JP2014232048A - 回転角度指令値の補正方法 - Google Patents

回転角度指令値の補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンを何れの1歯周期においても使用して回転角度指令値を補正する場合において、検出時の条件が異なることで誤差パターンが異なる場合でも回転角度指令値を精度よく補正できる回転角度指令値の補正方法を提供する。【解決手段】外周に所定ピッチで形成された複数の歯8aを有する被検出歯車8の回転角度を磁気式検出装置9を用いて検出するとともに、第1主軸3aに対して指令された回転角度指令値αを、検出回転角度と実際の回転角度との誤差に基づいて補正する場合に、正回転時の検出回転角度と前記実際の回転角度との誤差パターンである正方向1歯周期誤差パターンFと、逆回転時の誤差パターンある逆方向1歯周期誤差パターンF′とを求め、正回転時には前記誤差パターンFに基づいて、また逆回転時には前記誤差パターンF′に基づいて前記回転角度指令値αを補正する。【選択図】図4

Description

本発明は、例えば工作機械の回転軸を所定の角度位置に位置決めする場合に、回転軸に対して指令された回転角度指令値を、前記回転軸の、検出装置により検出された検出回転角度と実際の回転角度との誤差に基づいて補正する方法に関する。
工作機械の回転軸、例えば旋盤の、チャックが装着された主軸を、所定の角度位置に割り出し位置決めする場合、回転角度検出装置により検出された前記主軸の検出回転角度が、回転角度指令値に一致するように前記主軸を回転駆動することとなる。
前記主軸の回転角度検出装置として、従来例えば主軸に取り付けられ、所定ピッチで形成された複数の歯を有する被検出歯車と、該被検出歯車の歯と対向する位置に固定配置され、該歯との距離の遠近度合いに応じた電圧信号を出力する磁気式検出装置とを用いたものがある(特許文献1参照)。
ところが、前記従来の検出装置では、前記主軸が実際に回転した角度と前記検出装置による検出値との間で、前記被検出歯車の中心のずれ等に起因して被検出歯車が1回転する間の1回転周期誤差が生じる上に、被検出歯車の歯の加工精度等に起因する1歯周期毎の1歯周期誤差が生じるといった問題がある。
前記1回転周期誤差の補正については、被検出歯車の1回転周期(360°)を複数に分割した補正分割点における前記検出装置の検出誤差を予め求めておき、この誤差により回転角度指令値を補正することで実現できる。
一方、前記1歯周期誤差の補正については、1歯周期における補正分割点の間隔(deg)の小数点以下の桁数が多すぎて、現行の回転角度位置決め装置では対応できないといった問題が生じる。また前記1回転周期誤差の補正方法を、前記1歯周期誤差の補正にそのまま採用した場合は、補正点数が多すぎて処理出来ないという問題が生じる。
そこで本出願人は、1歯周期誤差パターンは何れの1歯周期においても略同様の傾向を示すことを見出し、この点に着目して、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンを何れの1歯周期においても適用して回転角度指令値を補正することにより、誤差の補正点数を大幅に削減できるとともに、必要な記憶容量が小さくて済む方法を提案している(特許文献2参照)。
特開平05−288573号公報 特開2011−141247号公報
ところで本願の発明者は、前記磁気式検出装置による前記回転軸の実際の回転角度検出値の誤差パターンは、検出時の条件の如何によって異なる場合があるという問題があることを見出した。即ち、前記1歯周期誤差パターンは、検出時の条件、例えば被検出歯車の回転方向が正方向である場合と逆方向である場合とでは前記1歯周期誤差パターンが異なるという問題があることを本願発明者は見出した。
本発明は、前記状況に鑑みてなされたもので、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンを何れの1歯周期においても使用して回転角度指令値を補正する場合において、検出時の条件が異なる場合でも回転角度指令値を精度よく補正できる回転角度指令値の補正方法を提供することを課題としている。
