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我心目中的機(jī)電一體化未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)——人與機(jī)電一體化和諧相處近20年來(lái),一系列先進(jìn)技術(shù)陸續(xù)興起并獲得迅速發(fā)展,主要包括電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、激光技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、航天技術(shù)、海洋工程技術(shù)和生物工程技術(shù)等。這些新技術(shù)在自身發(fā)展的同時(shí),他們彼此之間,他們與傳統(tǒng)技術(shù)之間,又相互滲透,相互結(jié)合,形成了多種復(fù)合技術(shù),進(jìn)一步推動(dòng)了科技發(fā)出現(xiàn)了新的高潮。從五十年代末期,機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合到九十年代通信技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入機(jī)電一體化領(lǐng)域,通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展促使了分布式的系統(tǒng)的形成,不少機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)遙控操作。機(jī)電一體化已建立了完整的基礎(chǔ)理論和逐漸形成了完整的科學(xué)體系。在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中,機(jī)電一體化領(lǐng)域,必會(huì)向著一個(gè)新的歷史高度——人與機(jī)電一體化和諧發(fā)展的新領(lǐng)域而邁進(jìn)。1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成總的來(lái)說(shuō)機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械部分、動(dòng)力部分、傳感部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行部分、控制及信息處理部分等幾大基本部分組成。1.1機(jī)械本體部分機(jī)械本體就像人體的身軀骨架,它是系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu),包括機(jī)身、框架、機(jī)械連接等。1.2動(dòng)力部分動(dòng)力部分與人體內(nèi)臟產(chǎn)生能量去維持生命運(yùn)動(dòng)一樣,為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力功能,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),使系統(tǒng)按照控制要求正常運(yùn)行。1.3傳感部分傳感部分就像人的眼、鼻、耳、口等感覺(jué)器官,將系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),變成可識(shí)別的信號(hào),傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。其功能一般由專(zhuān)門(mén)的傳感器和儀器儀表完成。1.4驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分就像人體的肌、肋、腱接受大腦指揮驅(qū)動(dòng)四肢運(yùn)動(dòng)一樣,在控制信息作用下,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。1.5執(zhí)行部分執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦支配完成各項(xiàng)工作任務(wù)一樣,根據(jù)控制信息和指令,完成各種動(dòng)作和功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件,一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)。1.6控制及信息處理部分控制及信息處理部分猶如人的大腦指揮和控制全身運(yùn)動(dòng)并能記憶、思考和判斷問(wèn)題一樣,將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息集中、存儲(chǔ)、分析、加工,并根據(jù)信息處理的結(jié)果,按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。它一般由計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、數(shù)控裝置以及邏輯電路、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、I/O(輸入輸出)接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。