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Information zur Priorität
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-091600 , eingereicht am 24. April 2013, die durch Bezug hierin in seiner Gesamtheit enthalten ist.
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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positionssteuerung, die eine Position eines Ansteuerungsziels in Übereinstimmung mit einem Befehl von einer übergeordneten Steuerung steuert.
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Stand der Technik
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4 stellt ein Blockdiagramm dar, das ein Beispiel einer konventionellen vollständig geschlossenen Positionssteuerung (nachfolgend lediglich „Positionssteuerung” genannt) zeigt, die eine Position eines beweglich ausgebildeten Zielsystems 112 steuert, das ein bewegliches Element wie einen Tisch umfasst, und durch Koppeln oder dergleichen mit einem als Ansteuerungsmotor verwendeten Servomotor (nicht gezeigt) verbunden ist.
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Die Konfiguration und der Betrieb der Positionssteuerung werden unten beschrieben. Die Positionssteuerung erhält eine Eingabe eines Positionssollwerts X von einer übergeordneten Vorrichtung (nicht gezeigt). Ein Subtrahierer 101 berechnet eine Positionsabweichung X – xL durch Subtrahieren eines Positionsdetektionswerts xL vom Positionssollwert X. Der Positionsdetektionswert xL ist ein Positionsdetektionssignal, der erhalten wird, in dem die Position eines Steuerziels des Zielsystems 112 durch eine lineare Skala oder dergleichen (nicht gezeigt) direkt detektiert wird.
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Außerdem wird eine Zeitableitung des Positionssollwerts X durch Differenzierer 104, 109 erhalten, die jeweils die erhaltenen Werte als einen Geschwindigkeitssollwert V und einen Beschleunigungssollwert A ausgeben. Der Beschleunigungssollwert A wird mittels einer Beschleunigungsmomentumwandlungskonstante Ca durch einen Verstärker 110 verstärkt, um als ein Beschleunigungsmomentsollwert τca verwendet zu werden, der das Zielsystem 112 mit der Beschleunigungsrate in Bewegung versetzt. Der Geschwindigkeitssollwert A und der Beschleunigungsmomentsollwert τca werden jeweils mit dem Geschwindigkeitsbefehl und dem Momentbefehl addiert. Solch eine Serie von Vorgängen bildet einen bekannten Vorsteuerungsblock (feed-forward) zur Verringerung einer konstanten Positionsabweichung X – xL gegen Null.
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Ein Verstärker 102 verstärkt proportional die Positionsabweichung X – xL um einen Verstärkungsfaktor einer Positionsschleifenverstärkung Gp. Eine Ausgabe des Verstärkers 102 wird zum abschließenden Geschwindigkeitssollwert Vc nach Addieren des Geschwindigkeitssollwerts V mit dem Ausgabewert durch einen Addierer 103. Ein Subtrahierer 105 berechnet eine Geschwindigkeitsabweichung Vc – vm durch Subtrahieren einer Motorgeschwindigkeit vm vom Geschwindigkeitssollwert Vc. Die Motorgeschwindigkeit vm ist ein Zeitableitungswert, der von einem Differenzierer 107 aus einer Rotationswinkelposition xm eines Positionsdetektors (nicht gezeigt), der mit einem Servomotor verbunden ist, oder einer Ausgabe eines Geschwindigkeitsdetektors (nicht gezeigt), der mit dem Servomotor verbunden ist, erhalten wird. Ein Verstärker 106 verstärkt die Geschwindigkeitsabweichung Vc – vm um einen Verstärkungsfaktor einer Geschwindigkeitsschleifenverstärkung Gv.
