DE3111775A1

DE3111775A1 - Antriebsvorrichtung fuer gesteuerte bewegungen einer beweglichen elektrode bezueglich einer gegenelektrode

Info

Publication number: DE3111775A1
Application number: DE19813111775
Authority: DE
Inventors: Akihiko Kawasaki Kanagawa Shimizu
Original assignee: Japax Inc
Current assignee: Japax Inc
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2479058A1; US4423302A; FR2479058B1; GB2072562B; DE3111775C2; JPS56139838A; GB2072562A; IT1142367B; IT8148120A0

Description

Japax Inc.
Kawasaki, Kanagawa, Japan

Antriebsvorrichtung für gesteuerte Bewegungen einer beweglichen Elektrode bezüglich einer Gegenelektrode

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für gesteuerte Bewegungen oder Verschiebungen einer Elektrode in einer elektroerosiven Bearbeitungsrnaschine. Unter einer "elektroerosiven Bearbeitungsmaschine" soll im folgenden ein Bearbeitungswerkzeug bzw. eine Maschine verstanden werden, die zum elektrischen Bearbeiten und insbesondere zum elektrischen Entladungs-Bearbeiten bestimmt ist. Das elektrische Bearbeiten (EM) umfaßt allgemein ein Bearbeiten, bei dem Elektrizität direkt einwirkt, um eine Form in einem elektrisch leitenden Werkstück durch Erodieren oder Abtragen tatsächlich auszuführen. Beispiele für das elektrische Bearbeiten sind das elektrische Entladungs-Bearbeiten, das elektrochemische Bearbeiten und das elektrochemische Entladungs-Bearbeiten. Das elektrische Entladungs-Bearbeiten (EDM) wird durchgeführt, indem eine Folge diskreter, lokalisierter elektrischer Entladungen an einem Spalt zwischen einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode bei Vorliegen einer dielektrischen Flüssigkeit

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zum Erodieren der Werkstückelektrode vorgenommen wird.

Beim elektrischen Bearbeiten und insbesondere beim elektrischen Entladungs-Bearbeiten muß die Bearbeitungsmaschine gelegentlich ein Werkzeug öder eine Werkstückelektrode tragen, die in Gewicht und Abmessungen groß ist. Wenn eine derartige Elektrode bewegt wird, um fortschreitend eine gewünschte Form komplementär zur Form der Werkzeugelektrode im Werkstück auszuführen, so wird gewünscht, daß ein Antriebssystem zur Durchführung dieser Bewegung ein eingespeistes elektrisches Antriebsoder Ansteuersignal in eine entsprechende Verschiebung genau und rasch umsetzen kann.

Es hat sich gezeigt, daß fluidbetätigte Servovorschubsysteme Fehler beim Bearbeitungsbetrieb bedingen, die auf der Trägheit beruhen, die den beweglichen Teilen einschließlich der Elektrode notwendig eigen ist, und nunmehr immer stärker durch Digital-Servosysteme ersetzt werden, die mit einem Schrittmotor betrieben sind, welcher einen gegebenen Servovorschub mit größerer Genauigkeit gewährleistet.

Während ein Digital-Servosystem in vorteilhafter Weise ein gewünschtes Elektrodenpositionieren oder -justieren einfach durchführen kann und ein genaues Feststellen einer gegebenen Elektrodenstellung erlaubt, hat es sich im allgemeinen als unzweckmäßig für eine Verwendung mit einer beweglichen Elektrode erwiesen, die in Gewicht und Abmessungen groß ist, denn dann ist nicht nur ein aufwendiger Servomotor hoher Nennleistung erforderlich, sondern es mangelt auch an einer befriedigenden Betriebsstabilität. Es wurde bereits daran gedacht, den Bearbeitungsvorschub mit einem mechanischen Gegenausgleich auszustatten; aber es hat sich gezeigt, daß dieser im allgemeinen die Trägheit der beweg-

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lichen Teile steigert und wesentlich die Ansprechgeschwindigkeit auf ein eingespeistes Ansteuersignal herabsetzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung anzugeben, die in einer elektroerosiven Bearbeitungsmaschine betrieben werden kann, um gesteuerte Verschiebungen einer beweglichen Elektrode zu bewirken, die in Gewicht und Abmessungen relativ groß ist; diese Vorrichtung soll zudem einfach aufgebaut sein, relativ unaufwendig sein und dennoch eine extrem hohe Ansprechgeschwindigkeit und Genauigkeit gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst. Die feste Einheit kann beispielsweise ein Arm oder ein Ständer der Bearbeitungsmaschine sein, während der erste und der zweite Motor vorzugsweise in einer Richtung umlaufen.