請求項1の発明は、外周に所定ピッチで形成された複数の歯を有し、回転軸に装着された被検出歯車の回転角度を、前記歯に対向するように配置された磁気式検出装置を用いて検出するとともに、前記回転軸に対して指令された回転角度指令値を、前記磁気式検出装置を用いて検出された検出回転角度と実際の回転角度との誤差に基づいて補正する回転角度指令値の補正方法であって、
前記検出回転角度と前記実際の回転角度との誤差を、異なる条件下において1歯分検出して異なる条件下毎の個別誤差パターンを求め、所定の条件下においては、該所定条件に対応した個別誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正することを特徴としている。
請求項2の発明は、請求項1に記載の回転角度指令値の補正方法において、
前記回転軸の正方向への回転と、その逆方向への回転が前記異なる条件であり、正方向回転時の前記1歯分の正方向誤差パターンと、逆方向回転時の前記1歯分の逆方向誤差パターンとを求め、正方向回転時には正方向誤差パターンに基づいて、逆方向回転時には逆方向誤差パターンに基づいてそれぞれ前記回転角度指令値を補正することを特徴としている。
請求項3の発明は、請求項1に記載の回転角度指令値の補正方法において、
雰囲気温度が異なる場合、各雰囲気温度が前記異なる条件であり、該雰囲気温度毎に前記1歯分の誤差パターンを求め、各雰囲気温度に対応した誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正することを特徴としている。
本願発明者は、被検出歯車の任意の隣接する2つの歯の間における検出回転角度の実際の回転角度に対する誤差である1歯周期誤差パターンは、検出時の条件の如何によって異なる場合があることを見出し、この点を基にして本発明を完成した。
即ち、本願請求項1の発明によれば、異なる条件下毎の個別誤差パターンを求め、所定の条件下においては、該所定条件に対応した個別誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正するようにしたので、回転角度検出時の条件が異なることで誤差パターンが異なる場合であっても、回転角度指令値を精度良く補正でき、その結果、回転軸の割り出し位置決め精度を高めることができる。
請求項2の発明によれば、前記回転軸の正方向回転時には正方向誤差パターンに基づいて、逆方向回転時には逆方向誤差パターンに基づいてそれぞれ前記回転角度指令値を補正するようにしたので、回転方向が異なることで誤差パターンが異なる場合でも、回転角度指令値を精度良く補正でき、回転軸の割り出し位置決め精度を高めることができる。
請求項3の発明によれば、雰囲気温度毎に1歯分の誤差パターンを求め、各雰囲気温度に対応した誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正するようにしたので、雰囲気温度が異なることで誤差パターンが異なる場合でも、回転角度指令値を精度良く補正でき、回転軸の割り出し位置決め精度を高めることができる。
本発明の実施例1に係る回転角度指令値の補正方法を実行する回転角度位置決め装置を備えた工作機械の模式平面図である。 前記回転角度位置決め装置の回転角度検出装置部分の模式構成図である。 前記回転角度位置決め装置の1回転周期誤差パターンの模式図である。 前記回転角度位置決め装置の正方向(時計回り回転時の正方向1歯周期誤差パターンF及び逆方向(反時計回り)回転時の逆方向1歯周期誤差パターンF′の模式図である。 前記正方向,逆方向1歯周期誤差パターンの求め方を説明するための模式図である。 前記1回転周期誤差パターンの具体例の模式図である。 前記正方向1歯周期誤差パターンの具体例の模式図である。 前記回転角度位置決め装置の動作を説明するためのフローチャートである。 前記フローチャートに採用された1歯周期を説明するための模式図である。 前記フローチャートに採用された1歯周期誤差補正テーブルを示す図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1〜図10は、本発明の実施例1に係る回転角度指令値の補正方法を実行する工作機械の回転角度位置決め装置を説明するための図である。
図において、1は工作機械の一例としてのタレット旋盤である。該タレット旋盤1は、ベッド2の左端部に配設された第1主軸台3と、該第1主軸台3と対向するように配設された第2主軸台4と、該第1,第2主軸台3,4の間でかつ奥側に配設された刃物台5とを備えている。
