KR20230051579A - 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법 - Google Patents

결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법 Download PDF

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다쿠 와타나베
교헤이 이시다
고지 야마시타
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

삼차원 형상을 갖는 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 작업을 자동화하면서, 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량의 발생을 억제할 수 있는 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법을 제공하기 위해, 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 연삭구를 구비하는 연삭 장치와, 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 장치와, 상기 대상재에 있어서의 상기 결함의 위치를 검출하는 결함 검출 장치와, 상기 형상 측정 장치에 의해서 측정된 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세와 상기 결함 검출 장치에 의해서 검출된 상기 결함의 위치에 의거하여, 상기 결함을 연삭하기 위한 상기 연삭구의 궤적을 생성하고, 해당 궤적을 따라 상기 연삭구가 이동하도록 상기 연삭 장치를 제어하는 연삭구 제어 장치를 갖는 결함 연삭 시스템.

Description

결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법
본 발명은 강 제품 등의 대상재의 표면의 흠이나 결함을 연삭하여 제거하는 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법에 관한 것이다.
강관, 봉강, 형강, 강괴 등의 강 제품(이하, 대상재라 함)에는 제조 과정에 있어서의 각종 요인에 의해, 표면에 흠이나 결함(이하, 결함이라 함)이 발생하는 경우가 있다. 이들 대상재의 표면의 결함은 그라인더 등을 이용해서 결함을 그 주변과 고르게 되도록 연삭하는 손질 작업을 실행하여, 제거할 필요가 있다. 이 손질 작업에서는 작업자가 그라인더의 회전체를 수작업으로 대상재에 대고 연삭하는 작업의 위험성이나, 연삭에 수반해서 발생하는 진동이나 분진 등에 작업자가 노출되는 노동 환경의 문제가 있다. 또, 손질 작업을 실행하는 노동자를 확보할 필요도 생기기 때문에, 손질 작업의 자동화가 요망되고 있다.
그러나, 대상재로 되는 강 제품의 종류는 매우 다채로우며, 그 입체 형상은 다양하고, 또, 대상재의 표면에 발생하는 흠이나 결함의 위치도, 강 제품의 종류에 따라 다른 경우가 많다. 따라서, 대상재에 손질 작업을 실행하는 위치나 자세도 다양하다.
대상재의 손질 작업의 자동화에 관련해서, 예를 들면 특허문헌 1에는 대상재의 표면의 결함의 위치에, 결함의 성질에 대한 정보를 포함하는 마킹을 붙이고, 이 마킹을 검출하여 정보 처리를 실행하고, 자동 결함 손질 장치의 동작 지령으로 하는 자동 결함 손질 방법 및 장치가 개시되어 있다.
또, 특허문헌 2에는 그라인더 숫돌의 금속재 표면에의 접촉도를 검출하고, 이것을 이용하여 그라인더 숫돌에 의한 금속재 표면 결함부에 대한 잘라넣음량을 제어하는 금속재의 표면 결함 자동 연삭 장치가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는 강관, 형강 등의 성품에 마킹이나 손질을 실행하는 로봇의 동작을 교시할 때에, 생산관리용 계산기로부터 성품의 제조 사양을 출력하고, 이것을 받아 제어용 계산기에 의해 제조 사양에 대응하는 위치 데이터와 작업 종별을 나타내는 동작 정보를 구하고, 또한 이것을 받아 로봇 제어 장치에 의해 로봇의 동작을 교시하는 로봇 동작 교시 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 평성7-9320호 특허문헌 2: 일본국 특허공고공보 평성5-41388호 특허문헌 3: 일본국 특허공개공보 평성1-166105호
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되는 기술은 강판 등 평판 형상의 대상재를 대상으로 하고 있으며, 그 연삭면은 평탄하다. 따라서, 강관 등, 표면이 만곡되는 입체 형상을 갖는 대상재에, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되는 기술을 적용하면, 연삭면이 만곡되어 있는 것에 의해, 대상재의 표면에 대한 숫돌의 각도나 누름 연삭 반력의 방향이 변화하게 된다. 그리고, 숫돌과 대상재가 간섭하는 것에 의한 연삭 장치의 동작 불량이나, 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량이 발생할 우려가 있다.
또, 특허문헌 3에 개시되는 기술에서는 외부의 계산기로부터 대상재의 제품번호나 치수의 제조 사양을 취득하여, 로봇의 동작을 교시하고 있다. 그러나, 실제의 대상재의 손질 작업에서는 대상재 자체의 치수 오차나, 대상재의 배치 위치나 자세 등의 편차가 존재한다. 이 때문에, 로봇 암 또는 숫돌과 대상재가 간섭하는 것에 의한 연삭 장치의 동작 불량이나, 대상재의 표면에 대한 숫돌의 궤적이 목표대로 되지 않는 것에 의한 연삭 불량이 발생하는 문제가 있다.
작업자가 수작업에 의해 손질 작업을 실행하는 경우에는 상술한 바와 같은 오차나 편차에 대해, 대상재 현물을 육안으로 관찰하고, 대상재의 표면의 결함의 위치에 적절한 압력으로 그라인더를 압박하고, 결함을 그 주변과 고르게 되도록 그라인더를 움직이고 있다. 그리고, 적당한 타이밍에서 그라인더의 압박을 중지하고, 결함이 남아 있는지 아닌지를 육안으로 판정하고, 재연삭을 실행할 필요가 있는지 손질 작업을 종료해도 좋은지 판단하고 있다. 이 수작업에 의한 손질 작업을 분석하면, 이하의 수순으로 된다. (1) 시각 정보에 의거하는 대상재 현물의 형상 및 자세의 측정, (2) 그라인더 숫돌의 압박,(3) 연삭 반력·부하의 감지 및 이것에 의거하는 숫돌의 누름력의 조정, (4) 시각 정보에 의거하는 결함의 연삭 후의 대상재의 표면의 검사.
