JP5658930B2 - 射出成形機及び射出成形機用制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機及び射出成形機用制御回路に係り、特に、射出用モータとして電動サーボモータを用いたインラインスクリュ式射出成形機における、射出用電動サーボモータの加減速制御手段に関する。

従来、加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納されたスクリュを回転駆動する計量用電動サーボモータと、該スクリュを前後進駆動する射出用電動サーボモータとを備え、スクリュを回転駆動しながら後退駆動することによって樹脂材料の溶融と計量とを行い、計量完了後、回転を止めた状態で、スクリュを急速に前進駆動することによって、加熱シリンダ内の溶融樹脂を金型内に射出・充填するインラインスクリュ式の射出成形機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図５に、従来知られているこの種の射出成形機用の制御回路を示す。この図において、符号１はスクリュ、符号２は計量用（可塑化用）電動サーボモータ、符号３は計量用電動サーボモータ２の回転位置を検出する計量モータ用エンコーダ、符号４は射出用電動サーボモータ、符号５は射出用電動サーボモータ４の回転位置を検出する射出モータ用エンコーダ、符号６は射出用電動サーボモータ４の回転力を直進力に変換してスクリュ１に伝達する、ねじ軸６ａとこれに螺合されたナット体６ｂとからなるボールねじ機構、符号７はスクリュ１に作用する射出圧及び背圧を測定するロードセルである。

図示しない加熱シリンダ内でスクリュ１を回転駆動すると、図示しないホッパから加熱シリンダ内に、スクリュ１の回転量に応じた原料樹脂が順次供給される。加熱シリンダ内に供給された原料樹脂は、スクリュ１の回転に伴う剪断力や摩擦力を受けて混練・可塑化されながら、スクリュ１の送り作用により、順次スクリュの先端側（図の左側）に移送され、加熱シリンダの先端側に蓄積される。溶融樹脂の計量は、加熱シリンダの先端側への溶融樹脂の蓄積に伴って、射出用電動サーボモータ４を逆転してスクリュ１を後退させ、スクリュ１が予め定められた計量完了位置に至ったときに終了する。計量完了後、射出用電動サーボモータ４を急速に逆転し、スクリュ１を図の左方向に急速に前進させる。これにより、加熱シリンダ内に蓄えられた溶融樹脂は、ノズルを介して図示しない金型内に射出される。

図５において、符号ｘｉｊ０はスクリュ１の前進位置を表す射出位置指令パターン信号、符号ｖｉｊ０はスクリュ１の前進速度を表す射出速度指令パターン信号、符号ｖｃｇ０は計量用電動サーボモータ２の回転速度を設定する計量モータ回転速度設定パターン信号であり、これらの信号は、上位のコントローラ１１から供給される。該コントローラ１１には、計量用電動サーボモータ２及び射出用電動サーボモータ４の制御条件を含む射出成形機の運転条件を入力する入力手段１２と、これらの運転条件及び射出成形機の運転状況等を表示する表示手段１３が付設されている。

射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０と、射出制御用サーボアンプ２６から出力されるスクリュ位置信号ｘｉｊｍは、スクリュ位置信号ｘｉｊｍをフィードバック信号として、加算器２１において偏差ｅ１がとられ、この偏差ｅ１をもとに射出用電動サーボモータ４をフィードバック制御する。なお、スクリュ位置信号ｘｉｊｍは、射出用電動サーボモータ４の基準位置からの回転量により求められる。

射出位置指令用のＰＩＤ制御器２２は、偏差ｅ１をもとにスクリュ位置の操作量ｕ１を算出し、速度演算器２３は、操作量ｕ１をもとに射出速度指令ｖ１を演算する。また、加算器２４は、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０を増幅器２５で定数を乗算することにより得られる射出速度加算値信号ｖｆｆをフィードフォワード信号として、射出速度指令ｖ１に加算し、射出用電動サーボモータ４に与える射出速度指令ｖｉｊを得る。射出制御用サーボアンプ２６は、得られた射出速度指令ｖｉｊにしたがって射出用電動サーボモータ４の回転を制御する。なお、射出用電動サーボモータ４の回転位置は、射出制御用サーボアンプ２６を介して加算器２１に供給される。

