CN117600889A - 一种机床车刀阻尼减震方法、系统 - Google Patents

一种机床车刀阻尼减震方法、系统 Download PDF

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CN117600889A CN202311419848.3A CN202311419848A CN117600889A CN 117600889 A CN117600889 A CN 117600889A CN 202311419848 A CN202311419848 A CN 202311419848A CN 117600889 A CN117600889 A CN 117600889A
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Abstract

本发明提供一种机床车刀阻尼减震方法,所述方法包括:基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。通过改变磁场强度的大小和磁感应强度的频率来控制材料的磁致伸缩形变量的大小和伸缩频率,从而削减机床车刀加工时产生颤振,实现对车刀颤振现象的补偿。

Description

一种机床车刀阻尼减震方法、系统
技术领域
本发明涉及车削加工技术领域,特别是一种机床车刀阻尼减震方法、系统。
背景技术
在车削加工方面,车刀作为主要切削工具,是切削加工中应用最广泛的切削工具之一。当机床对工件进行加工时,尤其是加工深孔部分,安装在刀杆的刀头上的刀片会由于刀杆较长以及刀头较大而发生颤振现象,这会导致加工出的工件出现精度偏差,并且由于颤振会使刀具产生一定的磨损,从而减少刀具的使用寿命。
现有的减震方式多为机械减震方法。机械减震方法单纯的采用机械结构加固刀架,避免车刀因为伸出长度过长导致的震动。通过机械减震的方法,在减震的过程中过于被动,减震的效果单一,难以做到有效的针对性。
为了解决上述技术问题,本发明的提出了一种机床车刀阻尼减震方法、系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机床车刀阻尼减震方法、系统,用于解决背景技术中所述的,现有的机械减震效果单一,难以做到有效的针对性的问题。具体技术方案如下:
第一方面,本发明提供一种机床车刀阻尼减震方法,所述方法包括:
基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
进一步的,在基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量,之前还包括:
通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;
基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
进一步的,在对所述通电线圈施加所述交变电流,之后还包括:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
进一步的,所述基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流,包括:
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定需要对所述磁致伸缩棒施加的磁极化强度;
基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度。
进一步的,确定磁极化强度的公式如下:
其中,△L为磁致伸缩棒的预设伸缩量,S为磁致伸缩棒的截面面积,μ0为真空磁导率,K为磁致伸缩棒的弹性系数,J为磁致伸缩棒的磁极化强度。
进一步的,在所述基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度,之后还包括:
基于所述磁感应强度确定磁化场;
基于所述磁化场和退磁场确定施加在所述磁致伸缩棒上的合磁场;
基于所述合磁场和所述通电线圈的匝数确定所述电流。
进一步的,确定磁化场的公式如下:
B=μ0μrH0
其中,B为磁感应强度,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,H0为磁化场。
第二方面,本发明还提供一种机床车刀阻尼减震系统,所述系统包括:处理模块、驱动电流模块;
所述处理模块用于,基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
所述驱动电流模块用于,对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
优选的,所述系统还包括:震动检测模块;
所述震动检测模块用于,通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
优选的,所述系统还包括:反馈模块;所述反馈模块用于:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
本发明的有益效果如下:
本发明提供一种机床车刀阻尼减震方法,所述方法包括:基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。通过改变磁场强度的大小和磁感应强度的频率来控制材料的磁致伸缩形变量的大小和伸缩频率,从而削减机床车刀加工时产生颤振,实现对车刀颤振现象的补偿。
附图说明