그래서, 본원 발명자들은 삼차원 형상을 갖는 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 손질 작업을 실행할 때에, 이하의 수순을 자동적으로 실행하는 것에 의해서 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량의 발생을 억제하는 것에 대해 검토하고, 본 발명에 이르렀다. (1) 카메라나 형상 센서를 이용한 대상재 현물의 형상 및 자세의 측정, (2) 대상재에 있어서의 결함의 위치의 검출, (3) 결함의 위치로의 그라인더 숫돌의 압박 동작의 생성, (4) 그라인더의 연삭 반력·부하의 측정 및 그 제어, (5) 결함의 연삭 후의 대상재의 표면의 검사 및 재연삭의 필요 가부의 판단.
본 발명은 상기와 같은 사정을 감안해서 이루어진 것이며, 삼차원 형상을 갖는 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 작업을 자동화하면서, 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량의 발생을 억제할 수 있는 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단은 이하와 같다.
[1] 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 연삭구를 구비하는 연삭 장치와, 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 장치와, 상기 대상재에 있어서의 상기 결함의 위치를 검출하는 결함 검출 장치와, 상기 형상 측정 장치에 의해서 측정된 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세와 상기 결함 검출 장치에 의해서 검출된 상기 결함의 위치에 의거하여, 상기 결함을 연삭하기 위한 상기 연삭구의 궤적을 생성하고, 해당 궤적을 따라 상기 연삭구가 이동하도록 상기 연삭 장치를 제어하는 연삭구 제어 장치를 갖는 결함 연삭 시스템.
여기서, 상기 결함은 대상재의 표면의 형상 변화를 발생시키지 않는 표면 결함을 포함하는 것으로 한다.
[2] 상기 연삭구가 상기 대상재로부터 받는 연삭 반력을 측정하는 연삭 반력 측정 장치를 더 갖고, 상기 연삭구 제어 장치는 상기 연삭 반력 측정 장치에 의해 측정된 상기 연삭 반력에 의거하여 상기 궤적을 보정하고, 보정된 상기 궤적을 따라 상기 연삭구가 이동하도록 상기 연삭 장치를 제어하는 [1]에 기재된 결함 연삭 시스템.
[3] 상기 연삭 장치에 의해 상기 결함이 연삭된 후에, 상기 결함의 위치에 있어서의 상기 대상재의 표면을 검사하는 검사 장치를 더 구비하는 [1] 또는 [2]에 기재된 결함 연삭 시스템.
[4] 대상재의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 공정과, 상기 대상재의 표면의 결함의 위치를 검출하는 결함 검출 공정과, 상기 형상 측정 공정에서 측정된 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세와 상기 결함 검출 공정에서 검출된 상기 결함의 위치에 의거하여, 상기 결함을 연삭하는 연삭구의 궤적을 생성하고, 해당 궤적을 따라 상기 연삭구를 이동시켜 상기 결함을 연삭하는 연삭 공정을 갖는 결함 연삭 방법.
[5] 상기 연삭 공정에서는 상기 연삭구가 상기 대상재로부터 받는 연삭 반력을 측정하고, 해당 연삭 반력에 의거하여 상기 궤적을 보정하고, 보정된 상기 궤적을 따라 상기 연삭구를 이동시키고 상기 결함을 연삭하는 [4]에 기재된 결함 연삭 방법.
[6] 상기 연삭 공정 후에, 상기 결함의 위치에 있어서의 상기 대상재의 표면을 검사하는 검사 공정을 더 구비하는 [4] 또는 [5]에 기재된 결함 연삭 방법.
[7] [4] 내지 [6] 중의 어느 하나에 기재된 결함 연삭 방법에 의해, 상기 대상재인 강 제품의 표면의 결함을 연삭하는 강 제품의 제조 방법.
본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법에 따르면, 삼차원 형상을 갖는 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 작업을 자동화하면서, 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 결함 연삭 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한 결함의 연삭 상황의 일예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한 결함의 연삭 상황의 다른 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 결함 연삭 시스템의 결함 검출 장치에 의한 결함의 검출의 일예를 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 결함 연삭 시스템의 결함 검출 장치에 의한 결함의 검출의 다른 일예를 설명하는 모식도이다.
도 6의 (a)∼도 6의 (c)는 본 발명의 결함 연삭 시스템의 형상 측정 장치에 의한 대상재의 삼차원 형상의 측정의 수순을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한, 연삭구의 궤적의 생성의 수순을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한, 연삭구의 궤적의 생성의 수순을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한, 연삭구의 궤적의 생성의 수순을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한, 연삭구의 궤적의 생성의 수순을 설명하는 도면이다.
도 11의 (a) 및 도 11의 (b)는 본 발명의 결함 연삭 시스템에 의한, 연삭구의 궤적의 보정의 상황을 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법의 실시형태에 대해, 상세하게 설명한다.
또한, 본 실시형태에 있어서 "결함"은 이물 부착 등에 의한 볼록 형상의 결함이나, 표면 결손 등에 의한 오목 형상의 결함 이외에, 대상재의 표면의 형상 변화를 발생시키지 않는 표면 결함 등을 포함한다. 또, "결함을 연삭한다"는 결함을 제거해서 대상재의 표면을 고르게 하는 것을 의미하고, 예를 들면 볼록 형상의 결함의 경우에는 결함을 연삭해서 대상재의 표면을 고르게 하고, 오목 형상의 결함의 경우에는 결함의 주변을 연삭하여 대상재의 표면을 고르게 것을 의미한다.
