特征部。这些可为例如确保电池单元在固定粘合剂固化之前受到约束的弹簧或挤压肋。
图4示出了根据本公开的一些实施方案的具有挤压肋402和404的例示性框架400的底视图,其中电池单元421-429布置就位。在一些实施方案中,框架包括相应表面,每个电池单元利用这些表面对居中特征部作出反应,这些居中特征部自身将不会使电池单元挠曲远离基准线。例如,该表面可以是框架中的平坦壁。在一些实施方案中,当框架被注塑(或至少部分地注塑)时,位置参考特征部(挤压肋402和404)和视觉参考特征部全部在芯中或全部在腔中。如图所示,它们全部在芯中。
图5示出了根据本公开的一些实施方案的例示性视觉系统500。视觉电路502包括用于生成视觉信号508的任何合适的软件、硬件或两者。视觉信号508包括例如指示诸如上述那些的任何合适部件的位置的信息。例如,视觉信号508包括指示任何合适的参考位置特征部、电池单元和框架之间的交点、几何特征部、可见特征部或图案、任何其他合适的视觉特征部或另外的光学特征部或它们的任何组合的位置的信息。
视觉电路502可包括一个或多个传感器、成像设备诸如图像传感器(例如,用于检测可见光或任何其他合适的光子信号的光电探测器或相机)、激光雷达设备、接近传感器、基于多普勒效应的设备、任何其他合适的传感器或成像设备或它们的任何组合。
处理电路504包括用于处理视觉信号508以便生成焊接控制信号510的任何合适的软件、硬件或两者。使用任何合适的硬件和通信协议(例如,有线、无线或光通信)将焊接控制信号510传送到焊接设备506。处理电路504包括例如具有能够基于输入来执行指令的一个或多个处理器的一个或多个计算装置。例如,处理电路504可包括计算机、移动/平板计算装置、嵌入式系统、任何其他合适的计算装置或它们的任何组合,其上具有编程指令,这些指令用于处理视觉信号508,以便确定电池单元上的焊点应位于何处。此类处理可包括例如任何合适的计算机视觉技术。
焊接设备506包括用于响应于焊接控制信号510并根据焊接控制信号来执行焊接操作的任何合适的硬件、软件或两者。例如,焊接设备506可包括金属焊接设备、用于施加和固化粘合剂的设备、激光焊接设备、任何其他合适的焊接设备或它们的任何组合。视觉电路502可直接向焊接设备506提供信息,以允许焊接设备506例如精调用于放置焊缝的位置。焊接设备506可包括用于移动适当装置以进行期望焊接的任何合适的自动移动/机器人设备。
图6示出了根据本公开的一些实施方案的用于执行焊接的例示性过程600的流程图。过程600可由任何合适的控制电路实现,该控制电路可被包括在移动计算装置、嵌入式系统、任何其他合适的计算装置或它们的任何组合中。例如,控制电路可包括图5的处理电路504,该处理电路可实现过程600的一些或全部。
在步骤602处,控制电路生成指示框架中的至少一个参考特征部的位置的视觉信号。在一些实施方案中,视觉信号基于一个或多个视觉传感器(例如,相机或光电探测器),该视觉信号可经历放大、滤波、隔离、采样和数字化、任何其他合适的信号处理或它们的任何组合。在例示性示例中,成像系统可用于收集框架和电池单元的视觉数据,其中视觉信号基于视觉数据。
在步骤604处,控制电路分析视觉信号以基于该至少一个参考特征部来确定电池上的至少一个被遮挡焊点。成像系统可使用边缘检测、图案识别或任何其他合适的分析技术来分析视觉信号。控制电路可识别一个或多个特征部并确定该一个或多个特征部相对于合适参考的位置、取向或两者。在一些实施方案中,例如,控制电路可将视觉信号(例如,指示图像)与一个或多个模板或参考进行比较以识别一个或多个特征部。
