JP2000046541A - 測定エラ―低減方法および該方法を用いる測定機械 - Google Patents

測定エラ―低減方法および該方法を用いる測定機械

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プローブを移送し、ワークピース上で測定を
行うべくプローブを駆動するためにコントローラによっ
て制御される座標測定装置(CMM)において、加速度
に起因したプローブの変位が機械による測定に及ぼす影
響を低減する。 【解決手段】 プローブ(20)の加速度を測定するた
めの加速度メータ(44)を設け、当該加速度を示す信
号を生成する。加速度信号(45)は積分回路(46)
によって積分され、フィルタ回路(48)によってフィ
ルタリングされた上で、速度信号(49)として加算ジ
ャンクション(50)に加えられる。加算ジャンクショ
ンからの出力は速度フィードバック制御ループ(34,
35,36,37)に供給され、これにより加速度に起
因したプローブの変位ないし速度変化が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、機械の可動アーム
に移送されるプローブを用いる機械(例えば座標測定機
械(CMM)など)によって行われる測定の精度に及ぼ
す機械の振動の影響を、測定プロセスの過程で低減する
方法に関するものである。そして本発明は、接触トリガ
方式や走査方式を用いて測定が行われる測定プロセスに
適用可能であり、アナログ、ディジタルまたは非接触プ
ローブの使用を含み得るものである。
【0002】
【従来の技術】3次元(3D)表面走査の一方法として
は、CMMのクイル(quill)に取り付けられた走査プ
ローブを測定すべき物品(article)の表面上で移動さ
せ、走査プローブのワークピース接触スタイラスの位置
の座標を物品表面上の多数の点で記録(noting)するこ
とを含むものがある。機械のモータにはコントローラか
ら速度指示信号(speed demand signals)が供給される
が、モータ速度を制御するために、コントローラは通
常、機械の各軸からの位置および速度フィードバックを
行うサーボループを内部に有している。速度フィードバ
ック量はモータに取り付けたタコジェネレータによって
得られ、位置フィードバック量はCMMの各軸に対応し
たリニアエンコーダシステムによって得られる。
【0003】しかし現在の方法ではCMMのダイナミク
スは考慮されていない。CMMのすべての軸は剛である
と仮定したものであり、従ってタコジェネレータおよび
リニアエンコーダからのフィードバックを行えば走査プ
ローブのサーボ制御を十分正確に行うことができるとの
仮定に基づくものである。
【0004】しかしながら、CMMは完全な剛構造では
ない。殆どのものはプローブが取り付けられる柔構造部
材を有しおり、これらは駆動モータや、エアベアリング
の不安定性および機械的リンク構造などに起因した外乱
によって生じる振動に影響されるのである。これらの振
動は、それら自身によるものであれ、あるいは機械構造
の共振周波数によって励起されるものであれ、走査対象
である表面に対する走査プローブの接触を失わせたり、
得るべき測定値が不正確となる要因ともなり、測定精度
の低下および走査時間の増大を引き起こすものとなる。
【0005】上述した走査プロセスでは、座標測定機械
を高速に駆動することが可能であり、また表面から走査
プローブを離して繰り返し移動させるという表面走査の
リカバリに要する時間を短縮できるのであれば、走査時
間を低減することができる。
【0006】プローブがワークピースに接触する毎に機
械を停止させる過程で行う接触トリガ測定プロセスで
は、周囲でのより速やかな移動と、より速やかな発停と
を振動少なく行うことが可能な機械であれば、測定速度
を向上できる。
【0007】従来、上述のような振動の影響を排除し、
あるいは少なくともそれを低減する試みとして様々な方
法が用いられてきた。
【0008】例えば、振動は、指示信号入力によって駆
動モータに生じる振動に対する機械の種々構造の周波数
応答によって生じうるものであり、特に指示電圧がステ
ップ関数的に変化する形態であるようなときに生じう
る。
【0009】一般的に用いられてきた一つの方法は、位
置および速度サーボループの全体的なフィードバックゲ
インを低減させることである。サーボループのゲインを
低減すれば、制御系の周波数の帯域幅すなわち制御を維
持できる周波数のレンジは狭くなり、また位置のオーバ
ーシュートを大きくしたり、位置許容差を劣化させるな
