JP5070861B2 - レーザ溶接装置およびその方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ溶接装置およびその方法に関する。
近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。このような溶接技術として、ロボットアーム(マニュピレータ)の先端にレーザ光を照射するためのレーザ照射装置を取り付けて溶接を行う技術がある。これは、ロボットアームを移動させつつ、さらにレーザ照射装置からのレーザ光照射方向をも変えることで、レーザ光を移動させながらあらかじめ決められた溶接点を溶接する技術である(たとえば特許文献1参照)。このような溶接は、溶接対象物(ワーク)とレーザ照射装置の間が離れていることからリモート溶接と称されている。
特開2005−177862号公報
ところで、このようなリモート溶接では、生産準備段階などにおいてロボットの動作経路を教示する際の試運転時と、生産現場において実際にロボットを動作させる実稼動時とでは、ロボットアーム先端に取り付けたレーザ照射装置の移動速度が異なる。
すなわち、試運転時では、ロボットアーム先端のレーザ照射装置の移動速度を実稼動時よりも遅くして、他のロボットアームや周辺装置と干渉することなく適切に動作するのを確認する必要がある。
そのため、たとえば上記試運転時には、レーザ光の照射されている点の進行速度(溶接点速度という)が実稼動時の進行速度よりも遅くなり、溶接点にエネルギーが多く入り過ぎてしまう(入熱量が過多となる)ことがある。その結果、試運転時には実稼動時の溶接状態を正確に確認できないという問題があった。
そこで本発明の目的は、ロボットの動作速度を変更した場合でも、変更の前後で同程度の溶接状態を再現することができるレーザ溶接装置およびその方法を提供することである。
上記目的達成するための本発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射手段を備えたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、前記移動手段の動作速度が試運転時において実際稼働時により遅い動作速度に変更された場合に、前記レーザ照射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と前記反射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度との合成速度が、当該試運転時においても前記実際稼働時と同等の合成速度になるように前記反射手段を制御する制御手段と、を有すること特徴とするレーザ溶接装置。
また、上記目的達成するための本発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射手段を備えたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、を備え、前記移動手段の動作速度が試運転時において実際稼働時により遅い動作速度に変更された場合に、変更後の前記レーザ照射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と前記反射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度との合成速度が、当該試運転時においても前記実際稼働時と同等の合成速度になるように前記反射手段が移動することによるレーザ焦点位置の移動速度を制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
本発明によれば、移動手段の動作速度を変更した際には、反射手段の移動速度を制御することで、レーザ照射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と反射手段の移動によるレーザ光の焦点位置移動速度の合成速度が、あらかじめ決められた速度となるようにしたので、移動手段の動作速度を変更した場合でも、実稼動時と同じ溶接状態を再現することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、本発明を適用したレーザ溶接装置(リモート溶接システム(単にシステムと称する))の構成を説明するための概略図である。