前記第2主軸台4は、これの第2主軸4aの軸線と前記第1主軸台3の第1主軸3aの軸線とが同軸をなすように、かつ軸線方向(Z軸方向)に移動可能に配設されている。また前記刃物台5は、前記Z軸と直交するY軸方向に移動可能に配設された刃物台ベース5aと、該刃物台ベース5a上に、前記Z軸と平行な回転軸回りに回転可能に配設されたタレット5bとを有し、該タレット5bには複数の工具Tが配設されている。
前記第1主軸台3は、前記ベッド2上に固定された第1主軸台ハウジング3bと、該第1主軸台ハウジング3bにより複数の軸受3cを介して回転可能に支持された前記第1主軸(回転軸)3aとを有する。また前記第1主軸3aの、前記第1主軸台ハウジング3bから前記第2主軸台4側へ突出する先端部3dには被加工物(ワーク)Wを把持するチャック3eが取り付けられている。
前記第2主軸台4は、前記ベッド2上に、Z軸方向に移動可能に搭載された第2主軸台ハウジング4bと、該第2主軸台ハウジング4bにより複数の軸受4cを介して回転可能に支持された前記第2主軸(回転軸)4aとを有する。また前記第2主軸4aの、前記第2主軸台ハウジング4bから前記第1主軸台3側へ突出する先端部4dには被加工物(ワーク)を把持するチャック4eが取り付けられている。
前記第1主軸台3及び第2主軸台4は、それぞれ同じ構造の回転角度位置決め装置6を備えている。以下、第1主軸台3に設けられた回転角度位置決め装置6について説明する。
前記回転角度位置決め装置6は、前記第1主軸3aの回転角度を検出する回転角度検出装置7と、該回転角度検出装置7で検出された回転角度が与えられた回転角度指令値αとなるように前記第1主軸3aを回転させる駆動モータ10と、該駆動モータ10による駆動を制御するコントローラ11とを備えている。
前記コントローラ11は、後述する1回転周期誤差パターンE及び1歯周期誤差パターンF、F′を記憶する誤差パターン記憶部11aと、前記回転角度指令値αを前記1回転周期誤差パターンEに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値α1を求め、さらに該第1回転角度補正指令値α1を前記1歯周期誤差パターンF又はF′に基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値α2を求める指令値補正部11bとを有する。
前記駆動モータ10は、前記第1主軸台ハウジング3bと前記第1主軸3aとの間に配置されており、第1主軸3aを高速で回転駆動する機能及び微小角度だけ回転駆動する機能を有する。
前記回転角度検出装置7は、前記第1主軸3aの後端部3gに固定されて該第1主軸3aと共に回転する被検出歯車8と、該被検出歯車8に対向し、かつ非接触となるように固定配置された角度検出センサ9とを備えている。
前記被検出歯車8は、外周面に歯8aが所定ピッチで複数(本実施例では512歯)形成された軟磁性体製の円環状のものである。
前記角度検出センサ9は、非磁性体からなるケース9a内に、前記歯8aの歯先面8bに直角に対向するように配置固定された永久磁石9bと、前記ケース9a内に、前記永久磁石9bと歯先面8bとの間に位置するように配置固定され、複数のホール素子9dを有するホールIC9cとを有する。前記永久磁石9bは、NS極軸が前記歯先面8bに対して直角をなすように配置され、前記ホールIC9cはN極側に配置されている。
本実施例の回転角度検出装置7は、前記被検出歯車8及び前記角度検出センサ9によって前記第1主軸3aの回転角度を検出する。具体的には、図2に示すように、前記角度検出センサ9は、前記被検出歯車8の対向面までの距離の大小に応じた電圧信号Sを出力する。この電圧信号Sは、前記角度検出センサ9が前記歯8aの歯先面8bの回転方向中央部aと対向する時点で最も高く、ここから歯8a,8a間の中央部bに向けて徐々に低くなり、さらに隣の歯面8bに向けて徐々に高くなる。従って、前記角度検出センサ9からの電圧信号Sの大きさによって前記第1主軸3aの回転角度が検出される。
そして、前記回転角度検出装置7により検出される回転角度が、与えられた回転角度指令値αとなるように、前記駆動モータ10により前記第1主軸3aが回転駆動されて位置決めされる。