在步骤606处,控制电路基于该至少一个焊点来生成焊接控制信号。在一些实施方案中,焊接控制信号包括模拟信号。例如,焊接控制信号的电压、电流、频率或其他合适的特性可指示一个或多个焊接参数(例如,电流、持续时间或其他合适的参数)。在一些实施方案中,焊接控制信号包括数字信号。例如,焊接控制信号可包括指示一个或多个焊接参数(例如,电流、持续时间或其他合适的参数)的消息、值、值集或其他合适的信息。
在步骤608处,控制电路将焊接控制信号传送到焊接设备,使得焊接设备在该至少一个焊点处执行焊接。控制电路可使用任何合适的通信网络(例如,有线、无线或光学)和协议来生成和传输焊接控制信号。
图7示出了根据本公开的一些实施方案的挤压肋702的例示性尺寸和公差。图7所示的示例包括1.1mm的电池单元两侧上的标称壁厚,其中可能范围为1.0mm至1.2mm。因此,可在具有用于焊接的外切口的挤压肋702和连续的挤压肋702之间权衡最多约0.1mm。挤压肋702挠曲到其中的空间越大,允许插入力越小,并且有助于保持电池单元的居中。挤压量的示例性范围可为0mm(相切)至0.287mm。
图8示出了根据本公开的一些实施方案的粘合层的例示性范围和公差。在电池单元与底壁相切的情况下,可保持0.05mm至0.25mm的粘合层。
在一些实施方案中,本公开的框架可定位多个电池,所述多个电池中的至少一个电池根据本公开焊接,并且所述多个电池中的至少一个其他电池根本不需要焊接或根据任何其他合适的方法焊接(例如,因为该特定电池未受任何遮挡物的影响)。
应当理解,本文所包含的位置描述受一些量的可变性和公差的影响。例如,提及电池单元端面的中心不一定将描述限制于精确的中心点。此类描述适用于在实际中心点的一定公差内的点。同样,对沿着线的焊点进行讨论,应当理解,焊点可位于此类线的任何合适的公差内。
前述内容只是举例说明本公开的原理,并且在不脱离本公开的范围的情况下,本领域的技术人员可做出各种修改。上述实施方案是出于举例说明而非限制的目的而呈现的。本公开还可采用除本文明确描述的那些形式之外的许多形式。因此,应当强调的是,本公开不限于明确公开的方法、系统和装置,而是旨在包括其变型和修改,这些变型和修改在以下权利要求书的实质内。
Claims (20)
1.一种框架,所述框架包括:
至少一个视觉参考特征部,所述至少一个视觉参考特征部与布置在所述框架内的电池的标称单元中心对齐,并且能够由视觉系统使用,以确定对应于所述电池上用于焊接部件的位置的至少一个焊点,
其中所述至少一个视觉参考特征部包括限定与所述标称单元中心对齐的中心线的一对短插芯,并且从所述一对短插芯内插所述中心线。
2.根据权利要求1所述的框架,其中所述至少一个视觉参考特征部对应于相应电池的位置,所述相应电池在所述框架内彼此相邻布置。
3.根据权利要求2所述的框架,其中所述至少一个视觉参考特征部的中心线沿着从所述相应电池的相应端面的相应标称单元中心延伸的中心线排列。
4.根据权利要求1所述的框架,还包括至少一个位置参考特征部,所述位置参考特征部分别接合所述电池以将所述电池定位在预定位置。
5.根据权利要求4所述的框架,其中所述至少一个位置参考特征部包括至少一个挤压特征部。
6.根据权利要求4所述的框架,还包括用于使所述电池对所述位置参考特征部作出反应的表面。
7.根据权利要求4所述的框架,还包括至少一个注塑部分,其中所述至少一个位置参考特征部和所述至少一个视觉参考特征部位于所述注塑部分的芯中或所述注塑部分的腔中。
