CN213646342U - 一种微孔激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微孔激光加工装置，所述装置由显示器、控制器、驱动器、XYZ三轴联动传动机构、安装板、CCD图像采集单元、激光加工头和激光测距仪组成，所述显示器与控制器信号连接，控制器与驱动器控制信号连接，驱动器分别与XYZ三轴联动传动机构的XYZ三轴动力元件控制信号连接，所述安装板安装在XYZ三轴联动传动机构的执行末端，在XYZ三轴联动传动机构的带动下，安装板分别沿X轴、Y轴或Z轴直线运动，所述CCD图像采集单元、激光加工头和激光测距仪分别安装在安装板上。本实用新型所述装置可实现对微孔零件待加工微孔所在基圆圆心的快速找正，进而通过激光进行微孔加工，在保证微孔与基圆的同轴度要求的同时，提高了微孔加工效率。

Description

一种微孔激光加工装置

技术领域

本实用新型属于液压控制系统中微孔零件的微孔加工技术领域，具体涉及一种微孔激光加工装置。

背景技术

液压控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。液压控制系统在运行过程中可实现大范围无极调速，液压传动的动态性能好，可实现无间隙传动，运动平稳，便于实现自动工作循环以及自动过载保护，且液压元件标准化、系列化程度高，基于上述优点，液压控制系统已广泛引用于自动化控制领域。

微孔零件是液压控制元件中重要的一类元件，液压控制领域的微孔零件的微孔尺寸较小，一直都是微孔加工领域的技术难点，现有的微孔零件加工方法包括：钻削加工、电火花加工以及激光加工。

钻削加工是孔加工的一种基本方法，其以钻头作为直接加工工具，通过钻头的旋转运动做为主切削运动作用于待加工表面上，钻削加工受钻头尺寸及精度的限制，其一般仅用于加工微孔直径在0.3mm以上的微孔零件。

电火花加工是指在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用，利用电、热能进行加工对工件进行加工的方法。

激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工的方法。

液压控制系统所采用的微孔零件的微孔直径一般为0.1mm至0.3mm之间，根据上述可知，钻削加工显然无法实现液压控制系统中微孔零件的微孔加工，而电火花加工和激光加工均可满足液压控制系统中微孔零件的微孔加工要求。

此外，在液压控制系统中微孔零件的微孔与基圆的同轴度将直接影响液压系统的响应速度，一般情况下，微孔零件的微孔与基圆的同轴度要求≤0.05mm，故微孔零件加工过程中如何保证微孔与基圆的同轴度要求是微孔加工过程中需要高度重视的问题。

在现有技术中，采用电火花或激光加工微孔时，是通过保证零件除加工表面以外的其余表面与基准圆的位置关系来间接保证所需加工微孔与基准圆的同轴度，在这一过程中，若基准圆位置变动将直接导致微孔与基准圆同轴度变差，无法满足同轴度要求。

相较于电火花加工激光加工的精度更高，加工效率也更高，加工环境更加清洁，更适合于在液压控制系统中微孔零件的微孔加工，但是，在现有的采用激光加工微孔的过程中，通常需要人为控制，使激光加工头对准待加工微孔所在基圆的圆心，进而保证所加工出的微孔与基圆的同轴度，而在找准基圆的圆心过程中，由于需要提前人工设置找准位置，一旦零件在加工平台上发生偏移，需要重新再次找准，且找准精度受外界干扰较大，使得加工精度和加工效率较低。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的缺陷，本实用新型提供了一种微孔激光加工装置，可实现对微孔零件待加工微孔所在基圆圆心的快速找正，进而通过激光进行微孔加工，在保证微孔与基圆的同轴度要求的同时，提高了微孔加工效率。结合说明书附图，本实用新型的技术方案如下：

一种微孔激光加工装置，所述装置由控制器、驱动器、XYZ三轴联动传动机构、安装板、CCD图像采集单元以及激光加工头组成；

所述控制器与驱动器控制信号连接，驱动器分别与XYZ三轴联动传动机构的XYZ三轴动力元件控制信号连接；

所述安装板安装在XYZ三轴联动传动机构的执行末端，在XYZ三轴联动传动机构的带动下，安装板分别沿X轴、Y轴或Z轴直线运动；

所述CCD图像采集单元和激光加工头分别安装在安装板上。

进一步地，所述装置还包括显示器；所述显示器与控制器信号连接。

进一步地，所述装置还包括激光测距仪；所述激光测距仪安装在安装板上。

进一步地，所述XYZ三轴联动传动机构包括：X轴电机与X轴传动副组成X轴运动机构、Y轴电机与Y轴传动副组成Y轴运动机构、以及Z轴电机与Z轴传动副组成Z轴运动机构；所述驱动器为电机驱动器；所述电机驱动器分别与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机控制信号连接。