2.機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)如今,隨著科技水平的進(jìn)步、機(jī)電一體化技術(shù)的成熟和發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)擁有強(qiáng)大的應(yīng)用發(fā)展空間。數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域已經(jīng)模塊化和成熟化。在未來(lái)的發(fā)展進(jìn)程中,機(jī)電一體化必會(huì)向著高性能化、智能化、系統(tǒng)化、輕量化及微型化的大趨勢(shì)發(fā)展,而這種趨勢(shì)必會(huì)形成機(jī)電一體化同人類(lèi)友好相處的新局面。3.機(jī)電一體化同人類(lèi)友好相處3.1問(wèn)題的提出與解決3.1.1人與機(jī)電一體化誰(shuí)為核心工業(yè)革命導(dǎo)致大量傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的出現(xiàn),形成了第二產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代文明,極大地改變了人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。人類(lèi)利用機(jī)器一方面大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和生活水平,另一方面由于人和機(jī)器共處出現(xiàn)了一系列問(wèn)題。人要使用和操縱機(jī)器,首先要學(xué)習(xí)、了解和掌握機(jī)器,就是說(shuō)人要去適應(yīng)機(jī)器,要對(duì)機(jī)器友好,一句話,這時(shí)的設(shè)計(jì)是以機(jī)器為中心的。這種類(lèi)型的機(jī)器有三個(gè)缺點(diǎn):一是難于使用;二是人和機(jī)器要保持一定距離,人不能隨便接觸機(jī)器,否則容易發(fā)生危險(xiǎn),不是機(jī)毀,就是人傷;三是人和機(jī)器之間一般不能進(jìn)行對(duì)話。為了改變這種狀況,最根本的就是要以人為中心設(shè)計(jì)機(jī)器,因此提出了與人友好的機(jī)器,建立和諧的人機(jī)環(huán)境這一概念。為此,人們努力而且還在盡最大努力使機(jī)器能更好地為人類(lèi)服務(wù)。而進(jìn)入信息時(shí)代之后,這個(gè)問(wèn)題就更加迫切了。3.1.2機(jī)電一體化技術(shù)的可能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)首先為進(jìn)行人機(jī)對(duì)話提供了可能性,人工智能的進(jìn)展又使機(jī)器能對(duì)人的各種要求和干預(yù)做出反應(yīng)并加以適應(yīng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)的誕生則使機(jī)器與人友好從理想逐漸成為現(xiàn)實(shí)。眾所周知,機(jī)電一體化系統(tǒng)追求機(jī)器與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的有機(jī)融合。由于有計(jì)算機(jī),它能與人進(jìn)行各種層次的對(duì)話。它具有不同程度的智能,有必要的傳感器和靈活的執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此機(jī)電一體化系統(tǒng)有可能適應(yīng)人的要求,做到與人友好。3.2建立和諧的人際環(huán)境人和機(jī)器總是共處于同一環(huán)境之中的,要求機(jī)器與人友好,就是建立一個(gè)和諧的人機(jī)共處的環(huán)境。這里有人機(jī)關(guān)系、和諧含義、用戶(hù)分類(lèi)以及如何建立和諧的人機(jī)環(huán)境四個(gè)問(wèn)題需要討論。3.2.1人機(jī)關(guān)系人和機(jī)器可以處于三種不同的關(guān)系之中。(1)機(jī)器是人的操作對(duì)象在大多數(shù)時(shí)候,機(jī)器都是作為人的操作對(duì)象而存在的。各種進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的機(jī)器、從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器、各種辦公設(shè)備、交通工具、家用電器等都是需要人去操作的。作為機(jī)器操作者的人這時(shí)統(tǒng)稱(chēng)之為用戶(hù)。(2)人和機(jī)器互為操作對(duì)象醫(yī)療設(shè)備是用來(lái)為病人診斷和治療疾病用的,這時(shí)病人就成了機(jī)器的操作對(duì)象;與此同時(shí),醫(yī)生則是醫(yī)療設(shè)備的操做著,所以醫(yī)療設(shè)備具有雙重屬性,即對(duì)人操作有被醫(yī)生操作。