JP3553806B2 - パラレルメカニズム工作機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のリンク機構により工具を支持するパラレルメカニズムを採用した工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パラレルメカニズムを応用した工作機械が開発されてきているが、それらの多くはスチュワートプラットフォームと呼ばれる構造を採用している。
一般的なスチュワートプラットフォーム構造のパラレルメカニズム工作機械の外観を図７に、その模式図を図８に示す。図８において６本のリンク４０（４０ａ〜４０ｆ）を可動体２０側で支持する自在継手４１（４１ａ〜４１ｆ）は、例えば図９に示すような構成で各回転軸は転がり軸受で支持されている。
また、６本のリンクを固定台３４側で支持する自在継手４２（４２ａ〜４２ｆ）は、例えば図１０に示すような構成で各回転軸は転がり軸受で支持されている。リンクの伸縮は、例えばリンクをボールねじとして、ナットをサーボモータにより回転することにより行われている。尚、１９はテーブル、２１は工具である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記スチュワートプラットフォーム構造の特徴は、構造が単純でＺ軸方向（図８における工具回転軸方向）の剛性が高いことが上げられるが、プラットフォームとしての可動体２０が固定台３４から突き出しているためＸ軸方向及びＹ軸方向の剛性が低いし、テーブル１９が下面に固定されているため、切り粉捌けが悪いという問題点を有している。
【０００４】
そこで請求項１の発明は、上記問題点に鑑み、何れの方向においても剛性の高い構造のパラレルメカニズム工作機械を実現することにあり、請求項５の発明は更に切り粉捌けの良いパラレルメカニズム工作機械を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、工具を回転させる主軸及び工作物の一方を先端側で保持する可動体を、自在継手により接続される複数のリンク機構によって主軸及び工作物の他方に対して相対移動可能に支持するパラレルメカニズム工作機械であって、可動体の先端寄りの１点の近傍に一端が接続された２本の第１リンクと、前記１点と異なる可動体の後端寄りの他の１点の近傍に一端が接続された２本の第２リンクと、前記第１リンク及び第２リンクの可動体との接続部を通る直線にほぼ平行な方向に延ばした第３リンクと、可動体の動きの自由度を規制するために、可動体の先端寄り且つ前記第１リンクに対して可動体の反対側に接続される規制リンクとを備え、夫々のリンクは他端が自在継手により周囲固定台に支持されて、前記第１及び第２リンクの夫々２本のリンクのなす角度がほぼ９０度で各々が第３リンクにほぼ直交する方向に伸びた状態を形成可能として構成される。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、第１リンク及び第２リンクの少なくとも一方の夫々２本のリンクを二又自在継手により可動体と接続して構成される。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項２記載の発明において、二又自在継手が、可動体への取り付け面内で回転可能な円弧状の案内と、その円弧状の案内に案内されて前記取り付け面と直交する面内で回転可能なリング体と、そのリング体の中心に設けた前記取り付け面と前記取り付け面と直交する面との双方に直交する面内で回転可能な軸受とからなり、前記軸受を介して２本のリンクが接続される。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１から３記載の発明において、加工物を固定して回転する円テーブルを備え、可動体に有する主軸の向きを前記円テーブルの回転中心線の方向から回転中心線に対して垂直な方向まで姿勢を変えることを可能として構成される。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、円テーブルに傾斜機構を設け、水平な姿勢と水平線に対して２０度以上傾けた姿勢とを取ることを可能とするよう構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を具体化した実施の形態を図面を基に詳細に説明する。図１は本発明に係るパラレルメカニズム工作機械の模式図であり、可動体が可動範囲の中心に位置している初期状態を示している。