図６に、射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０、射出速度指令ｖ１、及び射出速度指令ｖｉｊを示す。

計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０は、計量制御用サーボアンプ２７に供給され、計量制御用サーボアンプ２７は、計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０にしたがって、計量用電動サーボモータ２の回転を制御する。

特開平５−３４５３３７号公報

ところで、薄物や精密品の射出成形においては、樹脂が溶融している間に金型内への溶融樹脂の充填を完了する必要があるので、通常の射出成形よりも、スクリュ１を前進駆動する際の加減速指令に対するスクリュ１の応答性を高めることが求められる。

しかしながら、射出制御用サーボアンプ２６は、その構造上、瞬発的なトルク（電流）を出すことができないので、図５に示した制御回路では、立上り及び立下りの傾斜が急峻な射出速度指令ｖｉｊを与えても、スクリュ１の加減速に後れが生じ、成形品の更なる薄型化及び精密化を図ることが難しいという問題がある。

なお、射出制御用サーボアンプ２６で射出速度指令ｖｉｊを微分し、この微分値をフィードフォワード信号として射出速度指令ｖｉｊに加算すれば、スクリュ１の駆動後れを解消又は緩和することができるが、微分値はノイズの影響を受けやすいため、製品にばらつきが生じやすく、実用上好ましい手段であるとは言い難い。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、射出時におけるスクリュの加減速指令に対する応答性が良好で、高品質の薄物又は精密品を歩留まり良く成形可能な射出成形機及び射出成形機用制御回路を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、射出成形機に関しては、加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納されたスクリュと、該スクリュを回転駆動する計量用電動サーボモータと、前記スクリュを前後進駆動する射出用電動サーボモータと、上位のコントローラから出力される位置指令パターン及び速度指令パターンより前記射出用電動サーボモータに与える射出速度指令を得て、射出制御用サーボアンプにより前記射出用電動サーボモータの駆動を制御する射出モータ駆動回路と、上位のコントローラから出力される計量モータ回転速度設定パターン信号に基づいて、計量制御用サーボアンプにより前記計量用電動サーボモータの駆動を制御する計量モータ駆動回路を備えた射出成形機において、前記コントローラから出力される加速度指令パターンに所要の定数を乗算して得られるトルク加算値を前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算回路を更に備え、前記射出制御用サーボアンプは、前記射出速度指令と前記トルク加算値の合計で前記射出用電動サーボモータの回転を制御するという構成にした。

また、射出成形機用制御回路に関しては、加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納されたスクリュを回転駆動する計量用電動サーボモータと、前記スクリュを前後進駆動する射出用電動サーボモータと、上位のコントローラから出力される位置指令パターン及び速度指令パターンより前記射出用電動サーボモータに与える射出速度指令を得て、射出制御用サーボアンプにより前記射出用電動サーボモータの駆動を制御する射出モータ駆動回路と、上位のコントローラから出力される計量モータ回転速度設定パターン信号に基づいて、計量制御用サーボアンプにより前記計量用電動サーボモータの駆動を制御する計量モータ駆動回路を備えた射出成形機用制御回路において、前記コントローラから出力される加速度指令パターンに所要の定数を乗算して得られるトルク加算値を前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算回路を更に備え、前記射出制御用サーボアンプは、前記射出速度指令と前記トルク加算値の合計で前記射出用電動サーボモータの回転を制御するという構成にした。

コントローラから出力される射出加速度指令パターンに所要の定数を乗算すると、トルク加算値が得られる。このトルク加算値を射出制御用サーボアンプに供給すると、コントローラから出力される射出位置指令パターンにスクリュ位置を追随すべく射出制御用サーボアンプから出力されるトルク（電流）に、トルク加算値に応じたトルク（電流）を重畳させることができるので、射出時におけるスクリュの加減速指令に対する応答性を良好なものにすることができ、高精度の薄型品又は精密品の成形を行うことができる。