更进一步地，所述X轴传动副、Y轴传动副和Z轴传动分别采用丝杠传动副；所述丝杠传动副由丝杠和丝杠螺母配套连接组成。

更进一步地，所述丝杠传动副为滚珠丝杠传动副。

更进一步地，所述Y轴传动副中，Y轴丝杠与Y轴电机驱动连接，Y轴丝杠螺母与Y 轴丝杠配套连接；

所述X轴传动副中，X轴丝杠与X轴电机驱动连接，且X轴丝杠与Y轴丝杠螺母连接，X轴丝杠螺母与X轴丝杠配套连接；

所述Z轴传动副中，Z轴丝杠与Z轴电机驱动连接，且Z轴丝杠与X轴丝杠螺母连接，Z轴丝杠螺母与Z轴丝杠配套连接。

进一步地，所述X轴电机、Y轴电机和Z轴电机分别采用伺服电机；所述电机驱动器为伺服电机驱动器。

进一步地，所述CCD图像采集单元和激光加工头分别安装在安装板的底部；

待加工的微孔零件定位安装在料盘内，所述料盘位于安装板下方。

更进一步地，所述激光测距仪固定安装在安装板的底部，以测量待加工的微孔零件高度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型所述微孔激光加工装置采用CCD图像传感器采集料盘内待加工微孔零件的加工表面图像信息，并识别料盘内各个待加工微孔零件的微孔所在基圆的外轮廓，进而获得基圆的圆心位置，实现了对基圆圆心的在线快速识别。

2、本实用新型所述微孔激光加工装置通过设置X轴、Y轴以及Z轴三个方向的联动式传动机构带动承载着激光加工头的安装板沿X轴、Y轴以及Z轴运动，保证激光加工头快速、平稳且准确地运动至待加工微孔零件的基圆圆心正上方，提高微孔加工效率。

3、本实用新型所述微孔激光加工装置还通过设置激光测距仪测量待加工微孔零件的待加工平面的Z向高度，进而提供Z向的加工补偿，保证激光加工过程中的激光焦点位置。

附图说明

图1为本实用新型所述微孔激光加工装置的结构示意图。

图中：

1微孔零件， 2料盘， 3待加工微孔， 4基准圆，

5视觉扫描区， 6镜头， 7CCD图像传感器， 8安装板，

9激光加工头， 10Y轴丝杠副， 11Y轴伺服电机， 12Z轴丝杠副，

13Z轴伺服电机， 14伺服电机驱动器， 15控制器， 16显示器，

17Z轴伺服电机， 18X轴丝杠， 19激光测距仪。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在阐述实用新型的具体实施方式前，需要说明的是：

1、在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

2、在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

3、在本说明书的具体描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，在采用本实用新型所述装置进行微孔加工前，需要在料盘2内装有100个待加工的微孔零件1，所述微孔零件1的数量可根据具体加工实际而定。其中，所述料盘2为平盘状，其上呈阵列式地开有相应的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔，微孔零件1的微孔加工面朝上设置，微孔零件1竖直安装在料盘2的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔内，微孔零件1的上端外沿地面紧密贴合在料盘2的上表面上，以实现对微孔零件1的轴向定位，微孔零件1下端的轴径与料盘2的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔内壁表面紧密贴合，以实现对微孔零件1的径向定位，最终保证在激光加工过程中，微孔零件1能够准确、可靠地定位在料盘内，避免影响微孔加工精度。

如图1所示，待进行微孔加工的微孔零件1的上端平面上同轴地开有一个圆形凹槽，该圆形凹槽的圆形轮廓线即为基准圆4，所述基准圆4的圆心位置，即为本实用新型所述装置将要加工微孔的位置。

如图1所示，本实用新型所公开的微孔激光加工装置包括：显示器16、控制器15、伺服电机驱动器14、X轴伺服电机17、X轴滚珠丝杠副18、Y轴伺服电机11、Y轴滚珠丝杠副10、Z轴伺服电机13、Z轴滚珠丝杠副12、安装板8、CCD图像传感器7、镜头6、激光加工头以及激光测距仪19。

