JP6076483B2 - レーザー光線を用いて非回転対称な工作物を加工する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光線を用いて非回転対称な工作物を加工できて、非回転対称な工作物の加工の際の特別な技術的要請を考慮した方法に関するものである。さらに、本発明はレーザー光線を用いて非回転対称な工作物を加工する装置にも関する。

技術水準から、レーザー光線を用いて工作物を加工するための解決手段は知られているが、ここではそのうち特許文献１が取り上げているものだけを例示する。特許文献１には、レーザー光線を用いて管を加工する際に使用できる管用送り機構が記載されている。複数の搬送機構を用いて回転対称な管が保持され、その長手軸線に沿って搬送される。管の長手軸線まわりでの該管の付加的な回転により、レーザー加工ヘッドを用いて管を種々の断面処理で加工することが可能になる。

方法制御およびレーザー加工装置の構成に対する特別な要請は、非回転対称な工作物を加工する場合に生じる。所定の加工線に沿った断面を処理できるようにするためには、工作物の位置以外に工作物の正確な空間的配向も既知でなければならない。たとえば回転対称な工作物を加工するには、工作物の長手中心軸線が特定のＸ−Ｙ面内にあるという認識があれば十分であるが、非回転対称な工作物の場合には、さらにＸ−Ｙ面内での工作物の配向（たとえば工作物の前端または後端の配向）と、Ｚ方向における工作物の配向とが既知でなければならない。

さらに、非回転対称な工作物に、たとえば湾曲した管にマークを付けて、管に取り付けられる物体の取り付け位置を強調することが知られている（たとえば特許文献２）。この場合、管がまだ曲げ機内にあって、それ故湾曲した管の位置および空間的配向が正確に既知である限りは、曲げ機で管を曲げている間、または、曲げた後にマークを付けることができる。曲げた後にマークを付けることは、管が既知の距離にわたって搬送され、従って非回転対称な管（工作物）の位置および空間的配向が正確に既知である場合にだけ可能である。工作物を曲げ機から取り出した後、工作物の空間的配向は、よって加工線の位置および方向は、面倒な測定技術（たとえば３Ｄスキャン）を用いる場合にのみ可能である。その後工作物をさらに加工するには、工作物の空間的配向をコスト、時間、演算を集中的に用いて検出する必要があり、これによって個々の工作物を加工するためのサイクルタイムが長くなる。

米国特許第６３３５５０８Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第３６１９６４３Ａ１号明細書

本発明の課題は、わずかな測定技術コスト以外に短いサイクルタイムをも達成可能な、非回転対称な工作物を加工するための装置および方法を提供することである。

この課題は、レーザー光線を用いて工作物を加工するための装置であって、前記工作物を第１の加工位置へ送るための送り機構と、前記第１の加工位置に送られた前記工作物を加工するための少なくとも１つの加工ヘッドを有する加工機構とを含んでいる前記装置においては、前記送り機構が把持機構を備えた把持ロボットであること、前記加工ヘッドが少なくとも３つの自由度のまわりに可動であること、前記送り機構の把持領域に、保持部を備えた供給機構が配置され、前記保持部の構成およびサイズは、該保持部で保持される少なくとも１つの工作物が前記送り機構の所定の空間的配向と位置とにより供給されて前記保持部から取り出されるように、選定されていること、前記送り機構によって送られた１つの工作物を受容するための少なくとも１つの締め付け固定機構が配置され、各締め付け固定機構によってそれぞれ１つの加工位置が定義されていること、前記加工ヘッドが前記１つの工作物を加工するための各加工位置へ送り可能であることによって解決される。

本明細書では、工作物とは、一般的にいって、加工材、たとえば薄板、管または異形材のような原材料、半製品、完成製品である。

簡単な実施態様では、供給機構は複数の保持部を配置することによって形成されている。これらの保持部は、１つの工作物をただ１つの空間的配向で保持部に挿入可能であるように成形され、配置されている。これら保持部の位置は既知であるので、保持部に挿入されている工作物の空間的配向および供給位置も一義的に特定されている。

供給機構は、複数の工作物を同時に保持できるような数量の保持部を有していてよい。また、異なる種類の工作物を保持できるように保持部を構成することも可能である。たとえば、第１の工作物としての半製品を加工することによって１つまたは複数の第２の工作物を発生させ、次にこの第２の工作物を同様に本発明による装置によって加工するような場合には、後者の実施態様が有利である。

