KR102405954B1 - 공작 기계의 공구 길이 측정방법 - Google Patents

공작 기계의 공구 길이 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공구의 이송속도 변경과 반복적인 측정 없이 정밀하게 공구의 길이를 측정할 수 있는 공작 기계의 공구 길이 측정방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법은 카메라로 촬영되는 이미지를 이용하여 Z축 방향으로 이동되는 공구의 길이를 측정하는 방법으로서, 길이(Lref)를 알고 있는 기준 공구(Tref)가 기준위치(Pref)에 정렬된 상태의 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 준비단계와; 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 상기 기준위치(Pref) 주변에 위치시키고, 카메라로 촬영하여 이미지를 획득한 다음, 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)을 획득하고, 상기 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 측정단계와; 상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)과 상기 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 연산단계를 포함한다.

Description

공작 기계의 공구 길이 측정방법{Method for measuring tool length of machine tool}
본 발명은 공작 기계의 공구 길이 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공구의 이송속도 변경과 반복적인 측정 없이 정밀하게 공구의 길이를 측정할 수 있는 공작 기계의 공구 길이 측정방법에 관한 것이다.
공작기계를 이용한 절삭가공은 다양한 절삭공구를 이용하여 평삭가공, 측면가공, 구멍가공, 나사가공 등이 이루어지며, 이를 위한 NC(수치제어) 공작기계의 경우, 일측에 마련된 공구 매거진에 다수의 절삭공구를 배치하고 주축은 이 공구를 이용하여 필요한 가공에 공구를 교환하면서 가공을 하게 된다. 이로서 공작기계는 다수의 공구수납으로 보다 빠르고 신속하게 운용된다.
상기한 공작기계에 사용되는 공구는 가공 중에 공작물과의 마찰로 인해 공구인선이 마모되면서 길이가 변화하거나 가공 중에 공작물의 재질 불균일, 장비 운용 실수 및 외부의 요인에 의하여 파손 또는 절손 등이 발생된다.
그래서, 정밀한 절삭가공을 위해서는 공구를 공작기계에 장착하고, 장착된 공구의 길이를 정확하게 측정 및 세팅하여야 한다.
일반적으로 공작기계에 장착되는 공구의 길이를 측정하는 방법은 사전에 대략적인 공구의 데이터가 입력이 되어있어야 한다. 그리고, 그 입력값을 기준으로 측정기에 근접되도록 공구를 이송시킨다. 이때 측정기에 공구 끝단이 감지될 때까지 공구를 저속으로 이송시켜야 하는 단점이 있었다.
또한, 측정 정밀도를 높이기 위해서는 공구의 이송속도를 낮춰가며 수회(2회 이상) 반복측정을 하여야 하는 단점이 있었다.
이로 인해 공구 측정에 상당 시간이 소모되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본등록특허공보 제3958815호 (2007.05.18)
본 발명은 공구의 이송속도 변경과 반복적인 측정 없이 정밀하게 공구의 길이를 측정할 수 있는 공작 기계의 공구 길이 측정방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법은 카메라로 촬영되는 이미지를 이용하여 Z축 방향으로 이동되는 공구의 길이를 측정하는 방법으로서, 길이(Lref)를 알고 있는 기준 공구(Tref)가 기준위치(Pref)에 정렬된 상태의 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 준비단계와; 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 상기 기준위치(Pref) 주변에 위치시키고, 카메라로 촬영하여 이미지를 획득한 다음, 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)을 획득하고, 상기 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 측정단계와; 상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)과 상기 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 연산단계를 포함한다.
상기 준비단계는, 카메라로 촬영되는 촬상영역에 기준위치(Pref)를 설정하는 제 1 준비과정과; 상기 기준 공구(Tref)를 Z축 이송수단에 장착한 다음, Z축 방향으로 이동시켜 기준 공구(Tref)의 끝단을 기준위치(Pref)에 위치시키는 제 2 준비과정과; 기준위치(Pref)에 끝단이 정렬된 기준 공구(Tref)에 대한 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 제 3 준비과정을 포함한다.
청구항 1에 있어서, 상기 측정단계는, 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 Z축 이송수단에 장착한 다음 Z축 방향으로 이동시켜 실제 공구(Temb)의 끝단을 카메라의 촬상영역에 위치시키는 제 1 측정과정과; 촬상영역에 위치한 실제 공구(Temb)를 카메라로 촬영하여 이미지를 획득하는 제 2 측정과정과; 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)를 획득하는 제 3 측정과정과; 획득된 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 제 4 측정과정을 포함한다.
