CN114393447A - 一种管道打磨规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道打磨规划方法，包括：步骤S1：确定打磨绝对原点；步骤S2：控制视觉传感器对坡口焊道的轮廓进行扫描，确定目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线；步骤S3：控制打磨机构移动至当前切层中目标轮廓线的打磨起始点；步骤S4：控制打磨机构按照目标打磨量向下进给；步骤S5：按照切层曲线控制打磨机构进行Y轴方向和Z轴方向的进给；步骤S6：控制打磨机构复位，切换打磨位置；步骤S7：判断当前切层的各轮廓线是否全部完成；步骤S8：完成当前切层的打磨后，控制打磨机构平摆回到初始位置；步骤S9：判断当前切层是否为最后切层。本发明所提供的方法，切割效率高，每层切层的切层曲线，即打磨轨迹生成算法简单，打磨操作容易实现。

Description

一种管道打磨规划方法

技术领域

本发明涉及管道打磨规划方法领域，特别是涉及一种管道打磨规划方法。

背景技术

在役管道在进行焊接前需要对其进行表面打磨处理，从而使其露出金属光洁达到焊接起弧需要。

现有技术中，对焊道表面的打磨主要是采用人工手动打磨，通过人工对管道进行焊道打磨抛光处理；现有的打磨方法人工成本大，打磨效率较低，打磨后的位置不具有一致性，且打磨后起弧位置3D形态无法确定。同时，在打磨中存在很大机械伤害风险，安全隐患大。

因此，如何实现管道焊道的自动打磨，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种管道打磨规划方法，用于根据坡口焊道形貌自动规划打磨路线，实现自动分层打磨。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种管道打磨规划方法，包括以下步骤：

步骤S1：确定打磨绝对原点；

步骤S2：控制视觉传感器对坡口焊道的轮廓进行扫描，确定目标曲线，并根据所述坡口焊道的轮廓与所述目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线，单个所述切层中分隔为若干轮廓线；

步骤S3：控制打磨机构移动至当前切层中目标轮廓线的打磨起始点；

步骤S4：控制所述打磨机构按照目标打磨量向下进给；

步骤S5：按照所述切层曲线控制所述打磨机构进行Y轴方向和Z轴方向的进给；

步骤S6：当所述打磨机构移动至所述目标轮廓线的打磨终点后，控制所述打磨机构复位，并在所述坡口焊道的宽度方向平摆，以切换打磨位置；

步骤S7：判断当前切层的各轮廓线是否全部完成，如果否，则进入步骤S3，如果是，则进入步骤S8；

步骤S8：完成所述当前切层的打磨后，控制所述打磨机构平摆回到初始位置；

步骤S9：判断所述当前切层是否为最后切层，如果否，则进入步骤S3，如果是，则打磨结束。

优选的，所述打磨机构包括支撑主体、所述视觉传感器、飞轮以及分别控制所述飞轮沿X轴、Y轴和Z轴进给的X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，所述X轴沿所述坡口焊道的宽度方向，所述Y轴沿Y轴方向，所述Z轴沿Z轴方向。

优选的，所述S1包括：

粗调所述Y轴电机和所述X轴电机，至所述飞轮停在所述坡口焊道的中心正上方；

触发所述视觉传感器获取所述坡口焊道的深度轮廓数据，根据所述深度轮廓数据以及全新飞轮的安装尺寸，计算所述飞轮相对于待打磨点的相对高度，并确定所述飞轮在Z轴方向的理论进给量；

控制所述飞轮下降，至所述飞轮与所述待打磨点接触，确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点，并记录所述飞轮在Z轴方向的实际进给量；

确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点。

优选的，所述步骤S1还包括：

当所述理论进给量与所述实际进给量之间的差值大于预设飞轮磨损量时，则更换飞轮；

当所述差值小于所述预设飞轮磨损量时，则根据所述差值得到当前砂轮磨损的补偿值，作为下一个坡口焊道(5)在确定打磨绝对原点时的依据。

优选的，所述步骤确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点包括：

当编码器记录的位置变化小于预设高度时，则判断所述飞轮的当前位置为所述打磨绝对原点；

或者，当Z轴电机的电流波动值大于预设波动值时，则判断所述飞轮的当前位置为所述打磨绝对原点。

优选的，所述编码器为安装在所述Z轴电机上的位移传感器。

优选的，所述步骤控制视觉传感器对坡口焊道的轮廓进行扫描包括：

控制所述飞轮移动至打磨区域的Y轴方向初始位置；

控制所述飞轮在Y轴方向和Z轴方向沿管道的同心圆弧进给，至所述飞轮移动至所述打磨区域的Y轴方向终点位置；

汇总采集到的所述坡口焊道的轮廓数据，并进行切层曲线规划。

优选的，相邻所述轮廓线之间设有重叠部分。

优选的，所述步骤确定目标曲线包括：

确定目标打磨面型的目标曲线的控制节点集合U：u₀≤u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_m，u_i称之为节点，U称为节点向量，半开区间是第i个节点区间；