(3)人機(jī)共處協(xié)同工作在很多情況下,都是人機(jī)共處協(xié)同工作的。例如人們駕駛飛機(jī)或汽車(chē)赴某一目的地,就是人機(jī)協(xié)同完成任務(wù)。工人用機(jī)床制作機(jī)器零件,開(kāi)動(dòng)收割機(jī)收割農(nóng)產(chǎn)品,人們利用計(jì)算機(jī)打印文件等,既是人操作機(jī)器,又體現(xiàn)了人和機(jī)器之間的配合和協(xié)同。3.2.2和諧的含義滿足什么條件,就可以說(shuō)人機(jī)環(huán)境是和諧的呢?一般而言,機(jī)器要滿足以下四個(gè)要求。(1)易用性機(jī)器要容易使用,最好是“傻瓜”型機(jī)器.例如“傻瓜”照相機(jī),一按即可,既容易學(xué),又人人能用。許多機(jī)器最好能做到這一點(diǎn),最少也要達(dá)到好學(xué)易用。(2)安全性要使操作機(jī)器的人絕對(duì)安全,即使用戶(hù)誤操作,機(jī)器也能做出反應(yīng),一方面不執(zhí)行誤操作命令,一方面通知用戶(hù)錯(cuò)在何處。當(dāng)用戶(hù)接觸到機(jī)器不允許接觸的部位時(shí),機(jī)器應(yīng)能采取適當(dāng)保護(hù)措施,既保護(hù)人身安全,也保證設(shè)備正常運(yùn)行。這都屬于安全性的范疇。(3)可靠性機(jī)器運(yùn)行要可靠,盡可能延長(zhǎng)機(jī)器的平均無(wú)故障時(shí)間,機(jī)器萬(wàn)一出了故障,要盡量縮短維修時(shí)間。很難設(shè)想,人們使用經(jīng)常出故障的機(jī)器時(shí)會(huì)出現(xiàn)人機(jī)和諧的氣氛。(4)微創(chuàng)性醫(yī)療設(shè)備對(duì)于醫(yī)生除了具備上述三個(gè)條件外,對(duì)于病人還要滿足微創(chuàng)性的要求。即當(dāng)使用醫(yī)療設(shè)備為病人診斷或治療時(shí),要使病人的肉體刨傷或精神折磨達(dá)到最小的程度。3.2.3用戶(hù)分類(lèi)所有機(jī)器(包括全自動(dòng)設(shè)備)都要人來(lái)操作,我們統(tǒng)稱(chēng)機(jī)器的操作者為用戶(hù)。對(duì)于用戶(hù)可根據(jù)它對(duì)機(jī)器設(shè)備熟悉的程度分為四種。(1)陌生用戶(hù)這類(lèi)用戶(hù)對(duì)要用的機(jī)器從未使用過(guò),缺乏對(duì)機(jī)器的了解,更沒(méi)有有關(guān)機(jī)器的基本知識(shí),他們對(duì)機(jī)器是完全陌生的。(2)一般用戶(hù)這類(lèi)用戶(hù)對(duì)要用的機(jī)器不熟悉,但了解同類(lèi)型的機(jī)器,也有操作類(lèi)似機(jī)器的經(jīng)驗(yàn)。他們能較快地掌握使用新機(jī)器的方法,但在使用過(guò)程中容易出錯(cuò)。(3)熟練用戶(hù)這類(lèi)用戶(hù)能熟練地使用機(jī)器,對(duì)所用機(jī)器的性能和特點(diǎn)有相當(dāng)深入的了解。但他們對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺乏了解,缺乏處理機(jī)器出現(xiàn)意外錯(cuò)誤的能力。(4)專(zhuān)家用戶(hù)專(zhuān)家用戶(hù)對(duì)所用機(jī)器的性能、特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有深入了解,他們不僅能熟練地操作機(jī)器,而且能夠維護(hù)機(jī)器,必要時(shí)還能改進(jìn)機(jī)器。3.2.4如何建立和諧的人機(jī)環(huán)境為要建立和諧的人機(jī)環(huán)境,機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員要本著下面的一些原則。(1)以人為中心設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)必須把人和系統(tǒng)資源結(jié)合到一起來(lái)考慮,以人在使用機(jī)器時(shí)機(jī)器所表現(xiàn)出來(lái)的行為和效果來(lái)考察和評(píng)價(jià)機(jī)器的性能,而不單純追求機(jī)器本身所能達(dá)到的性能指標(biāo)。(2)區(qū)別不同用途機(jī)器裝備有各種不同用途,一般可分為專(zhuān)業(yè)性機(jī)器和通用型機(jī)器。對(duì)這兩類(lèi)機(jī)器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有不同要求。首先介紹對(duì)專(zhuān)業(yè)性機(jī)器的要求。所謂專(zhuān)業(yè)性機(jī)器指生產(chǎn)用機(jī)器、科學(xué)試驗(yàn)用設(shè)備、武器裝備、大型交通工具(如汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)、輪船之類(lèi))和醫(yī)療設(shè)備等。這些機(jī)器都由專(zhuān)業(yè)人員(即熟練用戶(hù))來(lái)使用和操作,機(jī)器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,價(jià)格也比較昂貴。