JP2019534165A - ロボット支援による表面加工機械 - Google Patents

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    • B25J15/0019End effectors other than grippers

Abstract

【課題】ロボット表面加工の改良された加工機械の提供。【解決手段】ロボット支援により表面加工する工作機械のための装置が開示されている。この装置は、マニピュレータへの取り付け、及び、モータ(31)の取り付けのために形成された第1の支持プレート(51)と、回転可能な工具(32)を受けるための駆動シャフト(58)が支持されている第2の支持プレート(52)と、第1の支持プレート(51)と第2の支持プレート(52)との間で作用するリニアアクチュエータ(2)と、第1の部分と、第1の部分に対して変位可能な第2部分とを有する伸縮シャフト(54)であって、第1の部分がモータ(31)のモータシャフト(33)に連結されるように構成されており、第2の部分が前記第2の支持プレート(52)に支持されている伸縮シャフト(54)と、伸縮シャフト(54)を駆動シャフト(58)に連結させている伝動装置と、を有する。【選択図】図2

Description

本発明は、例えば研削盤または研磨盤のような、ロボット支援表面加工のためのロボットによってガイドされる加工機械に関する。
工作物の表面処理において、研削および研磨プロセスはますます重要な役割を果たしている。自動化されたロボット支援の製造では、産業用ロボットが使用され、研削プロセスは自動化することができる。
ロボット研削盤では、回転研削工具(例えば、研削盤)は、産業用ロボットなどのマニピュレータによって案内される。研削プロセスの間、マニピュレータのいわゆるTCP(Tool Center Point)は(例えば、ティーチインによって事前にプログラム可能な)軌道に沿って動く。TCPの所与の軌道は、TCP、ひいては研削盤の各時間位置および向きに定義される。したがって、マニピュレータの動きを制御するロボット制御装置は通常位置制御を含む。
フライス加工、研削、研磨などの表面加工プロセスでは、加工力(工具とワークピース間の力)が加工結果に重要な役割を果たすため、工具の位置制御では通常十分ではない。したがって、工具は通常マニピュレータのTCPに強固に接続されているのではなく、最も単純な場合にはばねであり得る弾性要素を介して接続されている。加工力を調整することができるためには、加工力の制御(閉ループ制御)が多くの場合必要である。力の制御を実施するために、弾性部材は、マニピュレータのTCPと工具との間(例えば、TCPと研削盤が取り付けられている研削機械との間)に機械的に結合された別個のリニアアクチュエータとすることができる。リニアアクチュエータはマニピュレータと比較して比較的小さくてもよく、本質的にプロセス力の調整のために使用され、マニピュレータは工具を(リニアアクチュエータとともに)先にプログラムされた軌道に沿って位置制御して移動させる。
DE 10 2011 006679 A1公報 WO 2016/145472 A1公報
本発明の目的は、ロボット支援による表面加工に適した研削機械などの改良された加工機械を提供することである。
上記目的は、請求項1に記載の装置によって達成される。本発明の様々な実施形態およびさらなる発展は、従属請求項の主題である。
表面加工する工作機械のための装置が記載される。この装置は、一実施形態として、第1の支持プレートと、第2の支持プレートとを有する。第1の支持プレートは、マニピュレータへの取り付け、及び、モータの取り付けのために形成されている。第2の支持プレートは、回転可能な工具を受けるための駆動シャフトが支持されている。この工作機械は、さらに、第1の支持プレートと第2の支持プレートとの間で作用するリニアアクチュエータと、第1のシャフト部分と、第1のシャフト部分に対して移動可能な第2のシャフト部分とを有する伸縮シャフトとを有する。伸縮シャフトは、伝動装置により駆動シャフトに連結されている。