第i个p次B-Spline基函数记作：N_i，p(u)，递归定义如下：

确定基本控制点集合，记作P：{P₁，P₂，P₃，...，P_i，...，P_n}，控制点总数为n个，通过所述基本控制点集合结合B-Spline基函数得到k次目标曲线上所有点，定义如下式：

优选的，所述步骤确定打磨切层的数量和切层曲线包括：

预先设定单次打磨量；

根据所述坡口焊道的轮廓与所述目标曲线之间的最大距离，以及所述单次打磨量，计算打磨切层的数量；

将所述目标曲线沿Z轴方向向上依次平移所述单次打磨量的距离，获得每一切层的切层曲线。

本发明所提供的管道打磨规划方法，包括以下步骤：步骤S1：确定打磨绝对原点；步骤S2：控制视觉传感器对坡口焊道的轮廓进行扫描，确定目标曲线，并根据所述坡口焊道的轮廓与所述目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线，单个所述切层中分隔为若干轮廓线；步骤S3：控制打磨机构移动至当前切层中目标轮廓线的打磨起始点；步骤S4：控制所述打磨机构按照目标打磨量向下进给；步骤S5：按照所述切层曲线控制所述打磨机构进行Y轴方向和Z轴方向的进给；步骤S6：当所述打磨机构移动至所述目标轮廓线的打磨终点后，控制所述打磨机构复位，并在所述坡口焊道的宽度方向平摆，以切换打磨位置；步骤S7：判断当前切层的各轮廓线是否全部完成，如果否，则进入步骤S3，如果是，则进入步骤S8；步骤S8：完成所述当前切层的打磨后，控制所述打磨机构平摆回到初始位置；步骤S9：判断所述当前切层是否为最后切层，如果否，则进入步骤S3，如果是，则打磨结束。本发明所提供的管道打磨规划方法，利用坡口焊道的轮廓和目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线，然后对坡口焊道分层打磨，该方法切割效率高，每层切层的切层曲线，即打磨轨迹生成算法简单，打磨操作容易实现。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提供的管道打磨规划方法一种具体实施方式的流程图；

图2是本发明所提供的管道打磨规划方法中切层曲线规划流程图；

图3是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨流程规划示意图；

图4a、图4b和图4c是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨切层策略示意图；

图5是本发明所提供的管道打磨规划方法中管道打磨场景示意图；

图6是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨绝对原点检测示意图；

图7是本发明所提供的管道打磨规划方法中视觉传感器在测量坡口时的结构示意图；

图8是本发明所提供的管道打磨规划方法中坡口焊道轮廓示意图；

其中：1-Y轴电机；2-X轴电机；3-Z轴电机；4-视觉传感器；5-坡口焊道；6-飞轮；7-激光轮廓线；8-管道。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种管道打磨规划方法，用于根据坡口焊道形貌自动规划打磨路线，实现自动分层打磨。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图8，图1是本发明所提供的管道打磨规划方法一种具体实施方式的流程图；图2是本发明所提供的管道打磨规划方法中切层曲线规划流程图；图3是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨流程规划示意图；图4a、图4b和图4c是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨切层策略示意图；图5是本发明所提供的管道打磨规划方法中管道打磨场景示意图；图6是本发明所提供的管道打磨规划方法中打磨绝对原点检测示意图；图7是本发明所提供的管道打磨规划方法中视觉传感器在测量坡口时的结构示意图；图8是本发明所提供的管道打磨规划方法中坡口焊道轮廓示意图。

在该实施方式中，管道打磨规划方法包括以下步骤：

步骤S1：确定打磨绝对原点，打磨绝对原点作为打磨进给的主要依据，该打磨绝对原点可以为打磨机构中飞轮的圆心所处的原点位置；在步骤S1之前，应当将打磨机构移动至合适位置，使的飞轮处于坡口焊道5的中心正上方向；

步骤S2：控制视觉传感器4对坡口焊道5的轮廓进行扫描，确定目标曲线，并根据坡口焊道5的轮廓与目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线，单个切层中分隔为若干轮廓线；视觉传感器4优选为激光传感器，可发出线激光，在坡口焊道5的位置形成激光轮廓线7，视觉传感器4通过采集激光轮廓线7，获取坡口焊道5的轮廓坐标；

