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技術(shù)前沿>基于數(shù)字化編碼-播放體系結(jié)構(gòu)的電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)
基于數(shù)字化編碼-播放體系結(jié)構(gòu)的電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)
2017-2-7 來源：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 作者：鄭君民，陶旭牧野，陳默，陳昊，奚學(xué)程
摘要：借鑒網(wǎng)絡(luò)音視頻制作與播放模式，提出了一種基于“數(shù)字化編碼-播放”的新概念靈巧數(shù)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式，將復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)數(shù)字化，即插補(bǔ)過程與機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制分離，以異步運(yùn)行模式取代傳統(tǒng)的同步運(yùn)行模式。編碼器負(fù)責(zé)將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡通過插補(bǔ)算法進(jìn)行數(shù)字化，生成運(yùn)動(dòng)比特流文件，而直接控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的數(shù)控終端則從服務(wù)器端下載運(yùn)動(dòng)比特流直接進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。該架構(gòu)在大大簡化控制系統(tǒng)終端的同時(shí)，顯著提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外，一個(gè)服務(wù)器還可連接多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)終端，同時(shí)加工不同的零件。利用該架構(gòu)構(gòu)建的線切割數(shù)控系統(tǒng)證明了基于數(shù)字化編碼-播放架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)原理的可行性。
關(guān)鍵詞：電火花線切割加工；數(shù)控系統(tǒng)；編碼器-播放器架構(gòu)；客戶端/服務(wù)器；運(yùn)動(dòng)比特流
電火花線切割加工廣泛應(yīng)用于難切削材料、模具、精密器件等加工領(lǐng)域。數(shù)控系統(tǒng)是電火花線切割機(jī)床的核心部件，也是決定線切割系統(tǒng)加工性能及未來自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的最重要的核心技術(shù)的載體。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化及高柔性化的方向發(fā)展[2]。純軟件型（PC+實(shí)時(shí)通訊接口卡）的開放式數(shù)控系統(tǒng)因其繼承了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，擁有高計(jì)算性能、高靈活性與低硬件成本等優(yōu)勢，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也對基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)開展了深入的研究開發(fā)，并給出了不同的系統(tǒng)原型，如：基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的開放式電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)[3]、基于FPGA NiosⅡ的單向走絲線切割數(shù)控系統(tǒng)[4]、基于PCI 總線的往復(fù)走絲線切割數(shù)控系統(tǒng)[5]、基于Linux的微細(xì)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)[6]、基于EPL 傳輸技術(shù)的Linux 開放式實(shí)時(shí)數(shù)控系統(tǒng)[7]、基于組件技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)[8]等。