8.根据权利要求1所述的框架,其中所述部件是电极,并且其中所述电池和所述电极在所述至少一个焊点处焊接在一起。
9.根据权利要求1所述的框架,其中所述电池包括圆柱形电池。
10.根据权利要求1所述的框架,其中所述一对短插芯与一对弧交互,其中每个弧的中心点与所述电池的标称单元中心对齐。
11.一种视觉系统,包括:
视觉电路,所述视觉电路用于生成视觉信号,所述视觉信号包括指示与布置在框架内的电池的标称单元中心对齐的所述框架的至少一个参考特征部的位置的数据,所述框架被配置为定位所述电池,其中所述至少一个参考特征部包括限定与所述标称单元中心对齐的中心线的一对短插芯;
处理电路,所述处理电路耦接到所述视觉电路并且被配置为:
从所述一对短插芯内插所述中心线;
分析所述视觉信号以基于所述中心线确定所述电池上的至少一个焊点,其中所述至少一个焊点被所述视觉电路遮挡;以及
基于所述至少一个焊点来生成焊接控制信号;和
焊接设备,所述焊接设备耦接到所述处理电路,其中所述处理电路将所述焊接控制信号传送到所述焊接设备,使得所述焊接设备在所述至少一个焊点处执行焊接。
12.根据权利要求11所述的视觉系统,其中所述处理电路被配置为:
在所述视觉信号中确定所述一对短插芯的位置;
基于所述一对短插芯的位置内插连接所述一对短插芯的中心线。
13.根据权利要求12所述的视觉系统,其中所述处理电路还被配置为基于所述电池的端面的标称单元半径确定所述至少一个焊点将沿着所述中心线。
14.根据权利要求12所述的视觉系统,其中所述处理电路还被配置为:
在所述视觉信号中定位所述电池的外表面与所述框架的壁的接触点;
基于所述中心线并且基于距所述接触点的距离来确定所述电池的所述标称单元中心;
基于所述标称单元中心来描绘同心弧,所述同心弧具有基于所述电池的尺寸的预定半径,其中所述同心弧与所述中心线相交;以及
将所述至少一个焊点确定为沿着所述同心弧。
15.根据权利要求14所述的视觉系统,其中所述距离基于所述电池的标称单元半径。
16.根据权利要求11所述的视觉系统,其中所述框架被配置为定位第二电池,并且其中在所述第二电池上不存在焊点。
17.根据权利要求11所述的视觉系统,其中所述处理电路还被配置为:
确定弧的位置;
确定所述弧的中心点;以及
基于所述弧的所述中心点来确定所述至少一个焊点。
18.一种用于焊接电池的一个或多个焊点的方法,包括:
使用处理电路生成视觉信号,所述视觉信号包括指示至少一个参考特征部在框架中的位置的数据,所述框架被配置为定位电池,其中所述至少一个参考特征部与布置在所述框架内的电池的标称单元中心对齐,其中所述至少一个参考特征部包括限定与所述标称单元中心对齐的中心线的一对短插芯;
使用所述处理电路从所述一对短插芯内插所述中心线;
使用所述处理电路分析所述视觉信号以基于所述中心线来确定所述电池上的至少一个焊点,其中所述至少一个焊点被视觉电路遮挡;
使用所述处理电路基于所述至少一个焊点来生成焊接控制信号;以及
将所述焊接控制信号传送到焊接设备,使得所述焊接设备在所述至少一个焊点处执行焊接。
19.根据权利要求18所述的方法,其中分析所述视觉信号包括:
在所述视觉信号中确定所述框架的所述一对短插芯的位置;
内插连接所述一对短插芯的所述中心线;以及
基于所述中心线来确定所述至少一个焊点。
20.根据权利要求18所述的方法,其中分析所述视觉信号包括:
确定弧的位置;
确定所述弧的中心点;以及
基于所述弧的所述中心点来确定所述至少一个焊点。
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