도 1에, 본 실시형태의 결함 연삭 시스템(1)의 전체 구성을 나타낸다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 결함 연삭 시스템(1)은 대상재 W의 표면의 결함 Wf를 연삭하는 숫돌(연삭구의 일예)(11)을 구비하는 그라인더(연삭 장치의 일예)(10)와, 그라인더(10)를 동작시키는 연삭 로봇(21)을 구비하고 있다. 또, 결함 연삭 시스템(1)은 대상재 W의 형상을 측정하는 레이저 거리계(형상 측정 장치, 결함 검출 장치의 일예)(31)와, 대상재 W의 표면을 촬영하는 카메라(결함 검출 장치, 검사 장치의 일예)(32)를 구비하고 있다. 그라인더(10)를 지지하는 연삭 로봇(21)의 암부에는 그라인더(10)가 대상재 W로부터 받는 연삭 반력을 측정하는 반력계(연삭 반력 측정 장치의 일예)(13)가 부착되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 레이저 거리계(31)는 대상재 W의 단면 형상을 측정하는 이차원 레이저 거리계이며, 후술하는 단축 액추에이터(33)에 의해서 동작 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 대상재 W를 단축 액추에이터(33)를 따르도록 배치해서, 단축 액추에이터(33)에 의해 작동되는 레이저 거리계(31)에서 대상재 W를 스캔함으로써, 대상재 W의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 공정이 실행된다. 또, 이것과 마찬가지의 동작에 의해, 레이저 거리계(31)는 대상재 W에 있어서의 결함 Wf의 위치를 검출하는 결함 검출 공정과, 그라인더(10)에 의해 결함 Wf가 연삭된 후에, 결함 Wf의 위치에 있어서의 대상재 W의 표면을 검사하는 검사 공정을 실행하도록 되어 있다. 대상재 W의 자세는 단축 액추에이터(33)를 기준으로 하는 대상재 W의 위치 및 방향이다.
카메라(32)도, 레이저 거리계(31)와 함께, 단축 액추에이터(33)에 의해서 동작 가능하게 설치되어 있다. 카메라는 대상재 W의 표면을 촬영하는 것에 의해, 레이저 거리계(31)와 함께 또는 레이저 거리계(31) 대신에, 대상재 W에 있어서의 결함 Wf의 위치를 검출하는 결함 검출 공정과, 그라인더(10)에 의해 결함 Wf가 연삭된 후에, 결함 Wf의 위치에 있어서의 대상재 W의 표면을 검사하는 검사 공정을 실행다. 또한, 검사 공정을 실행하지 않는 경우나, 레이저 거리계(31)에 의해서 결함 검출 공정을 실행하는 경우에는 결함 연삭 시스템(1)은 카메라(32)를 구비해 두어도 좋다.
그라인더(10) 및 연삭 로봇(21)의 동작은 컴퓨터로 이루어지는 연삭구 제어 PC(연삭구 제어 장치의 일예)(20)에 의해 제어된다. 또, 레이저 거리계(31), 카메라(32) 및 단축 액추에이터(33)의 동작은 범용 퍼스널 컴퓨터로 이루어지는 형상 측정·결함 검출 PC(형상 측정 장치, 결함 검출 장치의 일예)(40)에 의해 제어된다.
도 2에, 본 실시형태의 결함 연삭 시스템(1)에 의한 결함의 연삭 상황을 나타낸다. 연삭구 제어 PC(20)는 대상재 W의 표면의 결함 Wf를 연삭하는 연삭 공정을 실행한다. 구체적으로는 도 1에 나타내는 레이저 거리계(31)에 의해서 측정된 대상재 W의 삼차원 형상 및 자세와 레이저 거리계(31) 또는 카메라(32)에 의해서 검출된 결함 Wf(도 1 참조)의 위치에 의거하여, 결함 Wf를 연삭하기 위한 그라인더(10)의 숫돌(11)의 궤적 T0(도 2 참조)을 생성한다. 또, 이 궤적 T0을 따라 숫돌(11)이 이동하도록, 연삭 로봇(21)의 동작을 제어한다.
여기서, 상술한 바와 같이, 그라인더(10)에 의한 결함 Wf의 연삭중에는 반력계(13)에 의해, 그라인더(10)이 대상재 W로부터 받는 연삭 반력이 측정된다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 연삭구 제어 PC(20)는 연삭 로봇(21)의 피드백 제어를 실행한다. 즉, 반력계(13)에 의해서 측정된 연삭 반력에 의거하여 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정하고, 보정된 궤적 T1을 따라 숫돌(11)이 이동하도록 연삭 로봇(21)을 동작시킨다. 숫돌(11)의 궤적 T0의 보정은 연삭 로봇(21)에 의해서 그라인더(10)의 위치를 조정하고, 숫돌(11)의 대상재 W의 표면으로부터의 높이를 변경하는 것에 의해서 실행된다.
구체적으로는 도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 연삭구 제어 PC(20)에 의해서 연삭 로봇(21)을 동작시키고, 레이저 거리계(31) 또는 카메라(32)에 의해서 검출된 결함 Wf의 위치에 그라인더(10)의 숫돌(11)을 누르고, 숫돌(11)을 궤적 T0을 따라 이동시켜, 결함 Wf의 연삭을 개시한다. 그리고, 연삭구 제어 PC(20)는 결함 Wf의 연삭중에 반력계(13)에 의해서 측정된 연삭 반력을 소정의 목표값에 접근시키는 역운동학 계산을 실행하여, 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정한다. 그리고, 연삭구 제어 PC(20)는 보정된 궤적 T1을 따라 숫돌(11)이 이동하도록, 즉 숫돌(11)을 결함 Wf에 또한 누르도록, 또는 숫돌(11)을 결함 Wf에서 놓도록, 연삭 로봇(21)을 동작시킨다.
