JP4188626B2 - プレス機械の加工制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばタレットパンチプレスに適用されるプレス機械の加工制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、パンチプレスには、ラムの駆動源としてサーボモータを用いる電動式のものがある。このようなパンチプレスなどのプレス機械の打ち抜き加工では、加工中にきわめて大きい騒音が発生するので、この種の騒音をできるだけ減らすことが望まれている。
【０００３】
このような打ち抜き加工における騒音の発生原理は複雑で、ワークの材質、板厚その他各種の条件によってさまざまであるが、ラムの駆動による打ち抜き速度が速いときは騒音は大きく、打ち抜き速度が遅くなるほど騒音は小さくなり、また、打ち抜き速度が一定であれば、負荷が軽いときは騒音は小さく、負荷が重いほど騒音は大きくなることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電動式のパンチプレスは、サーボモータの主軸とラムを上下動させる作動軸とが、複数のギヤなどの動力伝達機構を介してドライブされるため、サーボモータの主軸にかかる負荷は、回転子自体の負荷、ラムを上下動させる負荷および加工反力からなる基本負荷以外に、動力伝達機構の負荷が加わるうえ、複数のギヤどうしのバックラッシなどの変動要因も加わることとなる。
【０００５】
そのため、これらの基本負荷以外の要因がサーボモータにとって大きなノイズ成分となり、モータ電流を大きく変動させるため、サーボモータの電流変化から加工負荷分を抽出することができず、その結果、加工負荷を検出しそれを低騒音化や加工プロセスなどの制御に利用することができないという問題があった。
【０００６】
この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、サーボモータの電流変化から加工負荷分を抽出することができ、それにより、この抽出した加工負荷を低騒音化や加工プロセスなどの制御に役立てることのできるプレス機械の加工制御システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、ラムを上下動させる作動軸の一端にサーボモータのロータ主軸が一体に構成されたプレス機械であって、ラムの上死点位置から、パンチの先端がテーブル基準面位置に到達するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第１の回転角度と、最初の加工の際にラムの上死点位置から、パンチの先端がワークの表面に当接するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第２の回転角度をモータ電流の変化により検出し、この第２の回転角度との間のラムの変位量から前記ワークの板厚を取得し、その後の加工では、前記第２の回転角度まではラムを高速で下降させ、それ以後減速させて低速でパンチング加工を実行し、終了後ラムを高速で上昇させるように構成したプレス機械の加工制御システムである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、ラムを上下動させる作動軸の一端にサーボモータのロータ主軸が一体に構成されたプレス機械であって、ラムの上死点位置から、パンチの先端がテーブル基準面位置に到達するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第１の回転角度と、最初の加工の際にラムの上死点位置から、パンチの先端がワークの表面に当接するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第２の回転角度をモータ電流の変化により検出し、この第２の回転角度との間のラムの変位量から前記ワークの板厚を取得し、前記取得した前記ワークの板厚実測値を、ネットワークを通じて、前記ワークのその後の加工を行なうプレス機械に伝送するように構成したプレス機械の加工制御システムである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明によるプレス機械の加工制御システムの一実施の形態を示すブロック図であり、プレス機械としてパンチプレスに適用したものである。