Insbesondere umfaßt die Steuerschaltungseinrichtung eine erste Antriebsschaltung zum Versorgen des ersten Motores mit der Folge von Antriebsimpulsen einer veränderlichen mittleren Größe und eine, zweite Antriebsschaltung zum Versorgen des zweiten Motores mit der Antriebsleistung einer konstanten mittleren Größe.

Vorzugsweise umfaßt die erste Antriebsschaltung eine erste Oszillatorschaltung zum Erzeugen der Folge von Antriebsimpulsen einer veränderlichen Frequenz, und die zweite Antriebsschaltung umfaßt eine zweite Oszillatorschaltung zum Erzeugen einer zweiten Folge von Antriebs-

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impulsen einer festen Frequenz, die die Antriebsleistung bilden.

Insbesondere hat die Steuerschaltungseinrichtung eine Servosteuerschaltung, die auf einen Zustand im elektroerosiven Bearbeitungsspalt zwischen den Elektroden anspricht, um die Frequenz des ersten Oszillators zu steuern.

Die Vorrichtung hat zweckmäßigerweise außerdem einen Zweirichtungszähler, der auf die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Oszillators anspricht, um die Stellung der beweglichen Elektrode bezüglich der Gegenelektrode zu ermitteln, und eine Anzeigeeinrichtung zum numerischen Anzeigen der ermittelten Stellung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt, der schematisch

den Aufbau der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung darstellt, und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer

Motor-Antriebsschaltungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung .

In Fig. 1 ist ein Arm oder Ständer 1 (im folgenden als Arm bezeichnet) gezeigt, der gewöhnlich in einer elektroerosiven Bearbeitungsmaschine vorgesehen ist. Der Arm 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel als eine feste Einheit verwendet, durch die ein axialer Elektrodenträger gleitend so gelagert oder geführt ist, daß er entlang ei-

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ner senkrechten Achse verfahrbar 1st. Das untere Ende des Trägers 2 wird durch einen Plansch oder Gurt 3 gebildet, an dem eine Werkzeugelektrode 4 sicher befestigt oder festgeklemmt ist. Der Elektrodenträger 2 ist schalenförmig und weist eine obere öffnung 2a auf, in der eine Lagernuß oder -mutter 5 gesichert ist, welche ein Lager 6 trägt, das durch einen Rückhaltering 7 gehalten wird. Eine Vorschubnuß oder -mutter 8 wird drehbar durch das Lager 6 gehalten, so daß sie drehbar ist, jedoch gegen eine axiale Verschiebung bezüglich des tragenden Elektrodenträgers 2 gehalten ist und durch einen in einer Richtung drehbaren Motor 9 gedreht wird, der sicher auf dem Elektrodenträger 2 befestigt ist. Die Vorschubnuß 8 kann, wie dies gezeigt ist, ein Schneckenrad 8a in Eingriff mit einem Schneckengetriebe 9a des Motores 9 aufweisen. Die Vorschubnuß 8 hat auch ein Muttergewinde 8b, in das eine Spindel 10 in Eingriff hiermit verschraubt ist. Die Spindel 10 erstreckt sich in Fig. 1 durch die obere öffnung 1a des Armes 1 und durch eine obere öffnung 11a in einem schalenförmigen Deckel 11, der sicher auf dem Arm 1 befestigt ist, und die Spindel 10 wird drehbar durch Lager 12 und 13 gehalten oder gelagert, die in der öffnung 1a bzw. 11a befestigt sind und in ihrer Stellung durch einen Rückhaltering 14 bzw. eine Rückhaltescheibe 15 gehalten werden. Die Spindel 10 ist gegen eine axiale oder senkrechte Verschiebung durch zwei Ringe 16 und 17 gehalten, die darauf in einem Gleitkontakt mit dem Lager 12 auf dessen gegenüberliegenden Seiten gesichert sind. Die Spindel 10 wird durch einen in einer Richtung drehbaren Motor 18 gedreht, der auf dem oberen Bereich des Armes 1 befestigt und in dem oberen Deckel 11 aufgenommen ist. Die Spindel 10 kann, wie dies gezeigt ist, ein Schneckenrad 10a besitzen, das daran durch einen Stift 19 befestigt und in Eingriff mit einem Schneckengetriebe 18a des Motores 18 ist. um den

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Elektrodenträger 2 gegen eine Drehung bezüglich des Armes 1 zu halten, wird ein Gleitführungselement 20 entlang eines Teiles von deren Lagerflächen ausgeführt.