需要说明的是，在下述描述中，X轴与Y轴相垂直，Z轴垂直于X轴与Y轴所在的平面。

所述Y轴伺服电机11与Y轴滚珠丝杠副10组成Y轴运动机构，其中，所述Y轴滚珠丝杠副10由Y轴丝杠和Y轴丝杠螺母配套连接组成，所述Y轴伺服电机11与Y轴丝杠驱动连接，在Y轴伺服电机11的旋转驱动下，Y轴丝杠将动力传递至Y轴丝杠螺母，将Y轴丝杠自身的旋转运动转化为Y轴丝杠螺母的直线运动，进而通过Y轴丝杠螺母带动与之相连的其他部件沿Y轴直线运动。

所述X轴伺服电机17与X轴滚珠丝杠副18组成X轴运动机构，其中，所述X轴滚珠丝杠副18由X轴丝杠和X轴丝杠螺母配套连接组成；所述X轴丝杠与Y轴丝杠螺母固定连接，在Y轴丝杠螺母的带动下，X轴丝杠以及与其配套连接的X轴伺服电机17和X轴丝杠螺母均沿Y轴做直线运动；所述X轴伺服电机17与X轴丝杠驱动连接，在X轴伺服电机17的旋转驱动下，X轴丝杠将动力传递至X轴丝杠螺母，将X轴丝杠自身的旋转运动转化为X轴丝杠螺母的直线运动，进而通过X轴丝杠螺母带动与之相连的其他部件沿X轴直线运动。故在上述Y轴运动机构与X轴运动机构的共同带动下，与X轴丝杠螺母相连接的部件将分别沿X轴或Y轴直线运动。

所述Z轴伺服电机13与Z轴滚珠丝杠副12组成Z轴运动机构，其中，所述Z轴滚珠丝杠副12由Z轴丝杠和Z轴丝杠螺母配套连接组成；所述Z轴丝杠与X轴丝杠螺母固定连接，在X轴丝杠螺母的带动下，Z轴丝杠以及与其配套连接的Z轴伺服电机13和Z轴丝杠螺母均沿X轴做直线运动；所述Z轴伺服电机13与Z轴丝杠驱动连接，在Z轴伺服电机 13的旋转驱动下，Z轴丝杠将动力传递至Z轴丝杠螺母，将Z轴丝杠自身的旋转运动转化为Z轴丝杠螺母的直线运动，进而通过Z轴丝杠螺母带动与之相连的其他部件沿X轴直线运动。故在上述Y轴运动机构、X轴运动机构和Z轴运动机构所组成的三方向联动机构的共同带动下，与Z轴丝杠螺母相连接的部件将分别沿X轴、Y轴或Z轴直线运动，即在三方向联动机构的带动下，与之相连接的部件可运动至其控制范围内的任意空间坐标点位置。

所述安装板8水平设置，并与Z轴滚珠丝杠副12中的Z轴丝杠螺母固定连接，如上所述在三方向联动机构的带动下，所述安装板8即可运动至三方向联动机构控制范围内的任意空间坐标点位置。

如图1所示，所述CCD图像传感器7、激光加工头9以及激光测距仪19分别布置并固定安装在所述安装板8的下表面，所述CCD图像传感器7、激光加工头9和激光测距仪19 在所述安装板8上的相对位置固定，在安装板8的带动下，CCD图像传感器7、激光加工头 9以及激光测距仪19可运动至受控范围内的任意空间坐标点位置。

所述CCD图像传感器7下端安装有镜头6，所述CCD图像传感器7与镜头6相配合，并在安装板8的带动下，对承载着100个待加工的微孔零件1的料盘2上表面图像进行扫描采集，并一次性完成100个待加工的微孔零件1对应基准圆4圆心位置的识别；此外，当 CCD图像传感器7在安装板1的带动下运动至某一个待加工的微孔零件1上方时，CCD图像传感器7与下方镜头6配合识别待加工的微孔零件1所在位置一定区域内的图像，该区域为CCD图像传感器7与镜头6的视觉扫描区5，且该视觉扫描区5的中心与待加工的微孔零件1的基准圆圆心存在一定偏差。所述CCD图像传感器7与镜头6采集到视觉扫描区5 内的图像信息后，可识别对应基准圆4的轮廓，通过对基准圆4的轮廓进行计算即可获得基准圆4圆心的位置坐标信息以及相应的偏差信息。

