劉魯寧 張楊廣 史振宇 宋清華 劉戰(zhàn)強(qiáng)

(山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院∥高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061)

影響高速銑削穩(wěn)定性的主要原因是加工振動(dòng)，其中再生顫振對(duì)切削加工過(guò)程的影響最大，因此需要對(duì)高速銑削加工的顫振穩(wěn)定域進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè).由于頻域法只需通過(guò)少量的計(jì)算就能對(duì)銑削加工過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)［1-2］，因此被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合.在利用頻域法求解銑削加工顫振穩(wěn)定域時(shí)，首先需要獲得切削運(yùn)動(dòng)方程中的初始參數(shù):切削力系數(shù)和系統(tǒng)模態(tài)參數(shù).由于銑削加工系統(tǒng)(機(jī)床-主軸-刀柄-刀具系統(tǒng))的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)直接影響切削過(guò)程的模態(tài)特性，其中，最主要的是刀尖部位或工件被切削部位的頻率響應(yīng)函數(shù).因此，獲取刀尖點(diǎn)處的頻率響應(yīng)函數(shù)是對(duì)顫振現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確理論預(yù)測(cè)的關(guān)鍵所在［3］.

刀尖點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)量一般應(yīng)用模態(tài)錘擊法［3-6］.模態(tài)錘擊使用安裝有力傳感器的力錘對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行激振，使用加速度計(jì)對(duì)刀尖點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拾取，測(cè)取的激振力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)被送入動(dòng)態(tài)分析儀進(jìn)行譜分析，分析獲得刀尖點(diǎn)處的頻率響應(yīng)函數(shù)［7-10］.

按照激勵(lì)理論，輸入的力脈沖信號(hào)可以是任意的.但任意形狀的脈沖信號(hào)功率譜較亂，甚至某些功率譜的分量為零，使得頻率響應(yīng)函數(shù)分母為零，造成頻響函數(shù)發(fā)生畸變.研究表明，δ 函數(shù)形式的力脈沖譜線平直，是較為理想的激勵(lì)信號(hào)［11］.然而，由于目前使用力錘擊打被測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的過(guò)程是由人工完成的，所以每次錘擊力的大小和方向很難保持一致，而且激勵(lì)時(shí)間也難以控制，因此人工錘擊的可重復(fù)性差，有時(shí)難以激勵(lì)出理想的力脈沖.

為解決人工錘擊帶來(lái)的問(wèn)題，已陸續(xù)研制了多種自動(dòng)沖擊力錘.美國(guó)Modal Shop 公司開(kāi)發(fā)了086M92ES 型電子沖擊力錘.該電子沖擊力錘采用腳踏開(kāi)關(guān)控制觸發(fā)，能夠提供穩(wěn)定并且可重復(fù)的沖擊力，安裝在外部的力傳感器可對(duì)沖擊點(diǎn)處的沖擊力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量［12］.Alta Solutions 公司研制出的AS-1220 型自動(dòng)沖擊力錘具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)被測(cè)試對(duì)象進(jìn)行可重復(fù)的沖擊，沖擊力的大小也可調(diào)［13］.美國(guó)新罕布什爾大學(xué)Suprock 教授發(fā)明了一種由微處理器控制的脈沖響應(yīng)力錘系統(tǒng)，該力錘系統(tǒng)主要是通過(guò)微處理器控制電磁鐵的通/斷電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行連續(xù)沖擊.但是，微處理器控制脈沖響應(yīng)力錘系統(tǒng)體積大，各部件之間連接不夠緊湊，而且力錘放置位置不易調(diào)節(jié)，因此不適用于銑削刀具系統(tǒng)刀尖點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試［14］.Keith［15］開(kāi)發(fā)了一種基于電磁激勵(lì)的自動(dòng)沖擊模態(tài)測(cè)試裝置.利用計(jì)算機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)刀具產(chǎn)生沖擊.然而，這種裝置只能測(cè)量跨點(diǎn)響應(yīng)，不能測(cè)量原點(diǎn)響應(yīng)，而且力傳感器與位移傳感器之間距離固定，可調(diào)節(jié)性差.

基于以上分析，文中研制了一種工作臺(tái)式電子沖擊力錘，以克服人工錘擊法存在的缺點(diǎn)和不足.本裝置適用于切削加工刀具系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)測(cè)試，尤其適用于銑削系統(tǒng)刀尖點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù).

