CN114178594A - 含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，包括：固定工作台；旋转装置，设置在固定工作台上；扫描测量装置，设置在旋转装置附近，具有可伸入筒形工件内腔的扫描测量单元；内腔铣削执行装置，设置在旋转装置附近，具有可伸入筒形工件内腔的铣削组件；标定装置与所述旋转装置的旋转中心同轴；控制装置，调取扫描测量策略、控制旋转装置、扫描测量装置、铣削执行装置联动。本发明还提供了一种铣削加工方法。本发明能够减小铸件与模型差异、工件定位误差、回转跳动误差以及手眼标定导致的系统误差，大大提高含偏差铸件机器人铣削加工的精度，适用于无精确模型的铸件以及无模型的筒形薄壁件内腔加工。

Description

含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统及加工方法

技术领域

本发明涉及筒形铸件内腔加工技术，尤其涉及一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统及其控制方法。

背景技术

航空航天领域的飞行器舱体、飞机座舱等复杂舱体铸件通常采用铸造一体成型辅助铣削加工减薄壁厚进行制造，其加工质量对提升飞行器飞行可靠性、安全性和飞行精度有着重要的意义。由于复杂舱体零件铸造精度不高，实际铸造零件与理论数模存在较大的偏差，导致基于理论模型加工出的零件精度低、尺寸超差严重。针对含初始铸造偏差的筒形铸件，其加工的关键是获得实际铸造零件的几何信息，并据此设计出与实际铸造几何相符合的铣削加工轨迹。

当前，实际制造过程中，舱体铸件内腔主要采用机器人辅助加工的方式进行内腔的铣削，通过附加可以深入筒形件内腔的长悬臂轴，带动机加电主轴完成内壁铣削加工的过程。针对含初试铸造偏差的筒形铸件，其加工过程主要依靠工人经验手动示教进行编程，在理论模型的基础上测量实际铸造工件的偏差并设置补偿值，而通常各加工区域的铸造误差存在较大的差异，需要分区域进行单独测量并补偿加工轨迹，无法实现铸件内腔的自动加工；这种依靠人工测量调试的方法，劳动强度大、效率低、尺寸精度及批产一致性较差，无法适应自动化及批量生产。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统及加工方法，可减小铸件与模型差异、工件定位误差、回转跳动误差以及手眼标定导致的系统误差，大大提高含偏差铸件机器人铣削加工的精度，适用于无精确模型的铸件以及无模型的筒形薄壁件内腔加工。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，包括：

固定工作台；

旋转装置，设置在所述固定工作台上，并被配置为装夹待加工的筒形工件；

扫描测量装置，设置在所述旋转装置附近，所述扫描测量装置具有可伸入所述筒形工件内腔的扫描测量单元；所述扫描测量单元被配置为能够沿着所述筒形工件的轴向方向移动；

内腔铣削执行装置，设置在所述旋转装置附近，所述内腔铣削执行装置具有可伸入所述筒形工件内腔的铣削组件；

标定装置，包括设置在所述旋转装置上的标定圆环和回转中心标定球，所述标定圆环和所述回转中心标定球与所述旋转装置的旋转中心同轴；

控制装置，分别连接至所述旋转装置、所述扫描测量装置和所述内腔铣削执行装置，所述控制装置被配置为调取扫描测量策略、控制所述旋转装置和所述扫描测量装置联动，使得所述扫描测量单元完成对所述筒形工件内腔的点云测量，以及规划所述内腔铣削执行装置的铣削路径、控制所述旋转装置和所述内腔铣削执行装置联动以完成所述筒形工件内腔铣削材料的去除。

进一步地，所述旋转装置包括转台、转台电机、电机控制器、零点快换系统和工装夹具；所述转台安装在所述固定工作台的上表面，所述转台被配置为由所述转台电机驱动绕旋转中心旋转，所述电机控制器连接至所述转台电机以控制所述转台电机；所述零点快换系统位于所述转台的上表面并随所述转台转动，所述工装夹具固定在所述零点快换系统上并被配置为能够夹持所述筒形工件。

进一步地，所述扫描测量装置包括测量支架、可伸缩的导轨单元、导轨驱动电机、扫描测量单元、扫描测量控制器，所述测量支架的一端固结在所述固定工作台上，所述导轨单元设置在所述测量支架的末端，所述导轨单元在所述导轨驱动电机的驱动下沿着所述筒形工件的轴向移动，所述扫描测量单元固结在所述导轨单元的滑块上并配置为随着所述导轨单元移动，所述扫描测量控制器被配置为能够控制所述导轨驱动电机和所述扫描测量单元。