また本発明は、前記構成の射出成形機において、前記トルク加算回路に１次遅れ要素を備え、前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算値を、前記１次遅れ要素に予め設定された時定数及びゲイン定数に応じて微調整するという構成にした。

かかる構成によると、射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算値を、１次遅れ要素によって微調整できるので、より精密な加減速指令の生成が可能になり、より精密な薄型品又は精密品の成形が可能になる。

また本発明は、前記構成の射出成形機において、前記コントローラに、前記所要の定数の入力手段と表示手段を備えるという構成にした。

かかる構成によると、入力手段を操作することにより、射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算値を任意に設定することができるので、広汎な成形条件を自在に作り出すことができ、良品を高歩留まりで成形することができる。また、表示手段を備えるので、入力したトルク加算値をオペレータが随時確認することができ、射出成形機の操作性を高めることができる。

また本発明は、前記構成の射出成形機において、前記コントローラに、前記１次遅れ要素に設定する時定数及びゲイン定数の入力手段と表示手段を備えるという構成にした。

かかる構成によると、入力手段を操作することにより、１次遅れ要素に設定する時定数及びゲイン定数、ひいては、射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算値を任意に設定することができるので、広汎な成形条件を自在に作り出すことができ、良品を高歩留まりで成形することができる。また、表示手段を備えるので、入力した時定数及びゲイン定数をオペレータが随時確認することができ、射出成形機の操作性を高めることができる。

本発明は、射出用電動サーボモータの加減速制御系に、コントローラから出力される射出加速度指令パターンに所要の定数を乗算することにより得られるトルク加算値を射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算回路を備え、コントローラから出力される射出位置指令パターンにスクリュ位置を追随すべく射出制御用サーボアンプから出力されるトルクと、トルク加算回路から射出制御用サーボアンプに供給されるトルク加算値の合計で射出用電動サーボモータを駆動するようにしたので、射出時におけるスクリュの加減速指令に対する応答性を良好なものにすることができ、高精度の薄型品又は精密品の成形を行うことができる。

第１実施形態に係る射出成形機の制御回路を示す図である。 実施形態に係る射出成形機の射出装置を示す図である。 第１実施形態に係る射出成形機の各種制御量の変動を示す図である。 第２実施形態に係る射出成形機の制御回路を示す図である。 従来例に係る射出成形機の制御回路を示す図である。 従来例に係る射出成形機の各種制御量の変動を示す図である。

以下、本発明に係る射出成形機の実施形態を、図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態に係る射出成形機も、機構上の構成については、図５に示した従来の射出成形機と同じであり、図１に示すように、スクリュ１と、計量用電動サーボモータ２と、計量用電動サーボモータ２の回転位置を検出する計量モータ用エンコーダ３と、射出用電動サーボモータ４と、射出用電動サーボモータ４の回転位置を検出する射出モータ用エンコーダ５と、射出用電動サーボモータ４の回転力を直進力に変換してスクリュ１に伝達するボールねじ機構６と、スクリュ１に作用する射出圧及び背圧を測定するロードセル７とを備えている。ボールねじ機構６は、ねじ軸６ａと、これに螺合されたナット体６ｂとからなる。なお、計量モータ用エンコーダ３及び射出モータ用エンコーダ５としては、回転位置の絶対値を出力するアブソリュートタイプのエンコーダが用いられる。