Einzelheiten des Schneckenrades 8a und des Schneckengetriebes 9a, das mit diesem kämmt, sind vorzugsweise gleich zu denjenigen des Schneckenrades 10a und des Schneckengetriebes 18a, das mit diesem kämmt. Die Drehrichtungen der Motore 9 und 18 werden festgelegt, und das Schneckenrad 10a sowie das Schneckengetriebe 18a und das Schneckenrad 8a sowie das Schneckengetriebe 9a werden derart verschraubt, daß die Drehung eines der Motoren 9 und 18 ein Abwärtsfahren des Elektrodenträgers 2 verursacht, während die Drehung des anderen Motores 9 bzw. ein Aufwärtsfahren des Elektrodenträgers 2 bedingt. Beispielsweise kann der Motor 18 gedreht werden, um eine Drehung der Spindel 10 zu verursachen, die ihrerseits über die Vorschubnuß 8 eine Aufwärtsbewegung des Elektrodenträgers 2 bedingt. Der Motor 9 kann gedreht werden, um eine Drehung der Vorschubnuß 8 zu verursachen, die ihrerseits über die Vorschubnuß 10 eine Abwärtsbewegung des Elektrodenträgers 2 bedingt. Erfindungsgemäß ist es äußerst vorteilhaft, daß wenigstens einer der Motoren 9 und 18, nämlich hier der erete Motor 9, der die Abwärtsverschiebung des Elektrodenträgers 2 verursacht, in Inkrementen oder stufenweise, d. h. in einer Reihe gleichförmiger Schritte, gedreht werden sollte. Wenn in diesem Fall der Motor 9 in Inkrementen gedreht wird und der Motor 18 entweder in Inkrementen oder kontinuierlich umläuft und die beiden Motoren 9 und 18 »it gleicher Drehzahl gedreht werden, dann fährt der Elektrodenträger 2 weder aufwärts noch abwärts und bleibt in einer Ruhelage, da sich die beiden Drehungen an der Zwischenfläche zwischen der Spindel 10 und der hiermit kämmenden Vorschubnuß 8 aufheben. Wenn je-

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doch eine Differenz in der Drehzahl zwischen den Motoren 9 und 18 auftritt, dreht sich die Vorschubnuß 8 bezüglich der Spindel 10, und der Elektrodenträger 2 fährt abhängig von dem Vorzeichen der Differenz in Inkrementen abwärts oder in Inkrementen bzw. kontinuierlich aufwärts.

Auf diese Weise ist es möglich, die Elektrode 4 mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit gegen ein großes Lastgewicht zurückzufahren und einen Nachlaufvorschub in der Bearbeitungsvorrückrichtung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit durchzuführen. Die Motoren 9 und 18 und insbesondere der Motor 9 sollten ein Impulsmotor oder ein Gleichstrommotor sein, der mit einem Codierer ausgestattet ist. Durch Einstellen jedes Inkrementes der Verschiebung auf einen ausreichend kleinen Wert, ist es möglich, die Trägheit auf ein sehr kleines Niveau zu verringern und eine extrem stabile Spalt-Nachlaufsteuerung zu erzielen, ohne Kurzschlußbedingungen hervorzurufen, die aufgrund eines unbeabsichtigten übersteuerns oder überlaufens auftreten könnten.

Während des gesamten Aufwärts- und Abwärtslaufes sind die Motoren, die Getriebe und die Spindel sowie die Nuß in jeder Einstellung in ihrer Drehung gemeinsam gerichtet. Demgemäß wird kein Fehler aufgrund irgendeines Spieles erzeugt, wenn die Bewegungsrichtung der Elektrode geschaltet werden sollte. Weiterhin ist es möglich, eine Getriebeuntersetzung eines hohen Verhältnisses zwischen den Motoren 9, 18 und der Vorschubnuß 8 oder der Spindel 10 vorzusehen. Demgemäß kann jeder Motor 9 und 18 kleine Abmessungen und hohe Drehzahlen aufweisen. Dies liefert ein extrem rasches Ansprechen und eine genaue Steuerung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Steuerschaltung zur Verwendung mit der Antriebsvorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel

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sind der Motor 9 als antriebsmäßig mit der Vorschubnuß 8 über Stirnräder 9a¹ und 8b¹ und der Motor 18 mit der Spindel 10 Über Stirnräder 18a¹ und 10a¹ gekoppelt gezeigt. Diese Stirnräder in jeder Kopplung entsprechen dem Schneckengetriebe 9a, 18a und dem Schneckenrad 8b, 10a im Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Weiterhin sind die Motoren 9 und 18 mit einem Codierer 21 bzw. 22 ausgerüstet. Die Werkzeugelektrode 4 ist neben einer Werkstückelektrode 23 angeordnet, um den dazwischen gebildeten Spaltabstand auf im wesentlichen konstanter Größe und in einem optimalen Entladungszustand zu halten, indem gesteuerte Bewegungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierzu ist eine Spaltfühlerschaltung 24 mit der Werkzeugelektrode 4 und der Werkstückelektrode 23 verbunden sowie einer überwachungsschaltung 25 vorgeschaltet. Die überwachungsschaltung 25 versorgt ihrerseits eine Servosteuerschaltung 26, die einen Oszillator 27 veränderlicher Frequenz aufweist, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 28 in den Motor 9 einspeisbar ist. Der Ausgang des Codierers 21 für den letzteren ist zur Servosteuerschaltung 26 zurückgeführt. Der Motor 18 wird durch einen Oszillator 29 mit veränderlicher Frequenzeinstellung über einen Verstärker 30 erregt, und der Ausgang des Codierers 22 ist zur Servosteuerschaltung 26 zurückgeführt. Ein Aufwärts/Abwärts- oder reversibler oder Zweirichtungszähler 31 ist mit den Ausgängen der Oszillatoren 27 und 29 verbunden, um die Stellung der Werkzeugelektrode 4 festzulegen. Eine Anzeige 32 ist an den Zweirichtungszähler 31 angeschlossen, um numerisch die ermittelte Stellung anzuzeigen.

Die überwachungsschaltung 25 spricht auf den Spaltsensor 24 an und bestimmt, wenn der Entladungszustand im Bearbeitungsspalt befriedigend ist. Wenn die Materialabtra-

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gung als normal fortschreitend befunden wird, gibt die Überwachungsschaltung 25 ein Befehlssignal einer ersten Klasse ab, das zur Servoschaltung 26 übertragen wird, damit die Werkzeugelektrode 4 in einer normalen Nachlaufbetriebsart vorrücken kann. Wenn der Bearbeitungsspalt als mit Bearbeitungsprodukten verschmutzt ermittelt wird und somit eine intensive Korrektur- oder Reinigungseinwirkung erfordert, gibt die Überwachungsschaltung 25 ein Befehlssignal einer zweiten Klasse ab, das zur Servoschaltung 26 übertragen wird, damit die Werkzeugelektrode 4 zurückgefahren wird oder hin- und herfährt. Die Motoren 18 und 9 sind hier beide Impuls- oder Schrittmotoren und werden durch Ausgangsimpulse der Oszillatoren 29 und 27 angetrieben bzw. angesteuert. Der Motor 18 wird mit Impulsen einer festen Frequenz versorgt und läuft dadurch mit einer festen Drehzahl um, damit die Spindel 10 in Inkrementen bei einer festen Drehzahl umläuft. Der Motor 9 wird mit Impulsen der Frequenz versorgt, die durch die Servoschaltung 26 entsprechend dem ermittelten Spaltzustand veränderlich festgelegt wird, und er drückt die gesteuerte Drehzahl der Vorschubnuß 8 aus. Somit laufen in einem normalen Bearbeitungsbetrieb der Motor 9 oder die Vorschubnuß 8 mit einer um einen veränderlichen Betrag größeren Drehzahl als die Drehzahl um, mit der sich der Motor 18 oder die Spindel 10 dreht. Als Ergebnis sinkt die Werkzeugelektrode mit einer Geschwindigkeit proportional zu diesem veränderlichen Betrag ab. Wenn das Werkzeug zurückfährt oder hin- und herfährt, wird die Frequenz des Oszillators 27 zuerst stark verringert, um die Drehzahl des Motores 9 herabzusetzen, wodurch die Werkzeugelektrode 4 schnell zurückgezogen werden kann, und dann wird die Frequenz stark erhöht, um die feste Frequenz des Oszillators 29 zu überschreiten, wodurch die Werkzeugelektrode 4 rasch in eine Stellung nahe dem Werkstück 23 zurückkehrt.