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Die Ausgabe des Verstärkers 106 wird nach Addition eines Beschleunigungsmomentsollwerts τca durch einen Addierer 108 zu einem Momentsollwert τc. Der Momentsollwert τc wird nach einer Leistungsverstärkung durch eine Leistungsverstärkereinheit 111 zu einem erzeugten Moment τ für das Zielsystem 112. Die Leistungsverstärkungseinheit 111, die aus einem Leistungsverstärker und einem Servomotor besteht, verstärkt den Momentsollwert τc, um das erzeugte Moment τ auszugeben. Das Verstärkungsverhältnis wird durch eine Momentkonversionskonstante Ct dargestellt. Das erzeugte Moment τ wird dem Zielsystem 112 zugeführt und verwendet, um das Zielsystem 112 anzusteuern. Es sollte beachtet werden, dass ein Bezugssymbol „S” der Differenzierer in 4 einen Laplace-Transformations-Operator darstellt, der eine Ableitungsoperation angibt.
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In konventionellen Positionssteuerungen wird eine Verlaufsabweichung der Position aufgrund einer Reibungskraft durch das Bereitstellen einer Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 minimiert, um jeweils Kompensationswerte Vsfc, τsfc, die von einer Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 berechnet werden, zu einem Geschwindigkeitsbefehl und einem Momentbefehl zu addieren.
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Jedoch wird eine gewünschte Reibungskompensation unmöglich, wenn Gleitcharakteristika eines Zielsystems sich aufgrund eines zeitlichen Verschleiß, einer Temperaturänderung, einer Schmierzustandsänderung einer gleitenden Oberfläche oder dergleichen ändern, sodass ein Verlaufsfehler der Position und eine Abnahme der Prozessgenauigkeit verursacht werden. Um dies zu vermeiden, sollten Steuerparameter der Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 zurückgesetzt (neueingestellt) werden. Da das Zurücksetzen zeitaufwendig ist und jedes Mal benötigt wird, wenn sich die Gleitcharakteristika ändern, ist das Zurücksetzen mühsam.
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Außerdem besteht aufgrund des sich gemäß der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Zielsystems ändernden Gleitmoments die Notwendigkeit, die Gleitmomente unter dergleichen Geschwindigkeit zu vergleichen, um die Gleitmomente quantitativ behandeln zu können, obwohl die Änderung der Steuerparameter der Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 abhängig von einer Änderung der Gleitcharakteristika erwogen werden kann. Deshalb besteht die Notwendigkeit, Gleitmomente durch Bereitstellen eines dafür zugeordneten Betriebsmodus, der zu einer spanlosen Zeit (non-cutting time) führen würde, zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung ist vorgesehen, um diese Probleme zu überwinden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionssteuerung bereitzustellen, die die gewünschte Reibungskompensation aufrechterhalten kann, ohne eine Notwendigkeit zur Bereitstellung eines dafür zugeordneten Betriebsmodus, sogar wenn Gleitcharakteristika eines Zielsystems sich aufgrund eines zeitlichen Verschleiß, einer Temperaturänderung, einer Schmierzustandsänderung einer gleitenden Oberfläche oder dergleichen ändern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Positionssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung steuert eine Position eines Steuerziels durch Bereitstellen eines Befehls an einen Steuermotor eines Steuerzielsystems in Übereinstimmung mit einem Positionssollwert von einer übergeordneten Steuerung. Die Positionssteuerung umfasst: eine Berechnungseinheit für die Reibungskompensation, die basierend auf einem Geschwindigkeitssollwert einen Reibungskompensationsreferenzwert berechnet, der einen Referenzwert eines Reibungskompensationswerts darstellt, der eine Positionsabweichung aufgrund einer Reibungskraft kompensiert; eine Berechnungseinheit für die Normierung des Gleitmoments, die mit einer charakteristischen Information, die ein Verhältnis zwischen einer Geschwindigkeit und einem vorab gespeicherten Gleitmoment angibt, ein Gleitmoment bei einer vorher festgelegten normierten Geschwindigkeit in einem gegenwärtigen Zustand basierend auf dem