ロボット支援により表面加工する工作機械が記載される。この工作機械は、一実施形態として、第1の支持プレートと、第2の支持プレートとを有する。第1の支持プレートは、マニピュレータの取り付けのために形成されている。第2の支持プレートは、回転可能な工具を受けるための駆動シャフトが支持されている。この工作機械は、さらに、第1の支持プレートと第2の支持プレートとの間で作用するリニアアクチュエータと、第1の支持プレートに取り付けられたモータとを有する。この工作機械は、さらに、第1のシャフト部分と、第1のシャフト部分に対して移動可能な第2のシャフト部分とを有する伸縮シャフトとを有する。第1のシャフト部分は、モータのモータシャフトに連結され、第2のシャフト部分は、第2の支持プレートに支持されている。伸縮シャフトは、伝動装置により駆動シャフトに連結されている。
リニアアクチュエータの力制御によって産業用ロボットに連結された研削機械を有するロボット支援研削装置の例示的な概略図であり、リニアアクチュエータは産業用ロボットと研削機械とを機械的に分離する。 工作機械の駆動側と工具側とを機械的に切り離すための一体型リニアアクチュエータを備えた工作機械の例示的な実施形態を示す図である。 機械的に分離された駆動側と工具側とを有する工作機械の他の実施形態を示す図である。 図3に示す実施形態において、図3よりもリニアアクチュエータの変位が大きい場合を示す図である。
本発明は、図面に示される実施例を参照してより詳細に説明される。図は必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明は提示された態様に限定されない。むしろ、本発明の根底にある原理を表すことに重点が置かれている。
様々な実施形態を詳細に説明する前に、ロボット支援研削装置の一般的な例を最初に説明する。しかしながら、本明細書に記載の実施形態は研削装置に限定されない。本明細書に記載の装置は、回転工具を用いた様々な機械加工プロセス(例えば、フライス削り、研削、研磨などのすべての機械加工作業)のロボットによる実行に使用することができる。以下に記載の装置は、回転工具を用いた様々な機械加工プロセス(例えば、フライス削り、研削、研磨などのすべての機械加工作業)のロボットによる実行に使用することができる。
図1に示す例は、マニピュレータ1(例えば産業用ロボット)と、モータ31及び回転工具32(例えば研削盤)を有する工作機械3(例えば研削機械)とを含む。研削機械3は、リニアアクチュエータ2を介してマニピュレータ1のエンドエフェクタフランジ15(ツール・センター・ポイント(TCP))に連結されている。6自由度を有する産業用ロボットの場合、マニピュレータは、それぞれジョイントG、G12、およびG13によって接続された4つのセグメント11、12、13、および14から構成されることができる。第1のセグメント11は通常、基礎10に堅固に接続されている(しかしながら、必ずしもそうである必要はない)。ジョイントG13は、セグメント13とセグメント14とを接続する。ジョイントG13は、2軸であり、水平回転軸(仰角)および垂直回転軸(方位角)を中心にしてセグメント14を(セグメント13に対して)回転させることができる。ジョイントG12はセグメント12とセグメント13とを接続し、セグメント12の位置に対するセグメント13の旋回運動を可能にする。ジョイントG12は、セグメント11とセグメント12とを接続する。ジョイントG11は2軸にすることができ、(ジョイントG13と同様に)2つの方向の旋回運動が可能である。TCPはセグメント14に対して固定された相対位置を有し、そのため、セグメント14は、通常は、回転ジョイント(図示せず)を含み、それはセグメント14の長手方向軸A(図1に一点鎖線として示される)の周りの回転運動を可能にする。したがって、マニピュレータ1は、合計6個の自由度を有する。ジョイントの各軸は、それぞれのジョイント軸の周りに回転運動を引き起こすことができるアクチュエータと関連付けられている。ジョイント内のアクチュエータは、ロボットプログラムに従って、ロボット制御装置4によって制御される。TCPは、(特定の限度内で)(軸Aの任意の向きの)任意に位置に配置することができる。
マニピュレータ1は、通常、位置制御される。すなわち、ロボット制御装置4は、TCPの姿勢(位置および向き)を決定し、それを所定の軌跡に沿って移動させることができる。アクチュエータ2がエンドストップに当接すると、TCPの姿勢は工具32(および研削機械3全体)の姿勢も規定する。アクチュエータ2は、研削加工中に工具32とワークピースWとの接触力F(加工力)を所望の値に調整するためのものである。マニピュレータ1のセグメント11から14の高い慣性のため、慣用のマニピュレータでは、(例えば研削工具をワークピースW上に配置するときの)力の最高値の迅速な補償が実際上不可能であるため、マニピュレータ1による加工力の直接制御は研削用途にはあまりにも不正確である。このため、ロボット制御装置4は、研削機械3とマニピュレータ1との間に連結されたアクチュエータ2によって、専ら、接触力Fの調整が成される間、TCPの姿勢(位置および向き)を制御するように構成される。力制御により、アクチュエータ2は、研削プロセス中に(アクチュエータ2の作用方向に沿って)工具32に対するワークピースWの位置及び向きの偏差を補償することができ、同時に所望のプロセス力Fを維持することができる。上述の偏差は、例えば、ワークピースの位置決め誤差やTCPの(公差による)位置決め誤差が原因である。