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:- 13, -

Die Erfindung ermöglicht so eine Antriebsvorrichtung für gesteuerte Bewegungen einer beweglichen Elektrode bezüglich einer Gegenelektrode entlang einer vorbestimmten Achse in einer elektroerosiven Bearbeitungsmaschine, wobei die Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Verwendung von Motoren einer extrem kleinen Nennleistung erlaubt und ein extrem rasches Ansprechen und genaues Servosteuern mit praktisch keinem nachteilhaften Einfluß von Spiel und Trägheit des mechanischen Systems bewirkt wird.

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Claims

Ansprüche

1.1 Antriebsvorrichtung für gesteuerte Bewegungen einer beweglichen Elektrode bezüglich einer Gegenelektrode entlang einer vorbestimmten Achse in einer elektroerosiven Bearbeitungsmaschine,

gekennzeichnet durch

- einen axialen Elektrodenträger (2) zum sicheren Lagern der beweglichen Elektrode (4), wobei der Elektrodenträger (2) gleitend durch eine feste Einheit (1) der Bearbeitungsmaschine so.gelagert ist, daß er entlang der vorbestimmten Achse beweglich ist,

- eine Spindel (10)/ die drehbar durch die feste Einheit

(1) für eine Drehung um die vorbestimmte Achse gelagert ist,

- eine Vorschubnuß (8), die in Eingriff mit der Spindel (10) und drehbar durch den axialen Elektrodenträger

(2) gelagert ist,

- einen ersten, in einer Richtung drehbaren Motor (9), der antriebsmäßig mit einem Bauteil aus der Spindel (10) und der Vorschubnuß (8) gekoppelt und mit einer Folge von Antriebsimpulsen erregbar ist, um in Inkrementen das eine Bauteil aus der Spindel (10) und der Vorschubnuß (8) zu drehen, damit in Inkrementen der axiale Elektrodenträger (2) entlang der vorbestimmten Achse in einer ersten Richtung angetrieben wird bzw. vorrückt, so daß die bewegliche Elektrode (4) zur Gegenelektrode (23) fährt,

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- einen zweiten/ in einer Richtung drehbaren Motor (18), der antriebsmäßig mit dem anderen Bauteil aus der Spindel (10) und der Vorschubnuß (8) gekoppelt und mit einer Antriebsleistung erregbar ist, um das andere Bauteil aus der Spindel (10) und der Vorschubnuß (8) zu drehen, damit der axiale Elektrodenträger entlang der vorbestimmten Achse in einer zweiten Richtung angetrieben bzw. zurückgefahren wird, so daß die bewegliche Elektrode (4) von der Gegenelektrode (23) wegfährt, und

- eine Steuerschaltungseinrichtung (26) zum gleichzeitigen Einspeisen der Folge von Antriebsimpulsen und der Antriebsleistung zum ersten bzw. zweiten Motor (9, 18), wodurch jede der gesteuerten Bewegungen der beweglichen Elektrode (4) bezüglich der Gegenelektrode (23) erzielt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuerschaltungseinrichtung aufweist eine erste Antriebsschaltung (27) zum Versorgen des ersten, in einer Richtung drehbaren Motores (9) mit der Folge von Antriebsimpulsen und eine zweite Antriebsschaltung (29) zum Versorgen des zweiten, in einer Richtung drehbaren Motores (18) mit der Antriebsleistung einer konstanten Größe.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Antriebsschaltung einen ersten Oszillator (27) zum Erzeugen der Folge von Antriebsimpulsen einer veränderlichen Frequenz aufweist, und

- daß die zweite Antriebsschaltung einen zweiten Oszillator (29) zum Erzeugen einer zweiten Folge von Antriebsimpulsen einer festen Frequenz aufweist, die die Antriebslei-

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stung bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Steuerschaltungseinrichtung eine Servosteuerschaltung (26) aufweist/ die auf einen Zustand im elektroerosiven Bearbeitungsspalt zwischen den Elektroden (4, 23) anspricht, um die Frequenz des ersten Oszillators (27) zu steuern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch

- einen Zweirichtungszähler (31), der auf die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Oszillators (27, 29) anspricht, um die Stellung der beweglichen Elektrode (4) festzustellen, und

- eine Anzeigeeinrichtung (32) zum numerischen Anzeigen dieser Stellung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

- daß zwischen dem ersten Oszillator (27) und dem ersten Motor (9) sowie zwischen dem zweiten Oszillator (29) und dem zweiten Motor (18) jeweils ein Verstärker (28 bzw. 30) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Zweirichtungszähler (31) jeweils zwischen dem ersten bzw. zweiten Oszillator (27 bzw. 29) und dem Verstärker (28 bzw. 30) angeschaltet ist.

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