Geschwindigkeitssollwert, einem Momentsollwert und der charakteristischen Information berechnet; eine Berechnungseinheit für das Kompensationswertverstärkungsverhältnis, die ein Kompensationswertverstärkungsverhältnis berechnet, das ein Verstärkungsverhältnis des Reibungskompensationsreferenzwerts basierend auf einem Gleitmoment bei einer normierten Geschwindigkeit im gegenwärtigen Zustand und einem Gleitmoment bei der normierten Geschwindigkeit in einem Anfangszustand darstellt; und einen Multiplizierer, der das Kompensationswertverstärkungsverhältnis mit dem Reibungskompensationsreferenzwert multipliziert, um den Reibungskompensationswert auszugeben, der die Positionsabweichung aufgrund der Reibungskraft kompensiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Berechnungseinheit für die Gleitmomentnormierung eine Diskriminatoreinheit für das Gleitmoment, die basierend auf dem Geschwindigkeitssollwert und dem Momentsollwert ein Gleitmoment bei einer durch den Geschwindigkeitssollwert angegebenen Geschwindigkeit ausgibt; eine Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis, die basierend auf der charakteristischen Information und dem Geschwindigkeitssollwert, ein Gleitmomentverhältnis berechnet, das ein Verhältnis zwischen dem Gleitmoment bei der durch den Geschwindigkeitssollwert angegebenen Geschwindigkeit und dem Gleitmoment bei der normierten Geschwindigkeit im gegenwärtigen Zustand darstellt; und eine Berechnungseinheit für die Geschwindigkeitsgewichtung, die basierend auf dem Gleitmomentverhältnis und dem Gleitmoment bei der durch den Geschwindigkeitssollwert angegebenen Geschwindigkeit das Gleitmoment bei der normierten Geschwindigkeit im gegenwärtigen Zustand berechnet.
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Da es möglich ist, den Reibungskompensationswert in Übereinstimmung mit einer Änderung der Gleitcharakteristika durch Verwendung eines normierten Gleitmoments zu variieren, wenn die Gleitwiderstandcharakteristika eines Zielsystems sich aufgrund eines zeitlichen Verschleiß, einer Temperaturänderung, einer Schmierzustandsänderung einer gleitenden Oberfläche oder dergleichen ändern, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Prozessgenauigkeit ohne Zurücksetzen (Neueinstellen) der Steuerungsparameter einer Berechnungseinheit für die Reibungskompensation aufrechterhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Detail mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben werden, wobei:
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1 ein Blockdiagramm darstellt, das ein Beispiel einer Positionssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein Blockdiagramm darstellt, das eine Ausführungsform einer Berechnungseinheit für die Gleitmomentnormierung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 einen Graphen darstellt, der ein Beispiel des Betriebs einer Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt; und
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4 ein Blockdiagramm darstellt, das ein Beispiel einer konventionellen Positionssteuerung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 stellt ein Blockdiagramm dar, das ein Beispiel einer Positionssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Es sollte beachtet werden, dass dieselben Bezugszeichen denselben Elementen wie im Beispiel zum Stand der Technik, das in 4 gezeigt ist, zugewiesen und wiederholte Beschreibungen dieser Elemente weggelassen sind. Eine variable Berechnungseinheit für den Reibungskompensationswert umfasst eine Einheit für die Gleitmomentnormierung 1, eine Berechnungseinheit für das Kompensationswertverstärkungsverhältnis 2 und Multiplizierer 3, 4. Als Erstes wird der Betrieb der Berechnungseinheit für die Gleitmomentnormierung 1 beschrieben.
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2 stellt ein Blockdiagramm dar, das die Konfiguration der Berechnungseinheit für die Gleitmomentnormierung 1 zeigt. Da im Allgemeinen ein Gleitmoment eines Zielsystems, wenn es angesteuert wird, eine positive Korrelation mit einem Geschwindigkeitssollwert V aufweist, sollte eine Änderung in den Gleitcharakteristika durch Vergleich von Gleitmomenten bei dergleichen Geschwindigkeit erhalten werden.