一方、前記回転角度検出装置7においては、前記被検出歯車8の中心位置のずれ等に起因して、該被検出歯車8が1回転する間に、図3に示す1回転周期誤差が生じ、さらに被検出歯車8の歯8aの加工精度等に起因して、図4に示す1歯周期毎の1歯周期誤差が生じる場合がある。
そこで本実施例では、以下詳述するように、まず、前記1回転周期誤差のパターンEに基づいて前記回転角度指令値αを補正して第1回転角度補正指令値α1を求める。続いて前記1歯周期誤差のパターンFに基づいて、前記第1回転角度補正指令値α1を補正して第2回転角度補正指令値α2を求める。
そして、前記回転角度検出装置7で検出された回転角度が第2回転角度補正指令値α2に一致するように、ひいては実際の回転角度が前記回転角度指令値αと一致するように、前記駆動モータ10が第1主軸3aを回転駆動し、該第1主軸3aの回転角度位置決めを行う。
前記1回転周期誤差パターンEは、以下のようにして求められる。まず、図3に示すように、被検出歯車8の1回転周期(360°)を例えば30°毎に12分割した補正分割点1〜12が求められる。前記各補正分割点1〜12に対応する回転角度を、前記実際に採用されている角度検出センサ9を用いて計測した検出回転角度と、十分に高い分解能を有する高精度センサを用いて計測した基準回転角度との差が求められる。そして前記各補正分割点1〜12における前記差が1回転周期誤差E1,E2,・・・E12とされ、該各1回転周期誤差E1・・・E12を結んだ曲線が1回転周期誤差パターンEとされる。
一方、前記1歯周期誤差パターンFは以下のようにして求められる。まず、図5,図9に示すように、1歯周期における補正分割数を12とする場合、任意の歯8a〜8a間を12等分した補正分割点1〜12が求められる。前記各補正分割点1〜12に対応する回転角度を、前記実際に採用されている角度検出センサ9を用いて計測した検出回転角度と、十分に高い分解能を有する高精度センサを用いて計測した基準回転角度との差が求められる。そして前記各補正分割点1〜12における前記差が1歯周期誤差F1,F2,・・・F12とされ、該各1歯周期誤差F1・・・F12を結んだ曲線が1歯周期誤差パターンFとされる。
ここで前記1歯周期誤差パターンFは、例えば図4あるいは図7に示すように、何れの1歯周期においても略同様の傾向を示すことが判明した。そこで、本実施例では、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンFを求め、このパターンFを何れの1歯周期においても適用することとした。これにより、計測すべき補正分割点の数は、被検出歯車8の歯数が何枚であっても12で済み、大幅に減少できる。なお、前記1周期誤差パターンEと同様の方法で誤差を求めるようにした場合は、補正分割点数=512×12=6144となる。
ところが、前記1歯周期誤差パターンは、回転角度検出時の条件の如何によってはそのパターンが異なることが判明した。例えば、前記第1主軸3aを正方向(時計回り)に回転させつつ前記補正分割点1〜12に対応する回転角度を求めることで得られた誤差パターンは正方向1歯周期誤差パターンFとなり、一方、前記第1主軸3aを逆方向(反時計回り)に回転させつつ前記補正分割点1〜12に対応する回転角度を求めることで得られた誤差パターンは、逆方向1歯周期誤差パターンF′となることが判明した。このように回転方向によって回転角度の検出値ひいては誤差パターンが変動するのは、永久磁石9bと、該永久磁石9bと歯先面8bとの間に配置され複数のホール素子9dを有するホールIC9cとからなる角度検出センサ9が有する磁気ヒステリシスに起因しているものと考えられる。
そして前記1回転周期誤差パタンーンE,正方向1歯周期誤差パターンF,及び逆方向1歯周期誤差パターンF′は、前記コントローラ11の誤差パターン記憶部11aに格納されている。前記指令値補正部11bは、回転角度指令値αを前記1回転周期誤差パターンEで補正して第1回転角度補正指令値α1を求め、さらに該第1回転角度補正指令値α1を、前記回転角度検出時の第1主軸3aの回転方向が正方向の場合は正方向1歯周期誤差パターンFを用いて補正し、逆方向の場合は逆方向1歯周期誤差パターンF′を用いて補正することにより第2回転角度補正指令値α2を求める。