図示するシステムは、これまでのスポット溶接などと比較して、溶接冶具が直接ワークと接触せずに、レーザを用いてワークから離れた場所から溶接するものである。このためこのような溶接をリモート溶接と称している。
このシステムは、ロボット1と、このロボット1を後述する制御装置に指示に従って制御するロボットコントローラ2と、ロボット1のアーム先端に設けられレーザ光を照射するスキャナヘッド6(レーザ照射手段)と、レーザ光源であるレーザ発振器3からスキャナヘッド6までレーザ光を導く光ファイバーケーブル5(導光手段(以下光ファイバー5と省略する))と、スキャナヘッド6およびレーザ発振器3を制御する制御装置4(制御手段)よりなる。
ここで、制御装置4は、たとえばコンピュータであり中央演算処理装置や記憶装置などを有する。
レーザ発振器3は、レーザ光を光ファイバー5によって導くためにYAGレーザ発振器を用いている。
ロボット1は、一般的な多軸ロボット(多関節ロボットなどとも称されている)などであり、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、その姿勢を変えてアームの先端、すなわちスキャナヘッド6をさまざまな方向に移動させることができる。レーザ照射の移動範囲を図示符号7として示した。
図2は、スキャナヘッド6内部の構成を説明するための説明図である。
図示するように、スキャナヘッド6内部は、光ファイバー5、光ファイバーを保持する光ファイバー保持部12、ファイバー位置変更機構13、ファイバー用アクチュエータ制御装置14、コリメートレンズ16、固定ミラー17、集光距離可変用レンズ19、第1レンズ110、第2レンズ111、集光距離可変用レンズ用アクチュエータ112、レーザ走査用ミラー113(反射手段、反射鏡)、ミラー用アクチュエータ114、およびミラー制御装置115を有する。なお、図面上符号15はレーザ光を示す。
コリメートレンズ16を通過したレーザ光15が、固定ミラー17、集光距離可変用レンズ19、第1レンズ110、第2レンズ111を通過してさらにレーザ走査用ミラー113により反射されて射出される。
レーザ走査用ミラー113は、ミラー用アクチュエータ114によって回動(移動)自在に動かされる。ミラー制御装置115があらかじめ教示された焦点速度のデータに基づいてミラー用アクチュエータ114を動作させる。ミラー制御装置115は、焦点速度のデータからその焦点速度を得るためのレーザ走査用ミラー113の回動角速度を算出して、教示された(または指令された)焦点速度となるようにレーザ走査用ミラー113を制御している。
このように、このレーザ照射装置では、スキャナヘッド6を設けたロボットの動きだけでなく、レーザ走査用ミラー113の動きによってさまざまな方向へレーザ光を照射することが可能となっている。
また、ファイバー用アクチュエータ装置14が、溶接経路におけるスキャナヘッド6からワーク117までの距離116に合わせてファイバー位置変更機構13を制御し、光ファイバー5のレーザ射出端61の位置を変更することで溶接経路中におけるレーザ焦点位置の調整を行っている。
このファイバー位置変更機構13は、溶接動作中にはその位置が固定されているが、レーザ溶接装置自体の設置位置の変更やワークが変更されてスキャナヘッド6からワークまでのレーザ照射距離が大きく変更された場合にレーザ焦点距離合わせを行うために調整可能となっている。
このように、このレーザ溶接装置では、ロボットによるスキャナヘッド6の動きと共にレーザ走査用ミラー113の動きによってさまざまな方向へレーザを照射することが可能となっている。
このスキャナヘッド6によるレーザの照射範囲は、図1の符号7に示すとおり、3次元的範囲となる。つまり、そのX−Y方向は反射鏡11により位置変更可能となり、Z方向は集光距離可変用レンズ119の位置変更により変更可能となっている。
レーザ溶接時において、実際にワークに照射されるレーザ光の溶接点位置の移動速度(溶接点速度)は、ロボット1の動きによってスキャナヘッド6が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と、レーザ走査用ミラー113の回動によるレーザ光の焦点位置移動速度の合成速度となる。すなわち、スキャナーッド6が移動しながらレーザ走査用ミラー6が回動してレーザ光の焦点位置が移動するので、実際にワークに照射されるレーザ光の溶接点位置の移動速度は、スキャナヘッド6が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度とレーザ走査用ミラー113の回動によるレーザ光の焦点位置の移動速度をそれぞれ合成した速度となる。