1 電子沖擊力錘的設(shè)計(jì)

工作臺(tái)式電子沖擊力錘的總體裝置如圖1 所示，主要包括開(kāi)關(guān)電源、工作臺(tái)、觸發(fā)器、控制器和執(zhí)行器等.

圖1 電子沖擊力錘工作原理Fig.1 Principle of electronic impact hammer

電子沖擊力錘的工作原理是:開(kāi)關(guān)電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為24 V 的直流電;觸發(fā)器用于產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)并發(fā)送給控制器;控制器收到觸發(fā)信號(hào)后輸出24 V 直流電給執(zhí)行器，調(diào)節(jié)控制器可改變執(zhí)行器的通電時(shí)間，進(jìn)而改變沖擊力的大小;執(zhí)行器通電后，內(nèi)部的電磁鐵鐵芯作直線加速運(yùn)動(dòng)沖擊被測(cè)對(duì)象，沖擊力的大小通過(guò)安裝在鐵芯末端的力傳感器進(jìn)行測(cè)量.由于通電時(shí)間很短(只有幾十個(gè)毫秒)，并且斷電后電磁鐵立即返回原點(diǎn)，因此可視為瞬時(shí)激勵(lì).電子沖擊力錘開(kāi)關(guān)電源型號(hào)為S-145-24，輸出電壓為24 V，輸出電流為6 A.整個(gè)裝置的實(shí)物連接如圖2 所示.

觸發(fā)器(如圖3 所示)用來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)使執(zhí)行器開(kāi)始工作.圖4 中觸發(fā)器的觸發(fā)方式有手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)兩種.手動(dòng)觸發(fā)時(shí)，將控制器上的觸發(fā)信號(hào)輸入接口與手動(dòng)觸發(fā)接口相連，電源通電后，每次按下觸發(fā)按鈕，執(zhí)行器即進(jìn)行一次沖擊;自動(dòng)觸發(fā)時(shí)，在單片機(jī)中可以預(yù)先設(shè)置5 種觸發(fā)間隔時(shí)間(1、10、15、30、35s)，并分別引出5 個(gè)接口，將其中某一接口與觸發(fā)選擇接口連接后，即選定了此種觸發(fā)間隔時(shí)間，將控制器上的觸發(fā)信號(hào)輸入接口與自動(dòng)觸發(fā)接口相連，打開(kāi)開(kāi)關(guān)電源后觸發(fā)器即自行開(kāi)始工作，執(zhí)行器則根據(jù)間隔時(shí)間進(jìn)行重復(fù)沖擊.

圖2 電子沖擊力錘總體裝置圖Fig.2 General layout of electronic impact hammer

圖3 電子沖擊力錘觸發(fā)器Fig.3 Trigger of electronic impact hammer

圖4 電子沖擊力錘控制器Fig.4 Controller of electronic impact hammer

控制器(如圖4 所示)包括光耦、穩(wěn)壓二極管、16 進(jìn)制碼BCD 開(kāi)關(guān)、LED 指示燈、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、在線燒寫(xiě)接口、電源接口、單片機(jī)等.控制器用來(lái)控制激勵(lì)電壓的時(shí)間長(zhǎng)短從而控制沖擊力的大小.控制器收到觸發(fā)信號(hào)后通過(guò)FET 輸出24 V 的瞬時(shí)激勵(lì)電壓給電磁鐵，以驅(qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng).微調(diào)開(kāi)關(guān)和粗調(diào)開(kāi)關(guān)均為16 進(jìn)制碼的BCD 開(kāi)關(guān).單片機(jī)的輸出脈沖分辨率為0.5 ms，因此輸出脈沖的范圍為0.5～128.0 ms，即電磁鐵的通電時(shí)間在0.5～128.0 ms 之間.電磁鐵通電時(shí)間越長(zhǎng)，鐵芯作加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，沖擊力就越大，因此，旋轉(zhuǎn)BCD 開(kāi)關(guān)即可改變輸出脈沖的寬度，進(jìn)而改變沖擊力的大小.當(dāng)沖擊頭伸出長(zhǎng)度最大時(shí)，沖擊力達(dá)到最大.在控制器上設(shè)有在線燒寫(xiě)接口，通過(guò)在線燒寫(xiě)接口可對(duì)單片機(jī)內(nèi)的控制程序進(jìn)行修改.每觸發(fā)一次LED指示燈閃爍一次，穩(wěn)壓二極管放置于FET 之前起穩(wěn)壓作用.