所述激光加工头9用于对其正下方的微孔零件1进行加工，所述激光加工头9可在安装板1的带动下运动至待加工的微孔零件1顶部基准圆圆心的正上方，进而在基准圆圆心的位置处加工微孔，以保证微孔与基准圆圆心之间的同轴度。

所述激光测距仪19用于测量其下方微孔零件1上端面在Z轴方向上的高度，以实现激光加工过程中在Z轴方向上进行适当的补偿，以保证激光加工过程中的激光焦点在微孔零件 1上位置。

如图1所示，所述显示器16与控制器15信号连接，通过所述显示屏16，可将激光加工的具体程序输入至控制器15中。

所述控制器15又分别与伺服电机驱动器14、CCD图像传感器7、激光加工头9和激光测距仪19信号连接。

所述控制器15的信号采集端口分别与CCD图像传感器7和激光测距仪19的信号输出端口信号连接，CCD图像传感器7和激光测距仪19分别将采集到的图像信号和距离信号发送至控制15，供控制器15进一步分析处理，进而输出相应的控制信号；

所述控制器15的控制线号输出端口分别与伺服电机驱动器14和激光加工头9的控制信号接收端口信号连接，激光加工头9在控制器15的控制下运行，伺服电机驱动器14的三个控制端口分别与X轴伺服电机17、Y轴伺服电机11以及Z轴伺服电机13控制连接，所述伺服电机驱动器14在接收到控制器15发出的相应的控制信号后，分别控制X轴伺服电机 17、Y轴伺服电机11或Z轴伺服电机13运行输出动力，进而对应驱动X轴滚珠丝杠副18、 Y轴滚珠丝杠副10和Z轴滚珠丝杠副12运行，并带动安装板8在对应的空间范围内运动，进而带动安装板8下方的CCD图像传感器7、激光加工头9或激光测距仪运动至指定的空间坐标位置处，实现精准、快速地定位。

本实用新型所述微孔激光加工装置的具体工作过程如下：

步骤一：激光加工前的准备工作：

一方面：将待加工的微孔零件1依次稳固安装在料盘2上；

另一方面：通过显示器16将激光加工微孔的加工程序输入至控制器15中；

步骤二：控制器15根据加工程序将控制信号发送至伺服电机驱动器14；

步骤三：伺服电机驱动器14根据接收到的控制信号，分别发送至X轴伺服电机17、Y轴伺服电机11和Z轴伺服电机13，进而驱动对应的X轴滚珠丝杠副18、Y轴滚珠丝杠副以及Z轴滚珠丝杠副12带动安装板8运动，并最终带动安装在安装板8上的CCD图像传感器7、激光加工头9和激光测距仪19运动；

步骤四：CCD图像传感器7与镜头6随安装板8在伺服电机驱动器14的驱动控制下在料盘2的上方运动，当CCD图像传感器7与镜头6运动至待加工的微孔零件1的上方时，所述微孔零件1的基准圆4落入CCD图像传感器7与镜头6的视觉扫描区5范围内，CCD 图像传感器7与镜头6采集到微孔零件1的基准圆4的图像信息，此时，将镜头6的空间位置坐标O_镜头(x,y,z)反馈给控制器15；

步骤五：CCD图像传感器7与镜头6在视觉扫描区5内进一步识别基准圆4的外轮廓获得基准圆圆心位置，并可经过测量识别获得视觉扫描区5的视觉中心与基准圆圆心在X轴和Y轴方向上的偏差ΔO_镜头(x,y)，并将该偏差数据发送至控制器15；

步骤六：由于在所述安装板8上的CCD图像传感器7与镜头6以及激光测距仪19的位置相对固定，故激光测距仪19相对于视觉扫描区5的视觉中心位置的空间坐标O_测距仪(x,y,z)相对固定，控制器15根据视觉扫描区5的视觉中心与基准圆圆心在X轴和Y轴方向上的偏差ΔO_镜头(x,y)和激光测距仪19相对于视觉扫描区5的视觉中心位置的空间坐标O_测距仪(x,y,z)，即可计算得到激光测距仪19相对于基准圆4的圆心的空间坐标O_测距仪(x,y,z)+ΔO_镜头(x,y)；

步骤七：伺服电机驱动器14根据控制器15发来的控制信号，控制X轴伺服电机17、Y轴伺服电机11和Z轴伺服电机13运转，进而驱动对应的X轴滚珠丝杠副18、Y轴滚珠丝杠副以及Z轴滚珠丝杠副12带动安装板8运动，并最终带动安装在安装板8上的激光测距仪19运动至基准圆4的圆心位置O_测距仪(x,y,z)+ΔO_镜头(x,y)；