前記回転角度指令値がαである場合の、前記第1回転角度補正指令値α1を求める方法を図3に沿って説明する。
前記1回転周期誤差パターンE上における回転角度指令値αに対応する補正値をE23とすると、
α1=α+E23
E23=E2+(E3−E2)×(α−60°)/30°
により求められる。
次に第2回転角度補正指令値α2を求める方法を図8のフローチャートに基づいて、より具体的に説明する。この場合、回転角度指令値:α、第1回転角度補正指令値:α1,第2回転角度補正指令値:α2,被検出歯車8の歯数:β(=512)、誤差補正テーブルの分割数(補正分割点数):γ(=12)とする。また、回転角度検出時の第1主軸3aの回転方向は正方向(時計回り)であるとする。
まず、回転角度検出時の第1主軸3aの回転方向が正,逆方向の何れであるかが判断され、本実施例の場合は正方向(時計回り)であるので、図10における正方向誤差補正テーブルTが採用される(ステップS0)。なお、前記第1主軸3aの回転方向が逆方向(反時計回り)であるばあいは、図10における逆方向誤差補正テーブルT′が採用される。
続いて回転角度指令値αを前述の方法で補正した第1回転角度補正指令値α1が読み込まれ(ステップS1)、(α1/360°)×β(式1)により、第1回転角度補正指令値α1が検出リング8の歯8aの何枚分に相当するかが演算される。この場合、前記式1の商(整数部)をXとし、小数点以下をYとする(ステップ2)。
前記小数点以下(Y)が0の場合(ステップS3)、つまり前記第1回転角度補正指令値α1が、被検出歯車8の何れかの歯8aの歯先面8bの中央部aに一致する角度である場合は、図10に示す正方向誤差補正テーブルの分割数「0」に対応する補正値が読み込まれ(ステップS9)、この補正値が第1回転角度補正指令値α1に加えられ(ステップS10)、これが最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値)α2とされる(ステップS11)。
一方、ステップS3において、前記Yが0でない場合、つまり前記第1回転角度補正指令値α1が何れかの隣接する歯8a,8aの間のある点に対応する角度である場合は、まず、前記第1回転角度補正指令値α1が隣接する何れの補正分割点間に位置しているかが求められ、この位置に基づいて正方向誤差補正テーブルTから補正値が演算される。なお、前記第1回転角度補正指令値α1が何れかの補正分割点に一致する場合は、この分割点に対応する補正値がそのまま第1回転角度補正指令値α1に加算される。
具体的には、前記小数点以下(Y)×分割数(γ)(式2)が演算されてその積がZとされ(ステップS4)、さらに前記積Z以下でかつ最大の整数Gと前記積Z以上でかつ最小の整数Hが求められる(ステップS5)。
前記正方向誤差補正テーブルT上で、前記整数G,Hに対応する補正値g,hが読み込まれ(ステップS6)、続いて、(h−g)×(Z−G)が計算され、その積がDとされ(ステップS7)、さらに(g+D)の和が補正値とされる(ステップS8)。
そして前記補正値を前記第1回転角度補正指令値α1に加えたものが最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値α2)となる(ステップS10,S11)。
より具体的には、ステップS2において、前記第1回転角度補正指令値α1が、例えば被検出歯車8の歯99.32枚分に相当する場合には、ステップS4で、Y×γ=0.32×12=3.84となり、ステップS5で、G=3.84以下でかつ最大の整数=3,H=3.84以上でかつ最小の整数=4となり、ステップS6において、図10の誤差補正テーブルからg=分割数3の補正値=−0.003(deg),h=分割数4の補正値=0.005(deg)が読み込まれる。続いて、ステップS7で、(h−g)×(Z−G)=(0.005−(−0.003))×(3.84−3)=0.00672=Dとなり、ステップS8で、g+D=−0.003+0.00672=0.00372(deg)が補正値となり、前記第1回転角度補正指令値α1+0.00372(deg)が最終回転角度指令値(第2回転角度補正指令値)α2となる。