他の実施態様では、複数の加工ステップによって互いから生じてこないような工作物を保持できるように保持部が構成されていてもよい。

加工ヘッドは、好ましくは、加工機構のレーザー源と結合し、ビームガイド機構およびビーム整形機構を有している。加工ヘッドはモータおよび制御機構を介して移動制御可能である。本発明による装置の他の実施態様では、６つまでの自由度のまわりに可動であり、すなわちデカルト座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って可動であり、且つ前記軸のまわりに回転可能であってよい。すなわち加工ヘッドは回転可能且つ揺動可能であってよい。

送り機構は、特に把持手段は、好ましくは６つの自由度で可動制御可能である。

締め付け固定機構は、工作物の保持に適したものであればどのような機構であってもよい。たとえば締め付け固定機構はチャック、円錐状受容部、または摩擦でおよび／または形状工作的に工作物を保持するその他の機構であってよい。本発明による装置の他の実施態様では、複数の締め付け固定機構が配置されていてよい。有利な実施態様では、２つの締め付け固定機構が設けられている。１つまたは複数の締め付け固定機構が回転可能であってよく、すなわち締め付け固定される工作物を締め付け固定機構の少なくとも１つの軸線のまわりに回転可能にしてよい。

本明細書での加工位置とは、工作物の加工を加工ヘッドによって行うことができるような領域である。たとえば、締め付け固定機構で保持されている工作物を工作物の加工線に沿って行うことができる。

第１の加工位置は、好ましくは、把持手段の所定の空間的配向および位置によって与えられている。たとえば、加工ヘッドによって加工線に沿って加工される（たとえば切断、穴開け、穿孔、ならい削りされる）工作物が把持手段によって保持されていてよい。これらの加工線は把持手段からたとえば２０ｃｍないし１００ｃｍの間隔をもっていてよいが、把持手段に対する工作物の空間的配向および位置が既知であるので、どの加工線の空間的配向および位置も正確に既知である。

それ故本発明による装置の利点は、たとえば送りを行なっている間または加工位置での工作物の空間的配向を検知、コントロール、場合によっては修正する測定機構を省略できる点にある。

本発明による装置により、ただ１つの加工ヘッドに対し少なくとも２つの異なる加工位置が提供されているので有利である。これにより、加工ヘッドが１つの加工位置へ送られ、他方他の加工位置には送り機構によって工作物が送られることが可能になる。

本発明による装置の好ましい実施態様では、加工した工作物を搬出させる搬送機構が設けられていてよい。工作物は装置外の次の加工に供給することができる。しかし、工作物を本発明による装置によるさらなる加工に再び提供してもよい。

本発明による他の実施態様では、複数の送り機構、加工機構、または締め付け固定機構、およびこれらの組み合わせが設けられていてよい。これらは互いにパラレルに作動されていてよい。また、これらの機構は、たとえば１つの送り機構によって複数の締め付け固定機構にまたは複数の締め付け固定機構に交互に工作物を送り可能であるように、或いは、１つの加工ヘッドを複数の加工位置に交互に送り可能であるように、統合制御されていてもよい。これによって本発明による装置の適用融通性が向上する。

好ましくは、少なくとも送り機構と加工機構とを制御する制御機構が設けられている。本発明による方法の実施の比較的長い時間にわたってもすべての運動とすべての方法ステップとの一定の高い精度を保証するため、送り機構と加工機構との作動状態を互いに調整するのが好ましい。