図２に示すように、図示しない射出ユニットベース盤上には、所要の間隔を隔てて、ヘッドストック４１と保持プレート４２とが対向に配設されており、これらの各部材４１，４２は、複数本のタイバー４３を介して一体に連結されている。スクリュ１は、ヘッドストック４１に開設されたスクリュ貫通孔４１ａに貫通され、その基端側に計量用電動サーボモータ２が連結される。また、スクリュ１の先端側は、ヘッドストック４１に固定された加熱シリンダ４４内に回転可能かつ前後進可能に収納される。加熱シリンダ４４には、原料樹脂供給穴４４ａが開設されており、該原料樹脂供給穴４４ａを通して、ホッパ４５内に蓄えられた粒状の原料樹脂を加熱シリンダ４４内に導入するようになっている。射出用電動サーボモータ４は、保持プレート４２に取り付けられており、ボールねじ機構６を介して、スクリュ１及び計量用電動サーボモータ２を一体的に前後進する。

本実施形態に係る射出成形機も、図５に示した従来の射出成形機と同様に、計量用電動サーボモータ２によりスクリュ１を回転駆動しつつ、射出用電動サーボモータ４によりスクリュ１を後退することによって、溶融樹脂の計量を行う。また、計量完了後、射出用電動サーボモータ４を急速に逆転し、スクリュ１を急速に前進させることによって、計量された溶融樹脂を金型内に射出する。

以下、第１実施形態に係る射出成形機の制御回路を、図１を用いて説明する。図５との対比から明らかなように、本例の制御回路は、図５に示した従来の制御回路に、上位のコントローラ１１から供給される射出加速度指令パターン信号ａｉｊ０に基づいて算出されるトルク加算値ｔａを、射出制御用サーボアンプ２６に与えるトルク加算回路を備えたことを特徴とする。

即ち、図１において、符号ａｉｊ０はスクリュ１の前進加速度を表す射出加速度指令パターン信号であり、図５を用いて説明した射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０及び計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０と同様に、上位のコントローラ１１から供給される。

射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０と、射出制御用サーボアンプ２６から出力されるスクリュ位置信号ｘｉｊｍは、スクリュ位置信号ｘｉｊｍをフィードバック信号として、加算器２１において偏差ｅ１がとられ、この偏差ｅ１をもとに射出用電動サーボモータ４をフィードバック制御する。スクリュ位置信号ｘｉｊｍは、射出用電動サーボモータ４の基準位置からの回転量により求められる。

位置指令用のＰＩＤ制御器２２は、偏差ｅ１をもとにスクリュ位置の操作量ｕ１を算出し、速度演算器２３は、操作量ｕ１をもとに射出速度指令ｖ１を演算する。また、加算器２４は、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０を増幅器２５で定数を乗算することにより得られる射出速度加算値ｖｆｆをフィードフォワード信号として射出速度指令ｖ１に加算し、射出用電動サーボモータ４に与える射出速度指令ｖｉｊを得る。なお、射出用電動サーボモータ４の回転位置は、射出制御用サーボアンプ２６を介して加算器２１に供給される。

加速度指令パターン信号ａｉｊ０は、増幅器２８で定数を乗算することにより、トルク加算値ｔａとなり、射出制御用サーボアンプ２６に供給される。射出制御用サーボアンプ２６は、射出速度指令ｖｉｊ及びトルク加算値ｔａの合計で射出用電動サーボモータ４の回転を制御する。増幅器２８の定数は、入力手段１２を操作することによって適宜の値に設定することができる。よって、広汎な成形条件を自在に作り出すことができ、良品を高歩留まりで成形することができる。また、表示手段を備えるので、入力したトルク加算値をオペレータが随時確認することができ、射出成形機の操作性を高めることができる。

計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０は、計量制御用サーボアンプ２７に供給され、計量制御用サーボアンプ２７は、計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０にしたがって、計量用電動サーボモータ２の回転を制御する。

図３に、射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０、射出速度指令ｖ１、射出速度指令ｖｉｊ、射出加速度指令パターン信号ａｉｊ０、及びトルク加算値ｔａを示す。

このように、本例の制御回路は、速度指令ｖｉｊ及びトルク加算値ｔａの合計で射出用電動サーボモータ４の回転を制御するので、射出時におけるスクリュ１の加減速指令に対するレスポンスを良好なものにすることができ、高精度の薄型品又は精密品を成形することができる。