目前國產(chǎn)的單向走絲和往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床普遍采用了國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)。其體系架構(gòu)的核心部分———插補(bǔ)原理與運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制發(fā)源于早期的數(shù)控系統(tǒng)。在此機(jī)制下，插補(bǔ)與運(yùn)動(dòng)控制同步進(jìn)行，即在每個(gè)進(jìn)給周期，首先完成插補(bǔ)運(yùn)算，獲得各運(yùn)動(dòng)軸的進(jìn)給增量，然后將各運(yùn)動(dòng)軸的增量送給對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)， 從而驅(qū)動(dòng)工作臺做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。每套數(shù)控系統(tǒng)須配備針對G 代碼的解釋器，還需做大量的語法語義解析和處理功能。隨著數(shù)控系統(tǒng)功能的不斷擴(kuò)充， 線切割數(shù)控系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。此外，在生產(chǎn)線上，由多臺機(jī)床組成的柔性制造單元或自動(dòng)化生產(chǎn)線需多臺設(shè)備協(xié)調(diào)同步工作，然而現(xiàn)有的生產(chǎn)方式是由多個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的數(shù)控系統(tǒng)控制加工，很難實(shí)現(xiàn)相互配合。
從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢來看，通用數(shù)控系統(tǒng)越來越復(fù)雜。然而，線切割的加工模式是相對固定的，功能也較單一。傳統(tǒng)體系架構(gòu)的通用數(shù)控系統(tǒng)相對于線切割的加工工藝而言有著過多的冗余，使數(shù)控電火花線切割機(jī)床成本偏高，不適合線切割機(jī)床的實(shí)際需求。
基于以上問題，本文提出了一種與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢完全相反的發(fā)展思路，并試圖將線切割數(shù)控系統(tǒng)做得更加簡單，甚至是簡單到極致。有鑒于網(wǎng)絡(luò)音頻的制作與播放方法，本文提出了一種基于“編碼器-播放器”體系架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)思路，并基于該體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了線切割數(shù)控系統(tǒng)的原型。
1.系統(tǒng)架構(gòu)及其工作原理
1.1 與傳統(tǒng)體系架構(gòu)的區(qū)別
圖1 是傳統(tǒng)線切割數(shù)控架構(gòu)的示意圖，插補(bǔ)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)控制同步運(yùn)行，兩者間存在嚴(yán)格的時(shí)間周期關(guān)系。圖2 是編碼器-播放器架構(gòu)的示意圖，借鑒了數(shù)字音頻技術(shù)，利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，編碼器端負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程云計(jì)算，播放器端成為加工現(xiàn)場的數(shù)控終端，使插補(bǔ)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)控制異步運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)“一對多”的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作模式。上述2 種數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式分別是同步與異步兩種方式。傳統(tǒng)的線切割數(shù)控系統(tǒng)中，功能模塊間主要通過各數(shù)據(jù)緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，屬于同步的工作方式。為保證加工過程的連續(xù)性，譯碼、速度處理、插補(bǔ)計(jì)算模塊同步進(jìn)行，插補(bǔ)計(jì)算又與運(yùn)動(dòng)控制模塊同步運(yùn)行，各模塊間存在著嚴(yán)格的時(shí)間周期的限定關(guān)系，以保證數(shù)據(jù)流暢地傳遞[9]。而實(shí)際上，只有運(yùn)動(dòng)控制模塊需嚴(yán)格按時(shí)間周期執(zhí)行，因?yàn)檫@直接影響到工件的加工質(zhì)量。若能提供一種工作機(jī)制，提前完成插補(bǔ)，將插補(bǔ)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)控制模塊之間的緊密聯(lián)系斷開，加工時(shí)只需該結(jié)果以特定編碼格式，源源不斷地為運(yùn)動(dòng)控制模塊提供控制運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)流，即可得到異步的工作方式。
圖2 編碼器-播放器體系架構(gòu)示意圖