したがって、たとえば生産準備段階やロボットの試運転などでロボットの動作速度を変更した場合であっても、そのときの溶接点速度が、生産現場でロボットを通常の速度で稼動させたときの溶接点速度と同じになれば溶接状態に変化はないことになる。
ロボットコントローラ2は、あらかじめ教示データを記憶しており、教示データに従ってロボット1の各軸を動作させて溶接動作を実行する。教示データは、たとえば、溶接動作中のロボットの動作経路(すなわち、スキャナヘッド6を移動させる経路)、この動作経路進行中におけるロボットの動作速度、ロボットの動作経路または動作速度に対応させたレーザ光の焦点移動速度、その焦点位置の移動速度を得るためのレーザ走査用ミラー113の回動速度、レーザ照射位置に対応させた焦点距離変更のための集光距離可変用レンズ119の位置データ、溶接条件などである。これら記憶されているロボット速度およびレーザ走査用ミラー113の回動速度は生産現場に投入されてロボットを稼動させるときの速度である。また、レーザ照射位置に対応させた焦点距離変更のための集光距離可変用レンズ119の位置データは、ロボット1の動作経路およびレーザ走査用ミラー113の回動角度に対応させている。そのため、集光距離可変用レンズ119は、ロボット速度や焦点速度には依存せず、ロボット1の現在位置およびレーザ走査用ミラー113の現在回動角度に対応して変化するように指令されている。
ここで、ロボット1の現在位置およびレーザ走査用ミラー113の現在回動角度は、それぞれに取り付けられているエンコーダの値により得られている。
なお、この実施形態では集光距離可変用レンズ119の位置データを、ロボット1の動作経路およびレーザ走査用ミラー113の回動角度に対応させる場合について説明したが、オートフォーカス機能を有したレンズを用いた場合には上記のように対応させる必要はなく、スキャナヘッド6とワーク117との距離を非接触で測定しつつ焦点調整することも可能である。オートフォーカスについてはカメラ技術等でも知られているので、詳細説明は省略する。
また、溶接条件としては、スキャナヘッド6が移動することによる焦点位置移動速度とレーザ走査用ミラー113が回動することによるレーザ光の焦点位置移動速度の合成速度である溶接点速度、レーザ出力、レーザ照射開始位置、およびレーザ照射終了位置などである。レーザ照射開始位置、およびレーザ照射終了位置は、ロボット1各軸のエンコーダ(不図示)から取得される現在位置とミラー用アクチュエー夕114のエンコーダ(不図示)から取得されるレーザ走査用ミラー113の現在回動角度に対応してレーザ照射位置がリアル夕イムで算出され、レーザ照射開始点に到達した時点でレーザ照射が開始され、レーザ照射終了点に到達した時点でレーザ照射が終了される。
制御装置4のミラー制御装置115は、ロボット動作のオーバライド時(レーザ照射手段としてのスキャナヘッド6の移動速度を変更させること)におけるスキャナヘッド6内のレーザ走査用ミラー113の回動速度およびレーザ出力値を制御する。
たとえば教示再生動作など、ロボットの動作速度を実稼動時よりも遅く動作させたときに、制御装置4は、そのオーバライド率(移動速度変更比率)に合わせてレーザ走査用ミラー113の回動速度とレーザ発振器3のレーザ出力値をそれぞれスキャナヘッド6およびレーザ発振器3へ指令する。
オーバライド率は、実際にロボットを稼働させているときを100%とする。すなわちロボットコントローラ2に記憶されているロボット速度がオ―バライド率100%のときである。そして、ロボットコントローラ2は、通常、このオーバライド率を変えることでさまざまなロボット速度により動作させることができる。たとえばオーバライド率50%であれば実稼動時のロボット速度の半分の速度で動作する。
制御装置4は、このロボットコントローラ2に指令されたオーバライド率を取得して、取得したオーバライド率に合わせてレーザ走査用ミラー113の回動速度とレーザ発振器3のレーザ出力値をそれぞれスキャナヘッド6およびレーザ発振器3へ指令する。
図3は、オーバライド時(ロボット速度を遅くした時)の処理手順を示すフローチヤートである。
まず、制御装置4が、教示データ中の口ボット速度と指令されたオーバライド率からオーバライド動作時のロボット速度を求める(S1)。なお、教示データはロボットコントローラ2から取得する。また、オーバライド率はロボットコントローラ2に作業員が入力した値を取得する。