【００１４】
このプレス機械の加工制御システム１は、エキセンシャフト１０の一端にＡＣサーボモータ１１の主軸が一体に直結してあり、ＡＣサーボモータ１１の主軸が回転すると、エキセンシャフト１０の偏心軸部が円状の軌跡に沿って移動することで、この偏心軸部に枢支されたラム１２が上下動するようになっている。エキセンシャフト１０の他端にはロータリエンコーダ１３が装着してあり、ロータリエンコーダ１３は、ＡＣサーボモータ１１の主軸の回転角度を検出して、その検出値を回転角度検出信号として制御装置１４に入力するようになっている。
【００１５】
制御装置１４がパンチング指令を受け付けると、制御装置１４からサーボドライバ１５にモータ回転指令を伝え、サーボドライバ１５はこのモータ回転指令値に相当する電流をＡＣサーボモータ１１に供給する。このときサーボドライバ１５からＡＣサーボモータ１１に供給される電流値を電流検出回路１６が検出し、この検出値は電流モニタ値として制御装置１４に入力されるものである。
【００１６】
ＡＣサーボモータ１１に指令電流が流れるとその主軸が回転を開始し、これと一体に直結しているエキセンシャフト１０の偏心軸部も円状の軌跡に沿って回転を開始し、それによりラム１２が上下動を開始する。この主軸の回転にともない、ＡＣサーボモータ１１の後端に組み込まれているレゾルバ１７がモータ回転子の回転状況を検出し、この検出信号はサーボドライバ１５に伝えられる。サーボドライバ１５の内部回路では、レゾルバ１７から伝えられる検出信号を、回転子位置信号および回転速度信号として扱い、ＡＣサーボモータ１１の回転子制御に用いるようになっている。
【００１７】
このようなＡＣサーボモータ１１の発生トルクは、基本的に、式Ｔ＝２／３ＫΦＩで示すことができる。ここで、Ｔは発生トルク、Ｋは比例定数、Φは界磁磁束密度、Ｉは電流である。この式から、ＡＣサーボモータ１１の発生するトルクは、モータ主軸の回転位置には無関係であり、電流Ｉと界磁磁束密度Φとの積により求められることがわかる。すなわち、モータ主軸がどの回転角度にあっても、指令電流に比例したトルクが発生し、ラム１２によるパンチ打ち抜き力は、電流Ｉで制御することができるものである。
【００１８】
図２に示すように、このプレス機械（パンチプレス）の加工制御システム１で用いるパンチユニット２０は、パンチ２１、パンチヘッド２２、ストリッパプレート２３、およびストリッパスプリング２４で構成される。ラム１２が下降し、その下面がパンチヘッド２２を押し下げると、パンチ２１も下降を開始するが、このときストリッパスプリング２４を介してストリッパプレート２３も下降する。ストリッパプレート２３がワークを押しつけた状態でパンチ２１とダイとの間でパンチング加工が行われるものである。
【００１９】
図３は、パンチングを行なったときのＡＣサーボモータ１１に流れる電流の経緯を示し、縦軸はモータ電流、横軸はモータ主軸の回転角度である。パンチング指令が出されると、モータ主軸は回転を開始し（Ａ−Ｂ）、ラム１２も下降を開始する（Ｂ−Ｃ）。ラム１２の下面がパンチヘッド２２の上面に突き当たり、この状態のままラム１２の下降動作が継続すると、ストリッパスプリング２４からの反力の変化がモータ電流の変化となる（Ｃ−Ｄ）。そして、パンチ２１の先端がワークの表面に突き当たった時点（Ｄ）から、パンチ２１とダイとによる剪断加工の進行とともにモータ電流も増加していき（Ｄ−Ｅ）、破断が発生した時点（最大加工力：Ｅ）で加工反力が開放されるため、モータ電流も急激に減少する（Ｅ−Ｆ）。その後１回転が終了してモータ主軸が停止すると、モータ電流はゼロに戻る（Ｆ−Ｇ）。このようにして、モータ主軸の１回転（０°〜３６０°）で１回のパンチングが行われるものである。
【００２０】
次に、上記の実施の形態の作用について、図３の電流説明図および図４〜図７に示す各種の説明図を用いて説明する。
【００２１】
＜ワークの板厚検出＞