執(zhí)行器用來(lái)產(chǎn)生可重復(fù)的沖擊力，沖擊力的大小通過(guò)控制器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié).如圖5 所示，執(zhí)行器包括一個(gè)直流24 V 的貫通推拉式電磁鐵、一個(gè)力傳感器以及一個(gè)起保護(hù)作用的沖擊頭.電磁鐵安裝在工作臺(tái)的平臺(tái)上，鐵芯外伸部分與力傳感器之間為螺紋連接，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可選擇不同的力傳感器和沖擊頭，以得到所需的激振頻率.電磁鐵通電后，鐵芯在電磁力的推動(dòng)下做直線加速運(yùn)動(dòng)，斷電后鐵芯在彈簧的作用下返回原點(diǎn)，完成一次沖擊.力傳感器測(cè)量沖擊力的大小，沖擊頭起保護(hù)力傳感器的作用.

圖5 電子沖擊力錘執(zhí)行器Fig.5 Actuator of electronic impact hammer

由于設(shè)計(jì)的電子沖擊力錘是電子控制，因此該力錘能夠提供穩(wěn)定并且可重復(fù)的沖擊力，而且沖擊力的大小可通過(guò)改變執(zhí)行器通電時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可重復(fù)性和可調(diào)節(jié)性均優(yōu)于人工錘擊.另外，針對(duì)不同被測(cè)對(duì)象可專門(mén)設(shè)計(jì)相應(yīng)的工作臺(tái)為執(zhí)行器提供穩(wěn)定的支撐.

將設(shè)計(jì)的電子沖擊力錘通過(guò)工作臺(tái)安裝在機(jī)床上，可以對(duì)機(jī)床刀具系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試(如圖6 所示).工作臺(tái)包括上部支座和底部支座，上部支座與底部支座的配合位置分別設(shè)有長(zhǎng)槽孔，上部支座與底部支座通過(guò)設(shè)于長(zhǎng)槽孔中的螺栓螺母連接固定.電磁鐵通過(guò)螺栓固定在上部支座的平臺(tái)上，通過(guò)長(zhǎng)槽孔可調(diào)節(jié)上部支座與底部支座的相對(duì)位置，并通過(guò)螺栓螺母固定，其安裝位置可變，高度可調(diào)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合.底部支座可通過(guò)螺栓固定在機(jī)床或者其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上.

圖6 電子沖擊力錘測(cè)試裝置現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Scene photo of electronic impact hammer

文中研制的電子沖擊力錘進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以激發(fā)出較為理想的沖擊力，激勵(lì)時(shí)間和激勵(lì)振幅可控，可得到理想的力脈沖信號(hào)，且具有可重復(fù)性.

2 電子沖擊力錘的標(biāo)定

文中研制的試驗(yàn)臺(tái)式電子沖擊力錘所產(chǎn)生的沖擊力是電磁力，鐵芯在沖擊頭接觸到被測(cè)對(duì)象前一瞬間的能量決定了沖擊力的大小，而能量的大小取決于激勵(lì)電壓(文中固定為24 V)和電磁鐵的激勵(lì)持續(xù)時(shí)間.電磁鐵的激勵(lì)持續(xù)時(shí)間既影響沖擊力的大小，又影響力脈沖時(shí)間，因此需要對(duì)該電子沖擊力錘進(jìn)行標(biāo)定，獲得電磁鐵通電時(shí)間與沖擊力和鐵芯伸出長(zhǎng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便根據(jù)測(cè)試需求調(diào)整沖擊頭與被測(cè)對(duì)象表面之間的距離.

標(biāo)定過(guò)程中，以5110 型力傳感器和鐵質(zhì)沖擊頭為參考進(jìn)行力錘的標(biāo)定，獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù).標(biāo)定在VMC0540d 立式加工中心上進(jìn)行，標(biāo)定時(shí)以HSK63A 刀柄作為被測(cè)對(duì)象.利用力錘擊打刀柄提供一個(gè)瞬態(tài)沖擊力，沖擊力的大小由錘頭質(zhì)量和打擊時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度所決定.為增加脈沖頻譜的頻帶寬度，須縮短脈沖持續(xù)時(shí)間.實(shí)驗(yàn)人員的操作技巧是影響脈沖持續(xù)時(shí)間的重要因素.標(biāo)定所用儀器及分析軟件為:5110 型力傳感器、安正AZ802 信號(hào)調(diào)理儀、安正AZ208R 數(shù)據(jù)采集箱、安正Cras 信號(hào)采集分析系統(tǒng).