상기 제 1 준비과정에서는 상기 촬상영역을 Z축 방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 상부 영역, 측정 영역 및 하부 영역으로 구분하고, 상기 측정 영역의 중간에 기준위치(Pref)를 설정하고, 상기 제 1 측정과정에서는 상기 실제 공구(Temb)의 끝단을 상기 측정 영역 내에 위치시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 측정과정에서 카메라는 Z축 방향을 기준으로 상기 기준위치(Pref)와 동일 선상에서 상기 실제 공구(Temb)를 촬영하여 이미지를 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 측정과정에서 획득된 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단은 획득된 이미지의 중심축선(Pv) 상 끝단인 것을 특징으로 한다.
상기 연산단계는, 상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)을 연산하는 제 1 연산과정과; 상기 좌표 차이값(ΔZ)과 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 기준 공구(Tref)의 길이(Lref) 대비 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 연산하는 제 2 연산과정과; 상기 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)에 상기 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 보상하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 제 3 연산과정을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공구의 끝단 위치를 파악하고, 측정을 개시할 수 있기 때문에 해당 공구의 기본정보 없이 공구의 길이를 측정할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
그리고, 공구의 촬영 후 공구의 왜곡이 최소화되는 영역에서 이미지를 획득 및 길이가 연산되므로 공구의 길이를 정밀하게 측정할 수 있다. 이에 따라 반복 측정이나 측정 영역에서 공구의 이동 속도를 낮출 필요가 없기 때문에 공구의 길이 측정을 위한 시간 소모를 최소화할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법이 실시되는 장치를 보여주는 구성도이고,
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따라 획득되는 이미지의 기준을 보여주는 도면이며,
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따라 획득되는 이미지의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법이 실시되는 장치를 보여주는 구성도이고, 도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따라 획득되는 이미지의 기준을 보여주는 도면이며, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따라 획득되는 이미지의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법을 위해서는 공구의 형상을 촬영하여 이미지(11)를 획득할 수 있는 카메라(10)와; 상기 카메라(10)에서 획득된 이미지(11)를 수집 및 분석하는 컴퓨터(20)와; 공구(T)가 장착된 상태에서 해당 공구(T)를 Z축 방향으로 이송시키는 Z축 이송수단(30)과; 상기 Z축 이송수단(30)의 동작을 제어하면서 Z축 좌표를 도출하는 제어기(40)가 구비된다.
이렇게 구비된 장치를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 공구 길이 측정방법은 카메라(10)로 촬영되는 이미지(11)를 이용하여 Z축 방향으로 이동되는 공구(T)의 길이를 측정하는 방법으로서, 길이(Lref)를 알고 있는 기준 공구(Tref)가 기준위치(Pref)에 정렬된 상태의 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 준비단계와; 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 상기 기준위치(Pref) 주변에 위치시키고, 카메라로 촬영하여 이미지(11)를 획득한 다음, 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)을 획득하고, 상기 이미지(11)에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 측정단계와; 상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)과 상기 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 연산단계를 포함한다.
준비단계는 실제로 측정되는 실제 공구(Temb)의 길이를 측정하기 위하여 사용되는 대조군의 정보를 획득하는 단계로서, 길이(Lref)를 알고 있는 기준 공구(Tref)를 사용한다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 카메라(10)로 촬영되는 촬상영역을 Z축 방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 상부 영역(S1), 측정 영역(S2) 및 하부 영역(S3)으로 구분한다. 그리고, 측정 영역(S2)의 중간에 가로 방향을 따라 기준위치(Pref)를 설정한다. 그리고, 측정 영역(S2)의 가로 방향 중간에 Z축 방향을 따라 중심축선(Pv)를 설정한다.(제 1 준비과정)
이때, 카메라(10)는 Z축 방향을 기준으로 기준위치(Pref)와 동일 선상에서 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 준비된 기준 공구(Tref)를 Z축 이송수단(30)에 장착한 다음, Z축 방향으로 이동시켜 기준 공구(Tref)의 끝단이 기준위치(Pref)에 정렬되도록 위치시킨다.(제 2 준비과정)
이렇게 기준 공구(Tref)의 끝단이 기준위치(Pref)에 정렬되었다면, 이때 제어기(40)를 통하여 기준 공구(Tref)에 대한 Z축 기준좌표(Zref)를 획득한다.(제 3 준비과정)
이렇게 기준 공구(Tref)에 대한 기준위치(Pref)에서의 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하였다면, 실제 공구(Temb)의 길이를 측정하는 측정 단계를 실시한다.