또는 도 3에 나타내는 바와 같이, 그라인더(10)를 지지하는 연삭 로봇(21)의 암부에, 반력계(13)에 부가해서, 신축 동작하는 액추에이터(연삭구 제어 장치의 일예)(12)를 추가해도 좋다. 이 경우에는 반력계(13)에서 측정된 연삭 반력에 의거하여 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정했을 때의, 숫돌(11)의 대상재 W의 표면으로부터의 높이의 변경을, 액추에이터(12)를 동작시키는 것에 의해서 실행하고, 마찬가지의 피드백 제어를 실현할 수 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 숫돌(11)의 높이를 조정하는 액추에이터(12)를 연삭 로봇(21)의 암부에 별도로 마련함으로써, 숫돌(11)의 높이 방향의 궤적 T0과, 높이 방향과 다른 방향의 궤적 T0을 각각 보정할 수 있다. 이 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같은 연삭 로봇(21)의 동작만으로 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정하는 구성에 비해, 연삭구 제어 PC(20)에 의한 연산 처리가 분산되고, 연삭구 제어 PC(20)에 큰 연산의 부하가 가해지는 것을 회피할 수 있고, 고속으로 궤적 T0을 보정하는 것이 가능하게 된다.
도 4에, 본 실시형태의 결함 연삭 시스템(1)에 의한, 대상재 W의 표면의 결함 Wf의 검출 방법을 나타낸다. 형상 측정·결함 검출 PC(40)는 레이저 거리계(31)에 의해서 측정된 대상재 W의 삼차원 형상에 의거하여, 결함 Wf를 검출한다. 예를 들면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 형상 측정·결함 검출 PC(40)는 패턴 매칭을 실행한다. 즉, 형상 측정·결함 검출 PC(40)는 레이저 거리계(31)에 의해서 측정된 형상 데이터(31D)를, 형상 측정·결함 검출 PC(40)에 미리 저장되어 있는 결함 형상 데이터(31A∼31C)와 비교한다. 그리고, 형상 데이터(31D)와, 결함 형상 데이터(31A∼31C) 중의 어느 하나의 유사성이 소정의 기준값 이상일 때, 형상 측정·결함 검출 PC(40)는 형상 데이터(31D)의 범위내에 결함 Wf를 검출한다.
또는 이 대신에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 카메라(32)에 의해서 촬영된 대상재 W의 표면의 화상 데이터(32D)에 의거하여, 결함 Wf를 검출해도 좋다. 대상재 W의 표면의 결함 Wf의 형상이 복잡하거나, 레이저 거리계(31)의 측정 정밀도 이하의 요철이거나 한 경우에는 이 방법을 유효하게 이용할 수 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 카메라(32)에 의해서 대상재 W의 표면을 촬영하여 화상 데이터(32D)를 취득하고, 이 화상 데이터(32D)를 화상 해석 처리하는 것에 의해서, 형상 측정·결함 검출 PC(40)는 화상 데이터(32D)의 범위내의 결함 Wf를 검출할 수 있다.
대상재 W의 결함 Wf를 검출하기 위한 또 다른 방법으로서는 연삭 로봇(21)의 암의 선단에 과전류 탐상기나 초음파 탐상기 등의 탐상기를 부착하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 레이저 거리계(31)에서 측정된 대상재 W의 삼차원 형상 및 자세에 의거하여, 탐상기를 대상재 W의 표면을 따라 이동시키는 것에 의해, 결함 Wf를 검출할 수 있다.
혹은 형상 측정·결함 검출 PC(40)에 의한 결함 Wf의 검출에, 작업자에 의한 판정을 조합해도 좋다. 예를 들면, 카메라(32)에 의해서 촬영된 대상재 W의 표면의 화상을 형상 측정·결함 검출 PC(40)의 화면에 표시시키고, 이것을 작업자가 육안으로 본다. 그리고, 결함 Wf가 확인된 경우에는 형상 측정·결함 검출 PC(40)를 조작하여 결함 Wf의 위치를 화상상에 지정하는 것에 의해, 결함 Wf의 검출을 실행해도 좋다.
상술한 바와 같이, 개별의 대상재 W마다 레이저 거리계(31)에서 대상재 W의 삼차원 형상 및 자세를 측정함으로써, 대상물 W의 현물의 정보에 의거하여 리얼타임으로 가공 궤적을 생성할 수 있다. 이것에 의해, 사전에 대상재 W의 3D 데이터를 준비할 필요가 없고, 3D 데이터로부터 가공 궤적을 생성하는 구성에 비해, 대상재 W의 현물의 다양한 편차를 자동으로 가공 궤적에 반영하는 것이 가능하게 된다.
또, 결함 Wf의 검출에 대해서도, 대상물 W의 현물에 존재하는 결함 Wf를 직접 측정함으로써, 대상재 W에 있어서의 결함 Wf의 위치 뿐만 아니라, 결함 Wf의 크기, 각도, 깊이 등의 정보, 더 나아가서는 결함 Wf의 주위에 있어서의 대상재 W의 표면의 정보도 검출하는 것이 가능하다.
연삭구 제어 PC(20)에 의해 그라인더(10) 및 연삭 로봇(21)의 동작을 제어하여, 소정 시간 또는 소정의 연삭량만큼 결함 Wf의 연삭을 실행한 후, 검사 공정을 실행한다. 구체적으로는 레이저 거리계(31) 또는 카메라(32)에 의해서, 결함 Wf를 연삭한 후의 대상재 W의 표면을 검사하여, 결함 Wf가 남아 있지 않은지 확인한다. 이 검사 공정은 상술한 결함 검출 공정과 마찬가지로, 레이저 거리계(31)에 의해서 측정된 대상재 W의 형상 데이터(31D)나, 카메라(32)에 의해서 촬영된 대상재 W의 표면의 화상 데이터(32D)를 해석하는 원격적인 방법에 의해 실행해도 좋다. 또, 검사 공정은 연삭 로봇(21)의 암의 선단에 부착한 과전류 탐상기나 초음파 탐상기 등에 의해 직접적으로 실행해도 좋다.