进一步地，所述内腔铣削执行装置包括六自由度机器臂和铣削控制器，所述铣削组件位于所述六自由度机器臂的自由端，所述铣削组件包括铣削电主轴、刀柄、铣削刀具，所述铣削电主轴设置在所述机器臂的所述自由端，所述刀柄和所述铣削刀具设置在所述铣削电主轴上，所述铣削控制器包括控制所述子机器臂的机器臂控制单元和控制所述铣削电主轴的电主轴控制单元。

进一步地，所述控制装置包括中央控制单元。

本发明还提供了一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，包括：

步骤一：对筒形工件的内腔进行全尺寸扫描，建立所述筒形工件的内腔及标定圆环的扫描测量点云模型；

步骤二：将所述筒形工件的内腔的测量点云的坐标与铣削工件坐标进行转换，获得以所述铣削工作坐标表示的所述筒形工件的内腔的测量点云，并规划铣削轨迹策略；

步骤三：将六自由度机器臂的坐标与所述铣削工件坐标进行转换，获得以所述铣削工件坐标表示的所述六自由度机器臂的坐标，并根据所述铣削轨迹策略完成铣削加工。

进一步地，所述步骤一包括如下步骤：

S11：扫描所述筒形工件的型号，调用扫描测量策略；

S12：将扫描测量单元置于所述筒形工件内腔的初始位置；

S13：将所述筒形工件旋转至第一角度；

S14：利用所述扫描测量单元沿所述筒形工件的轴向移动，获得当前转角下所述筒形工件和所述标定圆环的点云；

S15：将所述筒形工件旋转至第二角度，并重复步骤S14；

S16：重复步骤S13、S14、S15，完成所述筒形工件的内腔的全尺寸扫描；

S17：对所有的点云数据拼接处理，获得所述筒形工件和标定圆环的所述测量点云模型。

进一步地，所述步骤二包括：

S21：将所述测量点云模型预处理，分离所述筒形工件的内腔的测量点云数据和所述标定圆环的测量点云数据；

S22：获取所述标定圆环的标准点云数据，将所述标定圆环的所述测量点云数据与所述标准点云数据匹配得到转换矩阵；

S23：通过所述转换矩阵将所述筒形工件的测量点云转换至铣削工件坐标。

进一步地，所述步骤三包括：

S31：基于所述铣削轨迹策略控制所述六自由度机器臂，带动铣削电主轴往所述筒形工件的轴向和径向的步进运动，以及控制所述铣削电主轴的转速；

S32：控制所述筒形工件绕其轴向的旋转运动。

进一步地，所述标定圆环的所述标准点云数据通过所述标定圆环的CAD模型转换得到。

本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明通过设计精密旋转装置、扫描测量装置以及内腔铣削执行装置的联动控制，可实现含偏差以及无模型的筒形薄壁件内腔加工，该内腔铣削智能加工系统不依赖精确地工件CAD模型；通过精密转台的旋转与导轨的上下运动的联动，可实现周向全尺寸的精密测量，减小由于测量支架旋转运动与工件旋转中心不同轴的精度影响；通过铣削机器人、精密转台以及电主轴的联动，可以实现内腔的任意位置铣削；同时铣削轨迹是基于测量点云生成的，可实现含较大偏差铸件的内腔随形加工，减小由于铸造误差影响导致的铣削轨迹几何误差，提高铣削加工精度。

2、本发明在通过转台进行扫描测量以及铣削过程中的旋转控制基础上，增加了与精密转台转子固定的可更换标定圆环以及回转中心标定球，将工件坐标系转换为工作台坐标系；通过标定圆环的测量点云与CAD模型转换的标准点云的匹配，将测量点云坐标系转换为工作台坐标系，再通过对工件内腔测量点云的变换，即可实现将工件内腔的测量点云坐标转换为固定工作台坐标系上，避免了传统手眼标定过程中运动机构的运动误差；同时，在测量点云基础上直接规划铣削轨迹，减小了铸件与模型差异以及工件定位误差的影响，且扫描测量的回转中心与待加工零件径向的回转中心重合，不会引入回转跳动误差，可以大大提高含偏差铸件机器人铣削加工的精度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的铣削加工系统的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的铣削加工方法的流程示意图。