ど、サーボ系の性能を損なう結果となる。一般的に用い
られてきた他の方法として、駆動モータによって引き起
こされる構造的な共振に打ち勝つようにするべく、速度
ループの一部や速度サーボコントローラへの入力にノッ
チフィルタを導入するものがある。このノッチフィルタ
は機械の代表的な共振周波数に応動する。この方法はし
かし特定の周波数での移動しか除去できないとういう点
で限界があり、軸についてのサーボ帯域幅を狭くしうる
ものでもある。一方で、座標測定機械の軸は2以上の共
振周波数を持ちうるものである。
【0010】米国特許第5,594,668号に開示された方法
も知られている。これは測定レンジ内におけるプローブ
のいくつかの位置に対してCMMの弾性的な曲げの挙動
(elastic bending behaviour)を特徴づけるパラメー
タを確定しておくものである。これは機械のスライダ上
のプローブ位置とスライダに作用する加速度力とに従う
パラメータの成分を決定し、これら成分の詳細を補正値
として格納しておき、ワークピースに対して行う測定の
補正に用いるようにすることで行われる。
【0011】これらの格納値は、測定プロセスの過程で
機械のスライダの加速度を測定すること、あるいは、機
械の測定システムが発生する位置データを得てその位置
データを時間について2回微分することで得ることがで
きる。この方法はしかし、補正値がキャリブレーション
プロセスを通じて生成され、多次元補正テーブルに格納
されるものであり、その限りにおいてダイナミックなも
のとはなり得ないという欠点がある。また、キャリブレ
ートに要する点の数を極力少なくしてこのテーブルを構
成するためには、テーブルに格納された点間の補間を行
う能力がシステムに対し本質的に要求されるのである。
【0012】英国特許第2,045,437号に開示された方法
も知られている。これはCMMのクイルに取り付けられ
るプローブに加速度メータを設け、測定されたクイルの
加速度からクイルの合成たわみ(resultant deflection
s)を決定し、そのたわみからプローブの読み取り値を
補正するものである。
【0013】しかしながら、このプロセスもダイナミッ
クなものではない。すなわち、機械の測定ボリューム内
における異なる位置での異なる加速度に対する変位テー
ブルをメモリ格納部に確立するキャリブレーションプロ
セスを必要とし、さらに測定プロセスを通じて得られる
実際の測定値は、メモリ格納部から得た補正値を参照し
て補正されることになるからである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、加速
度に起因する機械の測定エラーをダイナミックに低減す
る方法を提供することにある。
【0015】本発明の他の目的は、かかる方法を実行す
る装置を提供し、周波数レンジを狭めることなく、機械
における移動を良好に制御するサーボ系が維持できるよ
うにすることにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】そのために、本発明は、
プローブ(20)を用いる機械により行われる測定のエ
ラーを低減する方法であって、前記機械の移動部の加速
度を示す加速度信号(45)を得る工程と、該加速度信
号から、前記加速度によって引き起こされる前記移動部
の速度の変化を示す速度信号(49)を得る工程と、速
度フィードバックループ(34,36,37,49,5
0)において前記速度信号を用い、機械に対する補正信
号を提供することにより、加速度により生じる機械部品
の変位(deflection)が、前記プローブを用いて前記機
械が行う測定に及ぼす影響を低減する工程と、具える。
【0017】ここで、前記機械は前記プローブ(20)
を移送するために移動可能なスピンドル(10)を有
し、当該移動は前記機械にワークピースの測定を行うこ
とを可能とするコントローラ(30)によって制御さ
れ、該コントローラは速度フィードバック制御ループ
(34,36,37)を含み、該ループに前記加速度信
号から得た速度信号(49)を供給することにより、前
記加速度に起因した前記プローブの速度変化を低減する
ことができる。
【0018】機械上のいくつかの軸についての加速度信
号は、前記機械の各移動部の変位を測定し、当該変位を
時間について2回微分することにより得ることができ
る。
【0019】しかし好適には、各部に組み合わせた加速
度メータを使用することにより、移動部の加速度を直接
的に測定する。
【0020】加速度メータは機械軸上の移動を測定する