本発明による装置は、レーザー光線を用いて非回転対称な工作物を加工するために使用することができる。

前記課題は、レーザー光線を用いて非回転対称な工作物を加工するための方法によって解決される。この方法は、
ａ）所定の空間的配向と供給位置とを備えた第１の工作物として半製品を供給するステップと、
ｂ）前記第１の工作物を送り機構の把持手段を用いて把持するステップと、
ｃ）前記第１の工作物を前記把持手段を用いて第１の加工位置へ送り、その際に前記第１の工作物を空間内で自由に保持するステップと、
ｄ）加工機構の加工ヘッドを前記第１の加工位置へ送って前記第１の工作物を加工し、その際に前記ステップｃ）と前記ステップｄ）とを複数回実施しうるステップと、
ｅ）加工した前記第１の工作物を解放するステップと、
ｆ）少なくとも１つの第２の工作物を所定の空間的配向と供給位置とで供給するステップと、
ｇ）前記第２の工作物を把持して該第２の工作物を前記把持手段を用いて他の加工位置へ送り、前記第２の工作物を締め付け固定機構を用いて前記他の加工位置で保持するステップと、
ｈ）前記加工ヘッドを前記他の加工位置へ送って、前記第２の工作物を加工するステップと、
ｉ）加工した前記第２の工作物を解放するステップと、
を含んでいる。

ステップａ）ないしｉ）は必ずしも上記の順番で実施する必要はない。個々のステップまたはいくつかのステップは、本発明による方法の正確な技術的工程に反しない限りは、１回または複数回反復してもよい。本発明による方法のステップを同時に実施してもよく、これによって方法の実施のために使用する装置のサイクルタイムの減少および／または稼働率の改善を達成できる。

好ましくは、工作物と加工ヘッドとは０．１ｍｍ以下の公差で加工位置へ送られる。

本発明による方法は、好ましくは、ステップａ）ないしｃ）と同時にステップｈ）とｉ）も実施されるように構成されている。これによって、他の加工位置にある第２の工作物を加工し、解放し、他方把持ロボットにより第１の工作物を第１の加工位置へ送ることが達成されるので有利である。このような方法制御により、加工機構の非生産停止時間が短縮される。

供給機構内に複数の第１の工作物が準備されている場合、或いは、ステップｃ）ないしｅ）のうちの１つのステップを行なっている間にすでにステップａ）が行なわれる場合には、ステップｂ）とステップｃ）はステップｈ）およびステップｉ）と同時に実施してよい。

さらに、少なくとも２つの他の加工位置が設けられ、把持機構の運動過程と加工機構の運動過程とが重らなければ、ステップｇ）とステップｈ）とを同時に実施することが可能である。この場合、第２の工作物を他の１つの加工位置へ送り、他方他の第２の工作物を他の更なる加工位置で加工ヘッドによって加工することが可能である。

さらに、締め付け固定機構を予め備えつけるため、ステップａ）ないしステップｉ）を反復して方法を実施する前に、ステップｇ）を一度実施するのが好ましい。

次に、本発明をいくつかの実施形態と図とを用いて詳細に説明する。
本発明による装置の１実施形態を備えた加工空間を第１の作動位置で示した平面図である。 第１の工作物をも併せて示した供給機構の図である。 本発明による装置の前記実施形態を備えた加工空間を第２の作動位置で示した平面図である。

図１には本発明による装置の１実施形態が示され、その主要な構成要素は、加工ヘッド２．１を備えた加工機構２と、把持手段３．２を備えた送り機構３と、供給機構４と、第１の締め付け固定機構９と、第２の締め付け固定機構１０である。

装置のこれら主要な構成要素は加工空間１内に配置されており、その壁１．１は、レーザー光線が外部へ出ないように構成されている。送り機構３は、把持アーム３．１と把持手段３．２とを備えた把持ロボットとして構成されている。把持アーム３．１は複数の枢着部（示唆的に示した）を有し、３つのすべての空間軸線に沿って可動である。送り機構３の把持範囲は該送り機構の実際に可能な運動と到達距離とによって与えられており、この把持範囲内で第１の工作物５および第２の工作物６を把持手段３．２によって把持し、保持し、移動させることができる。図１では、把持アーム３．１と把持手段３．２とは加工空間１の内部に方向づけられている。第１の工作物５は把持手段３．２によって保持されている。この第１の工作物５は加工空間１内で送り機構３によって次のように保持されており、すなわち該第１の工作物が把持手段３．２のみと接触し、且つ該第１の工作物５が第１の加工位置８．１（破線で示した）へ送られて、第１の工作物５の第１の加工線１４．１（図２を参照）が第１の加工位置８．１へもたらされるように、保持されている。第１の加工線１４．１は、レーザー光線（図示せず）を用いて加工ヘッド２．１によって第１の工作物５が切断されるような仮想線である。第１の工作物５は湾曲した管であるので、当然のことながら、実際の切り込みは第１の工作物５の周部に沿って形成されねばならず、第１の加工線１４．１はこの切り込みの投影部と見なすことができる。