其中，1-旋转装置，2-扫描测量装置，3-内腔铣削执行装置，5-固定工作台，6-转台，7-转台电机，8-电机控制器，9-零点快换系统，10-工装夹具，11-筒形工件，12-测量支架，13-精密导轨单元，14-导轨驱动电机，15-扫描测量单元，16-扫描测量控制器，17-标定圆环，18-回转中心标定球，19-六自由度机器臂，20-铣削电主轴，21-刀柄，22-铣削刀具，23-铣削控制器，24-机器臂控制单元，25-电主轴控制单元，26-智能加工系统中央电子控制单元(ECU)。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供了一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，包括旋转装置1、扫描测量装置2、内腔铣削执行装置3、控制装置、固定工作台5和标定装置。其中，固定工作台5设置在地面上或其他加工区域内，旋转装置1设置在固定工作台5上，将待加工的筒形工件11安装在旋转装置1上，使得旋转装置1能够带动筒形工件11旋转。扫描测量装置2设置在旋转装置1的附近，其具有可伸入筒形工件11内腔的扫描测量单元15，且扫描测量单元15可沿筒形工件11的轴向方向移动，实现对含偏差筒形薄壁铸件(筒形工件)内腔的扫描测量，进而获得筒形工件11内腔的精确点云模型。内腔铣削执行装置3设置在旋转装置1的附近，具有能够伸入筒形工件11内腔的铣削组件，实现对筒形工件11内腔的铣削材料的去除。控制装置分别与扫描测量装置2、旋转装置1、内腔铣削执行装置3连接，负责扫描测量装置2、旋转装置1、内腔铣削执行装置3的联动控制，以及扫描测量策略制定、扫描测量点云处理和铣削路径生成等功能。标定装置与旋转装置的旋转中心同轴。

旋转装置1包括转台6、转台电机7、电机控制器8、零点快换系统9、工装夹具10。其中，转台6安装在固定工作台5的上表面，转台6由转台电机7驱动绕旋转中心旋转，电机控制器8控制转台电机7。零点快换系统9位于转台6的上端面并固定可随转台6旋转，工装夹具10与零点快换系统9的子盘固定并可以随着子盘一起更换。工装夹具10用于夹持固定筒形工件11。转台6、零点快换系统9、工装夹具10、筒形工件11围绕Z轴旋转。

扫描测量系统包括测量支架12、可伸缩的精密导轨单元13、导轨驱动电机14、扫描测量单元15、扫描测量控制器16，测量支架12与固定工作台5固结，导轨单元13设置在测量支架12的末端，导轨单元13在导轨驱动电机14的驱动下可以在测量支架12上沿Z方向平移运动(即沿着筒形工件11的轴向)，扫描测量单元15固结在导轨单元13的滑块上，可随滑块一起沿Z方向平移。扫描测量单元15与扫描测量控制器16电连接，由扫描测量控制器16控制，实现对筒形工件11内腔的扫描测量，同时将测量数据传输给控制装置。

标定装置还包括可更换的标定圆环17和回转中心标定球18，标定圆环17固定在转台6的转子上，其是可以更换的，回转中心标定球18位于转台6的旋转中心并安装在转台6的转子上。标定圆环17与回转中心标定球18与转台6同轴。

内腔铣削执行装置3包括六自由度机器臂19、铣削电主轴20、刀柄21、铣削刀具22、铣削控制器23。其中，铣削电主轴20、刀柄21、铣削刀具22构成铣削组件。铣削控制器23包括机器臂控制单元19、电主轴控制单元25。铣削电主轴20位于机器臂19的自由端，并通过法兰盘连接。铣削电主轴20配有可更换的刀柄21和铣削刀具22。通过与旋转装置1的周向运动联动，可实现对含偏差铸件内腔任意位置的铣削加工。

控制装置包括智能加工系统中央电子控制单元(ECU)26，ECU26分别与电机控制器8、扫描测量控制器16、铣削控制器23之间实现数据通讯，进而实现对转台电机7、扫描测量单元15、导轨驱动电机14、机器臂19、铣削电主轴20的联动控制，从而实现铸件内腔的全尺寸测量以及精确铣削。

如图2所示，本发明提供了一种偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，包含以下步骤：

步骤10：对筒形工件11的内腔进行全尺寸扫描，并建立筒形工件11的内腔及标定圆环17的点云模型。由于测量程序不依赖精确的工件数模，该测量过程可实现含偏差铸件在无精确模型下的测量。

初始时，将装有筒形工件11的零点快换系统9及工装夹具10放置到转台6上的零点快换系统9的母盘上并固定锁止，调整筒形工件11位置至与转台6同轴，将标定圆环17及回转中心标定球18固定至精密转台6的转子上，保证标定圆环17及回转中心标定球18与转台6同轴；