결함 Wf를 연삭한 후의 대상재 W의 표면의 검사는 결함 Wf를 연삭하기 전의 결함 Wf의 검출과 동일한 장치(즉, 레이저 거리계(31), 카메라(32))를 이용해서 실행해도 좋고, 다른 장치를 이용해서 실행해도 좋다. 동일한 장치를 이용하면, 결함 연삭 시스템(1)을 구성하는 부품 점수를 삭감할 수 있다. 또, 결함 Wf를 연삭한 후의 대상재 W에 잔존하는 결함 Wf는 연삭하기 전의 결함 Wf보다 검출하기 어렵다. 그러나, 다른 장치를 이용하면, 예를 들면, 결함 Wf를 연삭하기 전의 결함 Wf의 검출보다 고정밀도의 장치를 이용하면, 결함 Wf를 연삭한 후의 대상재 W의 표면에 결함 Wf가 잔존하고 있는지 아닌지를 더욱 고정밀도로 검사할 수 있다.
그리고, 결함 Wf가 잔존하고 있는 경우에는 재차 연삭을 실행하고, 결함 Wf가 잔존하고 있지 않은 경우는 연삭을 종료한다.
또한, 본 실시형태의 강 제품의 제조 방법은 상술한 결함 연삭 방법에 의해서, 대상재로서 강 제품의 표면의 결함을 연삭하는 공정을 갖고 구성되는 것이다.
실시예
이하에, 본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 이것을 이용한 강 제품의 제조 방법의 구체적인 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 φ50∼600의 강관을 대상재 W로 하여, 그 표면의 결함 Wf를 연삭해서 제거하고 있다.
도 6의 (a)∼도 6의 (c)에, 본 실시예의 결함 연삭 시스템(1)에 의한, 대상재 W의 삼차원 형상의 측정의 수순을 나타낸다.
도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 대상재 W의 윗쪽에, 대상재 W의 길이 방향을 따르도록 단축 액추에이터(33)를 배치하고, 또한 레이저 거리계(31)를 단축 액추에이터(33)와 연동해서 움직이도록 설치한다. 레이저 거리계(31)에 의한 대상재 W의 단면 형상의 측정면은 단축 액추에이터(33)의 동작 방향과 직교하도록 설정한다. 이하에서는 단축 액추에이터(33)의 동작 방향을 x축으로 하고, 레이저 거리계(31)에 의한 대상재 W의 단면 형상의 측정면의 폭 방향(수평 방향) 및 높이 방향(연직 방향)을 각각 y축, z축으로 한다.
형상 측정·결함 검출 PC(40)(도 1 참조)에 의해, 단축 액추에이터(33)를 동작시켜, 레이저 거리계(31)를 x방향으로 속도 V(㎜/s)에서 동작시키면서, 소정의 샘플링 주파수 fs(Hz)로 대상재 W의 삼차원 형상 및 자세를 측정한다. 그 결과, 도 6의 (b)에 나타내는 바와 같이, 레이저 거리계(31)가 각 위치에서 대상재 W의 단면 형상을 측정하는 것에 의해서 얻어지는 측정점 pm의 집합인 이차원의 형상 데이터점군이 x방향으로 소정의 측정 피치 Δx(㎜)로 배열된, 삼차원의 형상 데이터점군이 얻어진다. 이 때, x방향의 측정 피치 Δ×는 는 식 (1)과 같이 된다.
Δx=V/fs…(1)
여기서, 측정 피치 Δx가 0.1㎜∼5.0㎜의 범위내로 되도록, 레이저 거리계(31)의 속도 V 및 샘플링 주파수 fs를 설정한다. 레이저 거리계(31)의 속도 V는 레이저 거리계(31) 및 단축 액추에이터(33)의 특성에 따라, 10㎜/s∼1000㎜/s의 범위내에서 적절히 선택한다. 레이저 거리계(31)의 속도 V가 너무 크면, 레이저 거리계(31)가 동작중에 진동하여 측정 정밀도가 저하하는 문제가 생기고, 속도 V가 너무 작으면 측정 시간이 길어지는 문제가 발생하기 때문이다. 레이저 거리계(31)의 샘플링 주파수 fs는 10Hz∼10kHz의 범위로 되도록, 레이저 거리계(31)의 속도 V와 x방향의 측정 피치 Δx의 관계에 의거하여 설정한다. 또, y방향의 측정 피치 Δy가 0.1㎜∼5.0㎜의 범위내로 되도록, 레이저 거리계(31)의 동작을 설정한다.
이 형상 데이터점군으로부터, 도 4에 나타낸 상술한 방법에 의해서, 결함 Wf의 위치를 검출한다. 그리고, 이 결함 Wf를 포함하도록, 숫돌(11)로 대상재 W의 표면을 연삭하는 범위(이하, 연삭 범위라 함) Wa를 설정하고, 이 연삭 범위 Wa내에 존재하는 측정점 pm을 추출한다. 연삭 범위 Wa의 x방향 및 y방향의 길이 Lx(㎜), Ly(㎜)는 결함 Wf의 치수보다 커지도록 설정한다.
도 7∼도 10에, 본 실시예의 결함 연삭 시스템(1)의 연삭구 제어 PC에 의한, 연삭구(숫돌)(11)의 궤적 T0의 생성의 수순을 나타낸다.