読み取りヘッド(readhead)に配置することができる
が、加速度メータをプローブまたはその近傍に配置した
場合、すなわち例えばプローブ本体や、プローブが取り
付けられるヘッド、ヘッドが取り付けられる機械のクイ
ル、あるいはプローブスタイラスなどに配置する場合で
あっても、最良の結果を得ることができる。
【0021】すなわち、前記加速度信号(45)を、前
記機械の移動部の実際の加速度を測定することにより得
ること、また、前記プローブの実際の加速度を測定する
ことにより得ることができる。
【0022】また、前記速度信号(49)は、前記加速
度信号(45)を時間について積分することによって得
ることができる。
【0023】さらに、本発明は、相対移動可能な移動部
であってその一つ(10)がプローブを移送する当該移
動部と、該相対移動可能な移動部の移動を制御してワー
クピースに対する所定の関係に前記プローブを導くこと
により、機械による前記プローブを用いた前記ワークピ
ースの測定を可能とするコントローラであって、前記機
械の前記移動部の速度を制御する速度フィードバック制
御ループ(34,35,36,37)を含む当該コント
ローラと、を有する測定機械において、前記移動部の少
なくとも一つに少なくとも一つの加速度メータ(44)
を取り付けることにより、当該加速度メータが取り付け
られた前記移動部の前記機械上の一つの移動軸に沿った
方向における加速度を示す信号(45)が生成されるよ
うにするとともに、該加速度信号から、前記加速度によ
って引き起こされる前記移動部の速度変化を示す速度信
号(49)を得て、該速度信号を前記コントローラの速
度フィードバック制御ループに供給することにより、前
記加速度により生じる変位が、前記機械が行う測定に及
ぼす影響を低減する手段(46,48)を具備する。
【0024】ここで、プローブ(20)が取り付けられ
る可動スピンドル(10)を有し、前記少なくとも一つ
の加速度メータ(44)は、前記機械上の少なくとも一
つの移動軸に沿った方向における前記プローブの加速度
を測定するために取り付けられているものとすることが
できる。
【0025】また、前記機械の3つの主たる移動軸にお
ける前記プローブの加速度を測定するために、3つの加
速度メータ(44)を用いることができる。
【0026】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明に係るプローブの好適な実施形態の諸例を説明する。
【0027】図1を参照するに、軸Z方向に直線状移動
を行うためにクロスヘッド12に取り付けられたクイル
10と、軸X方向に直線状移動を行うためにフレーム1
4に支持された当該クロスヘッド12と、軸Y方向に直
線状移動を行うためにベース16に支持された当該フレ
ーム14とを有するCMMが示されている。軸X、Yお
よびZは互いに直交している。
【0028】使用にあたり、クイル10は関節型(arti
culating)プローブヘッド18を支持し、この実施形態
におけるプローブヘッドはワークピース26と接触する
ための球状端24をもつスタイラス22を有した走査プ
ローブ20を移送する。アナログ型走査プローブ、接触
型トリガプローブまたは非接触型プローブを含めた様々
なタイプのプローブを移送する数多くのタイプの機械に
おいて振動を制御するために、本発明を適用できること
は理解すべきである。
【0029】各部10,12,14は、それぞれモータ
MX、MYおよびMZによってX、YおよびZ軸方向に
それぞれ駆動されるものであり、各方向X,Y,Zにお
けるそれら各部10,12,14の瞬間位置は各軸上の
公知の測定デバイス(不図示)、例えばスケールおよび
光電子的な(opto-electronic)読み取りヘッドによっ
て検出される。
【0030】コントローラ30は、図2により詳細に示
されているが、モータMX、MYおよびMZを適切に作
動させてワークピース26上でプローブスタイラス22
を移動させるようプログラムされており、これによりワ
ークピース表面上の座標点を決定することができる。
【0031】関節型プローブヘッド18は相対的回転が
可能な2つの部品18Aおよび18Bを有し、部品18
Aは機械のZ軸に関して回転可能、部品18Bは機械の
XないしY軸に関して回転可能であり、これによって機
械の作業ボリューム内においていかなる所望の角度にも
スタイラスを方向付けできる。しかしかかる関節型プロ
ーブヘッドが機械系にとって必須の要件でないことは理
解すべきである。
【0032】図2を参照するに、CMMのコントローラ