【００１１】
可動体２０は下方先端部に工具２１が取り付けられ、内部に工具を回転させる主軸を有し、６本のリンク１〜６により機体側に設けられた固定台３４に支持されている。夫々のリンクは一方を可動体２０に取り付けられた自在継手７〜１２に、他方を固定台３４側に取り付けられた自在継手１３〜１８により支持されている。そのうち３本のリンク１，２，６は可動体の先端寄りに取り付けられ、残り３本３，４，５は後端寄りに取り付けられている。
【００１２】
先端寄りに取り付けられた３本のリンク１，２，６のうち２本のリンク１，２は、可動体２０の近接した位置に接続され、初期状態において夫々のリンクの互いの成す角度がほぼ９０度になるようにＸ軸方向、Ｙ軸方向に向けて取り付けられ、第１リンク３６を形成している。残りのリンク６は規制リンクであり、第１リンク３６に対して可動体２０の反対側に設けられ、主に可動体２０のＺ軸周りの回転自由度を拘束するために設けられている。
【００１３】
また、後端寄りに取り付けた３本のリンク３，４，５のうち２本のリンク３，４は可動体２０の近接した位置に接続され、夫々のリンクが初期状態において互いの角度がほぼ９０度になるようにＸ軸、Ｙ軸方向に向けて取り付けられ、第２リンク３７を形成している。そして、リンク５は第３リンク３８であり、可動体先端に設けられた工具２１の主軸の方向である工具回転軸３３とほぼ平行となる方向に取り付けられている。
尚、第１リンク３６と第２リンク３７とは、できるだけ離して設ることで可動体２０を安定させることができるが、図示するように工具回転軸３３と略平行となる同一方向に離して設ければ可動体２０の移動精度を上げ、工具位置を安定させることができる。
【００１４】
こうすることで、可動体２０に加わる各軸方向の外力がリンクの軸方向に加わるため、図８のスチュワートプラットフォーム構造の場合のようなリンクの軸方向に加わる力が増幅される場合と比較して、高剛性とすることができる。また、Ｚ軸方向の外力についても、第３のリンクであるリンク５の軸方向に直接受けることができるため、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に同等の剛性を得ることができる。
【００１５】
以上の状態を、可動体２０が可動範囲の中心に位置している状態（初期状態）に設定することにより、中心位置から移動した場合においても剛性の低下を少なくすることができる。
【００１６】
図２〜図４は第２の実施の形態を示し、図２は図１の第１リンク３６と第２リンク３７の２組のリンク（１，２と３，４）の自在継手（７，８と９，１０）を夫々二又自在継手２８に一体化した構成を示し、図３，図４はその二又自在継手の具体例を示している。
図３は球面の滑り軸受を使用した例で、半球状の軸受２８ａ内に軸受２８ａの内径に等しい径の半球２８ｂを２個組み込み、夫々にリンク１，２（３，４）を接続して形成している。
【００１７】
図４は転がり軸受を使用した例を示し、３０は固定軸３５上で固定軸周りに回転する第１の軸受、３１ａはその第１の軸受を介し上部に設置された円弧状の案内、３１ｂは円弧状の案内３１ａに案内されて固定軸３５とは直交する方向に回動作用するリング体で、このリング体３１ｂの回動中心は固定軸３５の軸線上に位置している。そして、リング体３１ｂの回動中心には、リング体３１ｂに連結され、第１の軸受３０及びリング体３１ｂの双方の回転軸に直交する回転軸を有する第２の軸受３２が設けられ、その第２の軸受３２を介して２本のリンク１，２（３，４）が開脚自在に取り付けられている。
このような二又自在継手を使用すれば構成全体が簡素になり、可動体としてもコンパクト化され重量を低減することができる。
【００１８】
図５は本発明の第３の実施の形態を示し、テーブルを回転可能な円テーブル２２として、可動体２０の初期状態を鉛直方向から４５度傾けている。尚、円テーブル２２は油圧クランプ等による割出機構を備えることで、歯車による位置決めだけの場合に比較して剛性の高い位置決め機構を得ることができる。
このように、可動体の初期状態を傾ければ、加工物２３の上面から側面までの加工が可能となり、円テーブル２２の回転動作と合わせて完全な５面加工が可能となる。
【００１９】