異步運(yùn)行的數(shù)控系統(tǒng)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。首先， 插補(bǔ)不受運(yùn)動(dòng)控制周期的影響且無實(shí)時(shí)性要求，運(yùn)動(dòng)控制也不受插補(bǔ)計(jì)算時(shí)間的約束，既可高效完成更為復(fù)雜的插補(bǔ)算法，又可更靈活實(shí)時(shí)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。而在同步方式下，由于要考慮插補(bǔ)計(jì)算的耗時(shí)以及該耗時(shí)的不均勻性，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制周期的延長，最終降低了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。第二，傳統(tǒng)的同步架構(gòu)中，插補(bǔ)與運(yùn)動(dòng)控制這兩個(gè)任務(wù)的同步執(zhí)行是通過對CPU 的分時(shí)占用來實(shí)現(xiàn)的，因此在異步架構(gòu)中，將插補(bǔ)任務(wù)隔離出去后，運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性能將會發(fā)生顯著提高，大大降低了對復(fù)雜實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能依賴。第三，由于已得到了經(jīng)過編碼的插補(bǔ)結(jié)果文件，對于一個(gè)重復(fù)性的加工任務(wù)，每次運(yùn)行時(shí)再也不用重新解釋代碼和插補(bǔ)計(jì)算，直接運(yùn)行結(jié)果文件中的數(shù)據(jù)即可，不僅節(jié)約時(shí)間， 也提高了整個(gè)線切割數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行效率，簡化了在線運(yùn)行的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，降低了其成本。
1.2 “編碼器-播放器”型異步架構(gòu)的提出
自300 年前的自動(dòng)演奏樂器誕生以來，作為承載音樂的記錄與播放處理方式經(jīng)歷了模擬、數(shù)字及網(wǎng)絡(luò)多媒體時(shí)代的重大變革，適應(yīng)了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展潮流，并取得了巨大成功。現(xiàn)代的數(shù)字音頻技術(shù)中，首先，編碼器端完成數(shù)字化處理，包括采樣、量化與壓縮編碼；第二步，網(wǎng)絡(luò)傳輸，即文件以特定的格式在網(wǎng)絡(luò)上流式傳輸；第三步，播放器在線解碼播放。
在上述3 步中，編碼器是一個(gè)服務(wù)器，而播放器則是一個(gè)客戶端，“服務(wù)器-客戶端” 的工作模式見圖3。若借鑒這種制作與播放分離的方法，則會極大地簡化傳統(tǒng)插補(bǔ)與位控的同步工作方式，從而為用戶帶來便捷；同時(shí)，由于一個(gè)服務(wù)器可連接多個(gè)輕量級的客戶端，方便用戶的同時(shí)也節(jié)約了大量資源。本文的目的就是將這些網(wǎng)絡(luò)音頻技術(shù)帶來的便捷與優(yōu)勢借鑒到線切割數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中。
圖3 服務(wù)器-客戶端模式
1.3 系統(tǒng)的工作原理
借鑒上述數(shù)字音頻技術(shù)，可將原控制器執(zhí)行的復(fù)雜計(jì)算放在編碼器端離線完成，編碼器端在計(jì)算得到一系列插補(bǔ)結(jié)果數(shù)據(jù)，將其編碼壓縮制作成可播放的比特流文件。其示意圖如圖2 左側(cè)所示。然后，在編碼器端與播放器端兩者間，應(yīng)用流式傳輸技術(shù)與服務(wù)器-客戶端模式， 通過TCP/IP 協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制將兩者隨時(shí)相連。這兩端的工作是一個(gè)異步的通訊過程，播放器是客戶端，編碼器是服務(wù)器。編碼器可隨時(shí)支持多臺播放器的連接與在線播放，其工作模式如圖3 所示。其中，可播放的比特流文件在傳輸過程中會被按順序分割成一系列大小固定的數(shù)據(jù)包按順序進(jìn)行傳送。最后，線切割機(jī)床控制器被精簡為“播放器”，它負(fù)責(zé)一邊緩沖接收可播放文件的一系列數(shù)據(jù)包，一邊按控制的實(shí)時(shí)節(jié)拍解碼播放，最終使得可播放的比特流文件經(jīng)由播放器在機(jī)床各軸上按插補(bǔ)軌跡“播放”。其示意圖如圖2 右側(cè)所示。
1.4 “編碼器-播放器”架構(gòu)的優(yōu)勢