30はモータMX、MYおよびMZに対する指示信号を
発生するコンピュータ32を含んでいる。なお、図2で
は1つのモータMZに対するサーボ制御系(その動作に
ついては後述する)を例示しているが、モータMXおよ
びMYに対しても同様の制御ループを設け得ることは勿
論である。
【0033】測定動作に際して機械をワークピースに対
する様々な位置に移動させることができるようコンピュ
ータがプログラムされている。コンピュータは移動を初
期化するためにモータ駆動コントローラ34に速度指示
信号を送出する。モータ駆動コントローラは駆動モータ
MZを通る信号35を発生し、これによってモータMZ
は所要の位置に向けZ軸に沿って部材10を駆動する。
【0034】機械の移動速度はタコジェネレータ36を
含むサーボループによって制御される。すなわち、この
タコジェネレータがモータ速度をモニタリングしてモー
タ速度信号37を駆動コントローラ34に戻すことで、
コンピュータ32からの速度指示信号に一致してモータ
が駆動されるようになっている。
【0035】これに加えて、機械のZ軸上にリニアエン
コーダ38を具備した位置サーボループが設けられ、Z
軸に沿った部材10の位置をモニタリングしている。エ
ンコーダ38は位置信号39を検出してコンピュータ3
2に戻し、これによって部材10がZ軸上の所望位置に
到達するまで速度指示信号が維持される。
【0036】かかるサーボループは現在のCMMコント
ローラにおいて慣用的なものである。測定プロセスに必
要な情報を完全なものとするために、関節型プローブヘ
ッドおよびプローブ内の測定デバイスから信号41が提
供され、これによりコンピュータ32は、プローブヘッ
ドに対するプローブの向きに関する情報とともに、ワー
クピースとのスタイラスの接触によるプローブ本体に対
するプローブスタイラスの変位ないしたわみ(deflecti
on)を知ることができる。コンピュータは、各軸のリニ
アエンコーダ38からの情報に加え、その情報によっ
て、スタイラスボールが接触したワークピース表面上の
ポイントの座標を演算することができる。
【0037】図3を参照するに、ラインL1はモータ駆
動要求に対するZ軸におけるプローブヘッドの典型的な
周波数応答を示している。この図において、縦軸は振動
に起因した機械のクイル10の読み取りヘッドに対する
変位の大きさを示し、周波数は横軸に対してプロットさ
れている。図から明らかなように、ポイントAまでの低
周波領域ではシステムはあたかも機械構造が剛であるか
のようにふるまい、振動に起因した読み取りヘッドに対
する機械のクイル10の変位、すなわちプローブの変位
はないものとみなすことができる。しかしポイントAを
超えて周波数が増大するにつれ、プローブの変位と読み
取りヘッドによる変位とが一致しなくなり(uncouple
d)、振動によって生起される相対変位(relative defl
ection)の大きさが増して、機械構造の共振周波数を通
過する際にピークに達する。共振周波数を超えればプロ
ーブおよび読み取りヘッドによる変位は急速に低下して
行く。
【0038】本発明は、機械振動によって生じるこれら
変位ないしたわみが、測定プロセスを通じてプローブに
より行われる測定に及ぼす影響を最小化する方法を提供
するものである。これはコントローラにさらなるフィー
ドバックループを包含させ、後述する動作を行わせるこ
とによって達成される。当該付加されるフィードバック
ループとして、Z軸に関したもののみを例示するが、X
およびY軸方向の移動制御系に対しても同様のフィード
バックループを付加できることは勿論である。
【0039】再び図2を参照するに、新規に付加された
特徴をなす更なるフィードバックループは、参照符号4
2で示す破線で囲んである。
【0040】プローブまたはプローブヘッドに位置づけ
た加速度メータ(accelerometer)44は、モータ速度
指示信号に応答して機械が動作したときに、プローブヘ
ッドまたはプローブの加速度を測定し、加速度信号45
を発生する。
【0041】当該信号45は積分・係数回路(integrat
ing and scaling circuit)46において積分され、ス
ケールファクタが乗算されることにより、加速度に起因
した各軸方向におけるプローブの速度が求められる。
【0042】積分および係数乗算を行うプロセス(4
6)は、アナログ電子回路によって構成することもでき
るし、またディジタルのソフトウェアによって実現する
こともできる。加速度メータが発生した信号は通常、温
度や加速度メータの取り付け方向に起因してオフセット