図６は本発明の第４の実施の形態を示し、鉛直方向から４５度まで傾斜可能な傾斜補助台２７の上に円テーブル２２を載置して、可動体２０の初期状態を鉛直方向から９０度傾けている。２４は傾斜補助台２７の傾きを制御するリンクで、一方が自在継手２５により傾斜補助台２７に支持され、他方が固定台３４ｂに自在継手２６により支持されている。
【００２０】
このように傾斜補助台２７を設け、例えば傾斜補助台２７を４５度傾いた状態で機体に油圧クランプするようにすれば、上記図５に示す円テーブル２２同様剛性の高い位置決め機構となり、完全な５面加工が可能であるし、傾斜させるので切り粉捌けが良好となる。また、傾斜補助台２７を回転してテーブル面２２ａを水平にすれば、加工物の取り付け、取り外しも容易となるし、可動体を９０度傾けているため、円テーブル２２の真上のスペースを空けることができ、クレーンを使用して加工物の搬入、搬出を容易に行うことができる。
【００２１】
尚、上記実施の形態にあっては、何れもＺ軸方向に設けた１本の第３リンクの可動体との接続を第２リンクの接続部の近傍に設けているが、第３リンクは第２リンクの近傍で無くとも良い。その他、形状及び構成は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することも可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１、２の発明によれば、何れの方向においても剛性の高い構造が実現できる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、請求項２の効果に加えて、二又継手をシンプル且つ軽量化できるので、可動体全体を小型化し重量を低減することができる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、請求項１から３の効果に加えて、完全５面加工が実現でき、請求項５の発明によれば、更に円テーブルの真上のスペースを開けることが可能となるため、クレーン等による工作物の搬入，搬出が容易となる。更に切り粉捌けも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパラレルメカニズム工作機械の実施の形態の１例を示す模式図であり、可動体が可動範囲の中心に位置している状態を示している。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】図２の二又自在継手の具体例を示す側面図である。
【図４】二又自在継手の他の具体例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す模式図である。
【図７】従来のパラレルメカニズム工作機械の外観図である。
【図８】図７の模式図である。
【図９】図７の可動体側自在継手の具体例を示す斜視図である。
【図１０】図７の固定側自在継手の具体例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１〜６・・リンク、７〜１８・・自在遅継手、１９・・テーブル、２０・・可動体、２１・・工具、２２・・円テーブル、２４・・リンク、２５，２６・・自在継手、２７・・傾斜補助台、２８・・二又自在継手、３０・・軸受、３１ａ・・円弧状の案内、３１ｂ・・リング体、３２・・軸受、３３・・工具回転軸、３４，３４ａ，３４ｂ・・固定台、３５・・固定軸、３６・・第１リンク、３７・・第２リンク、３８・・第３リンク。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のリンク機構により工具を支持するパラレルメカニズムを採用した工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パラレルメカニズムを応用した工作機械が開発されてきているが、それらの多くはスチュワートプラットフォームと呼ばれる構造を採用している。
一般的なスチュワートプラットフォーム構造のパラレルメカニズム工作機械の外観を図７に、その模式図を図８に示す。図８において６本のリンク４０（４０ａ〜４０ｆ）を可動体２０側で支持する自在継手４１（４１ａ〜４１ｆ）は、例えば図９に示すような構成で各回転軸は転がり軸受で支持されている。