加工ヘッド２．１は第１の加工位置８．１へ送られており、第１の加工位置８．１での第１の工作物５の加工が可能である。レーザー光線は、加工空間１の外側に配置されているレーザー源１１によって提供されている。光誘導ケーブルの形態のビーム供給部１２を介してレーザー光線はレーザー源１１から加工ヘッド２．１へ案内されて、そこで第１の工作物５に対し配向させることができる。

第１の加工位置８．１のほぼ水平方向高さの位置に第１の締め付け固定機構９と第２の締め付け固定機構１０とが対向するように壁１．１に配置されている。これら締め付け固定機構９，１０のそれぞれは締め付け固定手段（示唆的にのみ示した）を有し、この締め付け固定手段を用いてそれぞれ第２の工作物６を保持することができる。第１の締め付け固定機構９によって第２の加工位置８．２が定義され、第２の締め付け固定機構１０によって第３の加工位置８．３が定義されている。

第１および第２の締め付け固定機構９，１０と第１の加工位置８．１との下方には、搬送ベルトが搬送機構７として設けられ、その搬送方向（矢印で示した）は第１の締め付け固定機構９から第２の締め付け固定機構１０の方向に向いている。搬送ベルトは搬送方向において非対称Ｖ字形に沈み込んでいる。これによって、沈み込みの最深点に、搬送方向に延びる搬送溝７．１が形成されている。図１では、非対称構成を、搬送溝７．１の非対称位置によって示した。搬送ベルト上に落下する物体は重力のために搬送溝７．１内へ移動し、そこから壁１．１の破断部にて加工空間１から排出させることができる。搬送ベルトは加工空間１内部で周回している。

本発明による装置の他の実施形態では、搬送機構７は対称に構成されていてもよい。搬送機構７は壁１．１の破断部を貫通していてもよい。

送り機構３の把持領域内には供給機構４が配置されている。供給機構は、その拡がりの一部分にわたって壁１．１の破断部（示唆的に示した）を貫通して加工空間１内へ達している。供給機構４上には複数の保持部４．１（いくつかのみを示した）が設けられ、その配置構成とサイズとは次のように選定されており、すなわちこれら保持部４．１で第１の工作物５と第２の工作物６とを正確に既知の供給位置で且つ空間的な配向で保持できるように選定されている（図２に対する説明を参照）。

供給機構４の１実施形態が図２に示されている。保持部４．１は半円形の受容領域（図示せず）を備えた細条部として実施されている。受容領域のサイズと、保持部４．１のそれぞれの位置と方向とに関する該保持部の配置とにより、第１の工作物５を正確に１つの供給位置でのみ且つ正確に１つの空間的配向をもって保持部４．１に挿入することが可能になる。把持手段３．２（図１および図３を参照）によって第１の工作物５をたとえば中央の保持部４．１の間の領域で把持可能である。

第１の工作物５は湾曲した管の形態の半製品である。第１の工作物は回転対称に構成されておらず、すなわちその中心軸線５．１のまわりに回転対称に回転させることができない。第１の工作物５は、中心軸線５．１も存在している面内でのみ２次元に湾曲されている。この面に対し垂直に、第１の工作物５はそれぞれその半分の横断面でもってのみ突出している。

供給機構４の他の構成では、保持部４．１は次のように構成してもよく、すなわち３次元で成形された、たとえば折り曲げられた、プレスされた、射出成形された、または鋳造された第１の工作物５を、正確に１つの供給位置で且つ既知の空間的配向をもって受容し保持することができるように、構成してもよい。

明瞭にするために、複数の加工線１４．１ないし１４．４が図示されており、これらの加工線に沿って後で第１の工作物５をレーザー光線を用いて裁断する。第１の工作物５の両端にはそれぞれ縁片５．２が発生する。第１の工作物５の残っている長さは、他の第２の加工線１４．２と１４．３とによって３つの部分に分割され、これらの部分は、これら部分を切断した後に第２の工作物６として装置から排出されてさらに加工することができる。