既に述べたように、研削プロセスの間、研削工具32とワークピースWとの間の接触力Fは、(リニア)アクチュエータ2と(例えば制御装置4に実装され得る)力制御ユニットとによって、研削工具32とワークピースWと間の接触力Fが所定値となるように制御される。この際の接触力は、リニアアクチュエータ2がワークピースの表面を押圧するアクチュエータ力Fに対する反作用である。ワークピースWと工具32との間に接触がない場合、アクチュエータ2は、(図1に示されていないか、又はアクチュエータ2に組み込まれている)エンドストップに対する接触力Fがないために移動する。マニピュレータ1の(これもまたコントローラ4内に実装することができる)位置制御は、アクチュエータ2の力制御とは完全に独立して動作することができる。アクチュエータ2は、研削機械3の位置決めのためのものではなく、研削プロセス中に所望の接触力Fを設定し維持することと工具32とワークピースWとの間の接触を検出するためのものである。この接触は、例えば、エンドストップからのアクチュエータ2の変位が小さい場合、またはアクチュエータ2の変位の変化が負である場合に認識される。
一般に、ロボットが物体(例えばワークピースW)に接触する、ロボット支援され又は自動化されたシステムでは、接触タイミングを認識し、接触力を制御するという問題がある。接触力の制御は、ロボットが、物体の表面に接触した後にのみ可能である。この理由のために、全ての既知の力制御システムにおいては、ロボットに取り付けられた工具と接触されるべき表面との間の最初の接触時に、衝撃的な接触力が生じる。この衝突では、工具(図1、研削機械3を参照)とアクチュエータ(図1、アクチュエータ2を参照)の質量(すなわち、慣性力と運動エネルギー)だけでなく、駆動装置を含むマニピュレータ全体の質量又は運動エネルギーも考慮される。この質量は本質的に(避けるべき)衝撃エネルギーを決定する。
結果として生じる衝撃的な接触力は多くの場合問題ないかもしれないが、精度が重要であるか非常に繊細な加工物を処理しなければならない用途では厄介で望ましくない可能性がある。すなわち、所望の接触力と比較して実際の接触力のオーバーシュートがある場合である。表面の機械加工中でも、所望の接触力を維持するために工具の位置を再調整することが必要である可能性がある。この場合、主に、接触力の推移に一時的なオーバーシュートを引き起こし得る静摩擦効果(いわゆる「スティックスリップ効果」)がある。さらに、ギアを有するドライブでは、ギアの歯車の歯の噛み合いが望ましくないぎくしゃくした衝撃または振動を引き起こす。対象を処理または加工するときに、両方の影響により品質の問題を引き起こす可能性がある。
上述のオーバーシュートは、(例えば、研削機械等の)工作機械をマニピュレータ1から機械的に切り離すことによって低減することができる。この機械的な切り離しは、例えば、 バネを用いることによって達成することができる。図1に示される例では、この切り離しはアクチュエータ2によって行われる。アクチュエータ2は、空気圧式アクチュエータ、例えば、複動空気圧シリンダであり得る。しかしながら、ベローズシリンダやエアーマッスルなど、他の空気圧式アクチュエータもまた適用可能である。代替として、電気的直接駆動(ギアレス)が考慮に入れられる。空気圧式アクチュエータの場合、力制御は、制御弁、(制御装置4に実装されている)制御器および圧縮空気貯蔵器を用いて従来の方法で実現することができる。しかしながら、具体的な実装は、さらなる説明にとって重要ではないので、より詳細には説明されない。ここに記載の例では、アクチュエータ2は、上述のスティックスリップ効果を回避するため、またはそれをできるだけ小さく保つために、実質的に静止摩擦がないように構成されている。「本質的に摩擦がない」とは、静止摩擦がゼロであることを意味するのではなく、アクチュエータ力と比較して無視できる静止摩擦を意味する。工作機械とマニピュレータとの間が完全な分離される場合には、マニピュレータの質量慣性力はもはや接触面に作用しない。