次に制御装置4は、教示データ中の溶接条件の中の溶接点速度からS1で求めたオーバライド動作時のロボット速度を引くことで、指令されたオーバライド時におけるレーザ走査用ミラー113の回動速度を求める(S2)。
制御装置4はそのオーバライドによる動作開始の指令を受け取り、算出された回動速度でレーザ走査用ミラー113を回動きせるようにロボットコントローラ2に指令する(S3)。
ロボットコントローラ2は、この指令を受けて、この回動速度でレーザ走査用ミラー113を回動可能かどうか判断する(S4、この処理については詳細後述)。
ここで、指令による回動動作が可能であれば(S4:Yes)、ロボットコントローラ2は、レーザ走査用ミラー113は制御装置4からの指令による回動速度でレーザ走査用ミラー113を回動きせながら、指令されたオーバライド率によるオーバライド動作を実行する(S10)。
これにより、ロボット(スキャナヘッド)移動によるレーザ光の焦点位置移動速度とレーザ走査用ミラーの回動によるレーザ光の焦点位置移動速度の合成速度となる溶接点速度は実稼動時の速度(すなわちあらかじめ決められた速度)になる。
なお、オーバライドでの動作中も、実際稼動時と同様に、ロボット1各軸のエンコーダ(不図示)から取得される現在位置とミラー用アクチュエー夕114のエンコーダ(不図示)から取得されるレーザ走査用ミラー113の現在回動角度に対応してレーザ照射位置がリアルタイムで算出され、レーザ照射開始点に到達した時点でレーザ照射が開始され、レーザ照射終了点に到達した時点でレーザ照射が終了される。
図4および図5は本実施形態の作用を説明するための図面であり、図4は本実施形態を採用してオーバライド動作を行った場合のタイムチャートであり、図5は比較例として従来のオーバライド動作を行った場合の夕イムチャートである。なお、各図において横軸は時間である。
まず、図4に示すように、本実施形態の場合は、オーバライド率100%(図示点線、以下同様)に対して、オーバライドの指令により動作させるとロボット速度は低下する(図示実線、以下同様)。一方、これにあわせてレーザ走査用ミラー113の回動による焦点位置移動速度(図示スキャナによる焦点速度)は上昇する。したがって、スキャナヘッド6の移動による焦点位置移動速度とレーザ走査用ミラー113の回動によるレーザ光の焦点位置の移動速度の合成速度である溶接点速度は、オ―バライド100%のときと変わらず、そのときの入熱量も変化しない。
したがって、本実施形態を適用すれば、オーバライド時であっても実稼動時と同じ溶接状態を見ることができるのである。もちろん、オーバライド動作を行うことでロボット1の動作を遅くさせて、その動きに異常がないか、他の物体などと干渉しないかを確かめることができる。
これに対し、図5に示した従来法では、オーバライド率100%に対して(図示点線)、オ―バライドの指令により動作させるとロボット速度は低下する(図示実線)。このときレーザ走査用ミラー113の回動による焦点位置移動速度(図示スキャナによる焦点速度)もオーバライド指令によって低くなる。したがって、ロボットの移動速度とレーザ走査用ミラー113の回動によるレーザ光の焦点位置の移動速度の合成速度である溶接点速度は、オーバライド率100%のときよりも遅くなる(図示点線の位置から実線の位置へ変化する)。そうすると、そのときの入熱量は、溶接点速度が遅くなるため、実稼動時よりも多く入ることになる(図示点線の位置から実線の位置へ変化する)。
したがって、従来のままオーバライドでロボットを遅くすると、実稼働時よりも多くの熱が入り、実稼動時の溶接状態と違ってしまい、ロボットの動きは確かめられても、その動きに対応した溶接状態まで確かめることができないのである。なお、溶接点位置は、ロボット速度、焦点速度ともに遅くなるが、位置自体は遅く到達するだけで変化しないので、オーバライド100%のときと同じになる。
次に、レーザ出力の調整について説明する。
前記のステップS4において、指令による回動速度でレーザ走査用ミラー113を回動可能かどうか判断した。これは、レーザ走査用ミラー113の回動速度を上げることで、溶接点速度を実稼動状態のときと同じになるようにするのであるが、入力されたオーバライド率によっては、レーザ走査用ミラー113の回動速度を上げただけでは、入熱量を同じにすることができない場合がある。