要求對(duì)使用者在具體使用之前必須進(jìn)行必要的培訓(xùn),但培訓(xùn)時(shí)間應(yīng)盡量壓縮到最低限度之內(nèi)。對(duì)這類(lèi)機(jī)器的設(shè)計(jì),要有針對(duì)性地達(dá)到人機(jī)諧和。其次介紹對(duì)通用性機(jī)器的要求。所謂通用性機(jī)器主要指各種家用設(shè)備、一般辦公設(shè)備、常用通信設(shè)備以及個(gè)人計(jì)算機(jī)等。這些機(jī)器大都是非專(zhuān)業(yè)人員使用,不要求對(duì)使用者進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。這類(lèi)機(jī)器必須能適應(yīng)用戶(hù)的不同需要、不同經(jīng)驗(yàn)甚至不同愛(ài)好,使任何人操作起來(lái)都能得心應(yīng)手。(3)建立良好的人機(jī)接口接口又稱(chēng)界面,它是人機(jī)聯(lián)系的紐帶,是人機(jī)對(duì)話的窗口,在建立對(duì)人友好的機(jī)電一體化系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。因此,必須重視人機(jī)接口技術(shù)。為機(jī)器配置一個(gè)良好的人機(jī)接口,是機(jī)器設(shè)計(jì)和最終形成商品時(shí)一個(gè)重要的組成部分,既不是副產(chǎn)品,更不是裝飾品。(4)建造與人友好的整機(jī)接口是達(dá)到人機(jī)和諧的橋梁,主機(jī)才是人機(jī)和諧的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí),必須綜合解決好前面提到的和諧四要素,即易用性、安全性、可靠性和微創(chuàng)性。這幾個(gè)要求要全面考慮不可偏廢,但對(duì)于具體機(jī)器可能要有所側(cè)重,這是需要設(shè)計(jì)者權(quán)衡的一個(gè)重要問(wèn)題。4.與人友好的機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例——數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心是制造部門(mén)常用的機(jī)床,聯(lián)動(dòng)軸數(shù)超過(guò)5軸時(shí),機(jī)床本身構(gòu)造比較復(fù)雜,加工零件形狀也很復(fù)雜,機(jī)床價(jià)格和所加工零件價(jià)格都很責(zé),加工要求高,零件編程相當(dāng)困難。下圖是一個(gè)銑創(chuàng)加工中心的示意圖,其控制核心是高性能的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制包括零件加工和刀具切換兩部分。零件加工由主鈾電機(jī)和運(yùn)動(dòng)軸伺服電機(jī)完成。它們的控制由兩級(jí)控制實(shí)現(xiàn):計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置發(fā)出的指令和各電機(jī)本身的控制計(jì)算機(jī),后者根據(jù)前者的命令自動(dòng)完成規(guī)定的切削。除此以外,它還負(fù)責(zé)本系統(tǒng)所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),并在發(fā)生故障時(shí)向CNC發(fā)出診斷報(bào)警信息。它還能檢測(cè)電機(jī)參數(shù)隨溫度變化的情況,并據(jù)以進(jìn)行最佳控制。換刀操作由CNC發(fā)出指令,由刀庫(kù)電機(jī)及機(jī)械手配合完成。整個(gè)零件的加工過(guò)程可以由操作者根據(jù)需要提出要求在顯示屏幕上顯求出來(lái),也可以自動(dòng)顯示全部加工過(guò)程。這樣,在正常情況下,加工是全自動(dòng)進(jìn)行的,操作人員無(wú)須過(guò)多于項(xiàng)。(2)手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入及相關(guān)操作當(dāng)對(duì)零件進(jìn)行試切,或檢驗(yàn)零件加工程序的某一程序段,或者操作人員需要對(duì)加工進(jìn)行干預(yù)時(shí),操作者可通過(guò)操作面板上的扳鋌、開(kāi)關(guān)或軟鍵輸入有關(guān)數(shù)據(jù)和命令,同時(shí)可通過(guò)CRT屏幕觀看加工進(jìn)行的情況。(3)答件程序編制加工零件一般形狀復(fù)雜,編制零件程序一般需要訓(xùn)練有素的人員承擔(dān)。為了減輕編程入員的負(fù)擔(dān),加快編程速度,保證編程質(zhì)量,多采用自動(dòng)編程。自動(dòng)編程有兩種辦法;一種是利用功能很強(qiáng)的CNC,CNC采用前后臺(tái)工作方式,前臺(tái)進(jìn)行零件自動(dòng)加工,后臺(tái)由用戶(hù)進(jìn)行零件編程;另一種辦法是配置專(zhuān)用的自動(dòng)編程機(jī),程序編好后或者由通信接口送入CNC,或者通過(guò)軟盤(pán)轉(zhuǎn)給CNC。