マニピュレータと工具との上述の機械的分離にもかかわらず、工作機械の慣性力は依然として残り、それは接触した工作物の表面に作用することがある。高い(例えば、研削盤と工作物との間の研削力などの)加工力において、工作機械は、通常、対応する大きな質量を有する強力なモータ(例えば、電気モータ)を必要とする。なお、アクチュエータは、力制御において、通常、工作機械の重量を(少なくとも部分的に)補償しなければならないので、アクチュエータ2は、(モータを含む)工作機械の重量に適合されなければならない。
図1の先の例によれば、アクチュエータ2はマニピュレータ1と工作機械3との間に配置されている。図2は、一体型アクチュエータ2を有する(例えば研削機械などの)工作機械3の例を示す。アクチュエータを工作機械に一体化することにより、(比較的重い)モータ31が配置されている駆動側と(比較的軽い)工具32(例えば研削盤)が配置されている工具側との間の機械的分離が可能になる。図2の工作機械3がその駆動側でマニピュレータのエンドエフェクタフランジ(図1の符号15参照)に取り付けられているとき、工作機械3の駆動側に、(モータ31の重量を含む)全構成要素の重量がマニピュレータにより受け入れられ、構成要素の比較的小さい質量のみを工具側で一体型アクチュエータ2によって動かさなければならない。
図2に示す例によれば、工作機械3は、第1の支持プレート51と第2の支持プレート52とを有する。第1の支持プレート51は、それがマニピュレータに、例えば図1のマニピュレータ1のエンドエフェクタフランジ15に取り付けられることができるように構成されている。第2の支持プレート52には駆動シャフト58が取り付けられている。動作の際には、例えば研削盤などの回転工具32を駆動シャフト58に取り付けることができる。2つの支持プレート51、52の間には、リニアアクチュエータ2が配置されている。リニアアクチュエータ2は、2つの支持プレート51、52間に作用するので、2つの支持プレート51、52間の距離aは、リニアアクチュエータ2の変位に依存する。リニアアクチュエータ2は通常の力制御で動作しているため、2つの支持プレート51、52間にアクチュエータ力が作用する。工具32が表面と接触していないとき、リニアアクチュエータ2は所望のアクチュエータ力でエンドストッパ(図示せず)を押す。アクチュエータ2は、空気圧式リニアアクチュエータとすることができ、例えば複動空気圧シリンダを含む。しかしながら、ベローズシリンダ及びエアーマッスルのような他の空気圧式アクチュエータを使用してもよい。また、代替として、電気的な直接駆動(ギアレス)が考慮に入れられる。
第1の支持プレート51には、工具32を駆動するための(例えば電動モータなどの)モータ31が取り付けられている。本実施形態によれば、モータ31は第1の支持プレート51にフランジで固定され、モータシャフト33は第1の支持プレート51を貫通する。2つの支持プレート51、52の間は、伸縮シャフト54によって「橋渡し」されている。伸縮シャフト54は、互いに対して変位可能である2つのシャフト部分(中空シャフト/スリーブ541、駆動シャフト543)を備える。2つのシャフト部分のうちの第1の部分は(例えば、シャフトカップリングによって)モータ31のモータシャフト33に結合され、2つのシャフト部分のうちの第2の部分は、例えばローラベアリングによって第2の支持プレート52に取り付けられる。ローラベアリングの代わりとして、スライドベアリングも使用することができる。
上述の駆動シャフト58は伝動装置を介して伸縮シャフト54に連結されているので、モータシャフト33は、伸縮シャフト54と、(伝動装置を介して)駆動シャフト58を駆動する。本明細書に記載の例示的な実施形態によれば、伝動装置はベルト駆動装置である。伸縮シャフト54の第2の(第1の支持プレートに対して移動可能な)シャフト部分に第1のベルトプーリ55が連結され、駆動シャフト58に第2のベルトプーリ56が連結されている。2つのベルトプーリ55、56は、ベルト(例えばVベルトまたは歯付きベルト)を介して接続されているので、駆動シャフト58ひいてはその上に取り付けられた工具32(例えば研削盤)が伸縮シャフトおよびベルト駆動装置を介して駆動される。ベルト駆動装置の代わりとして、第2の支持プレート52上に配置された歯車伝動装置または他の任意の種類の伝動装置を使用することも可能である。