步骤S3：控制打磨机构移动至当前切层中目标轮廓线的打磨起始点；每一切层中具有若干轮廓线，目标轮廓线可以为其中任意一条轮廓线，优选的，为了方便打磨机构的移动，优选从当前切层最边缘的轮廓线开始打磨；

步骤S4：控制打磨机构按照目标打磨量向下进给；具体的，目标打磨量优选为打磨机构所设定的最大打磨量，以提高打磨效率；

步骤S5：按照切层曲线控制打磨机构进行Y轴方向和Z轴方向的进给；

步骤S6：当打磨机构移动至目标轮廓线的打磨终点后，控制打磨机构复位，并在坡口焊道5的宽度方向平摆，以切换打磨位置；

步骤S7：判断当前切层的各轮廓线是否全部完成，如果否，则进入步骤S3，如果是，则进入步骤S8；

步骤S8：完成当前切层的打磨后，控制打磨机构平摆回到初始位置；

步骤S9：判断当前切层是否为最后切层，如果否，则进入步骤S3，如果是，则打磨结束。

在上述各实施方式的基础上，打磨机构包括支撑主体、视觉传感器4、飞轮以及分别控制飞轮沿X轴、Y轴和Z轴进给的X轴电机2、Y轴电机1和Z轴电机3，X轴沿坡口焊道5的宽度方向，Y轴沿Y轴方向，Z轴沿Z轴方向。

在上述各实施方式的基础上，S1包括：

粗调Y轴电机1和X轴电机2，至飞轮停在坡口焊道5的中心正上方，即坡口焊道5的最高点处的正上方，即12点位置的正上方，方便对飞轮进行定位和进给控制；

触发视觉传感器4获取坡口焊道5的深度轮廓数据，根据深度轮廓数据以及全新飞轮的安装尺寸，计算飞轮相对于待打磨点的相对高度，并确定飞轮在Z轴方向的理论进给量；

控制飞轮下降，至飞轮与待打磨点接触，确定飞轮与待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点，并记录飞轮在Z轴方向的实际进给量；

确定飞轮与待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点。

具体的，当飞轮距离待打磨点越靠近时，Z轴方向的进给速度越慢，且单次进给量越小，快接近待打磨点时，飞轮在深度方向以最小进给精度进给，并通过编码器记录的飞轮位置变化是否超出预设高度来判断进给是否成功，若成功则继续进给，若失败则获取飞轮的当前位置，作为打磨绝对原点位置；

在上述各实施方式的基础上，步骤S1还包括：

当理论进给量与实际进给量之间的差值大于预设飞轮磨损量时，则更换飞轮；防止由于飞轮磨损严重而影响打磨效果，通过飞轮的自动检测和报警提醒，有效提高自动化程度，保证打磨机构的可靠性。

上述方式，通过飞轮在Z轴方向的理论进给量和实际进给量的差值，进行飞轮磨损量评估，根据飞轮磨损评估结果判定是否需要报警通知更换飞轮，当差值小于预设飞轮磨损量时，则根据差值得到当前砂轮磨损的补偿值，作为下一个坡口焊道5在确定打磨绝对原点时的依据；在打磨过程中加入此补偿值，方便确定飞轮是否临近坡口焊道5的表面，保证系统能够正常工作。

在一种具体实施例中，如图6所示，在对打磨绝对原点进行检测时，包括：控制飞轮移动至坡口焊道5的正上方；视觉传感器4获取坡口焊道5的轮廓数据；控制飞轮在Z轴方向进给；根据Z轴电机3的电流波动，判断是否进给到位；获取打磨绝对原点；砂轮磨损量评估；判断是否需要更换飞轮，当无需更换飞轮时，则更新飞轮的磨损补偿值。