以上のように、本実施例では、回転角度指令値αを1回転周期誤差パターンEに基づいて補正することにより第1回転角度補正指令値α1を求め、該第1回転角度補正指令値α1を正方向1歯周期誤差パターンF又は逆方向1歯周期誤差パターンF′に基づいて補正することにより第2回転角度補正指令値α2を求めるようにしたので、被検出歯車8の中心のずれ等に起因する誤差及び被検出歯車8の歯8aの加工精度等に起因する誤差を確実に補正することができる。
また、1歯周期誤差パターンF,F′は、被検出歯車,角度検出センサの固体差によって変化するが、同じ被検出歯車,同じ角度検出センサ,同じ取付け条件であれば、何れの1歯周期においても略同じ傾向を示す点を見出し、この点に着目して、任意の1歯周期における1歯周期誤差パターンFから図10に示す誤差補正テーブルを作成し、これを何れの1歯周期における補正においても使用するようにしたので、補正分割点数を大幅に削減できるとともに、必要な記憶容量が小さくて済む。
さらにまた、前記回転角度検出時の第1主軸3aの回転方向が正方向(時計回り)か逆方向(反時計回り)かによって1歯周期誤差パターンが異なる点を見出し、この点に着目して、正方向回転の場合は正方向1歯周期誤差パターンFを、逆方向回転の場合は逆方向1歯周期誤差パターンF′を採用して回転角度指令値を補正するようにしたので、回転角度検出時の第1主軸3aの回転方向に起因する誤差についても確実に補正することができる。
また、まず、回転角度指令値αを1回転周期誤差パターンEに基づいて補正して第1回転角度補正指令値α1を求め、次に該第1回転角度補正指令値α1を1歯周期誤差パターンF,又はF′に基づいて補正して第2回転角度補正指令値α2を求めるようにしたので、被検出歯車の中心のずれ等に起因する誤差を補正した後に、被検出歯車の歯の加工精度等に起因する誤差を補正することとなり、前記両方の誤差をより効率的にかつ確実に補正することができる。
なお、前記実施例では、回転角度検出時の条件が異なる場合の例として、回転角度検出時の回転軸の回転方向が正方向,逆方向である場合を説明したが、本発明は、前記以外の各種の条件が異なる場合にも適用できる。例えば雰囲気温度が異なる場合、各雰囲気温度が前記異なる条件であるとし、該雰囲気温度毎に前記1歯分の誤差パターンを求め、各雰囲気温度に対応した誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正するようにしてもよい。
3a 第1主軸(回転軸)
8 被検出歯車
8a 歯
9 磁気式検出装置
α 回転角度指令値
F 正方向1歯周期誤差パターン(正方向誤差パターン)
F′ 逆方向1歯周期誤差パターン(逆方向誤差パターン)

Claims (3)

  1. 外周に所定ピッチで形成された複数の歯を有し、回転軸に装着された.被検出歯車の回転角度を、前記歯に対向するように配置された磁気式検出装置を用いて検出するとともに、前記回転軸に対して指令された回転角度指令値を、前記磁気式検出装置を用いて検出された検出回転角度と実際の回転角度との誤差に基づいて補正する回転角度指令値の補正方法であって、
    前記検出回転角度と前記実際の回転角度との誤差を、異なる条件下において1歯分検出して異なる条件下毎の個別誤差パターンを求め、所定の条件下においては、該所定条件に対応した個別誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正することを特徴とする回転角度指令値の補正方法。
  2. 請求項1に記載の回転角度指令値の補正方法において、
    前記回転軸の正方向への回転と、その逆方向への回転が前記異なる条件であり、正方向回転時の前記1歯分の正方向誤差パターンと、逆方向回転時の前記1歯分の逆方向誤差パターンとを求め、正方向回転時には正方向誤差パターンに基づいて、逆方向回転時には逆方向誤差パターンに基づいてそれぞれ前記回転角度指令値を補正することを特徴とする回転角度指令値の補正方法。
  3. 請求項1に記載の回転角度指令値の補正方法において、
    雰囲気温度が異なる場合、各雰囲気温度が前記異なる条件であり、該雰囲気温度毎に前記1歯分の誤差パターンを求め、各雰囲気温度に対応した誤差パターンに基づいて前記回転角度指令値を補正することを特徴とする回転角度指令値の補正方法。
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