また、６本のリンクを固定台３４側で支持する自在継手４２（４２ａ〜４２ｆ）は、例えば図１０に示すような構成で各回転軸は転がり軸受で支持されている。リンクの伸縮は、例えばリンクをボールねじとして、ナットをサーボモータにより回転することにより行われている。尚、１９はテーブル、２１は工具である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記スチュワートプラットフォーム構造の特徴は、構造が単純でＺ軸方向（図８における工具回転軸方向）の剛性が高いことが上げられるが、プラットフォームとしての可動体２０が固定台３４から突き出しているためＸ軸方向及びＹ軸方向の剛性が低いし、テーブル１９が下面に固定されているため、切り粉捌けが悪いという問題点を有している。
【０００４】
そこで請求項１の発明は、上記問題点に鑑み、何れの方向においても剛性の高い構造のパラレルメカニズム工作機械を実現することにあり、請求項５の発明は更に切り粉捌けの良いパラレルメカニズム工作機械を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、工具を回転させる主軸及び工作物の一方を先端側で保持する可動体を、自在継手により接続される複数のリンク機構によって主軸及び工作物の他方に対して相対移動可能に支持するパラレルメカニズム工作機械であって、可動体の先端寄りの１点の近傍に一端が接続された２本の第１リンクと、前記１点と異なる可動体の後端寄りの他の１点の近傍に一端が接続された２本の第２リンクと、前記第１リンク及び第２リンクの可動体との接続部を通る直線にほぼ平行な方向に延ばした第３リンクと、可動体の動きの自由度を規制するために、可動体の先端寄り且つ前記第１リンクに対して可動体の反対側に接続される規制リンクとを備え、夫々のリンクは他端が自在継手により周囲固定台に支持されて、前記第１及び第２リンクの夫々２本のリンクのなす角度がほぼ９０度で各々が第３リンクにほぼ直交する方向に伸びた状態を形成可能として構成される。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、第１リンク及び第２リンクの少なくとも一方の夫々２本のリンクを二又自在継手により可動体と接続して構成される。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項２記載の発明において、二又自在継手が、可動体への取り付け面内で回転可能な円弧状の案内と、その円弧状の案内に案内されて前記取り付け面と直交する面内で回転可能なリング体と、そのリング体の中心に設けた前記取り付け面と前記取り付け面と直交する面との双方に直交する面内で回転可能な軸受とからなり、前記軸受を介して２本のリンクが接続される。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１から３記載の発明において、加工物を固定して回転する円テーブルを備え、可動体に有する主軸の向きを前記円テーブルの回転中心線の方向から回転中心線に対して垂直な方向まで姿勢を変えることを可能として構成される。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、円テーブルに傾斜機構を設け、水平な姿勢と水平線に対して２０度以上傾けた姿勢とを取ることを可能とするよう構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を具体化した実施の形態を図面を基に詳細に説明する。図１は本発明に係るパラレルメカニズム工作機械の模式図であり、可動体が可動範囲の中心に位置している初期状態を示している。
【００１１】
可動体２０は下方先端部に工具２１が取り付けられ、内部に工具を回転させる主軸を有し、６本のリンク１〜６により機体側に設けられた固定台３４に支持されている。夫々のリンクは一方を可動体２０に取り付けられた自在継手７〜１２に、他方を固定台３４側に取り付けられた自在継手１３〜１８により支持されている。そのうち３本のリンク１，２，６は可動体の先端寄りに取り付けられ、残り３本３，４，５は後端寄りに取り付けられている。
【００１２】
先端寄りに取り付けられた３本のリンク１，２，６のうち２本のリンク１，２は、可動体２０の近接した位置に接続され、初期状態において夫々のリンクの互いの成す角度がほぼ９０度になるようにＸ軸方向、Ｙ軸方向に向けて取り付けられ、第１リンク３６を形成している。残りのリンク６は規制リンクであり、第１リンク３６に対して可動体２０の反対側に設けられ、主に可動体２０のＺ軸周りの回転自由度を拘束するために設けられている。