图1是本发明一种机床车刀阻尼减震方法的应用设备的结构示意图之一;
图2是本发明一种机床车刀阻尼减震方法的应用设备的结构示意图之一;
图3是本发明一种机床车刀阻尼减震方法的应用设备的结构示意图(图1)的局部放大图;
图4是本发明一种机床车刀阻尼减震方法的相关幅值变化情况图;
图5是本发明一种机床车刀阻尼减震方法的应用设备的立体图;
其中,1、永磁体;2、磁致伸缩棒;3、通电线圈;4、固定元件;5、连接三脚架;6、车刀;7、车刀臂;8、切削端面;9、横杆;10、L杆;11、上固定杆;12、下固定杆。
具体实施方式
为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及其相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述,显然所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本文件保护的范围。
以下结合图1-5,详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。
具体实施例1:
本发明的目的在于提供一种机床车刀阻尼减震方法、系统,用于解决背景技术中所述的,现有的机械减震效果单一,难以做到有效的针对性的问题。具体技术方案如下:
第一方面,本发明提供一种机床车刀阻尼减震方法,所述方法包括:
基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
进一步的,在基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量,之前还包括:
通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;
基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
进一步的,在对所述通电线圈施加所述交变电流,之后还包括:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
进一步的,所述基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流,包括:
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定需要对所述磁致伸缩棒施加的磁极化强度;
基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度。
进一步的,确定磁极化强度的公式如下:
其中,△L为磁致伸缩棒的预设伸缩量,S为磁致伸缩棒的截面面积,μ0为真空磁导率,K为磁致伸缩棒的弹性系数,J为磁致伸缩棒的磁极化强度。
进一步的,在所述基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度,之后还包括:
基于所述磁感应强度确定磁化场;
基于所述磁化场和退磁场确定施加在所述磁致伸缩棒上的合磁场;
基于所述合磁场和所述通电线圈的匝数确定所述电流。
进一步的,确定磁化场的公式如下:
B=μ0μrH0
其中,B为磁感应强度,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,H0为磁化场。
第二方面,本发明还提供一种机床车刀阻尼减震系统,所述系统包括:处理模块、驱动电流模块;
所述处理模块用于,基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
所述驱动电流模块用于,对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
优选的,所述系统还包括:震动检测模块;
所述震动检测模块用于,通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
优选的,所述系统还包括:反馈模块;所述反馈模块用于:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
具体实施例2:
为了克服现有技术存在的上述不足,本发明提出一种机床车刀阻尼减震方法,运用整流和逆变对输出的电流幅值以及频率进行控制,利用磁致伸缩材料形变量对磁场强度的反应,实现半主动控制减振,及时调整机床车刀加工参数、减少车刀与工件之间的颤振现象,以提高加工效率和质量是本发明需要进行说明的内容。本发明实现发明目的采用的技术方案如下:
本发明的主要目的在于减小数控机床车削过程中产生的颤振以及优化噪声影响的缺陷,提出了一种基于磁致伸缩的机床车刀阻尼减振方法,提升了车刀的寿命以及产品的质量。
一种机床车刀阻尼减震方法。该方法是基于磁致伸缩材料在磁场的作用下会产生形状变化量,在电磁学中找到了磁致伸缩材料的磁场与磁致伸缩量之间一一对应的关系,通过改变磁场强度的大小和磁感应强度的频率来控制材料的磁致伸缩形变量的大小和伸缩频率,从而削减机床车刀加工时产生颤振,实现对车刀颤振现象的补偿。具体的实现步骤如下:
S1、检测机床车刀的颤振信息。
车削加工时利用振动信号的光学检测量作为输入量,这种输入量是周期性变化的,以至于在“故障”时产生能使此种装置的铁磁材料发生周期性的长度变化以产生类“阻尼效果”,减少颤振对于加工工件的质量影响。车削时刀头的颤振阻尼信号与产生颤振的周期性信号方向大小相等方向相反,其电流矢量图4。阻尼器在此信号的作用下发生的长度和体积变化以抑制车刀的颤振。