次に、第２実施形態に係る射出成形機の制御回路を、図４を用いて説明する。本例の制御回路は、図１との対比から明らかなように、図１に示した制御回路に、射出速度加算値ｖｆｆ及びトルク加算値ｔａの微調整を行う一次遅れ要素３１，３２を追加したこと、及び、射出工程（１次射出工程）の終了後に行われる保圧工程を考慮した射出用電動サーボモータ４の制御回路を追加したことを特徴とする。なお、保圧工程とは、射出用電動サーボモータ４を、圧力フィードバック制御で駆動制御し、設定された保圧力をスクリュ１を介して金型内の樹脂に付加する操作である。

図４において、符号ｂｐ０は保圧・背圧設定パターン信号であり、図５を用いて説明した射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０、計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０、及び、図１を用いて説明した射出加速度指令パターン信号ａｉｊ０と同様に、上位のコントローラ１１から供給される。

射出位置指令パターン信号ｘｉｊ０と、射出制御用サーボアンプ２６から出力されるスクリュ位置信号ｘｉｊｍは、スクリュ位置信号ｘｉｊｍをフィードバック信号として、加算器２１において偏差ｅ１がとられ、この偏差ｅ１をもとに射出用電動サーボモータ４をフィードバック制御する。スクリュ位置信号ｘｉｊｍは、射出用電動サーボモータ４の基準位置からの回転量により求められる。

位置指令用のＰＩＤ制御器２２は、偏差ｅ１をもとにスクリュ位置の操作量ｕ１を算出し、速度演算器２３は、操作量ｕ１をもとに射出速度指令ｖ１を演算する。また、加算器２４は、射出速度指令パターン信号ｖｉｊ０を増幅器２５で定数を乗算し、その出力信号を一次遅れ要素３１にて所定量だけ遅延することにより得られる射出速度加算値ｖｆｆを、フィードフォワード信号として射出速度指令ｖ１に加算し、前進速度制御値ｖ３を得る。最小値選択器３３は、後述する背圧時速度指令計算値ｖ２と前記前進速度制御値ｖ３のいずれか小さい方の値を選択し、選択した値を射出速度指令ｖｉｊとして出力する。一次遅れ要素３１の時定数及びゲイン定数は、入力手段１２を操作することによって任意の値に設定することができ、その入力値は、表示装置１３に表示させることができる。よって、広汎な成形条件を自在に作り出すことができ、良品を高歩留まりで成形することができると共に、入力した時定数及びゲイン定数をオペレータが随時確認することができるので、射出成形機の操作性を高めることができる。

背圧時速度指令計算値ｖ２を算出する回路で、加算器３４は、保圧・背圧設定パターン信号ｂｐ０と、ロードセル７が計測した背圧との偏差ｅ２をとる。背圧設定用のＰＩＤ制御器３５は、加算器３４において求められた偏差ｅ２をもとに、操作量ｕ２を算出する。速度演算器３６は、操作量ｕ２をもとに背圧時速度指令計算値ｖ２を演算し、演算結果を最小値選択器３３に供給する。これにより、背圧時速度指令値計算値ｖ２が過大となり、スクリュ１の前進位置をオーバーする場合においても、前進位置指令ｘｉｊにより設定された位置以上となることを阻止することができる。

加速度指令パターン信号ａｉｊ０は、増幅器２８で定数を乗算し、その出力信号を一次遅れ要素３２にて所定量だけ遅延することにより、トルク加算値ｔａとなり、射出制御用サーボアンプ２６に供給される。射出制御用サーボアンプ２６は、射出速度指令ｖｉｊ及びトルク加算値ｔａの合計で射出用電動サーボモータ４の回転を制御する。一次遅れ要素３２の時定数及びゲイン定数も、入力手段１２を操作することによって任意の値に設定することができ、その入力値は、表示装置１３に表示させることができる。

計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０は、計量制御用サーボアンプ２７に供給され、計量制御用サーボアンプ２７は、計量モータ回転速度設定パターン信号ｖｃｇ０にしたがって計量モータ２を駆動制御する。