在編碼器-播放器體系架構(gòu)中， 編碼器端離線計(jì)算得到各個(gè)已被編碼的插補(bǔ)結(jié)果文件，然后保持對各個(gè)相應(yīng)端口的監(jiān)聽；各個(gè)播放器端在需要加工相應(yīng)軌跡時(shí)，便在線選中所需的結(jié)果文件，通過網(wǎng)絡(luò)通訊方法，找到相應(yīng)IP 地址和端口后，在線“播放”。即一個(gè)服務(wù)器可連接多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)終端，同時(shí)進(jìn)行不同零件的加工。該架構(gòu)具有以下優(yōu)勢：首先，在這種體系下，相當(dāng)于多個(gè)傳統(tǒng)線切割數(shù)控系統(tǒng)的負(fù)責(zé)譯碼、速度控制、插補(bǔ)計(jì)算的部分，被集成到一個(gè)編碼器端中被離線完成，節(jié)省了大量的設(shè)備資源， 體現(xiàn)了系統(tǒng)在整體規(guī)劃上的高效性。第二， 機(jī)床的直接控制器簡化成了一個(gè)播放器，將系統(tǒng)的簡潔性發(fā)揮到極致， 使該控制器功能更專一，運(yùn)動(dòng)控制的性能得到提升。第三，在傳統(tǒng)架構(gòu)中，所有功能模塊運(yùn)行在同一環(huán)境下，一個(gè)模塊的差錯(cuò)會影響到下一個(gè)模塊的工作，甚至發(fā)生錯(cuò)誤的累積。而在新體系下，系統(tǒng)相關(guān)的穩(wěn)定性與可靠性得到了大幅提升，原因是插補(bǔ)及其前面的功能模塊被完全從傳統(tǒng)系統(tǒng)中提取出來，待形成準(zhǔn)確無誤的插補(bǔ)結(jié)果（即運(yùn)動(dòng)比特流文件）后，才會供給各個(gè)播放器使用，達(dá)到了完全的異步工作狀態(tài)。第四，由于借鑒了網(wǎng)絡(luò)在線點(diǎn)播的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)一邊緩沖下載一邊播放文件，因此，播放器在任意時(shí)刻選中相應(yīng)可播放的運(yùn)動(dòng)比特流文件（即編碼器端所計(jì)算得到的結(jié)果文件）后，即可立刻進(jìn)入加工狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行得既靈活又高效，充分體現(xiàn)了時(shí)間上的快捷性。
2.系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
2.1 本系統(tǒng)的組成
本項(xiàng)目的總體架構(gòu)就是“編碼器-播放器”體系（圖4），區(qū)別于傳統(tǒng)的控制器，該系統(tǒng)分為編碼器端和播放器端兩部分。編碼器端包括參數(shù)設(shè)置界面、插補(bǔ)器、仿真器、編碼器、文件輸出、服務(wù)器6 個(gè)主要模塊。播放器端包括客戶端、文件讀取、解碼器、播放器4 個(gè)主要模塊。
2.2 各模塊功能及相互關(guān)系
編碼器端的6 個(gè)功能模塊間的相互關(guān)系見圖5。參數(shù)設(shè)置界面主要用來輸入被插補(bǔ)曲線的參數(shù)。插補(bǔ)器用于將設(shè)置好參數(shù)的理想曲線進(jìn)行離散化插補(bǔ)計(jì)算。所用的插補(bǔ)算法為單位弧長增量法，這是一種以曲線弧長為參數(shù)的插補(bǔ)方法，在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)， 根據(jù)理想曲線的單位弧長增量投影到XY（或UV）坐標(biāo)軸的增量大小，決定兩坐標(biāo)軸各自是否進(jìn)給[10]。仿真器擁有繪圖功能，用于將插補(bǔ)軌跡顯現(xiàn)在編碼器端的界面上，起到仿真的作用，還可將插補(bǔ)軌跡與理想光滑軌跡作對比，以便檢查插補(bǔ)軌跡的理想程度。編碼器將插補(bǔ)結(jié)果中各軸的每一步脈沖增量與方向進(jìn)行比特流編碼。文件輸出模塊會將每一步的編碼結(jié)果全部寫入文件，并保存。服務(wù)器模塊會為各目標(biāo)文件開啟相應(yīng)的Socket 接口，時(shí)刻監(jiān)聽直至獲取各客戶端的連接，然后發(fā)送一系列大小固定的數(shù)據(jù)包直至將目標(biāo)文件全部發(fā)送完成。播放器端的4 個(gè)功能模塊間的相互關(guān)系見圖6。客戶端用于從服務(wù)器按順序依次下載組成目標(biāo)文件的一系列數(shù)據(jù)包。文件讀取模塊按順序讀取已下載的數(shù)據(jù)包中的編碼， 供解碼器及播放器使用。解碼器將被編碼的脈沖增量解碼還原，得到帶有方向的脈沖增量。播放器則將脈沖增量同時(shí)在虛擬界面上和機(jī)床上播放出來，從而完成加工過程。
圖4 本系統(tǒng)宏觀組成與邏輯架構(gòu)
3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
圖7 是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的設(shè)備組成，箭頭方向指示了設(shè)備的連接順序和數(shù)據(jù)與信號傳輸順序。首先，PC機(jī)是播放器，即負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)控終端。其次，PC機(jī)與Arduino 開發(fā)板通過工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)線連接，由Arduino 開發(fā)板負(fù)責(zé)將播放器播放的每一組脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號。Arduino 通過4 個(gè)針腳與XY 兩主軸的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，并將每組電信號發(fā)送給機(jī)床步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。最后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)床主軸進(jìn)給，從而完成加工。
圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖
3.2 實(shí)驗(yàn)一：小型圓形樣件加工實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)中，在一塊厚度為1888 μm 的鋼板上切割了一個(gè)小型圓柱工件。機(jī)床各軸進(jìn)給速度用每秒鐘進(jìn)給的脈沖當(dāng)量（basic length unit，BLU）表示，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)給速度為20 BLU/s。機(jī)床的單位脈沖當(dāng)量為0.8 μm，本實(shí)驗(yàn)切割圓柱體直徑為5000 BLU，因此，切割出的工件理想預(yù)期直徑為4000 μm。實(shí)驗(yàn)前，編碼器端已完成所有計(jì)算任務(wù)， 得到了可播放文件。實(shí)驗(yàn)過程中，播放器流暢而毫無差錯(cuò)地緩沖接收了來自編碼器端的可播放文件的一系列數(shù)據(jù)包。為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，分別測量了切縫寬度、圓孔直徑及圓柱工件直徑（表1）。
表1 加工結(jié)果的測量值μm
在整個(gè)加工過程中， 數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)良，電極絲未發(fā)生短路，電火花均勻且強(qiáng)度適中，表現(xiàn)出了較高的加工效率。同時(shí)，加工出的圓柱工件側(cè)面無明顯棱線，具有良好的表面質(zhì)量，且切縫寬度穩(wěn)定而均勻，切割圓度良好，具有較高的尺寸精度。加工樣件見圖8。
圖8 圓柱樣件
3.3 實(shí)驗(yàn)二：組合線型樣件加工實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)中，金屬板材厚度為6725 μm，加工參數(shù)與實(shí)驗(yàn)一相同。該工件的周長遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)一的圓形工件，編碼器端生成的可播放文件總大小為510 kb，整個(gè)試驗(yàn)由播放器控制，令機(jī)床主軸進(jìn)給65 000 余組脈沖增量。該工件的外形比實(shí)驗(yàn)一更復(fù)雜，CAD設(shè)計(jì)圖紙見圖9a，加工軌跡由8 個(gè)曲線段和2 個(gè)直線段組成，通過相切或相交關(guān)系組成封閉的葫蘆圖形。在整個(gè)加工過程中，數(shù)控終端穩(wěn)定性良好，脈沖數(shù)據(jù)傳送與運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性能優(yōu)良，樣件邊緣兩曲線相切處過渡平滑，展現(xiàn)出良好的加工效果（圖9b）。
圖9 組合線型樣件
4.結(jié)語
本文在以Linux 為操作系統(tǒng)的PC 上， 利用Qt構(gòu)建了一個(gè)基于編碼器-播放器體系的線切割數(shù)控系統(tǒng)原型，包括編碼器端和播放器端兩部分。編碼器端包括人機(jī)交互界面的開發(fā)、“插補(bǔ)-編碼-存儲-輸出”循環(huán)的構(gòu)建、實(shí)時(shí)仿真畫面的建立、編碼存儲方式的構(gòu)建與實(shí)時(shí)體現(xiàn)、異步傳輸服務(wù)器的建立等。播放器端包括客戶端的建立、“讀取-解碼還原-播放”循環(huán)的構(gòu)建、電機(jī)的實(shí)時(shí)控制等。主要研究成果為實(shí)現(xiàn)了精煉高效的異步運(yùn)行方式及服務(wù)器-客戶端控制模式的線切割數(shù)控系統(tǒng)原型。
（1）編碼器端遠(yuǎn)程計(jì)算并輸出文件，同時(shí)執(zhí)行插補(bǔ)仿真， 以檢驗(yàn)計(jì)算插補(bǔ)結(jié)果是否有不正常偏差。
（2）以客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP 協(xié)議族，借鑒網(wǎng)絡(luò)流媒體的流式傳輸技術(shù)，播放器端以緩存的方式，實(shí)時(shí)地按順序接收編碼器端的比特流傳輸。其中，服務(wù)器與客戶端是異步的工作方式。
（3）播放器端實(shí)時(shí)解碼并播放（執(zhí)行）插補(bǔ)文件。
最后，通過樣件的切割實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于編碼器-播放器架構(gòu)的線切割數(shù)控系統(tǒng)原理的可行性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在簡潔性與靈活性、運(yùn)行的可靠性、時(shí)間上的快捷性等方面擁有顯著優(yōu)勢，同時(shí)具備很好的控制與加工精度。
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