編程方式也有兩種:一種是用戶(hù)用高級(jí)編程語(yǔ)言,一種是智能化自動(dòng)編程。兩種辦法都是以人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行。①用零件編程語(yǔ)言自動(dòng)編程有多種專(zhuān)用的零件編程語(yǔ)言,這是一些專(zhuān)門(mén)用于數(shù)控加工用的符號(hào)語(yǔ)言。它對(duì)被加工的工件形狀、刀具種類(lèi)和刀具運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行描述。用戶(hù)利用計(jì)算機(jī)根據(jù)菜單提示,將加工零件的程序逐段編好,計(jì)算機(jī)就可以將加工程序自動(dòng)生成。這種方法要求用戶(hù)熟悉編程語(yǔ)言和編程技巧,具體編程時(shí)用戶(hù)要逐句用鍵盤(pán)輸入計(jì)算機(jī),非常繁瑣。雖然比人工編程效率要高的多,但對(duì)用戶(hù)而言,仍然是主要難點(diǎn),使用戶(hù)感到諸多不便。②智能化自動(dòng)編程它用人工智能技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)編程,可以大大減輕用戶(hù)的繁瑣勞動(dòng)。這種編程方法的流程圖如下圖所示。(4)人機(jī)接口所討論的人機(jī)接口是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)系統(tǒng)包括了如下的三個(gè)在系統(tǒng)基本內(nèi)核支持下的軟件系統(tǒng)。①監(jiān)控系統(tǒng)。這個(gè)軟件的任務(wù)是監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況.在出現(xiàn)異常時(shí)予以處理和報(bào)警。例如電源故障、系統(tǒng)奇偶較驗(yàn)鍺、某些定時(shí)操作超時(shí)等。②后臺(tái)系統(tǒng)。它主要是用來(lái)編制零件程序及其他一些應(yīng)用程序的。③前臺(tái)程序。是用來(lái)控制機(jī)床進(jìn)行零件加工的。人機(jī)接口就是為這三個(gè)軟件所完成的功能服務(wù)的。進(jìn)行服務(wù)的硬件共有四類(lèi):①軟鍵。用于菜單操作,只從用戶(hù)到系統(tǒng)。②操作面板(包括按鈕和扳鍵)G也是從用戶(hù)到系統(tǒng)操作員輸入信息用。③CRT屏幕顯示。供系統(tǒng)向用戶(hù)顯示各種信息。則使用鍵盤(pán)、軟鎊和CRT和用戶(hù)交流,即進(jìn)行對(duì)話。前臺(tái)系統(tǒng)則四種設(shè)備都用,以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。為了完成各種人機(jī)對(duì)話和必要的顯示,要有大量軟件,其中很重要的一部分是菜單和提示信息。在菜單和提示信息的幫助和引導(dǎo)下‘用戶(hù)就可以順利地進(jìn)行零件編程,或者在加工零件過(guò)程中,有必要時(shí)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。很顯然,進(jìn)行不同任務(wù)時(shí)要有不向的菜單和提爾持。這部分軟件64目大分量,它們的好壞將在很大程度上決定系統(tǒng)是否臺(tái)用和容易使用。(5)系統(tǒng)運(yùn)行情況診斷有兩種系統(tǒng)診斷:一種是系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí),由診斷程序?qū)ο到y(tǒng)番部分進(jìn)行診斷、各部件全都正常時(shí),才進(jìn)入正式運(yùn)行;第二種是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)段4r,對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,—旦出現(xiàn)故陳,立即顯爾和報(bào)警,并顯示故障部位和類(lèi)型。這就需要在機(jī)床系統(tǒng)中設(shè)置‘個(gè)專(zhuān)家診斷系統(tǒng)。專(zhuān)家診斷系統(tǒng)包括—系列傳感器,用來(lái)感知故障源,還有一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)軟件,它根據(jù)傳感器信息,經(jīng)過(guò)推理判斷,給出故障處理意見(jiàn),最后由用戶(hù)采取措施。(6)可靠性保證要提高整個(gè)數(shù)控機(jī)床的可靠性,首先要提高元部件的可靠性?!阌?jì)算機(jī)數(shù)控裝置的平均無(wú)故障時(shí)間可以達(dá)到2萬(wàn)小時(shí)到5訂小時(shí)以上。容易出故障的部分主要是進(jìn)結(jié)驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)和刀庫(kù)系統(tǒng)等可動(dòng)部分,因此在設(shè)計(jì)時(shí)要努力提高這些部件的可靠性。系統(tǒng)要有意外停
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