ECU26通过扫描获得当前筒形工件11的型号，然后调用预置的扫描测量策略，启动测量；测量时，ECU26一方面通过扫描测量控制器16控制测量支架12及导轨驱动电机14，使得扫描测量单元15运动至筒形工件11内腔的初始位置，扫描测量控制器16控制扫描测量单元15启动测量，实时传递扫描测量数据；另一方面，ECU26制定转台6旋转策略，通过转台电机7控制器控制转台电机7驱动转台6旋转一个角度；通过精密导轨单元13带动扫描测量单元15沿Z向移动，获得当前转角下筒形工件11内腔及标定圆环17的Z向点云数据{P_W+O(ω_k)}；然后，转台电机7驱动转台6旋转至下一个角度ω_k+1，精密导轨单元13带动扫描测量单元15重复上一测量过程，获得当前新转角下筒形工件11内腔及标定圆环17的Z向点云数据{P_W+O(ω_k+1)}；通过转台6与可伸缩精密导轨单元13的联动控制，经过一周的往复测量即可完成筒形工件11内腔的全尺寸测量，通过ECU26对点云数据的拼接处理即获得整个筒形工件11内腔及标定圆环17的测量点云模型{{P_W+O(ω_k)}_1-2π}。

通过精密转台6的旋转与导轨的上下运动的联动，可实现周向全尺寸的精密测量，减小由于测量支架12旋转运动与筒形工件11旋转中心不同轴的精度影响。

步骤20：将筒形工件11内腔测量点云坐标与铣削工件坐标进行转换，并规划铣削轨迹策略。

由于没有待加工筒形工件11的精确模型，含偏差铸件内腔铣削轨迹需要在测量获得的内腔点云模型基础上开展加工轨迹的规划，因此，需要将扫描测量获得的点云坐标系、铣削工件坐标系以及内腔铣削执行装置3的坐标系进行关联。其过程包括：

将步骤10中的扫描测量获得的筒形工件11内腔及标定圆环17的点云模型{{P_W+O(ω_k)}_1-2π}进行预处理，将筒形工件11的内腔测量点云数据{{P_W(ω_k)}_{1_2π}}以及标定圆环17的内环测量点云数据{{P_O(ω_k)}_1-2π}分离；

标定圆环17坐标的标定：将标定圆环17内环测量点云数据{{P_O(ω_k)}_{1_2π}}与标定圆环17的CAD模型转换的标准点云数据{{Q_O(ω)}_{1_2π}}进行匹配，获得标定圆环17内环测量点云到标准点云的转换矩阵M_P→Q，其中，标定圆环17的CAD模型坐标系与固定工作台5的坐标系重合；

筒形工件11内腔测量点云坐标转换：通过转换矩阵M_P→O将筒形工件11内腔测量点云{{P_W(ω_k)}_1-2π}转换至固定工作台5坐标系，获得以固定工作台5坐标系表达的筒形工件11内腔点云{{Q_W(ω_k)}_1-2π}；以固定工作台5坐标系表达的筒形工件11内腔点云{{Q_W(ω_k)}_1-2π}规划含偏差铸件工件的内腔的铣削轨迹策略。

通过标定圆环17的匹配变换即可将筒形工件11内腔测量点云坐标转换为固定工作台5坐标系上，避免了传统手眼标定过程中运动机构的运动误差。

步骤30：铣削工件坐标与内腔铣削执行装置3的坐标转换，并根据铣削轨迹策略控制铣削加工过程。

建立六自由度机器臂19的工作坐标系：通过标定圆环17上分布的XYZ轴高精度轴线以及回转中心标定球18将六自由度机器臂19工作坐标系标定至固定工作台5坐标系上，即以固定工作台5坐标表示六自由度机器臂19的坐标，实现六自由度机器臂19工作坐标系与筒形工件11内腔测量点云{{Q_W(ω_k)}_{1_2π}}坐标系的统一；

铣削加工：ECU26依据基于筒形工件11内腔点云{{Q_W(ω_k)}_1-2π}规划的铣削轨迹策略，一方面控制铣削控制器23通过机器臂控制单元19控制机器臂19带动铣削电主轴20沿Z向及径向切深方向的步进运动、通过电主轴控制单元25控制铣削电主轴20铣削转速；另一方面ECU26通过转台电机7控制器控制转台电机7驱动转台6绕Z周做周向旋转运动，通过转台6、机器臂19以及电主轴即可实现筒形铸件内腔的任意位置铣削。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，其特征在于，包括：