図３は図１に示したすべての構成要素に対応している。装置の作動状態を示したもので、すなわち供給機構４に供給された第１の工作物５を送り機構３によって把持する作動状態を示している。第１の締め付け固定機構９によって保持されていた第２の工作物６を加工機構２によって加工した後の状態である。加工した第２の工作物６は第１の締め付け固定機構９によって解放されて、搬送機構７上にある。加工ヘッド２．１は第３の加工位置８．３に送られている。

レーザー源１１と、送り機構３と、加工機構２と、締め付け固定機構９，１０とに接続されている制御機構１３により、これら構成要素はすべて制御可能であり、これら構成要素の現在の作動状態を互いに調整可能である。

本発明による方法の可能な１実施形態を、図１および図２を用いて説明する。第１のステップで、第１および第２の工作物５，６を供給機構４の対応する保持部４．１に挿入し、その結果これら工作物はそれぞれ一義的な供給位置と空間的な配向とを有する。送り機構３によって把持アーム３．１と把持手段３．２とを用いて第２の工作物６を把持して第２の締め付け固定機構９へ送り、該第２の締め付け固定機構９によって保持する。次に、再び第２の工作物６を把持して第２の締め付け固定機構１０へ送り、該第２の締め付け固定機構によって保持する。この時間中、加工ヘッド２．１は、把持アーム３．１および把持手段３．２と衝突しない位置にある。この時点で送り機構３によって第１の工作物５を供給機構４によって把持する。第１の工作物５は供給位置および空間的配向の点で既知であり、しかも把持手段３．２によるこの第１の工作物５の把持も、該第１の工作物５の既知の領域で且つ予め決定された既知の方向から行われるので、把持機構と工作物との間の既知の相対位置も提供されている。第１の工作物５を加工位置８．１へ送り、空間内で自由に保持する。その際、把持手段３．２と第１の工作物５との間の相対位置は変化させない。これによって、第１の工作物５と、該第１の工作物５の加工線１４と、第１の加工位置８．１との間の相対位置も既知である。把持手段３．２により、第１の加工線１４．１が第１の加工位置８．１に位置するように第１の工作物５を保持させる。加工ヘッド２．１を第１の加工位置８．１へ送った後、加工ヘッドは第１の加工線１４．１をレーザー光線で切断し、１つの縁片５．２を第１の工作物５から切り離す。その際加工ヘッド２．１は、第１の加工線１４．１の長さの半分に相当する距離よりもいくぶん長い距離で１方向において切断を行なう。次に第１の加工線１４．１を、他の方向において、第１の加工線１４．１の長さのほぼ半分に相当する距離にわたって切断し、その際前記２つの距離の交差は、第１の工作物５からの前記１つの縁片５．２の完全な切り離しが行なわれるように、オーバーラップしている。縁片５．２は搬送機構７上へ落下し、重力によって搬送溝７．１の中へ移動し、加工空間１から排出される。次に、把持手段３．２の位置を変化させて、第２の加工線１４．２が第１の加工位置８．１へ送られるようにする。切断の工程を反復し、第２の工作物６を第１の工作物５の一部分として切断する。この部分も同様に加工空間１から排出させ、加工空間１の外側でさらに加工する。さらに加工した第２の工作物６は図示していない機構を介して再び供給機構４に挿入する。

第１の工作物５の切断は、すべての加工線１４．１ないし１４．４が完全に切断されるまで反復する。その際、加工線１４．３と１４．４の送りのために把持手段３．２を１８０゜回転させ、その結果加工ヘッド２．１は第１の加工位置８．１に留まることができる。すべての切断が行なわれたならば、把持手段３．２はまだ保持されている第１の工作物５の一部分を解放し、これを搬送機構７上へ落下させる。

その後、送り機構によって供給機構４上の第１の工作物５を把持し、第１の加工位置８．１へ送る。その間、加工ヘッド２．１を第２の加工位置８．２へ送り、そこにある第２の工作物６を加工する。この加工が終了した後、加工した第２の工作物６を第１の締め付け固定機構９から解放し、搬送機構７上へ落下させる。