측정 단계는 실제 공구(Temb)를 Z축 이송수단(30)에 장착하고 Z축 이송수단을 작동시키면서 실제 공구(Temb)의 길이를 실시간으로 측정하는 단계이다.
먼저, 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 Z축 이송수단(30)에 장착한다. 그리고, 제어기(40)를 작동시켜서 실제 공구(Temb)를 Z축 방향으로 이동시킨다. 그래서 실제 공구(Temb)의 끝단을 카메라의 촬상영역에 위치되도록 한다.(제 1 측정과정)
그리고, 촬상영역에 위치한 실제 공구(Temb)를 카메라(10)로 촬영하여 이미지(11)를 실시간으로 획득한다.(제 2 측정과정)
이렇게 획득된 이미지(11)는 컴퓨터(20)로 전송되고, 컴퓨터에서는 획득된 이미지(11)를 이용하여 공구의 형상 및 위치를 인식한다.
공구의 형상 및 위치를 인식하기 위해서는 먼저 획득된 이미지(11)를 2D 행렬 구조의 데이터로 변경한다. 그리고, 행렬의 인자값을 임계값을 기준으로 '0'과 '1'로 변경한다. 그래서 인자값이 '1'로 변경된 영역에 공구가 위치되는 것으로 인식하는 것이다.
그리고, 제어기(40)를 통하여 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)를 실시간으로 획득한다.(제 3 측정과정)
또한, 도 2c에 도시된 바와 같이 획득된 이미지(11)에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정한다.(제 4 측정과정)
한편, 측정단계에서는 왜곡 없는 정확한 측정을 위하여 실제 공구(Temb)의 끝단을 측정 영역(S2) 내에 위치시키는 것이 바람직하다.
예를 들어, Z축 이송수단(30)에 의해 Z축 방향을 따라 이송되는 실제 공구(Temb)의 끝단이 도 3a와 같이 상부 영역(S1)에 위치된 상태에서 이미지(11)가 획득되는 경우에는 Z축 이송수단(30)을 더 하강시켜 실제 공구(Temb)의 끝단이 도 3b와 같이 측정 영역(S2) 내에 위치되도록 한다.
또한, Z축 이송수단(30)에 의해 Z축 방향을 따라 이송되는 실제 공구(Temb)의 끝단이 도 3c와 같이 하부 영역(S1)에 위치된 상태에서 이미지(11)가 획득되는 경우에는 Z축 이송수단(30)을 다시 상승시켜 실제 공구(Temb)의 끝단이 도 3b와 같이 측정 영역(S2) 내에 위치되도록 한다.
그래서, 제 2 측정과정에서 카메라(10)는 Z축 방향을 기준으로 기준위치(Pref)와 동일 선상에서 상기 실제 공구(Temb)를 촬영하여 이미지(11)를 획득하였을 때 이미지(11)의 왜곡이 발생하는 것을 최소화시키는 것이 바람직하다.
또한, 제 4 측정과정에서 실제 공구(Temb)의 끝단은 획득된 이미지(11)의 중심축선(Pv) 상 끝단을 활용한다.
이렇게 획득된 이미지(11) 중 중심축선(Pv) 상 끝단을 실제 공구(Temb)의 끝단으로 활용하는 이유는 공구의 끝단이 중심부에서 멀어질수록 촬영 각도에 따른 공구의 형상 왜곡이 발생하기 때문에 공구의 형상 왜곡이 최소화되는 영역인 중심축선(Pv) 상의 데이터를 활용하는 것이다.
이렇게 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 획득하였다면, 이를 이용하여 실제 공구(Temb)의 길이를 연산한다.
연산단계는 전술된 단계들을 통하여 획득한 데이터를 토대로 실제 공구(Temb)의 길이를 연산하는 단계이다.
먼저, Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)을 연산한다.(제 1 연산과정)
그리고, 좌표 차이값(ΔZ)과 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 기준 공구(Tref)의 길이(Lref) 대비 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 연산한다.(제 2 연산과정)
그래서, 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)에 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 보상하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득한다.(제 3 연산과정)
예를 들어 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)가 300mm일 경우에, 좌표 차이값(ΔZ)과 길이 차이값(ΔL)이 모두 '0'의 값을 갖는 다면 실제 공구(Temb)는 기준 공구(Tref)와 동일한 길이인 300mm인 것이다.
반면에, 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)가 300mm일 경우에, 좌표 차이값(ΔZ)은 '0'의 값을 갖는데, 길이 차이값(ΔL)이 "+10"의 값을 갖는다면, 실제 공구(Temb)의 길이는 300mm에서 길이 차이값(ΔL)인 "+10"을 보상하여 310mm인 것이다.