標(biāo)定時(shí)采用人工觸發(fā)方式，通過(guò)控制器改變電磁鐵通電時(shí)間，從通電時(shí)間為0.5ms(即BCD 碼為1)開(kāi)始標(biāo)定，時(shí)間每增加0.5 ms 標(biāo)定一次，直至鐵芯伸出長(zhǎng)度達(dá)到最大值.根據(jù)前述分析，標(biāo)定時(shí)沖擊頭與被測(cè)刀柄之間應(yīng)為瞬時(shí)接觸，即不能出現(xiàn)反復(fù)的力信號(hào).因此，標(biāo)定前應(yīng)根據(jù)所選擇的脈沖時(shí)間，預(yù)先估計(jì)沖擊頭與刀柄之間的相對(duì)距離，然后將電子沖擊力錘固定在機(jī)床導(dǎo)軌上;標(biāo)定過(guò)程中，根據(jù)力信號(hào)的波形來(lái)微調(diào)沖擊頭與被測(cè)刀柄之間的距離，以得到理想的力信號(hào).由于不同型號(hào)的力傳感器和沖擊頭具有不同的體積和質(zhì)量，因此，當(dāng)力傳感器和/或沖擊頭改變時(shí)，需要重新進(jìn)行標(biāo)定.電子沖擊力錘標(biāo)定曲線如圖7 所示.標(biāo)定時(shí)，直到通電時(shí)間為4.0 ms 時(shí)才出現(xiàn)穩(wěn)定的沖擊力，此時(shí)沖擊力大小為2.37 N;隨著電磁鐵通電時(shí)間增加，沖擊力逐漸增大，當(dāng)通電時(shí)間為10.5 ms 時(shí)，鐵芯達(dá)到最大伸出長(zhǎng)度，沖擊力達(dá)到最大.測(cè)試時(shí)根據(jù)被測(cè)結(jié)構(gòu)剛度的不同選擇不同的沖擊力，將被測(cè)結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊后的位移控制在一定范圍之內(nèi)，從而提高測(cè)量精度.

圖7 電子沖擊力錘標(biāo)定曲線Fig.7 Calibration curve of electronic impact hammer

3 電子沖擊力錘的應(yīng)用

分別以刀柄、立銑刀刀桿、鏜刀刀桿及面銑刀作為被測(cè)對(duì)象，對(duì)被測(cè)對(duì)象的端點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到頻響曲線.測(cè)試時(shí)所使用的機(jī)床為ACEV500 立式加工中心，所采用的力傳感器為CL-YD-303 70192 型，加速度傳感器器為CA-YD-185C 72357 型，其余測(cè)試儀器及分析軟件如上節(jié)所述.

信號(hào)與系統(tǒng)分析軟件SsCras 的主要參數(shù)設(shè)置為:平均次數(shù)為2;采集方式為監(jiān)視采集;觸發(fā)方式為正觸發(fā)，觸發(fā)通道為1，觸發(fā)電平為10%;程控放大10 倍后，力傳感器和加速度傳感器的校正因子分別設(shè)置為38.4 和47.7;BT40 刀柄的分析頻率為2000 Hz，其他被測(cè)對(duì)象分析頻率為1000 Hz.

測(cè)試時(shí)，統(tǒng)一將控制器BCD 碼設(shè)置為11(十六進(jìn)制)，即電磁鐵通電時(shí)間為8.5 ms.理論上，電磁鐵通電時(shí)間相同時(shí)，沖擊力也相同，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)多次測(cè)試檢驗(yàn)沖擊力的可重復(fù)性.

3.1 刀柄頻響函數(shù)測(cè)試

BT40 刀柄長(zhǎng)度為92.4 mm，刀柄直徑為63 mm.頻響函數(shù)測(cè)試測(cè)得的力和加速度時(shí)域信號(hào)如圖8(a)所示，刀柄端點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)如圖8(b)所示.由圖8 可以看出，該BT 刀柄在0～2 000 Hz 范圍內(nèi)只存在一階模態(tài)，一階固有頻率為1230 Hz.