在上述各实施方式的基础上，步骤确定飞轮与待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点包括：

当编码器记录的位置变化小于预设高度时，则判断飞轮的当前位置为打磨绝对原点；

或者，当Z轴电机3的电流波动值大于预设波动值时，则判断飞轮的当前位置为打磨绝对原点。

上述两种方式，均可以判断出飞轮是否移动至待打磨点的位置。

在上述各实施方式的基础上，编码器为安装在Z轴电机3上的位移传感器。

在上述各实施方式的基础上，步骤控制视觉传感器4对坡口焊道5的轮廓进行扫描包括：

控制飞轮移动至打磨区域的Y轴方向初始位置，即打磨区域Y轴方向初始位置归零；

控制飞轮在Y轴方向和Z轴方向沿管道8的同心圆弧进给，至飞轮移动至打磨区域的Y轴方向终点位置，即Y轴电机1和Z轴电机3同步进给同心圆弧；

汇总采集到的坡口焊道5的轮廓数据，即进行数据汇总解析，并进行切层曲线规划，即切层路径规划。

切层曲线规划在输出至各电机之前，可先缓存至FIF0队列中，依次输出切层曲线规划数据。

具体的，如图2和图8所示，根据Y轴方向的打磨范围设置，即根据打磨区域的设定，在Y轴方向进行初始打磨位置归零操作，并控制Y轴电机1和Z轴电机3同步进给同心圆弧，该同心圆弧与管道8的圆心同心，同时使用视觉传感器4扫描坡口焊道5，记录坡口焊道5的轮廓坐标点与对应的扫描位置，如表1所示；

表1坡口焊道5的轮廓记录表

扫描位置	坡口焊道5轮廓坐标
		y<sub>1</sub>	(x<sub>1</sub>，z<sub>1</sub>)，(x<sub>2</sub>，z<sub>2</sub>)，(x<sub>3</sub>，z<sub>3</sub>)，…，(x<sub>n</sub>，z<sub>n</sub>)
y<sub>2</sub>	(x<sub>1</sub>，z<sub>1</sub>)，(x<sub>2</sub>，z<sub>2</sub>)，(x<sub>3</sub>，z<sub>3</sub>)，…，(x<sub>n</sub>，z<sub>n</sub>)
		...	...

在上述各实施方式的基础上，相邻轮廓线之间设有重叠部分。

在上述各实施方式的基础上，步骤确定目标曲线包括：

根据目标曲线轨迹规划的基本控制点，进行B-Spline样条曲线进行生成；首先确定目标打磨面型的目标曲线的控制节点集合U：u₀≤u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_m，u_i称之为节点，U称为节点向量，半开区间是第i个节点区间；

为了定义B-Spline样条基函数，我们还需要一个参数，基函数的次数(degree)p，第i个p次B-Spline基函数记作：N_i，p(u)，递归定义如公式1-1和公式1-2：

确定基本控制点集合，记作P：{P₁，P₂，P₃，...，P_i，...，P_n}，控制点总数为n个，通过基本控制点集合结合B-Spline基函数得到k次目标曲线上所有点，定义如公式1-3：

在上述各实施方式的基础上，步骤确定打磨切层的数量和切层曲线包括：

预先设定单次打磨量；优选的单次打磨量优选为打磨机构所设定的最大打磨量；

如图4a、4b和4c所示，根据坡口焊道5的轮廓与目标曲线之间的最大距离，以及单次打磨量，计算打磨切层的数量；

将目标曲线沿Z轴方向向上依次平移单次打磨量的距离，获得每一切层的切层曲线。

根据上述公式1-3即可确定目标曲线的基本点位置，该方法通过固定单次打磨量的策略，此策略的切割效率高，每层的打磨轨迹生成算法简单，根据最大打磨量，将目标曲线向上依次平移即可得到每一切层的切层曲线，进而得到每一切层的曲面轮廓，且切割过程中电机控制算法容易实现，故选择此策略进行打磨，具体如图4所示。由于使用飞轮打磨焊道时，确切的打磨位置为飞轮与目标曲面的切线位置，因次，飞轮中心轨迹的移动情况应该以曲线的法线方向，飞轮半径作为模长形成的向量集{n₁，n₂，...，n_j}构成的飞轮中心轨迹路径如图3所示，具体流程如图2所示。

进一步，步骤S3包括：打磨机构平移下降至第一切层的打磨起点位置；第一切层的打磨起点位置，位于坡口焊道5的12点左侧，打磨终点位置位于坡口焊道5的12点右侧，打磨起点位置与打磨终点位置之间的距离，即为打磨区域的总距离。

步骤S4中，优选采用最大打磨量，对飞轮沿Z轴下降进给，以保证飞轮成功切入；

步骤S5中，按照规划好的飞轮中心轨迹进行Y轴和Z轴方向进给，进给过程中Z轴方向始终保持最大进给量，按照规划的Y轴和Z轴路径轨迹进行进给，通过位移传感器来确认当前进给量是否进给完成，若未达到进给位置则继续打磨，若位移传感器的位置已达到对应轨迹规划位置，则继续向后打磨，如图7所示。X轴电机2、Y轴电机1和Z轴电机3均优选为伺服电机。

进一步，完成单打磨线的打磨后，在X轴方向平摆飞轮，切换打磨位置，依次打磨完当前切层的整个轮廓面，同时需要确保在相邻轮廓线的打磨过程中，保证一定量的重叠部分以确保打磨到整个轮廓面。