当车刀发生颤振的时候,利用光学检测信号得到的电流信号幅值变化情况见图4第一行,由于颤振信号微弱,所以叠加上周期变化的正弦信号得到图4第二行,若颤振发生时间为0至0.5秒时,将阻尼器的电流信号反向输入通电感应线圈以获得横向上的倍频机械振动,使得磁致伸缩材料发生形变并携带着车刀尖端处产生阻尼抑制;当颤振发生时间为0.5至1秒时则产生相反方向上的阻尼效果。阻尼器给定的信号量变化见图4第三行。
S2、计算车刀发生颤振时需要补偿的伸缩量。
根据上一步检测的信号判断车刀是否发生颤振,并根据振颤幅度确定伸缩量。伸缩量的具体确定公式如公式(23)所示。具体过程在下文建模中给出详细说明。
S3、根据伸缩量对通电线圈施加对应的电流。
在阻尼装置中部放置无磁性的螺钉,在其上下两端放置由磁致伸缩材料制成的通电螺线管,并通过整流、直流变换和逆变等方式,实现对输出电流的幅值以及频率的改变,从而使电流线圈产生相应磁场,改变磁致伸缩材料的伸缩量。
S4、通过霍尔传感器测量磁致伸缩材料的磁感应强度、
基于磁极化强度分析磁致伸缩材料的伸缩量与磁场强度的关系,磁极化强度J直接反映了磁介质在磁场中磁学与力学之间的关系,由于磁极化强度较难测量,采用磁感应强度替代磁极化强度,通过霍尔传感器测量磁致伸缩材料的磁感应强度。并将磁感应强度数据作为反馈数据,对电流进行调节。从而使得磁致伸缩棒的伸缩量达到预设值。提高减震效果。
S5、获取加工工件的加工纹理信息对交变电流进行补偿
在加工完成工件之后,对加工工件的加工纹理进行分析。根据实际加工情况,颤振情况,本方法的颤振补偿情况,观察加工工件实际的加工效果。根据加工效果设置对应的补偿参数,并将补偿参数应用到下一次加工中。直到加工的产品符合生产要求。
本发明数量关系的建模过程如下:
在阻尼装置中部放置无磁性的螺钉,在其上下两端放置由磁致伸缩材料制成的通电螺线管,并通过整流、直流变换和逆变等方式,实现对输出电流的幅值以及频率的改变,从而使电流线圈产生相应磁场,改变磁致伸缩材料的伸缩量。
经过整流、逆变之后产生需要的交流正弦电压,通过添加可变负载,产生可变的交流正弦电流。电源的控制电路采用三级式,前级为三相桥式不控整流方式,中间级采用Buck降压,后级采用LCL全桥逆变,控制策略采用为恒流的SPWM,同时利用d-q坐标系下的PI控制实现对电流的控制,以此产生幅值和频率为可控的输出交变电流I,通入N匝的通电线圈后,产生磁致伸缩材料需要的磁场强度H以及变化频率。
H=NI (1)
基于磁极化强度分析磁致伸缩材料的伸缩量与磁场强度的关系,磁极化强度J直接反映了磁介质在磁场中磁学与力学之间的关系,由于磁极化强度较难测量,采用磁感应强度替代磁极化强度,通过霍尔传感器测量磁致伸缩材料的磁感应强度。
磁致伸缩棒的磁致伸缩效应主要与外加激励磁场强度有关,在振动状态下工作时,如果通电线圈中输入的是交变电流,则磁致伸缩棒处于交变磁场的激励下,对外工作的输出频率是所加激励磁场频率的两倍,即发生倍频效应。
为了避免材料的倍频效应,一般的方法是在外加激励磁场之外再施加合适的偏置磁场,从而使磁致伸缩棒的输出频率与输入频率相一致。采用永磁磁路添加偏置磁场,永磁磁路产生的偏置磁场是由永磁铁提供的,这种方式一般情况下磁路是闭合。因为圆筒形永磁体产生的偏置磁场均匀度方面比圆盘形永磁体要好一些,所以选择圆筒形永磁体。永磁铁材料选择为钦铁硼,这种材料是磁性能比较强,它具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比等方面的优点,并且加工成本很低。将永磁铁的对称放置,则会得到磁场均匀的偏置磁场。
无论是电流强度还是磁场强度都不能直接反应磁介质在磁场中磁学与力学时间的联系,这也是铁磁性介质的磁致伸缩与磁场强度之间不是单值函数的重要原因。因此在建立磁致伸缩材料控制模型时,应选用与磁介质的磁化状态存在直接联系的变量作为控制量,才能建立一一对应的关系。在电磁学中磁极化强度J直接反映了磁介质在磁场中磁学与力学之间的关系,下面采用磁介质磁化的磁荷观点来分析磁致伸缩材料的磁致伸缩量与磁极化强度的关系。
首先需要做两点假设:(1)磁致伸缩材料根据离散化建模在宏观上近似等效为一弹性体,满足虎克定律。(2)磁致伸缩材料与其驱动线圈等效为带铁心的电感,内部磁场均匀。
将磁致伸缩材料制成的圆柱棒放置在驱动电流产生的均匀磁化场H0中,在磁致伸缩圆柱棒的两端产生大小相等、正负互易的磁荷,设其产生磁荷的面密度为±σ',磁化场的等效面密度为σ0,但是磁致伸缩材料在被磁化的过程中会产生反向的附加磁场,即退磁场H′,对外加磁场起到削弱的作用。因此磁致伸缩材料内部的合磁场H、磁化场H0和退磁场H′的关系如下:
式中μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m。
由假设(2)和磁场中的高斯定理得:
式中μ为空气磁导率。
由式(3)(4)整理得:
考虑零预应力时的磁致伸缩系数与线应变关系表达式:
其中ε为线应变,λ为磁致伸缩系数,J为磁极化强度,JS为饱和磁极化强度。
在合磁场H作用下,将磁致伸缩材料在磁场中等效为一个磁偶极子,且磁荷在磁场中受力就是磁荷与磁场强度的乘积,则磁致伸缩材料所产生的磁致伸缩力F为:
F=K·ε·S=σ′·H0·S (7)
式中K为磁致伸缩材料的弹性系数,S为磁致伸缩材料的横截面积。
根据假设(1)的虎克定律可得:
F=K·△L (8)
式中△L为磁致伸缩材料在磁场作用下的伸缩量。
由式(7)和(8)得:
在磁介质内单位体积△V中,用∑Pm代表该单位体积内磁偶极子的矢量和,于是磁极化强度J可表述为:
通过类似的电场理论可以推导出:
在闭合面中,为端面面积内的磁荷代数和,n是磁介质表面的单位外法向矢量。