圖8 BT40 刀柄測(cè)試信號(hào)圖Fig.8 Testing signal of BT40 cutting tool shank

3.2 立銑刀桿頻響函數(shù)測(cè)試

所測(cè)立銑刀桿型號(hào)為T(mén)JU-32-160-C32-2T，刀桿長(zhǎng)度為40 mm，刀桿直徑為12 mm.實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的力和加速度時(shí)域信號(hào)如圖9(a)所示，銑刀桿端點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)如圖9(b)所示.由圖9 可以看出，采用文中研制的電子沖擊力錘測(cè)試可以得到較為理想的頻響曲線，由頻響曲線可以很容易地識(shí)別出被測(cè)立銑刀桿的模態(tài)參數(shù).在0～1 000 Hz 范圍內(nèi)，被測(cè)立銑刀桿只存在一階模態(tài)，一階固有頻率為529 Hz.

圖9 立銑刀桿測(cè)試信號(hào)圖Fig.9 Testing signal of milling tool holder

3.3 鏜刀桿頻響函數(shù)測(cè)試

所測(cè)鏜刀桿型號(hào)為SNR0032S22D，刀桿懸伸長(zhǎng)度為80 mm，刀桿直徑為50 mm.實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的力和加速度時(shí)域信號(hào)如圖10(a)所示，鏜刀桿端點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)如圖10(b)所示.由圖10 可看出，所測(cè)鏜刀桿在0～1000 Hz 范圍內(nèi)只存在一階模態(tài)，一階固有頻率為638 Hz.

圖10 鏜刀桿測(cè)試信號(hào)圖Fig.10 Testing signal of boring tool holder

3.4 面銑刀頻響函數(shù)測(cè)試

采用電子沖擊力錘對(duì)面銑刀KSSM75 進(jìn)行頻響函數(shù)測(cè)試.面銑刀為六齒等齒距面銑刀，其直徑為100 mm，高度為50 mm.實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的力和加速度時(shí)域信號(hào)如圖11(a)所示，面銑刀端點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)如圖11(b)所示.由圖11 可以識(shí)別面銑刀在0～1000 Hz 范圍內(nèi)只存在一階模態(tài)，一階固有頻率為748 Hz.

上述對(duì)BT40 刀柄、立銑刀桿、鏜刀桿以及面銑刀進(jìn)行沖擊測(cè)試時(shí)得到的沖擊力有效值分別為16.34、16.30、16.07 和17.39 N.4 個(gè)數(shù)值相差很小，表明電子沖擊力錘的沖擊力具有較好的可重復(fù)性.4 種工況下獲得的一階模態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖11 面銑刀測(cè)試信號(hào)圖Fig.11 Testing signal of face milling cutter

表1 一階模態(tài)參數(shù)表Table 1 First order modal parameters

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，主軸只安裝刀柄時(shí)，系統(tǒng)的固有頻率最高，阻尼比最大;安裝刀具后，切削系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比降低.

采用文中研制的電子沖擊力錘進(jìn)行測(cè)試時(shí)均可以激發(fā)出較為理想的沖擊力信號(hào)并得到頻響函數(shù)，由頻響函數(shù)可以識(shí)別出被測(cè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，從而節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率.另外，根據(jù)刀具類型和主軸高度的不同，可通過(guò)改變上部支座的位置來(lái)調(diào)整力錘的高度，以滿足不同測(cè)試需求.

4 結(jié)論

針對(duì)刀具模態(tài)測(cè)試人工錘擊法的不足，文中研制了一種工作臺(tái)式電子自動(dòng)沖擊力錘測(cè)試裝置，裝置包括工作臺(tái)、控制器、觸發(fā)器、開(kāi)關(guān)電源和執(zhí)行器等部分.該裝置利用電磁原理，控制牽引式電磁鐵的通/斷電，使?fàn)恳?dòng)沖擊力錘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)對(duì)象的沖擊.通過(guò)控制力錘與被測(cè)對(duì)象表面接觸時(shí)間，可以得到理想的力脈沖信號(hào).文中對(duì)電子沖擊力錘進(jìn)行了標(biāo)定，并應(yīng)用于切削刀具系統(tǒng)的模態(tài)研究，對(duì)銑刀桿、鏜刀桿、刀柄以及面銑刀的端點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，得到了銑刀桿、鏜刀桿、刀柄以及面銑刀的頻響曲線和一階固有頻率.應(yīng)用結(jié)果表明文中研制的工作臺(tái)式電子沖擊力錘測(cè)試裝置具有以下特點(diǎn):①能夠產(chǎn)生重復(fù)性好、可變大小的沖擊力，可以取代人工力錘;②適用于切削刀具系統(tǒng)端點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)的測(cè)試，測(cè)試效果較好;③裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可推廣應(yīng)用于自動(dòng)沖擊測(cè)試、結(jié)構(gòu)檢測(cè)等場(chǎng)合.

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