以上对本发明所提供的管道打磨规划方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种管道打磨规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：确定打磨绝对原点；

步骤S2：控制视觉传感器(4)对坡口焊道(5)的轮廓进行扫描，确定目标曲线，并根据所述坡口焊道(5)的轮廓与所述目标曲线，确定打磨切层的数量和切层曲线，单个所述切层中分隔为若干轮廓线；

步骤S3：控制打磨机构移动至当前切层中目标轮廓线的打磨起始点；

步骤S4：控制所述打磨机构按照目标打磨量向下进给；

步骤S5：按照所述切层曲线控制所述打磨机构进行Y轴方向和Z轴方向的进给；

步骤S6：当所述打磨机构移动至所述目标轮廓线的打磨终点后，控制所述打磨机构复位，并在所述坡口焊道(5)的宽度方向平摆，以切换打磨位置；

步骤S7：判断当前切层的各轮廓线是否全部完成，如果否，则进入步骤S3，如果是，则进入步骤S8；

步骤S8：完成所述当前切层的打磨后，控制所述打磨机构平摆回到初始位置；

步骤S9：判断所述当前切层是否为最后切层，如果否，则进入步骤S3，如果是，则打磨结束。

2.根据权利要求1所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述打磨机构包括支撑主体、所述视觉传感器(4)、飞轮以及分别控制所述飞轮沿X轴、Y轴和Z轴进给的X轴电机(2)、Y轴电机(1)和Z轴电机(3)，所述X轴沿所述坡口焊道(5)的宽度方向，所述Y轴沿Y轴方向，所述Z轴沿Z轴方向。

3.根据权利要求2所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述S1包括：

粗调所述Y轴电机(1)和所述X轴电机(2)，至所述飞轮停在所述坡口焊道(5)的中心正上方；

触发所述视觉传感器(4)获取所述坡口焊道(5)的深度轮廓数据，根据所述深度轮廓数据以及全新飞轮的安装尺寸，计算所述飞轮相对于待打磨点的相对高度，并确定所述飞轮在Z轴方向的理论进给量；

控制所述飞轮下降，至所述飞轮与所述待打磨点接触，确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点，并记录所述飞轮在Z轴方向的实际进给量；

确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点。

4.根据权利要求3所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

当所述理论进给量与所述实际进给量之间的差值大于预设飞轮磨损量时，则更换飞轮；

当所述差值小于预设飞轮磨损量时，则根据所述差值得到当前砂轮磨损的补偿值，作为下一个坡口焊道(5)在确定打磨绝对原点时的依据。

5.根据权利要求3所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述步骤确定所述飞轮与所述待打磨点接触时的位置为打磨绝对原点包括：

当编码器记录的位置变化小于预设高度时，则判断所述飞轮的当前位置为所述打磨绝对原点；

或者，当Z轴电机(3)的电流波动值大于易预设波动值时，则判断所述飞轮的当前位置为所述打磨绝对原点。

6.根据权利要求3所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述编码器为安装在所述Z轴电机(3)上的位移传感器。

7.根据权利要求2所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述步骤控制视觉传感器(4)对坡口焊道(5)的轮廓进行扫描包括：

控制所述飞轮移动至打磨区域的Y轴方向初始位置；

控制所述飞轮在Y轴方向和Z轴方向沿管道(8)的同心圆弧进给，至所述飞轮移动至所述打磨区域的Y轴方向终点位置；

汇总采集到的所述坡口焊道(5)的轮廓数据，并进行切层曲线规划。

8.根据权利要求1所述的管道打磨规划方法，其特征在于，相邻所述轮廓线之间设有重叠部分。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述步骤确定目标曲线包括：

确定目标打磨面型的目标曲线的控制节点集合U：u₀≤u₁≤u₂≤u₃≤…≤u_m，u_i称之为节点，U称为节点向量，半开区间是第i个节点区间；

第i个p次B-Spline基函数记作：N_i，p(u)，递归定义如下：

确定基本控制点集合，记作P：{P₁，P₂，P₃，...，P_i，...，P_n}，控制点总数为n个，通过所述基本控制点集合结合B-Spline基函数得到k次目标曲线上所有点，定义如下式：

10.根据权利要求1至8任意一项所述的管道打磨规划方法，其特征在于，所述步骤确定打磨切层的数量和切层曲线包括：

预先设定单次打磨量；

根据所述坡口焊道(5)的轮廓与所述目标曲线之间的最大距离，以及所述单次打磨量，计算打磨切层的数量；

将所述目标曲线沿Z轴方向向上依次平移所述单次打磨量的距离，获得每一切层的切层曲线。

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