步骤八：激光测距仪19将测量得到的待加工的微孔零件1上表面的Z轴方向高度反馈至控制器15，控制器15据此计算得到激光加工该微孔零件1时的Z向补偿值Δz，进而保证激光加工过程中的激光焦点位置；

步骤九：由于在所述安装板8上的激光加工头9的位置相对固定，故激光加工头9相对于视觉扫描区5的视觉中心位置的空间坐标O_激光头(x,y,z)相对固定，控制器15根据前述步骤中获得的空间位置坐标，即可计算获得激光加工头9相对于实际加工微孔3的空间坐标O_激光头(x,y,z)+ΔO_镜头(x,y,)+Δz；

步骤十：伺服电机驱动器14根据控制器15发来的控制信号，控制X轴伺服电机17、Y轴伺服电机11和Z轴伺服电机13运转，进而驱动对应的X轴滚珠丝杠副18、Y轴滚珠丝杠副以及Z轴滚珠丝杠副12带动安装板8运动，并最终带动安装在安装板8上的激光加工头9运动至基准圆4的圆心位置O_激光头(x,y,z)+ΔO_镜头(x,y,)+Δz；

步骤十一：控制器15控制激光加工头9开始工作，在基准圆4的圆心位置加工微孔；

步骤十二：重复上述步骤四至步骤十一，使CCD图像传感器7与镜头6历遍料盘2内的所有待加工的微孔零件1，实现对料盘2内的所有微孔零件1的微孔激光加工；

步骤十三：待当前的料盘2内的所有微孔零件1的微孔激光加工完毕后，更换料盘2，进行下一料盘内的微孔零件加工。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述装置由控制器、驱动器、XYZ三轴联动传动机构、安装板、CCD图像采集单元以及激光加工头组成；

所述控制器与驱动器控制信号连接，驱动器分别与XYZ三轴联动传动机构的XYZ三轴动力元件控制信号连接；

所述安装板安装在XYZ三轴联动传动机构的执行末端，在XYZ三轴联动传动机构的带动下，安装板分别沿X轴、Y轴或Z轴直线运动；

所述CCD图像采集单元和激光加工头分别安装在安装板的底部；

待加工的微孔零件定位安装在料盘内，所述料盘位于安装板下方；

所述料盘为平盘状，其上呈阵列式地开有相应的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔，微孔零件的微孔加工面朝上设置，微孔零件竖直安装在料盘的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔内，微孔零件的上端外沿底面贴合在料盘的上表面上，以实现对微孔零件的轴向定位，微孔零件下端的轴径与料盘的微孔零件安装槽或微孔零件安装孔内壁表面贴合，以实现对微孔零件的径向定位。

2.如权利要求1所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述装置还包括显示器；

所述显示器与控制器信号连接。

3.如权利要求1或2所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述装置还包括激光测距仪；

所述激光测距仪安装在安装板上。

4.如权利要求1所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述XYZ三轴联动传动机构包括：X轴电机与X轴传动副组成X轴运动机构、Y轴电机与Y轴传动副组成Y轴运动机构、以及Z轴电机与Z轴传动副组成Z轴运动机构；

所述驱动器为电机驱动器；

所述电机驱动器分别与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机控制信号连接。

5.如权利要求4所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述X轴传动副、Y轴传动副和Z轴传动分别采用丝杠传动副；

所述丝杠传动副由丝杠和丝杠螺母配套连接组成。

6.如权利要求5所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述丝杠传动副为滚珠丝杠传动副。

7.如权利要求5或6所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述Y轴传动副中，Y轴丝杠与Y轴电机驱动连接，Y轴丝杠螺母与Y轴丝杠配套连接；

所述X轴传动副中，X轴丝杠与X轴电机驱动连接，且X轴丝杠与Y轴丝杠螺母连接，X轴丝杠螺母与X轴丝杠配套连接；

所述Z轴传动副中，Z轴丝杠与Z轴电机驱动连接，且Z轴丝杠与X轴丝杠螺母连接，Z轴丝杠螺母与Z轴丝杠配套连接。

8.如权利要求4所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述X轴电机、Y轴电机和Z轴电机分别采用伺服电机；

所述电机驱动器为伺服电机驱动器。

9.如权利要求3所述一种微孔激光加工装置，其特征在于：

所述激光测距仪固定安装在安装板的底部，以测量待加工的微孔零件高度。

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