또한, 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)가 300mm일 경우에, 길이 차이값(ΔL)은 '0'의 값을 갖는데, 좌표 차이값(ΔZ)이 '+5' 값을 갖는다면, 실제 공구(Temb)의 길이는 300mm에서 좌표 차이값(ΔZ)인 '+5'을 보상하여 295mm인 것이다. 이때 좌표 차이값(ΔZ) '1'을 1mm로 설정하여 연산한 것이다. 이는 Z축 좌표값에 따른 Z축 이송수단(30)의 이송 거리를 설정하는 것에 따라 좌표 차이값(ΔZ) '1'에 대한 공구 길의 보상값이 비례적으로 변경될 수 있을 것이다.
이렇게 좌표 차이값(ΔZ)과 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 기준 공구(Tref)의 길이(Lref) 대비 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 연산하고, 이를 이용하여 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)에 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 보상하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 것이다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 카메라 11: 이미지
20: 컴퓨터 30: Z축 이송수단
40L 제어기 T: 공구

Claims (7)

  1. 카메라로 촬영되는 이미지를 이용하여 Z축 방향으로 이동되는 공구의 길이를 측정하는 방법으로서,
    길이(Lref)를 알고 있는 기준 공구(Tref)가 기준위치(Pref)에 정렬된 상태의 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 준비단계와;
    측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 상기 기준위치(Pref) 주변에 위치시키고, 카메라로 촬영하여 이미지를 획득한 다음, 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)을 획득하고, 상기 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 측정단계와;
    상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)과 상기 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 연산단계를 포함하고,
    상기 준비단계는, 카메라로 촬영되는 촬상영역에 기준위치(Pref)를 설정하는 제 1 준비과정과; 상기 기준 공구(Tref)를 Z축 이송수단에 장착한 다음, Z축 방향으로 이동시켜 기준 공구(Tref)의 끝단을 기준위치(Pref)에 위치시키는 제 2 준비과정과; 기준위치(Pref)에 끝단이 정렬된 기준 공구(Tref)에 대한 Z축 기준좌표(Zref)를 획득하는 제 3 준비과정을 포함하며,
    상기 측정단계는, 측정하고자 하는 실제 공구(Temb)를 Z축 이송수단에 장착한 다음 Z축 방향으로 이동시켜 실제 공구(Temb)의 끝단을 카메라의 촬상영역에 위치시키는 제 1 측정과정과; 촬상영역에 위치한 실제 공구(Temb)를 카메라로 촬영하여 이미지를 획득하는 제 2 측정과정과; 실제 공구(Temb)에 대한 Z축 실측좌표(Zemb)를 획득하는 제 3 측정과정과; 획득된 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단과 기준위치(Pref) 사이의 거리 차이값(ΔD)를 측정하는 제 4 측정과정을 포함하는 공작 기계의 공구 길이 측정방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 준비과정에서는 상기 촬상영역을 Z축 방향을 기준으로 상부에서 하부 방향으로 상부 영역, 측정 영역 및 하부 영역으로 구분하고, 상기 측정 영역의 중간에 기준위치(Pref)를 설정하고,
    상기 제 1 측정과정에서는 상기 실제 공구(Temb)의 끝단을 상기 측정 영역 내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구 길이 측정방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 측정과정에서 카메라는 Z축 방향을 기준으로 상기 기준위치(Pref)와 동일 선상에서 상기 실제 공구(Temb)를 촬영하여 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구 길이 측정방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 4 측정과정에서 획득된 이미지에서 실제 공구(Temb)의 끝단은 획득된 이미지의 중심축선(Pv) 상 끝단인 것을 특징으로 하는 공작 기계의 공구 길이 측정방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 연산단계는,
    상기 Z축 기준좌표(Zref)와 Z축 실측좌표(Zemb) 사이의 차이값인 좌표 차이값(ΔZ)을 연산하는 제 1 연산과정과;
    상기 좌표 차이값(ΔZ)과 거리 차이값(ΔD)을 이용하여 기준 공구(Tref)의 길이(Lref) 대비 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 연산하는 제 2 연산과정과;
    상기 기준 공구(Tref)의 길이(Lref)에 상기 실제 공구(Temb)의 길이 차이값(ΔL)을 보상하여 실제 공구(Temb)의 길이(Lemb)를 획득하는 제 3 연산과정을 포함하는 공작 기계의 공구 길이 측정방법.
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