加工ヘッド２．１を再び第１の加工位置８．１へ送り、そこにある第１の工作物５を加工する。送り機構３によって新たに第１の工作物５を供給機構４から把持して取り出している間、加工ヘッド２．１を第３の加工位置８．３へ送り、そこにある第２の工作物６を加工する。次に、前述したようにして第１の工作物５の加工を再び行う。この加工後には、第２の工作物６はもはや第２および第３の加工位置８．２，８．３にはない。この時点で送り機構３によって再びそれぞれ１つの第２の工作物６を第２および第３の加工位置８．２，８．３へ送る。この時間の間、加工ヘッド２．１は静止している。

１ 加工空間
１．１ （加工空間の）壁
２ 加工機構
２．１ 加工ヘッド
３ 送り機構
３．１ 把持アーム
３．２ 把持手段
４ 供給機構
４．１ 保持部
５ 第１の工作物
５．１ 中心軸線
５．２ 縁片
６ 第２の工作物
７ 搬送機構
７．１ 搬送溝
８．１ 第１の加工位置
８．２ 第２の加工位置
８．３ 第３の加工位置
９ 第１の締め付け固定機構
１０ 第２の締め付け固定機構
１１ レーザー源
１２ ビーム供給部
１３ 制御機構
１４ 加工線

Claims (5)

1. レーザー光線を用いて工作物（５，６）を加工するための装置であって、前記工作物（５，６）を第１の加工位置（８．１）へ送るための送り機構（３）と、前記第１の加工位置（８．１）に送られた前記工作物（５，６）を加工するための少なくとも１つの加工ヘッド（２．１）を有する加工機構（２）とを含んでいる前記装置において、
   前記送り機構（３）が把持機構（３．２）を備えた把持ロボットであること、
   前記加工ヘッド（２．１）が少なくとも３つの自由度のまわりに可動であること、
   前記送り機構（３）の把持領域に、保持部（４．１）を備えた供給機構（４）が配置され、前記保持部（４．１）の構成およびサイズは、該保持部（４．１）で保持される少なくとも１つの工作物（５，６）が前記送り機構（３）の所定の空間的配向と位置とにより供給されて前記保持部（４．１）から取り出されるように、選定されていること、
   前記送り機構（３）によって送られた１つの工作物（５，６）を受容するための少なくとも１つの締め付け固定機構（９，１０）が配置され、各締め付け固定機構（９，１０）によってそれぞれ１つの加工位置が定義されていること、
   前記加工ヘッド（２．１）が前記１つの工作物（５，６）を加工するための各加工位置へ送り可能であること、
   を特徴とする装置。
2. 前記第１の加工位置が、前記把持手段（３．２）の所定の空間的配向と位置とによって与えられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 請求項１または２に記載の装置を、レーザー光線を用いて非回転対称な工作物（５，６）を加工するために使用する方法。
4. レーザー光線を用いて３次元の非回転対称な工作物（５，６）を加工するための方法において、
   ａ）所定の空間的配向と供給位置とを備えた第１の工作物（５）として半製品を供給するステップと、
   ｂ）前記第１の工作物（５）を送り機構（３）の把持手段（３．２）を用いて把持するステップと、
   ｃ）前記第１の工作物（５）を前記把持手段（３．２）を用いて第１の加工位置（８．１）へ送り、その際に前記第１の工作物（５）を空間内で自由に保持するステップと、
   ｄ）加工機構（２）の加工ヘッド（２．１）を前記第１の加工位置（８．１）へ送って前記第１の工作物（５）を加工し、その際に前記ステップｃ）と前記ステップｄ）とを複数回実施しうるステップと、
   ｅ）加工した前記第１の工作物（５）を解放するステップと、
   ｆ）少なくとも１つの第２の工作物（６）を所定の空間的配向と供給位置とで供給するステップと、
   ｇ）前記第２の工作物（６）を把持して該第２の工作物（６）を前記把持手段（３．２）を用いて他の加工位置（８．２，８．３）へ送り、前記第２の工作物（６）を締め付け固定機構（９，１０）を用いて前記他の加工位置（８．２，８．３）で保持するステップと、
   ｈ）前記加工ヘッド（２．１）を前記他の加工位置（８．２，８．３）へ送って、前記第２の工作物（６）を加工するステップと、
   ｉ）加工した前記第２の工作物（６）を解放するステップと、
   を含んでいる方法。
5. 前記ステップａ）ないしｃ）と同時に前記ステップｈ）と前記ステップｉ）とを実施することを特徴とする、請求項４に記載の方法。

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