ドリフト(offset drift)を生じる傾向がある。積分器
は低周波信号およびオフセット信号を除去すべく周波数
帯域幅が制限されており、従って積分器は積分器周波数
(integrator frequency:wi)より大きい周波数でのみ
作動する。積分器周波数(wi)はかなり低く、概して対
応軸の共振周波数よりオーダがほぼ1つ低い大きさであ
る。これにより得られた帯域幅が制限されたクイル速度
信号は、2次のハイパスフィルタ48を通り、機械の最
低共振周波数より低い周波数が除去されることにより、
所要の速度信号49が生成される。このフィルタ48に
ついても、アナログ電子回路によって構成することもで
きるし、またディジタルのソフトウェアによって実現す
ることもできる。
【0043】速度信号49はジャンクション50に供給
され、コンピュータ32からの速度指示信号に加算され
て、モータ駆動コントローラ34を含むサーボループに
接続される。付加したサーボループについても、ソフト
ウェアやハードウェアによって実現することができる。
そして、これはCMMコントローラの一部をなす形態と
することもできるし、CMMコントローラに外的に付加
されるものであってもよい。
【0044】上述のサーボループを付加したことによっ
て、速度制御を可能とする周波数の帯域幅が広がる。ハ
イパスフィルタの作動により、プローブヘッドからの低
周波数の速度成分がこのサーボループから供給されるこ
とはない。これらの低周波数域では、すなわちプローブ
ヘッドが取り付けられる機械構造の共振周波数より低い
周波数域では、プローブヘッドはCMMの構造を介して
モータに剛に接続され、いかなる低周波数の速度変動も
慣用的な速度制御サーボループによって取り扱うことが
できる。しかし機械構造の共振周波数以上では、プロー
ブヘッドはモータから切り離され(uncoupled)始め
る。プローブヘッドがモータと固定的に接続(rigidly
coupled)されない状態の周波数域となればハイパスフ
ィルタが介入し、上記付加されたサーボループが直接プ
ローブヘッドの速度制御を行い、従って当該高周波数域
ではプローブヘッドと駆動モータとの間のスティフネス
を電子的に増大することができる。
【0045】図3におけるラインL2は、上記付加され
た制御ループを用いることによって、制御系が動作可能
な周波数レンジを狭めることなく、Z軸におけるクイル
変位の大きさが低減されたことを示している。
【0046】図4は3つの直交軸において加速度の測定
値を提供するための加速度メータ44を有した本発明に
係るプローブヘッドの概略を示す。本発明では3つの加
速度メータを配列した構成を採用し、3つの直交軸のそ
れぞれにおける最大の応答に備えることができる。ある
いは、3方向についての加速度の測定を行う表面取り付
け型集積回路(surface mounted integrated circuit)
を設けてもよい。
【0047】図2に示した基本的な回路に対しさらに改
良を施すことで、サーボループの周波数帯域幅をさらに
改善することができる。
【0048】例えば、速度指示信号33とジャンクショ
ン50との間にプレフィルタを付加し、周波数整形(fr
equency shaping)を行うことで、閉ループ周波数応答
を可能な限りフラットなものに維持するようにすること
ができる。加えて、加算ジャンクションの後段に補償器
を付加し、周波数整形を行うことで、サーボループの安
定性を改善し、サーボ系の帯域幅を拡大するようにする
こともできる。
【0049】好適な実施形態においては加速度メータを
プローブヘッドに取り付けて用いるものとして説明した
が、これは本発明の実施形態のすべての動作にとって本
質的なものではない。ある種のCMMでは、いくつかの
軸(特にZ軸)に設けうる機械スケールから位置を光電
子的に読み取る読み取りヘッドを、プローブに剛に接続
しうるのである。かかる場合、それらの軸について、プ
ローブの速度を読み取りヘッド上の加速度メータから獲
得してもよいし、読み取りヘッド位置信号を時間につい
て微分することで得てもよい。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
加速度に起因する機械の測定エラーをダイナミックに低
減することができるとともに、周波数レンジを狭めるこ
となく、測定機械における移動を良好に制御することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】関節型プローブヘッドに取り付けられた測定プ
ローブを含むCMMの説明図である。