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Deshalb wird eine vorgegebene charakteristische Information zwischen dem Geschwindigkeitssollwert V und dem Gleitmoment, wie ein Gleitcharakteristikamodell, das ein Verhältnis zwischen dem Geschwindigkeitssollwert V und dem Gleitmoment annähert, im Voraus gesetzt und ein bestimmtes Gleitmoment wird in ein Gleitmoment bei dergleichen Geschwindigkeit (normierte Geschwindigkeit) durch Verwendung dieses Modells umgewandelt.
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Eine Diskriminatoreinheit 11 für das Gleitmoment erhält eine Eingabe des Geschwindigkeitssollwerts V und eines Momentsollwerts τc; bestimmt einen Momentsollwert τc, mit dem sich ein Zielsystem 112 bei einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegt als ein Gleitmoment; bestimmt außerdem eine Fortbewegungsrichtung aus dem Vorzeichen (polarity) des Geschwindigkeitssollwerts V; und gibt ein Gleitmoment τc_P bei Fortbewegung in positiver Richtung oder ein Gleitmoment τc_n bei Fortbewegung in negativer Richtung aus (nachfolgend gibt das tiefgestellte Zeichen „p” eine positive Richtung an, während das tiefgestellte Zeichen „n” eine negative Richtung angibt). Eine Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis 12 erhält eine Eingabe des Geschwindigkeitssollwerts V und gibt ein Gleitmomentverhältnis G aus, das durch eine unten beschriebene Operation erhalten wird.
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3 zeigt Graphen, die ein Beispiel des Betriebs der oben genannten Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis 12 beschreiben. 3(a) zeigt ein Gleitcharakteristikamodell, wobei die horizontale Achse den Geschwindigkeitssollwert V und die vertikale Achse das Gleitmomentverhältnis G zeigt, das eine Ausgabe der Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis 12 ist. Das Gleitmomentverhältnis G ist ein Wert, der ein Verhältnis eines Gleitmoments bei einer bestimmten Geschwindigkeit Vn zu einem Gleitmoment bei einer normierten Geschwindigkeit Va zeigt. Die maximale Geschwindigkeit Vb ist eine maximale Geschwindigkeit des Zielsystems 112. Die normierte Geschwindigkeit Va und der Maximalwert des Gleitmomentverhältnisses Gh sind Parameter, die basierend auf den Gleitcharakteristika (Anfangsgleitcharakteristika) des Zielsystems 112 bestimmt werden, die beim Auswählen von Steuerparametern der Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 erhalten werden. Die Verfahren zur Bestimmung der normierten Geschwindigkeit Va und des Maximalwerts des Gleitmomentverhältnisses Gh werden unten beschrieben.
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3(b) zeigt die Anfangsgleitcharakteristika des Zielsystems 112 (die die Gleitcharakteristika vor dem zeitlichen Verschleiß darstellen, die erhalten werden, wenn die Steuerparameter der Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 ausgewählt werden). Die normierte Geschwindigkeit Va ist ein Wendepunkt, wenn die Anfangsgleitcharakteristika mit einer stückweise linearen (one-point broken-line) Näherung dargestellt werden. In 3(b) stellen τa_p und τa_n normierte Anfangswerte der Geschwindigkeitsgleitmomente dar, während τb_p und τb_n maximale Anfangswerte des Geschwindigkeitsgleitmoments darstellen. Es sollte beachtet werden, dass der normierte Anfangswert des Geschwindigkeitsgleitmoments ein Gleitmoment bei einer normierten Geschwindigkeit Va in einem Anfangszustand angibt.