図４は、ＡＣサーボモータ１１の回転角度とラム１２の位置との関係を示す。最初、ＡＣサーボモータ１１の主軸は上死点位置（点Ａ）に停止している。このとき、サーボドライバ１５はダイナミックブレーキ回路を内蔵しているため、停止位置のばらつきが極めて少なく、高精度に停止できている。また、ラム１２を上下動させるエキセンシャフト１０の一端にＡＣサーボモータ１１の主軸が一体に直結したダイレクトドライブであるため、モータ軸換算負荷は極めて小さく、ダイナミックブレーキ回路の電気的容量も少なくてよい。このことは、ブレーキ動作時に電流変化量の二乗が熱に変換されるダイナミックブレーキ回路の熱影響が大幅に低減されことにつながり、そのため、高精度な停止制御が可能となる。
【００２２】
図４の点Ｉは、ラム１２が下死点位置にあるときのモータ主軸の回転位置であり（点Ａから１８０°）、点Ｈはパンチ２１の先端がワークを載置するテーブル基準面位置に到達したときのモータ主軸の回転位置（角度θ１）である。これらの位置は設計値からあらかじめ求めておくことができる。
【００２３】
加工が開始してＡＣサーボモータ１１の主軸が時計方向に回転し始め、ラム１２がパンチ２１を押し下げてパンチ２１の先端がワークの表面に突き当たった時点（点Ｄ）から、モータ電流が急激に増加し始める。この点Ｄを検出したときのモータ主軸の回転角度（角度θ２）を記憶させる。そして、モータ主軸がθ２からθ１に回転する間のラム１２の変位量（垂直方向）を求めれば、この変位量がワークの板厚に相当することになる。ここで、ＡＣサーボモータ１１の主軸の回転角度と、ラム１２の垂直方向の変位量との関係も、設計値からあらかじめ求めておくことができる。
【００２４】
＜打ち抜き騒音の低騒音化＞
まず第１番目の加工でθ２を検出する。そして、第２番目の加工からは、図５に示すように、θ２まではラム１２を高速で下降させ（クイックアプローチ）、それ以後減速させて低速でパンチング加工を実行し、終了後ラム１２を高速で上昇させる（クイックリターン）ことにより、パンチング１サイクル当たりの加工時間を延長（生産効率を低下）させることなく、打ち抜き騒音の低減を実現することができる。
【００２５】
＜加工モードの自動設定＞
一般に、パンチング加工は、薄板加工やニブリング加工など軽負荷時の加工モードと、厚板加工など重負荷時の加工モードとに分類される。このうち、軽負荷時の加工モードの場合は、軽負荷であるためパンチング加工にともなう騒音は小さく、投入動力（回転エネルギー）の回復も早く、そのため、高速加工が求められ、それに応じた高速加工用のラム変位パターンを実行する。一方、重負荷時の加工モードの場合は、重負荷であるためパンチング加工にともなう騒音はかなり大きく、そのため、図５に示したように、打ち抜き時のみ加工速度を低下させることが求められ、それに応じた低速加工用のラム変位パターンを実行する。
【００２６】
そこで、このシステムでは、実験などによりあらかじめ閾値（ＳＲ値）を求めておく。第１番目の加工の際、最大加工力相当値（図３の点Ｅ）を抽出し、この値がＳＲ値よりも大きいかどうか判断する。そして、最大加工力相当値がＳＲ値よりも小さい場合は、軽負荷加工と判断し、第２番目の加工からは高生産性を目的とした高速加工用のラム変位パターンを実行する。一方、最大加工力相当値がＳＲ値よりも大きい場合は、重負荷加工と判断し、第２番目の加工からは低騒音化を目的とした低速加工用のラム変位パターンを実行する。
【００２７】
＜安全対策＞
まず第１番目の加工の際、そのときの最大加工力相当値（図３の点Ｅ）を抽出し、この値に所定のマージンをもたせた範囲を設定しておく。そして、第２番目の加工からは、加工の都度、加工力相当値（検出値）がマージン範囲内かどうかを常時監視し、万一この範囲の上限値を越える値を検出した場合は、異常状態発生としてシステムを停止させる。これにより、パンチの異常摩耗や破損、または、機械構造上の異常に起因する危険状態を事前に検出し、事故の発生を未然に防止することができる。
【００２８】
＜ワークの引っ張り強さの推定＞