本実施形態によると、トルク加算回路に１次遅れ要素３１，３２を備え、射出制御用サーボアンプ２６に供給するトルク加算値ｔａを、１次遅れ要素３１，３２に予め設定された時定数及びゲイン定数に応じて微調整するので、より精密な加減速指令ｖｉｊ及びトルク加算値ｔａの生成が可能になり、より精密な薄型品又は精密品の成形が可能になる。また、背圧時速度指令計算値ｖ２を考慮して射出速度指令ｖｉｊを生成するので、スクリュ１の加速制御のみならず、減速制御についても応答性を高めることができる。

本発明は、射出成形機におけるスクリュの加減速制御に利用できる。

１ スクリュ
２ 計量用電動サーボモータ
３ 計量モータ用エンコーダ
４ 射出用電動サーボモータ
５ 射出モータ用エンコーダ
６ ボールねじ機構
６ａ ねじ軸
６ｂ ナット体
７ ロードセル
１１ コントローラ
１２ 入力手段
１３ 表示手段
２１，２４，３４ 加算器
２２，３５ ＰＩＤ制御器
２３，３６ 速度演算器
２５ 増幅器
２６ 射出制御用サーボアンプ
２７ 計量制御用サーボアンプ
３１，３２ 一次遅れ要素
３３ 最小値選択器
４１ ヘッドストック
４１ａ スクリュ貫通孔
４２ 保持プレート
４３ タイバー
４４ 加熱シリンダ
４４ａ 原料樹脂供給穴
４５ ホッパ

Claims (5)

1. 加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納されたスクリュと、該スクリュを回転駆動する計量用電動サーボモータと、前記スクリュを前後進駆動する射出用電動サーボモータと、上位のコントローラから出力される位置指令パターン及び速度指令パターンより前記射出用電動サーボモータに与える射出速度指令を得て、射出制御用サーボアンプにより前記射出用電動サーボモータの駆動を制御する射出モータ駆動回路と、上位のコントローラから出力される計量モータ回転速度設定パターン信号に基づいて、計量制御用サーボアンプにより前記計量用電動サーボモータの駆動を制御する計量モータ駆動回路を備えた射出成形機において、
   前記コントローラから出力される加速度指令パターンに所要の定数を乗算して得られるトルク加算値を前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算回路を更に備え、前記射出制御用サーボアンプは、前記射出速度指令と前記トルク加算値の合計で前記射出用電動サーボモータの回転を制御することを特徴とする射出成形機。
2. 前記トルク加算回路に１次遅れ要素を備え、前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算値を、前記１次遅れ要素に予め設定された時定数及びゲイン定数に応じて微調整することを特徴とする請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記コントローラに、前記所要の定数の入力手段と表示手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の射出成形機。
4. 前記コントローラに、前記１次遅れ要素に設定する時定数及びゲイン定数の入力手段と表示手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の射出成形機。
5. 加熱シリンダ内に回転可能かつ前後進可能に収納されたスクリュを回転駆動する計量用電動サーボモータと、前記スクリュを前後進駆動する射出用電動サーボモータと、上位のコントローラから出力される位置指令パターン及び速度指令パターンより前記射出用電動サーボモータに与える射出速度指令を得て、射出制御用サーボアンプにより前記射出用電動サーボモータの駆動を制御する射出モータ駆動回路と、上位のコントローラから出力される計量モータ回転速度設定パターン信号に基づいて、計量制御用サーボアンプにより前記計量用電動サーボモータの駆動を制御する計量モータ駆動回路を備えた射出成形機用制御回路において、
   前記コントローラから出力される加速度指令パターンに所要の定数を乗算して得られるトルク加算値を前記射出制御用サーボアンプに供給するトルク加算回路を更に備え、前記射出制御用サーボアンプは、前記射出速度指令と前記トルク加算値の合計で前記射出用電動サーボモータの回転を制御することを特徴とする射出成形機用制御回路。

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