도 7에, 연삭 범위 Wa내의 측정점 pm을 x-y 평면에 투영한 도면을 나타낸다. 여기서, 연삭 범위 Wa내에 존재하는 측정점 pm은 x방향에 간격 Δx로, y방향에 간격 Δy로 배열되어 있다.
우선, 숫돌(11)을 대상재 W에 누르면서 이동시켜, 대상재 W의 표면의 결함 Wf를 연삭할 때에, 숫돌(11)의 궤적 T0(T1)이 통과하는 복수의 연삭 목표점 pg를, 연삭 범위 Wa내에 존재하는 측정점 pm의 집합인 형상 데이터점군에 의거하여 설정한다. 연삭 가공의 조건의 하나인 결함 Wf의 연삭중에 숫돌(11)을 이동시키는 방향(이하, 연삭 방향이라 함)은 x방향, y방향 중의 어느 하나를 선택할 수 있지만, 본 실시예에서는 y방향으로 이동시킨다.
그리고, 도 7에 나타내는 바와 같이, 연삭 범위 Wa내에 있어서, 숫돌(11)을 대상재 W에 누르면서 연삭 방향의 궤적 T0(T1)을 따라 이동시키는 연삭을, 연삭 방향와 직교하는 방향으로 소정의 간격을 두고 반복하는 것에 의해, 연삭 범위 Wa 전체의 연삭을 실행한다.
연삭 범위 Wa내에 존재하는 복수의 측정점 pm 중, x방향 및 y방향의 좌표값이 가장 작은 점을 측정 원점 p0으로 한다. 그리고, 측정 원점 p0을 기준으로 하고, 그리고, 숫돌(11)에 의한 연삭을 개시하는 연삭 가공 원점 pg0의 x방향 및 y방향의 위치 Lxi(㎜), Lyi(㎜)를 설정한다. 연삭 가공 원점 pg0의 x방향 및 y방향의 위치 Lxi, Lyi는 연삭 범위 Wa의 x방향 및 y방향의 길이 Lx, Ly의 약 1/10보다 작아지도록 설정한다.
또한, 연삭 목표점 pg간의 x방향 및 y방향의 간격 ΔLx(㎜), ΔLy(㎜)를 설정한다. 연삭 방향에 있어서의 연삭 목표점 pg간의 간격(본 실시예에서는 ΔLy)은 연삭 방향에 있어서의 대상재 W의 곡률반경 등에 따라 설정하지만, 0.5㎜∼20㎜의 범위내로 설정하면 바람직하다. 또, 복수의 궤적 T0(T1)간의 간격(본 실시예에서는 ΔLx)을, 숫돌(11)에 의한 연삭 폭보다 작게 설정함으로써, 결함 Wf의 깎임 잔사를 방지할 수 있다. 여기서, x방향 및 y방향의 연삭 목표점 pg의 수 N, M은 각각, 식 (2), (3)과 같이 구해진다.
N=(Lx-Lxi)/ΔLx…(2)
M=(Ly-Lyi)/ΔLy…(3)
연삭 목표점 pg의 수는 결함 Wf의 크기나, 연삭 방향에 있어서의 대상재 W의 곡률반경 등에 따라 설정하지만, 10점∼100점의 범위내로 설정한다. 왜냐하면, 연삭 목표점 pg의 수가 너무 많으면, 연삭구 제어 PC의 계산 부하가 증대하여 사이클 타임이 증가하는 문제가 생기기 때문이다. 또, 연삭 목표점 pg의 수가 너무 적으면, 연삭 목표점 pg간에서 그라인더(10)가 대상재 W로부터 받는 연삭 반력의 크기가 상정 이상으로 되고, 연삭 반력의 제어가 불안정하게 되는 문제가 생기기 때문이다. 이와 같이 해서, 각 연삭 목표점 pg의 x방향 및 y방향의 위치 xg(㎜), yg(㎜)를 결정한다.
도 8을 참조하여, 연삭 목표점 pg의 z방향의 위치를 결정하기 위한 수순을 설명한다. 임의의 연삭 목표점 pg(xg, yg, zg)의 x방향 및 y방향의 위치(xg, yg)가 주지일 때에, 그 z방향의 위치 zg(㎜)은 이 연삭 목표점 pg에 가장 근접하는 4개의 측정점 pm1(x1, y1, z1), pm2(x2, y2, z2), pm3(x3, y3, z3), pm4(x4, y4, z4)와, 연삭 목표점 pg의 x방향 및 y방향의 위치(xg, yg)로부터, 식 (4)와 같이 구해진다.
Figure pct00001
도 9를 참조하여, 궤적 T0(T1)상에 있어서의 숫돌(11)의 자세 제어의 기준으로 되는 법선 벡터 n을 구하는 수순을 설명한다. 도 8과 마찬가지로, 임의의 연삭 목표점 pg에 가장 근접하는 4개의 측정점 pm1, pm2, pm3, pm4의 각각에 대해, 연삭 목표점 pg와의 거리 L1∼L4를 식 (5)와 같이 구한다. 그리고, 4개의 측정점 pm1, pm2, pm3, pm4로부터, 연삭 목표점 pg와의 거리 L1∼L4가 작은 순으로, 3점을 선택한다.