まずワークの材質を特定してパンチング加工を行い、このときの最大加工力相当値（図３の点Ｅ）を抽出する。つぎに通常の「引っ張り試験機」を用いてそのワークの引っ張り強さを求める。そして、最大加工力相当値（図６のＩ値）と「引っ張り試験機」による引っ張り強さ（図６のδ値）とをデータ変換テーブル（制御装置１４内のメモリテーブル）に入力する。ここで、モータ電流の最大値はワークの板厚やパンチ形状により異なるため、同一材質のワークについて板厚やパンチ形状を変えながらＩ値、δ値の測定および入力を繰り返し、複数のデータの組み合わせを入力した後、Ｉ値を基準にして並べ換えることで、図６に示すデータ変換テーブルを完成する。この処理を材質ごとに行うことにより、制御装置１４内には、ワークの材質ごとのデータ変換テーブルが生成される。
【００２９】
実際の加工時、まずワークの材質を加工プログラム入力データやキー入力値から認識する。つぎにパンチング加工時のモータ電流の最大値（図３の点Ｅ／図６のＩ値）を抽出し、この値から、そのワークの材質に相当するデータ変換テーブルを検索して、引っ張り強さ相当値（図６のδ値）を求める。
【００３０】
＜ワークの板厚、引っ張り強さの伝送＞
板金加工では一般に、パンチング加工のつぎに曲げ加工が行われる。曲げ加工にはプレスブレーキが多用されており、高精度の曲げ加工を行なうためには、ワークの板厚や引っ張り強さなどの機械的特性値を、パラメータとして制御演算アルゴリズムに取り込む必要がある。このパラメータには一般に公称値が用いられているが、ワークの実際の値とは微少ながら差があり、この差が目標加工精度に対する誤差となっている。
【００３１】
このシステムでは、ワークの板厚を実際のパンチング加工時に検出するため、検出したワークの実際の板厚値を、例えば図７に示すようなネットワーク通信回線を介してプレスブレーキの制御装置に伝送することができる。プレスブレーキでは、伝送されたこのワークの実際の板厚値をパラメータとして制御演算アルゴリズムに取り込むことで、曲げ角度精度は板厚の二乗と相関するといわれるワークの板厚として公称値ではなく実測値を扱うことができ、それにより、高精度の曲げ加工を行なうことができるとともに、制御演算アルゴリズムも簡素化される。
【００３２】
また、上記で求めたワークの引っ張り強さ相当値（図６のδ値）についても、ワークの板厚と同様に、ネットワーク通信回線を介してプレスブレーキの制御装置に伝送することで、より高精度の曲げ加工の実現と、制御演算アルゴリズムの簡素化が図れる。
【００３３】
以上のように、このプレス機械の加工制御システム１は、ラム１２を上下動させるエキセンシャフト１０の一端にＡＣサーボモータ１１の主軸が一体に直結したダイレクトドライブであるため、ＡＣサーボモータ１１の主軸にかかる負荷は、回転子自体の負荷、ラム１２を上下動させる負荷および加工反力のみとなり、モータ電流のノイズ成分は皆無である。そのため、ＡＣサーボモータ１１の電流変化を適時検出することで加工負荷分を抽出し、ワークの板厚や最大加工力を検出することができる。そして、これらワークの板厚や最大加工力を用いて、低騒音化や加工プロセスなど各種の制御を実現することができる。
【００３４】
図８は、この発明によるプレス機械の加工制御システムの他の実施の形態として、加工制御システムが適用されるタレットパンチプレス１１０を示す要部の縦断面図、図９はその右側面図である。
【００３５】
このタレットパンチプレス１１０は、平行に立設したフレーム１１１ａ、１１１ｂに設けた軸受部１１２ａ、１１２ｂにエキセンシャフト１２０が軸支されている。フレーム１１１ａ、１１１ｂ間のほぼ中央に位置するエキセンシャフト１２０の偏心軸部１２０ｅには、コンロッド１２１を介してラム１２２が取り付けられ、エキセンシャフト１２０が回転または回動することで、コンロッド１２１を介してラム１２２がラムガイド１２３に沿って上下動し、ラム１２２の下端に取り付けられるストライカ１２４もラム１２２と一体に上下動する。そして、ラム１２２が下降するとき、ストライカ１２４が、タレット１２５に装着してあるパンチ金型１２６を押圧してワークを打ち抜くようになっている。
【００３６】
また、エキセンシャフト１２０の一端には延長部１２０ａが形成されてフレーム１１１ｂから外方へ延び、この延長部１２０ａをモータ主軸１３１とするサーボモータ１３０が、フレーム１１１ｂの外側に取り付けられている。
【００３７】