固定工作台；

旋转装置，设置在所述固定工作台上，并被配置为装夹待加工的筒形工件；

扫描测量装置，设置在所述旋转装置附近，所述扫描测量装置具有可伸入所述筒形工件内腔的扫描测量单元；所述扫描测量单元被配置为能够沿着所述筒形工件的轴向方向移动；

内腔铣削执行装置，设置在所述旋转装置附近，所述内腔铣削执行装置具有可伸入所述筒形工件内腔的铣削组件；

标定装置，包括设置在所述旋转装置上的标定圆环和回转中心标定球，所述标定圆环和所述回转中心标定球与所述旋转装置的旋转中心同轴；

控制装置，分别连接至所述旋转装置、所述扫描测量装置和所述内腔铣削执行装置，所述控制装置被配置为调取扫描测量策略、控制所述旋转装置和所述扫描测量装置联动，使得所述扫描测量单元完成对所述筒形工件内腔的点云测量，以及规划所述内腔铣削执行装置的铣削路径、控制所述旋转装置和所述内腔铣削执行装置联动以完成所述筒形工件内腔铣削材料的去除。

2.如权利要求1所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，其特征在于，所述旋转装置包括转台、转台电机、电机控制器、零点快换系统和工装夹具；所述转台安装在所述固定工作台的上表面，所述转台被配置为由所述转台电机驱动绕旋转中心旋转，所述电机控制器连接至所述转台电机以控制所述转台电机；所述零点快换系统位于所述转台的上表面并随所述转台转动，所述工装夹具固定在所述零点快换系统上并被配置为能够夹持所述筒形工件。

3.如权利要求1所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，其特征在于，所述扫描测量装置包括测量支架、可伸缩的导轨单元、导轨驱动电机、扫描测量单元、扫描测量控制器，所述测量支架的一端固结在所述固定工作台上，所述导轨单元设置在所述测量支架的末端，所述导轨单元在所述导轨驱动电机的驱动下沿着所述筒形工件的轴向移动，所述扫描测量单元固结在所述导轨单元的滑块上并配置为随着所述导轨单元移动，所述扫描测量控制器被配置为能够控制所述导轨驱动电机和所述扫描测量单元。

4.如权利要求1所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，其特征在于，所述内腔铣削执行装置包括六自由度机器臂和铣削控制器，所述铣削组件位于所述六自由度机器臂的自由端，所述铣削组件包括铣削电主轴、刀柄、铣削刀具，所述铣削电主轴设置在所述机器臂的所述自由端，所述刀柄和所述铣削刀具设置在所述铣削电主轴上，所述铣削控制器包括控制所述子机器臂的机器臂控制单元和控制所述铣削电主轴的电主轴控制单元。

5.如权利要求1所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工系统，其特征在于，所述控制装置包括中央控制单元。

6.一种含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，其特征在于，包括：

步骤一：对筒形工件的内腔进行全尺寸扫描，建立所述筒形工件的内腔及标定圆环的扫描测量点云模型；

步骤二：将所述筒形工件的内腔的测量点云的坐标与铣削工件坐标进行转换，获得以所述铣削工作坐标表示的所述筒形工件的内腔的测量点云，并规划铣削轨迹策略；

步骤三：将六自由度机器臂的坐标与所述铣削工件坐标进行转换，获得以所述铣削工件坐标表示的所述六自由度机器臂的坐标，并根据所述铣削轨迹策略完成铣削加工。

7.如权利要求6所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤：

S11：扫描所述筒形工件的型号，调用扫描测量策略；

S12：将扫描测量单元置于所述筒形工件内腔的初始位置；

S13：将所述筒形工件旋转至第一角度；

S14：利用所述扫描测量单元沿所述筒形工件的轴向移动，获得当前转角下所述筒形工件和所述标定圆环的点云；

S15：将所述筒形工件旋转至第二角度，并重复步骤S14；

S16：重复步骤S13、S14、S15，完成所述筒形工件的内腔的全尺寸扫描；

S17：对所有的点云数据拼接处理，获得所述筒形工件和标定圆环的所述测量点云模型。

8.如权利要求7所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，其特征在于，所述步骤二包括：

S21：将所述测量点云模型预处理，分离所述筒形工件的内腔的测量点云数据和所述标定圆环的测量点云数据；

S22：获取所述标定圆环的标准点云数据，将所述标定圆环的所述测量点云数据与所述标准点云数据匹配得到转换矩阵；

S23：通过所述转换矩阵将所述筒形工件的测量点云转换至铣削工件坐标。

9.如权利要求8所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，其特征在于，所述步骤三包括：

S31：基于所述铣削轨迹策略控制所述六自由度机器臂，带动铣削电主轴往所述筒形工件的轴向和径向的步进运动，以及控制所述铣削电主轴的转速；

S32：控制所述筒形工件绕其轴向的旋转运动。

10.如权利要求8所述的含偏差筒形薄壁铸件内腔铣削加工方法，其特征在于，所述标定圆环的所述标准点云数据通过所述标定圆环的CAD模型转换得到。

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