たとえば、オーバライド率が小さな場合、レーザ走査用ミラー113を最大速度で回動させても溶接点速度が実稼動時の速度に到達しないような場合である。したがって、ステップS4におけるレーザ走査用ミラー113を回動可能かどうかの判断は指令されたレーザ走査用ミラー113の回動速度が、回動速度の最大値を超えるようなことにならないかどうかを判断することになる。
そして、レーザ走査用ミラー113の回動可能最大速度を超えてしまうような場合(S4:No)には(すなわち、スキャナヘッド6の移動によるレーザ光の焦点位置移動速度とレーザ走査用ミラー113の移動によるレーザ光の焦点位置移動速度の合成速度が所定の下限速度以下となるような場合)、レーザ走査用ミラー113の回動速度制御のみならず、さらにレーザ発振器3のレーザ出力値を調整する(S5)。なお、S4でNoの場合は、ロボットコントローラ2からその旨を伝える信号が制御装置4に伝達される。
このレーザ出力値の調整は、あらかじめ溶接点速度に対してどれほど出力を下げればよいかのデータを作成して、これを制御装置4内に記憶して使用する。
そして、調整したレーザ出力値があらかじめ決められたしきい値以上か否かを制御装置4が判断して(S6、詳細後述)、調整したレーザ出力値があらかじめ決められたしきい値以上であれば、そのレーザ出力値をレーザ発振器に指令するとともにロボットコントローラ2に対して指令されているオーバライド率によるオーバライド動作を実行するように指令し、ロボットコントローラ2がオーバライド動作を実行する(S7)。
図6は、溶接点速度変化に対して実稼動時における入熱量と同じにするためのレーザ出力値を示すグラフである。
図6に示したグラフから、実稼動時における入熱量のときのレーザ出力値を標準出力とした場合に、溶接点速度を下げることにより、実稼動時における入熱量と同じ入熱量となるためのレーザ出力値がわかる。
なお、図6においては、事例として、異なる3つの溶接条件を示した。
このようなグラフと同様の、溶接点速度に対するレーザ出力値の対応テーブルを制御装置4内に記憶しておく。制御装置4が、オーバライド率に応じてレーザ走査用ミラー113の回動速度を上げてもあらかじめ決められた速度である実稼動時の溶接点速度に達しない場合には、制御装置4がさらに前記対応テーブル(図7に示したグラフと同様)を参照することで、そのときの溶接点速度で必要な入熱量となるようにレーザ出力値を調整する。
これにより、オーバライド率が小さな場合でも、実際の稼動時における入熱量と同じ入熱量を維持することができる。したがって、遅い動きによりロボット自体の動作を確かめつつ、それによる溶接状態も実稼動時と同じ状態として確かめることが可能となる。
次に、さらにオーバライド率の変更について説明する。
前記のステップS6において、調整したレーザ出力値があらかじめ決められたしきい値以上か否か判断じている。これは、レーザ出力値をあまり小さくすると、溶接点速度がいかに遅くとも、レーザ出力が足りなすぎて溶接できなくなるおそれがあるためである。
そこで、本実施形態では、さらにこのようなレーザ出力が溶接不能となるほど低下させなければならなくなった場合には(S6:No)、制御装置4がさらに指令されたオーバライド率を変更することとした(S11)。
図7は、オーバライド率変更を説明するための溶接点速度に対するレーザ出力値を示すグラフである。
図7に示すように、たとえば、オーバライド率10%のように低い場合には、それに応じてレーザ出力値も低下させることになる。しかしこのようなレーザ出力では溶接不能となるので、指令されたオーバライド率を50%まで上昇させる。なお、この指令は制御装置4からロボットコントローラ2へ伝達される。
ここで、溶接不能となるレーザ出力がどれほどのものかは、あらかじめしきい値として設定しておく。そして、制御装置4が、上述したように溶接点速度にあわせてレーザ出力値を低下させた場合に、このしきい値未満となってしまうような場合には、このしきい値以上となるオーバライド率となるようにオーバライド率を変更してロボットコントローラ2へ指令する。
これにより、必要以上にレーザ出力を低下させることなく、実稼動時と同じ溶接状態を確保することができる。
以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
たとえば、オーバライド時におけるレーザ走査用ミラー113による焦点位置の移動速度は、オーバライドさせる動作経路の全体にわたり算出しておいてもよいし、または、オ―バライドで動作させている最中に、そのときのロボット速度からリアル夕イムで算出しながら動作させるようにしてもよい。