磁感应强度矢量B:
B=μ0H0+J (13)
B=μ0μrH0 (14)
其中μr为相对磁导率,所以有:
J=(μr-1)μ0H0 (15)
由式(12)和式(15)得:
根据磁场中的高斯定律:磁场中通过任一封闭曲面的磁通量一定为零,即:
∫B·dS=0 (17)
对于均匀磁化的磁性体,磁荷分布于磁性体的表面,其表面上的磁荷面密度σ′等于磁极化强度在该表面外法线方向上的投影,故可以得出:
σ′=(μr-1)μ0H0·cosθ (18)
由于磁致伸缩材料的磁极化强度方向与外法线强度方向相同,即θ=0,因此(18)式可化简为:
σ′=(μr-1)μ0H0=J (19)
由式(5)、(9)、(19)可得:
又因为μ0为4π×10-7H/m,在实际的工程中常常将μ-μ0可用μ进行替代,故(20)可化简为:
由于磁致伸缩材料为软磁材料,其磁感应强度B与磁极化强度之间差别很小,故通过测量磁致伸缩棒内的磁感应强度近似替代测量磁极化强度,即:
B≈J(22)
则磁致伸缩量△L与磁感应强度B的关系为:
为了测量磁感应强度,在导磁体与磁致伸缩棒接触的截面上开一个很小的气隙,将霍尔片紧贴在磁致伸缩棒表面。又因为在磁致伸缩棒与气隙边界两侧的磁感应强度的法线分量是连续的,而霍尔片和气隙的尺寸又很小,故霍尔片所测得的磁感应强度与磁致伸缩棒内的磁感应强度之间近似相等。
以上所述仅为本说明书的优选实施例而已,并不用于限制本说明书,对于本领域的技术人员来说,本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本说明书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,所述方法包括:
基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
2.如权利要求1所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,在基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量,之前还包括:
通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;
基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
3.如权利要求1所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,在对所述通电线圈施加所述交变电流,之后还包括:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
4.如权利要求1所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,所述基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流,包括:
基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定需要对所述磁致伸缩棒施加的磁极化强度;
基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度。
5.如权利要求4所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,确定磁极化强度的公式如下:
其中,ΔL为磁致伸缩棒的预设伸缩量,S为磁致伸缩棒的截面面积,μ0为真空磁导率,K为磁致伸缩棒的弹性系数,J为磁致伸缩棒的磁极化强度。
6.如权利要求4所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,在所述基于所述磁极化强度确定所述磁感应强度,之后还包括:
基于所述磁感应强度确定磁化场;
基于所述磁化场和退磁场确定施加在所述磁致伸缩棒上的合磁场;
基于所述合磁场和所述通电线圈的匝数确定所述电流。
7.如权利要求6所述的一种机床车刀阻尼减震方法,其特征在于,确定磁化场的公式如下:
B=μ0μrH0
其中,B为磁感应强度,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,H0为磁化场。
8.一种机床车刀阻尼减震系统,其特征在于,所述系统包括:处理模块、驱动电流模块;
所述处理模块用于,基于机床车刀的震动幅度和震动方向,确定机床的磁致伸缩棒的预设伸缩量;基于所述磁致伸缩棒的预设伸缩量,确定所述磁致伸缩棒上通电线圈的交变电流;
所述驱动电流模块用于,对所述通电线圈施加所述交变电流,控制所述磁致伸缩棒按照所述预设伸缩量进行伸缩,实现对车刀震动的补偿。
9.如权利要求8所述的一种机床车刀阻尼减震系统,其特征在于,所述系统还包括:震动检测模块;
所述震动检测模块用于,通过光学设备获取所述机床车刀由于震动产生的光学图像;基于所述光学图像确定所述机床车刀的震动幅度和震动方向。
10.如权利要求8所述的一种机床车刀阻尼减震系统,其特征在于,所述系统还包括:反馈模块;所述反馈模块用于:
通过传感器获取所述通电线圈内的实际磁感应强度;
基于所述实际磁感应强度和所述磁致伸缩棒所需要的预设磁感应强度,确定磁感应强度偏差;
基于所述磁感应强度偏差对所述通电线圈所需要施加的所述交变电流进行调整,实现所述交变电流的反馈调节。
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