Figure pct00002
이와 같이 선택된 3점을, pp1(xp1, yp1, zp1), pp2(xp2, yp2, zp2), pp3(xp3, yp3, zp3)으로 하면, 이 3점이 존재하는 가상 평면 A의 법선 벡터 n의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분 p(㎜), q(㎜), r(㎜)은 식 (6)∼(8)과 같이 구해진다.
p=(yp2-yp1)(zp3-zp1)-(yp3-yp1)(zp3-zp1)…(6)
q=(zp2-zp1)(xp3-xp1)-(zp3-zp1)(xp3-xp1)…(7)
r=(xp2-xp1)(yp3-yp1)-(xp3-xp1)(yp3-yp1)…(8)
다음에, 연삭 목표점 pg간의 방향 벡터인 연삭 목표점간 벡터 f(af, bf, cf)를 구한다. 연삭 목표점 pg로부터, 그 다음의 연삭 목표점 pg+1(xg+1, yg+1, zg+1)을 향하는 연삭 목표점간 벡터 f의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분 af(㎜), bf(㎜), cf(㎜)는 식 (9)∼(11)과 같이 구해진다.
af=xg+1-xg…(9)
bf=yg+1-yg…(10)
cf=zg+1-zg…(11)
그리고, 가상 평면 A의 법선 벡터 n과, 연삭 목표점간 벡터 f를 무차원화해서, 무차원화 법선 벡터 N과, 무차원화 연삭 목표점간 벡터 F로 한다. 무차원화 법선 벡터 N의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분 P, Q, R과, 무차원화 연삭 목표점간 벡터 F의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분 Af, Bf, Cf는 식 (12)∼(17)과 같이 구해진다.
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
또한, 도 10을 참조하여, 숫돌(11)의 자세를 결정하는 수순을 설명한다. 도 10에는 숫돌(11)의 선단이 연삭 목표점 pg에 접촉되어 있는 상태를 나타내고 있다. 그라인더(10)의 숫돌(11)의 자세는 그 회전축(11X)과 평행한 단위벡터인 숫돌 자세 벡터 S로 해서 정의할 수 있다. 숫돌 자세 벡터 S는 (1) 무차원화 법선 벡터 N 및 무차원화 연삭 목표점간 벡터 F와 공면이며, 또한 (2) 무차원화 연삭 목표점간 벡터 F와 일정한 각도 θ(°)를 이루기 때문에, 식 (18)∼(20)과 같이 구해진다.
Figure pct00009
cosθ=Af·As+Bf·Bs+Cf·Cs…(19)
cosα=As·P+Bs·Q+Cs·R…(20)
여기서, t, s는 실수이고, As, Bs, Cs는 숫돌 자세 벡터 S의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분이고, α는 숫돌 자세 벡터 S와 무차원화 법선 벡터 N이 이루는 각도 α(°)이다.
숫돌 자세 벡터 S와 무차원화 법선 벡터 N이 이루는 각도 α(°)는 식 (21)과 같이 구해진다.
Figure pct00010
식 (18)∼(21)을 정리하면, 식 (22)의 연립 방정식으로 된다. 이 연립 방정식(22)을 푸는 것에 의해, 숫돌 자세 벡터 S의 x방향, y방향 및 z방향의 각 성분 As, Bs, Cs의 값이 구해진다.
Figure pct00011
상술한 바와 같이 해서 구해진 각 연삭 목표점 pg의 위치 및 숫돌 자세 벡터 S에 의거하여, 숫돌(11)의 궤적 T0을 생성한다. 그리고, 숫돌(11)을 대상재 W에 누르면서 궤적 T0을 따라 이동시킴으로써, 결함 Wf의 연삭을 실행한다.
본 실시예에서는 그라인더(10)로서 앵글 그라인더를 이용하고 있다. 그라인더(10)의 숫돌(11)의 회전수(11R)는 1000rpm∼15000rpm의 범위내에서, 숫돌(11)의 성상, 대상재 W의 재질 등에 따라, 적절한 크기로 설정한다. 또, 숫돌(11)의 이송 속도(11V)는 50㎜/min∼2000㎜/min의 범위내로 되도록 설정하면 바람직하다.
도 11의 (a) 및 도 11의 (b)에, 본 실시예의 결함 연삭 시스템에 의한, 숫돌(11)의 궤적 T0의 보정의 상황을 나타낸다.
숫돌(11)을 대상재 W에 누를 때, 숫돌(11)의 이송 방향과 수직인 방향에 발생하는 연삭 반력 Fr의 크기를, 반력계(13)(도 1 참조)에 의해서 측정한다. 그리고, 연삭구 제어 PC(20)에 의해, 반력계(13)에 의해서 측정된 연삭 반력 Fr을 소정의 목표값 Fr0에 근접시키는 역운동학 계산을 순차 실행하여, 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정하고, 보정된 궤적 T1을 따라 숫돌(11)을 이동시킨다. 구체적으로는 반력계(13)에 의해서 측정된 연삭 반력 Fr이 목표값 Fr0을 상회했을 때에는 당초의 궤적 T0보다 깊이 잘라넣도록, 또, 연삭 반력 Fr이 목표값 Fr0을 하회했을 때에는 당초의 궤적 T0보다 얕게 잘라넣도록, 숫돌(11)의 궤적 T0을 보정한다. 연삭 반력 Fr의 목표값은 10N∼3000N의 범위내에서, 숫돌(11)의 성상이나 대상재 W의 재질 등에 따라 설정한다. 이와 같이, 반력계(13)에 의해 측정된 연삭 반력 Fr에 의거하여 숫돌(11)의 궤적을 보정T0하고, 보정된 궤적 T1을 따라 숫돌(11)을 이동시킴으로써, 결함 Wf와 그 주변부를 수작업과 같이 원활하게 매끄럽게 제거하는 것이 가능하게 된다.
또, 결함 Wf의 연삭시에 숫돌(11)의 이송 방향과 수직인 방향에 발생하는 연삭 반력 Fr의 크기를 목표값에 근접시키는 대신에, 결함 Wf의 연삭시에 발생하는 연삭 반력 Fr의 방향이나, 연삭 로봇(21)의 암에 작용하는 반모멘트나, 그라인더(10)의 전류 부하 등을 목표값에 근접시킴으로써, 숫돌(11)의 궤적 T0의 보정을 실행하는 것도 가능하다.