【００１３】
また、後端寄りに取り付けた３本のリンク３，４，５のうち２本のリンク３，４は可動体２０の近接した位置に接続され、夫々のリンクが初期状態において互いの角度がほぼ９０度になるようにＸ軸、Ｙ軸方向に向けて取り付けられ、第２リンク３７を形成している。そして、リンク５は第３リンク３８であり、可動体先端に設けられた工具２１の主軸の方向である工具回転軸３３とほぼ平行となる方向に取り付けられている。
尚、第１リンク３６と第２リンク３７とは、できるだけ離して設ることで可動体２０を安定させることができるが、図示するように工具回転軸３３と略平行となる同一方向に離して設ければ可動体２０の移動精度を上げ、工具位置を安定させることができる。
【００１４】
こうすることで、可動体２０に加わる各軸方向の外力がリンクの軸方向に加わるため、図８のスチュワートプラットフォーム構造の場合のようなリンクの軸方向に加わる力が増幅される場合と比較して、高剛性とすることができる。また、Ｚ軸方向の外力についても、第３のリンクであるリンク５の軸方向に直接受けることができるため、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に同等の剛性を得ることができる。
【００１５】
以上の状態を、可動体２０が可動範囲の中心に位置している状態（初期状態）に設定することにより、中心位置から移動した場合においても剛性の低下を少なくすることができる。
【００１６】
図２〜図４は第２の実施の形態を示し、図２は図１の第１リンク３６と第２リンク３７の２組のリンク（１，２と３，４）の自在継手（７，８と９，１０）を夫々二又自在継手２８に一体化した構成を示し、図３，図４はその二又自在継手の具体例を示している。
図３は球面の滑り軸受を使用した例で、半球状の軸受２８ａ内に軸受２８ａの内径に等しい径の半球２８ｂを２個組み込み、夫々にリンク１，２（３，４）を接続して形成している。
【００１７】
図４は転がり軸受を使用した例を示し、３０は固定軸３５上で固定軸周りに回転する第１の軸受、３１ａはその第１の軸受を介し上部に設置された円弧状の案内、３１ｂは円弧状の案内３１ａに案内されて固定軸３５とは直交する方向に回動作用するリング体で、このリング体３１ｂの回動中心は固定軸３５の軸線上に位置している。そして、リング体３１ｂの回動中心には、リング体３１ｂに連結され、第１の軸受３０及びリング体３１ｂの双方の回転軸に直交する回転軸を有する第２の軸受３２が設けられ、その第２の軸受３２を介して２本のリンク１，２（３，４）が開脚自在に取り付けられている。
このような二又自在継手を使用すれば構成全体が簡素になり、可動体としてもコンパクト化され重量を低減することができる。
【００１８】
図５は本発明の第３の実施の形態を示し、テーブルを回転可能な円テーブル２２として、可動体２０の初期状態を鉛直方向から４５度傾けている。尚、円テーブル２２は油圧クランプ等による割出機構を備えることで、歯車による位置決めだけの場合に比較して剛性の高い位置決め機構を得ることができる。
このように、可動体の初期状態を傾ければ、加工物２３の上面から側面までの加工が可能となり、円テーブル２２の回転動作と合わせて完全な５面加工が可能となる。
【００１９】
図６は本発明の第４の実施の形態を示し、鉛直方向から４５度まで傾斜可能な傾斜補助台２７の上に円テーブル２２を載置して、可動体２０の初期状態を鉛直方向から９０度傾けている。２４は傾斜補助台２７の傾きを制御するリンクで、一方が自在継手２５により傾斜補助台２７に支持され、他方が固定台３４ｂに自在継手２６により支持されている。
【００２０】
このように傾斜補助台２７を設け、例えば傾斜補助台２７を４５度傾いた状態で機体に油圧クランプするようにすれば、上記図５に示す円テーブル２２同様剛性の高い位置決め機構となり、完全な５面加工が可能であるし、傾斜させるので切り粉捌けが良好となる。また、傾斜補助台２７を回転してテーブル面２２ａを水平にすれば、加工物の取り付け、取り外しも容易となるし、可動体を９０度傾けているため、円テーブル２２の真上のスペースを空けることができ、クレーンを使用して加工物の搬入、搬出を容易に行うことができる。
【００２１】