サーボモータ１３０は、モータ主軸１３１すなわちエキセンシャフト１２０の延長部１２０ａの周囲に、外周に偶数個（４個）の磁極用マグネット（永久磁石）１３２を円周方向に沿って所定間隔（９０°間隔）で備えたスリーブ１３３を嵌装してブッシュ１３４で固定し、これによりロータ（回転子）１３５を構成する。すなわち、サーボモータ１３０のロータ１３５は、エキセンシャフト１２０の延長部１２０ａと不可分一体のものであり、そのため、サーボモータ１３０は、実質的にエキセンシャフト１２０をロータ１３５として用いるものである。
【００３８】
また、サーボモータ１３０は、図１０に示すように、三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａおよび三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂを三相並列回路として巻いた外筒１３６をロータ１３５に外装してフレーム１１１ｂに固定し、これによりステータ（固定子）１３７を構成する。そして、サーボアンプ１４０の三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａ用のパワー部１４１ａと、三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂ用のパワー部１４１ｂとを、同一ゲート信号でドライブすることで、三相電機子巻線Ｕａ、Ｖａ、Ｗａおよび三相電機子巻線Ｕｂ、Ｖｂ、Ｗｂには同位相、同一電流値の三相交流電流が流れ、それによりラム圧力に必要なトルクを発生するものである。
【００３９】
そして、サーボアンプ１４０の図示しない制御部の制御により、サーボモータ１３０は、ラム１２２がパンチング加工に要する所定の下降端位置Ｌと、この位置から戻されてラム１２２下端のストライカ１２４がパンチ金型１２６上面から離れる上昇端位置Ｈとの間を上下動するように、エキセンシャフト１２０をラム１２２の両位置Ｌ、Ｈ間に相当する角度範囲だけ往復して回動させることで、ワークにパンチング加工を行なうようになっている。
【００４０】
図１１（ａ）に示すように、ラム１２２の前記下降端位置Ｌは、エキセンシャフト１２０の偏心量Ｅ（エキセンシャフト１２０の軸線と偏心軸部１２０ｅの軸線との距離）によって決まるラム１２２の全上下動可能ストロークの下死点Ｂよりやや手前に設定され、また、ラム１２２の前記上昇端位置Ｈは、ラム１２２の全上下動可能ストロークの中間高さよりやや下方に設定される。すなわち、エキセンシャフト１２０の前記往復回動角度範囲は、使用するパンチ金型１２６のストロークにもよるが、約４０°〜６０°程度に設定される。
【００４１】
また、図１１（ｂ）に示すように、サーボモータ１３０は、金型交換時、タレット回転時などには、エキセンシャフト１２０の偏心軸部１２０ｅ（すなわちラム１２２）を上死点Ｔに位置決めする。そして、加工開始にともない、ラム１２２を上死点Ｔから下降端位置Ｌまで下降して１回目のパンチング加工を行なった後、上昇端位置Ｈまで戻してその位置でラム１２２を待機させ、２回目以降のパンチング加工では上昇端位置Ｈと下降端位置Ｌとの間を往復して回動させる。
【００４２】
さらに、エキセンシャフト１２０の全周回転範囲のうち、つねに図１１（ｂ）に示すように片側半周分だけを使用すると、潤滑油の行き渡り方をはじめ各部が均等に使用されることにならず、図１１（ｃ）に示すように反対側の半周分も使用することが好ましいことから、サーボモータ１３０は、金型交換の都度またはタレット回転のたびに、あるいは、あらかじめ決められたパンチング回数ごとに、図１１（ｂ）に示す側と図１１（ｃ）に示す側とを切り換えて使用する。
【００４３】
そして、図示してないが、このタレットパンチプレス１１０にも、図１に示すプレス機械の加工制御システム１と同様に電流検出回路１６など必要な要素を設けて、加工制御システムを構成することはもちろんである。
【００４４】