駆動シャフト543(第2のシャフト部分)は、伸縮シャフト54の回転軸に沿って中空シャフト541(第1のシャフト部分)に対して移動可能(摺動可能)である。図2に示す実施形態では、伸縮シャフト54の第2のシャフト部分は、第2の支持プレート52を貫通しており、伸縮シャフト54の第2のシャフト部分は(例えばボールベアリング)ローラベアリングによって第2の支持プレート52に支持され得る。伸縮シャフト54の第1のシャフト部分は、(例えば、剛性を有する)シャフトカップリング53によってモータ31のモータシャフト33に固定的に接続されてもよい。本実施形態のように、モータ軸33が支持プレート51を貫通するようにモータ31を第1の支持プレート51にフランジ止めすると、シャフトカップリング53は2つの支持プレート51、52の間に位置する。
リニアアクチュエータ2が第2の支持プレート52上で妨げられずに作用することができるように、伸縮シャフト54の2つのシャフト部分の間の伸縮シャフト54の回転軸に沿った直線運動がアクチュエータにほとんど影響を及ぼさないことが有用であり得る。したがって、伸縮シャフト54の第1のシャフト部分と第2のシャフト部分とは、リニアベアリング542によって互いに移動可能(摺動可能)に支持されていてもよい。したがって、リニアベアリング542が(無視できる)程低い静止摩擦を有するように、リニアベアリング542が、軸方向にボールが回転するリニアボールベアリング(ボールベアリング)として構成されてもよい。
本実施形態では、リニアアクチュエータ2は長手方向軸A‘に沿って作用する。この軸A‘は、駆動シャフト58の回転軸A‘‘と同軸であり得る。さらに、リニアアクチュエータ2のこの長手方向軸A‘もマニピュレータ1のTCPと位置合わせすることができ、その結果、TCPと長手方向軸A‘(および回転軸A‘‘)が一直線上に位置する。この場合、リニアアクチュエータ2は、マニピュレータのエンドエフェクタフランジに取り付けられると、マニピュレータのTCPと工具32が取り付けられている駆動シャフト58の回転軸A‘‘との間の線上で作用し、リニアアクチュエータおよび伸縮シャフトの曲げモーメント荷重を低減する。
図3は、駆動側(支持プレート51、モータ31)と工具側(第2の支持プレート52、駆動シャフト58、伝動装置)がリニアアクチュエータ2と伸縮シャフト54によって機械的に切り離されている工具機械のさらなる例示的な実施形態を示す図である。この切り離しは、マニピュレータを含む駆動側の構成要素の動きを工具側の動きから切り離す。図3に示す例示的な実施形態は、図2に示す実施形態と本質的に同じ構造を有し、明確化のためにベルト駆動装置は省略されている。しかしながら、図3では、ベアリング61を見ることができ、このベアリング61により、伸縮シャフト54が第2の支持プレート52に支持されている。さらに、伸縮シャフト54とシャフトカップリング53との間の接続がより詳細に示されている(フェザーキーPを参照)。リニアボールベアリングのボールは示されていないが、ボールがガイドされる溝544が示されている。
図3に示す例では、リニアアクチュエータ2が最小の変位で示されている(支持プレート51、52の間の距離a0は最小である)。図4は、図3と同じ実施形態を示しているが、リニアアクチュエータ2の変位a1が図3よりも大きい。その他の点では、図4の例は、先の図3の例と同じであるので、その説明は繰り返さない。
ここに記載された例示的な実施形態は、多くの可能な構成要素(機械要素)からの具体的な選択によって実現された。ここに示された例示的な実施形態の実現のために使用される構成要素の多くは、実質的に同じまたは類似の機能を果たす他の構成要素によって置き換えられ得る。例えば、図3に示す実施形態では、1つ以上の点でローラベアリングの代わりにスライドベアリングを使用することができ、これは、例えばより高い回転数の場合に有用であり得る。さらに、ベルト伝動装置は他の形式の伝動装置、例えば歯車伝動装置に置き換えることができる。空気圧リニアアクチュエータは多くの用途において有益であり得るが、特定の用途においては、他のアクチュエータ(例えば、電気アクチュエータ)もまた使用され得る。シャフト接続もまた、必ずしも図2および図3に示す例示的な実施形態のように実現される必要はない。モータシャフト33と伸縮シャフト54とが同軸ではない場合、シャフトカップリング53の代わりにユニバーサルジョイントを有する連結シャフト使用することができる。上記に鑑みて、本発明は、例示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的な均等物によってのみ限定される。