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Der Maximalwert des Gleitmomentverhältnisses Gh wird durch die Gleichung unten durch Verwendung von τma bestimmt, das durch Subtrahieren eines Gravitationsmoments vom normierten Anfangswert des Geschwindigkeitsgleitmoments τa_p erhalten wird, und τmb, das durch Subtrahieren eines Gravitationsmoments von dem maximalen Anfangswert des Geschwindigkeitsgleitmoments τb_p erhalten wird. Gh = τmb/τma (Gleichung 1)
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Die Berechnungseinheit für das Gleitmomentverhältnis 12 bestimmt das Gleitmomentverhältnis G, das ein Verhältnis zwischen einem Gleitmoment bei einer normierten Geschwindigkeit Va in einem gegenwärtigen Zustand und einem Gleitmoment bei einer Geschwindigkeit darstellt,, die durch den Geschwindigkeitssollwert V angegeben ist, aus der Gleichung unten durch Verwenden der oben genannten Parameter mit einer Eingabe eines Geschwindigkeitssollabsolutwerts |V|, und das bestimmte Gleitmomentverhältnis G ausgibt. G = 1 (wobei |V| ≤ Va)
G = (Gh – 1)/(Vb – Va)(|V| – Va) + 1 (wobei Va < |V| ≤ Vb) (Gleichung 2)
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Eine Berechnungseinheit für die Geschwindigkeitsgewichtung 13 berechnet normierte Gleitmomente τnor_p und τnor_n, die von der Gleichung unten durch Verwendung einer Eingabe eines Gleitmomentverhältnisses G, Gleitmomenten τc_p und τc_n und vorherigen Werten der Gleitmomente τnor_p und τnor_n, bei einer normierten Geschwindigkeit ausgegeben werden. Die normierten Gleitmomente τnor_p und τnor_n geben Gleitmomente an, die während des Ansteuerns bei einer normierten Geschwindigkeit Va in einem gegenwärtigen Zustand (das bedeutet, nach Auftreten eines zeitlichen Verschleiß, einer Temperaturänderung und einer Schmierzustandsänderung einer Gleitoberfläche) erzeugt werden. τnor_p = {τc_p – (τnor_p[n – 1] + τnor_n[n – 1])/2}/G
+ (τnor_p[n – 1] + τnor_n[n – 1])/2
τnor_n = {τc_n – (τnor_p[n – 1] + τnor_n[n – 1])/2}/G
+ (τnor_p[n – 1] + τnor_n[n – 1])/2 (Gleichung 3)
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Da das normierte Gleitmoment durch Normierung der Gleitmomente erhalten wird, die bei verschiedenen Geschwindigkeitsbefehlen erhalten werden, wird es, wie oben beschrieben, möglich, Gleitmomente bei den gleichen Geschwindigkeiten (normierte Geschwindigkeit Va) zu vergleichen, ohne einen Betriebsmodus zu benötigen, bei dem eine Geschwindigkeit festgelegt ist.
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Als Nächstes werden Operationen der Berechnungseinheit des Kompensationswertverstärkungsverhältnisses 2 beschrieben. Die Berechnungseinheit des Kompensationswertverstärkungsverhältnisses 2 bestimmt ein Kompensationswertverstärkungsverhältnis R, das von der Gleichung unten durch Verwenden einer Eingabe von normierten Anfangswerten der Geschwindigkeitsgleitmomente τa_p, τa_n und Gleitmomente τnor_p, τnor_n bei einer normierten Geschwindigkeit im gegenwärtigen Zustand ausgegeben wird. R = (τnor_p – τnor_n)/(τa_p – τa_n) (Gleichung 4)
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Es sollte beachtet werden, dass trotz des Erhaltens des Kompensationswertverstärkungsverhältnisses R durch Verwenden der Gleitmomente τnor_p, τnor_n bei einer normierten Geschwindigkeit, ein Tiefpassfilter auf diese Gleitmomente τnor_p, τnor_n bei einer normierten Geschwindigkeit angewendet werden kann, um die Variationen im Kompensationswertverstärkungsverhältnis R zu glätten.
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Die Multiplizierer 3, 4 geben Reibungskompensationswerte Vsfc, τsfc durch Multiplizieren der Reibungskompensationswerte Vsfc0, τsfc0, die von der Berechnungseinheit für die Reibungskompensation 113 ausgegeben werden, mit dem Kompensationswertverstärkungsverhältnis R aus. Auf diese Art ist es möglich, den Reibungskompensationswert variabel in Übereinstimmung mit einer Änderung der Gleitcharakteristika zu gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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