상기 실시예에서는 φ50∼600의 강관을 대상재 W로 하여, 그 표면의 결함 Wf를 연삭해서 제거하는 예에 대해 설명했지만, 본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 강 재료의 제조 방법의 적용 대상은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 웹 길이 200㎜∼1000㎜의 H형강이나, 유효 폭 400㎜∼900㎜의 널말뚝 등을 대상재 W로 해서, 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.
또, 상기 실시예에서는 숫돌(11)이 대상재 W로부터 받는 연삭 반력을 측정하는 반력계(연삭 반력 측정 장치)(13)를 이용하고 있다. 그러나, 본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법 및 강 재료의 제조 방법은 연삭 반력 측정 장치를 구비하지 않아도, 삼차원 형상을 갖는 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 작업을 자동화하면서, 과연삭이나 연삭 부족 등의 연삭 불량의 발생을 억제한다는 효과를 얻는다.
상기 실시예에서는 강관의 표면의 결함을 연삭하기 위해, 본 발명의 결함 연삭 시스템, 결함 연삭 방법을 적용하는 것에 의해, 본 발명을 적용하지 않았을 때에 결함의 손질 작업에 필요하게 되어 작업자의 약 50%를 다른 작업으로 배분할 수 있었다. 이것에 의해, 그라인더의 회전체를 수작업으로 대상재에 대고 연삭하는 작업의 위험성이나, 연삭에 수반해서 발생하는 진동이나 분진 등에 작업자가 노출되는 노동 환경의 문제로부터, 작업자를 해방시킬 수 있었다.
1; 결함 연삭 시스템 10; 그라인더(연삭 장치)
11; 숫돌(연삭구) 11X; 회전축
11R; 회전수 12; 액추에이터(연삭구 제어 장치)
13; 반력계(연삭 반력 측정 장치)
20; 연삭구 제어 PC(연삭구 제어 장치)
21; 연삭 로봇(연삭구 제어 장치)
31; 레이저 거리계(형상 측정 장치, 결함 검출 장치)
31A∼31C; 결함 형상 데이터 31D; 형상 데이터
32; 카메라(결함 검출 장치, 검사 장치)
32D; 화상 데이터
33; 단축 액추에이터(형상 측정 장치, 결함 검출 장치, 검사 장치)
40; 형상 측정·결함 검출 제어 PC(형상 측정 장치, 검사 장치)
W; 대상재 Wf; 결함
Wa; 연삭 범위 Fr; 연삭 반력
T0; 궤적 T1; 보정된 궤적
Lx; 연삭 범위의 x방향의 길이 Ly; 연삭 범위의 y방향의 길이
ΔLx; 연삭 목표점간의 x방향의 간격
ΔLx; 연삭 목표점간의 y방향의 간격
pm; 측정점 p0; 측정 원점
pg; 연삭 목표점 pg0; 연삭 가공 원점
Lxi; 연삭 가공 원점의 x방향의 위치
Lyi; 연삭 가공 원점의 y방향의 위치
A; 가상 평면
n; 가상 평면의 법선 벡터 f; 연삭 목표점간 벡터
N; 가상 평면의 무차원화 법선 벡터
F; 무차원화 연삭 목표점간 벡터 S; 숫돌 자세 벡터

Claims (7)

  1. 대상재의 표면의 결함을 연삭하는 연삭구를 구비하는 연삭 장치와,
    상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 장치와,
    상기 대상재에 있어서의 상기 결함의 위치를 검출하는 결함 검출 장치와,
    상기 형상 측정 장치에 의해서 측정된 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세와 상기 결함 검출 장치에 의해서 검출된 상기 결함의 위치에 의거하여, 상기 결함을 연삭하기 위한 상기 연삭구의 궤적을 생성하고, 해당 궤적을 따라 상기 연삭구가 이동하도록 상기 연삭 장치를 제어하는 연삭구 제어 장치를 갖는 결함 연삭 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연삭구가 상기 대상재로부터 받는 연삭 반력을 측정하는 연삭 반력 측정 장치를 더 갖고,
    상기 연삭구 제어 장치는 상기 연삭 반력 측정 장치에 의해 측정된 상기 연삭 반력에 의거하여 상기 궤적을 보정하고, 보정된 상기 궤적을 따라 상기 연삭구가 이동하도록 상기 연삭 장치를 제어하는 결함 연삭 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연삭 장치에 의해 상기 결함이 연삭된 후에, 상기 결함의 위치에 있어서의 상기 대상재의 표면을 검사하는 검사 장치를 더 구비하는 결함 연삭 시스템.
  4. 대상재의 삼차원 형상 및 자세를 측정하는 형상 측정 공정과,
    상기 대상재의 표면의 결함의 위치를 검출하는 결함 검출 공정과,
    상기 형상 측정 공정에서 측정된 상기 대상재의 삼차원 형상 및 자세와 상기 결함 검출 공정에서 검출된 상기 결함의 위치에 의거하여, 상기 결함을 연삭하는 연삭구의 궤적을 생성하고, 해당 궤적을 따라 상기 연삭구를 이동시켜 상기 결함을 연삭하는 연삭 공정을 갖는 결함 연삭 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연삭 공정에서는 상기 연삭구가 상기 대상재로부터 받는 연삭 반력을 측정하고, 해당 연삭 반력에 의거하여 상기 궤적을 보정하고, 보정된 상기 궤적을 따라 상기 연삭구를 이동시켜 상기 결함을 연삭하는 결함 연삭 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 연삭 공정 후에, 상기 결함의 위치에 있어서의 상기 대상재의 표면을 검사하는 검사 공정을 더 구비하는 결함 연삭 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 결함 연삭 방법에 의해, 상기 대상재인 강 제품의 표면의 결함을 연삭하는 강 제품의 제조 방법.
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