1…マニピュレータ
2…リニアアクチュエータ
3…研削機械
31…モータ
32…工具
33…モータシャフト
51、52…支持プレート
53…シャフトカップリング
54…伸縮シャフト
55、56…ベルトプーリ
57…ベルト
58…駆動シャフト
542…ボールベアリング

Claims (12)

  1. ロボット支援により表面加工する工作機械のための装置であって、
    マニピュレータへ取り付け、及び、モータ(31)の取り付けのために形成された第1の支持プレート(51)と、
    回転可能な工具(32)を受けるための駆動シャフト(58)が支持されている第2の支持プレート(52)と、
    前記第1の支持プレート(51)と前記第2の支持プレート(52)との間で作用するリニアアクチュエータ(2)と、
    第1の部分と、前記第1の部分に対して移動可能な第2の部分とを有する伸縮シャフト(54)であって、前記第1の部分は、前記モータ(31)のモータシャフト(33)に連結されるように構成されており、前記第2の部分は、前記第2の支持プレート(52)に支持されている伸縮シャフト(54)と、
    前記伸縮シャフト(54)を前記駆動シャフト(58)に連結させている伝動装置と
    を有する装置。
  2. 前記伝動装置はベルト伝動装置または歯車伝動装置である請求項1に記載の装置。
  3. 第1のプーリ(55)が前記伸縮シャフト(54)の前記第2の部分に連結され、第2のプーリ(56)が前記駆動シャフト(58)に連結され、
    前記第2のプーリ(56)が、ベルト(57)を介して前記第1のプーリ(55)に連結されている請求項1に記載の装置。
  4. 前記伸縮シャフト(54)の前記第2の部分は、前記第2の支持プレート(52)を貫通している請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記伸縮シャフト(54)の前記第2の部分は、ローラベアリングまたはスライドベアリングにより前記第2の支持プレート(52)に支持されている請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記モータシャフト(33)と前記伸縮シャフト(54)の前記第1の部分とはシャフトカップリング(53)を介して相互に接続されている請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 伸縮シャフト(54)の前記第1の部分と前記第2の部分とは、リニアベアリング(542)によって互いに移動可能に支持されている請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 前記リニアベアリング(542)は、軸方向にボールが回転可能であるリニアボールベアリングである請求項7に記載の装置。
  9. 前記リニアアクチュエータ(2)は、前記駆動シャフト(58)の回転軸(A‘‘)と同軸の長手方向軸(A‘)に沿って作用する請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記第1の支持プレート(51)は、前記マニピュレータの工具中心点(TCP)が前記駆動シャフト(58)の前記回転軸(A‘‘)と同一直線上に位置するように前記マニピュレータ(1)に取り付け可能である請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の装置。
  11. ロボット支援により表面加工する工作機械であって、
    請求項1乃至10のいずれか一項に記載の装置と、
    前記装置の前記第1の支持プレート(51)に取り付けられ、前記装置の前記伸縮シャフト(54)の前記第1の部分に連結された前記モータシャフト(33)を有する前記モータ(31)と
    を有する工作機械。
  12. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の装置が取り付けられたエンドエフェクタフランジを有するマニピュレータ。
JP2019516469A 2016-09-26 2017-09-26 ロボット支援による表面加工機械 Active JP7093342B2 (ja)

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