尚、上記実施の形態にあっては、何れもＺ軸方向に設けた１本の第３リンクの可動体との接続を第２リンクの接続部の近傍に設けているが、第３リンクは第２リンクの近傍で無くとも良い。その他、形状及び構成は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することも可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１、２の発明によれば、何れの方向においても剛性の高い構造が実現できる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、請求項２の効果に加えて、二又継手をシンプル且つ軽量化できるので、可動体全体を小型化し重量を低減することができる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、請求項１から３の効果に加えて、完全５面加工が実現でき、請求項５の発明によれば、更に円テーブルの真上のスペースを開けることが可能となるため、クレーン等による工作物の搬入，搬出が容易となる。更に切り粉捌けも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパラレルメカニズム工作機械の実施の形態の１例を示す模式図であり、可動体が可動範囲の中心に位置している状態を示している。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す模式図である。
【図３】図２の二又自在継手の具体例を示す側面図である。
【図４】二又自在継手の他の具体例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す模式図である。
【図７】従来のパラレルメカニズム工作機械の外観図である。
【図８】図７の模式図である。
【図９】図７の可動体側自在継手の具体例を示す斜視図である。
【図１０】図７の固定側自在継手の具体例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１〜６・・リンク、７〜１８・・自在遅継手、１９・・テーブル、２０・・可動体、２１・・工具、２２・・円テーブル、２４・・リンク、２５，２６・・自在継手、２７・・傾斜補助台、２８・・二又自在継手、３０・・軸受、３１ａ・・円弧状の案内、３１ｂ・・リング体、３２・・軸受、３３・・工具回転軸、３４，３４ａ，３４ｂ・・固定台、３５・・固定軸、３６・・第１リンク、３７・・第２リンク、３８・・第３リンク。
Claims (5)
- 工具を回転させる主軸及び工作物の一方を先端側で保持する可動体を、自在継手により接続される複数のリンク機構によって主軸及び工作物の他方に対して相対移動可能に支持するパラレルメカニズム工作機械であって、
可動体の先端寄りの１点の近傍に一端が接続された２本の第１リンクと、前記１点と異なる可動体の後端寄りの他の１点の近傍に一端が接続された２本の第２リンクと、前記第１リンク及び第２リンクの可動体との接続部を通る直線にほぼ平行な方向に延ばした第３リンクと、可動体の動きの自由度を規制するために、可動体の先端寄り且つ前記第１リンクに対して可動体の反対側に接続される規制リンクとを備え、
夫々のリンクは他端が自在継手により周囲固定台に支持されて、前記第１及び第２リンクの夫々２本のリンクのなす角度がほぼ９０度で各々が第３リンクにほぼ直交する方向に伸びた状態を形成可能とするパラレルメカニズム工作機械。 - 第１リンク及び第２リンクの少なくとも一方の夫々２本のリンクを二又自在継手により可動体と接続してなる請求項１記載のパラレルメカニズム工作機械。
- 二又自在継手が、可動体への取り付け面内で回転可能な円弧状の案内と、その円弧状の案内に案内されて前記取り付け面と直交する面内で回転可能なリング体と、そのリング体の中心に設けた前記取り付け面と前記取り付け面と直交する面との双方に直交する面内で回転可能な軸受とからなり、前記軸受を介して２本のリンクが接続されてなる請求項２記載のパラレルメカニズム工作機械。
- 加工物を固定して回転する円テーブルを備え、可動体に有する主軸の向きを前記円テーブルの回転中心線の方向から回転中心線に対して垂直な方向まで姿勢を変えることを可能とした請求項１から３記載のパラレルメカニズム工作機械。
- 円テーブルに傾斜機構を設け、水平な姿勢と水平線に対して２０度以上傾けた姿勢とを取ることを可能とした請求項４記載のパラレルメカニズム工作機械。
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