また、本実施形態の説明のために用いた図面では、動作経路を直線的に示したが、これは当然にこのような直線的動作経路に限定されるものではなく、円弧形状などさまざまな形状の動作経路において適用することができる。また、反射手段としては、反射鏡の代わりにプリズムを用いてレーザ光の照射方向を変更してもよい。
本発明は、レーザ溶接、レーザ加工に利用できる。
本発明を適用したレーザ溶接装置の構成を説明するための概略図である。 スキャナヘッド6内部の構成を説明するための説明図である。 オーバライド時(ロボット速度を遅くした時)の処理手順を示すフローチャートである。 本実施形態を採用してオーバライド動作を行った場合のタイムチャートである。 比較例として従来のオーバライド動作を行った場合のタイムチャートである。 溶接点速度変化に対して実際稼働時における入熱量と同じにするためのレーザ出力値を示すグラフである。 オーバライド率変更を説明するための溶接点速度に対するレーザ出力値を示すグラフである。
符号の説明
1…ロボット、
2…ロボットコントローラ、
3…レーザ発振器、
4…制御装置、
5…光ファイバーケーブル、
6…スキャナヘッド。

Claims (8)

  1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射手段を備えたレーザ照射手段と、
    前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、
    前記移動手段の動作速度が試運転時において実際稼働時により遅い動作速度に変更された場合に、前記レーザ照射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と前記反射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度との合成速度が、当該試運転時においても前記実際稼働時と同等の合成速度になるように前記反射手段を制御する制御手段と、を有すること特徴とするレーザ溶接装置。
  2. 前記反射手段は反射鏡であることを特徴とする請求項1記載のレーザ溶接装置。
  3. 前記制御手段は、さらに前記合成速度が所定の下限速度以下となる場合に、前記試運転時においても前記実際稼働時と同等の入熱量になるように前記レーザ発振器のレーザ出力値を低下させることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ溶接装置。
  4. 前記制御手段は、前記合成速度が遅くなるほど、前記レーザ発振器のレーザ出力値を低下させることを特徴とする請求項3記載のレーザ溶接装置。
  5. 前記制御手段は、さらに前記レーザ出力値の変更にともなって前記レーザ出力値が溶接不能となるレーザ出力値以下となる場合に、前記移動手段の動作速度を増速させることを特徴とする請求項4記載のレーザ溶接装置。
  6. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射手段を備えたレーザ照射手段と、
    前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、を備え、
    前記移動手段の動作速度が試運転時において実際稼働時により遅い動作速度に変更された場合に、変更後の前記レーザ照射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度と前記反射手段が移動することによるレーザ光の焦点位置移動速度との合成速度が、当該試運転時においても前記実際稼働時と同等の合成速度になるように前記反射手段が移動することによるレーザ焦点位置の移動速度を制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
  7. さらに前記合成速度が所定の下限速度以下となる場合に、前記試運転時においても前記実際稼働時と同等の入熱量になるように前記レーザ発振器のレーザ出力値を低下させてることを特徴とする請求項6記載のレーザ溶接方法。
  8. さらに前記レーザ出力値の変更にともなって前記レーザ出力値が溶接不能となるレーザ出力値以下となる場合に前記移動手段の動作速度を増速させることを特徴とする請求項記載のレーザ溶接方法。
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