【図2】本発明の速度フィードバックループが付加され
たCMMの制御系を示すブロック図である。
【図3】駆動指令に対するプローブヘッドの周波数応答
を示す線図である。
【図4】本発明の加速度メータを含むプローブヘッドお
よびプローブを示す線図である。
【符号の説明】
10 スピンドル 18 プローブヘッド 20 プローブ 22 スタイラス 30 コントローラ 32 コンピュータ 33 速度指示信号 34 モータ駆動コントローラ 36 タコジェネレータ 38 リニアエンコーダ 44 加速度メータ 45 加速度信号 46 積分・係数回路 48 ハイパスフィルタ 49 速度信号

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械によって移送されるプローブを用い
    て当該機械により行われる測定のエラーを低減する方法
    であって、 前記機械の移動部の加速度を示す加速度信号を得る工程
    と、 該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる
    前記移動部の速度の変化を示す速度信号を得る工程と、 速度フィードバックループにおいて前記速度信号を用
    い、機械に対する補正信号を提供することにより、加速
    度により生じる機械部品の変位が、前記プローブを用い
    て前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する工程と、
    具えたことを特徴とする測定エラー低減方法。
  2. 【請求項2】 前記機械は前記プローブを移送するため
    に移動可能なスピンドルを有し、当該移動は前記機械に
    ワークピースの測定を行うことを可能とするコントロー
    ラによって制御され、該コントローラは速度フィードバ
    ック制御ループを含み、該ループに前記加速度信号から
    得た速度信号を供給することにより、前記加速度に起因
    した前記プローブの速度変化を低減することを特徴とす
    る請求項1に記載の測定エラー低減方法。
  3. 【請求項3】 前記加速度信号を、前記機械の移動部の
    実際の加速度を測定することにより得ることを特徴とす
    る請求項1に記載の測定エラー低減方法。
  4. 【請求項4】 前記加速度信号を、前記プローブの実際
    の加速度を測定することにより得ることを特徴とする請
    求項3に記載の測定エラー低減方法。
  5. 【請求項5】 前記速度信号を、前記加速度信号を時間
    について積分することによって得ることを特徴とする請
    求項1に記載の測定エラー低減方法。
  6. 【請求項6】 相対移動可能な移動部であってその一つ
    がプローブを移送する当該移動部と、該相対移動可能な
    移動部の移動を制御してワークピースに対する所定の関
    係に前記プローブを導くことにより、機械による前記プ
    ローブを用いた前記ワークピースの測定を可能とするコ
    ントローラであって、前記機械の前記移動部の速度を制
    御する速度フィードバック制御ループを含む当該コント
    ローラと、を有する機械において、 前記移動部の少なくとも一つに少なくとも一つの加速度
    メータを取り付けることにより、当該加速度メータが取
    り付けられた前記移動部の前記機械上の一つの移動軸に
    沿った方向における加速度を示す信号が生成されるよう
    にするとともに、 該加速度信号から、前記加速度によって引き起こされる
    前記移動部の速度変化を示す速度信号を得て、該速度信
    号を前記コントローラの速度フィードバック制御ループ
    に供給することにより、前記加速度により生じる変位
    が、前記機械が行う測定に及ぼす影響を低減する手段を
    具備したことを特徴とする測定機械。
  7. 【請求項7】 前記プローブが取り付けられる可動スピ
    ンドルを有し、前記少なくとも一つの加速度メータは、
    前記機械上の少なくとも一つの移動軸に沿った方向にお
    ける前記プローブの加速度を測定するために取り付けら
    れていることを特徴とする請求項6に記載の測定機械。
  8. 【請求項8】 前記機械の3つの主たる移動軸における
    前記プローブの加速度を測定するために、3つの加速度
    メータが用いられていることを特徴とする請求項7に記
    載の測定機械。
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