なお、上記の実施の形態では、加工制御システムが適用されるプレス機械として、パンチプレスおよびタレットパンチプレス１１０を例示したが、これに限定するものでなく、パンチングマシン以外の各種のプレス機械に適用することが可能であり、また、パンチプレス（タレットパンチプレス１１０）からネットワーク通信回線を介してワークの実測値が伝送されるのも、プレスブレーキに限定せず、プレスブレーキ以外の各種のプレス機械に伝送することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は上記のように構成したので、サーボモータの電流変化から加工負荷分を抽出することができ、それにより、この抽出した加工負荷を低騒音化や加工プロセスなどの制御に役立てることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるプレス機械の加工制御システムの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】パンチユニットの説明図である。
【図３】サーボモータの主軸回転角度とモータ電流との関係を示す図である。
【図４】サーボモータの主軸回転角度とラムの位置との関係を示す図である。
【図５】サーボモータの主軸回転角度とラムの移動速度との関係を示す図である。
【図６】モータ電流最大値と引っ張り強さとの関係を示す変換テーブルの図である。
【図７】パンチプレスとプレスブレーキとのネットワーク通信回線の例を示す図である。
【図８】この発明によるプレス機械の加工制御システムの他の実施の形態を示す要部の縦断面図である。
【図９】図８に示す要部の右側面図である。
【図１０】図８のサーボモータとそれを駆動するサーボアンプの構成例を示す結線図である。
【図１１】エキセンシャフト／ラムの作動領域を示す説明図である。
【符号の説明】
１ プレス機械の加工制御システム
１０ エキセンシャフト
１１ ＡＣサーボモータ
１２ ラム
１３ ロータリエンコーダ
１４ 制御装置
１５ サーボドライバ
１６ 電流検出回路
１７ レゾルバ
２０ パンチユニット
２１ パンチ
２２ パンチヘッド
２３ ストリッパプレート
２４ ストリッパスプリング
１１０ タレットパンチプレス
１１１ａ、１１１ｂ フレーム
１１２ａ、１１２ｂ 軸受部
１２０ エキセンシャフト
１２０ａ 延長部
１２０ｅ 偏心軸部
１２１ コンロッド
１２２ ラム
１２３ ラムガイド
１２４ ストライカ
１２５ タレット
１２６ パンチ金型
１３０ サーボモータ
１３１ モータ主軸
１３２ 磁極用マグネット（永久磁石）
１３３ スリーブ
１３４ ブッシュ
１３５ ロータ（回転子）
１３６ 外筒
１３７ ステータ（固定子）
１３８ ロータリエンコーダ
１４０ サーボアンプ
１４１ａ、１４１ｂ パワー部

Claims (2)

1. ラムを上下動させる作動軸の一端にサーボモータのロータ主軸が一体に構成されたプレス機械であって、
   ラムの上死点位置から、パンチの先端がテーブル基準面位置に到達するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第１の回転角度と、最初の加工の際にラムの上死点位置から、パンチの先端がワークの表面に当接するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第２の回転角度をモータ電流の変化により検出し、この第２の回転角度との間のラムの変位量から前記ワークの板厚を取得し、
   その後の加工では、前記第２の回転角度まではラムを高速で下降させ、それ以後減速させて低速でパンチング加工を実行し、終了後ラムを高速で上昇させるように構成したことを特徴とするプレス機械の加工制御システム。
2. ラムを上下動させる作動軸の一端にサーボモータのロータ主軸が一体に構成されたプレス機械であって、
   ラムの上死点位置から、パンチの先端がテーブル基準面位置に到達するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第１の回転角度と、最初の加工の際にラムの上死点位置から、パンチの先端がワークの表面に当接するまでに前記サーボモータの主軸が回転する第２の回転角度をモータ電流の変化により検出し、この第２の回転角度との間のラムの変位量から前記ワークの板厚を取得し、
   前記取得した前記ワークの板厚実測値を、ネットワークを通じて、前記ワークのその後の加工を行なうプレス機械に伝送するように構成したことを特徴とするプレス機械の加工制御システム。

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