姜洪奎，劉濤，周亮，王樂源

（山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院，山東濟南250101）

0 引言

隨著科技的發(fā)展與生產(chǎn)方式的進步，人類開始進入工業(yè)4.0時代。作為制造業(yè)的核心，機械制造業(yè)受到的影響尤為顯著。汽車、船舶等行業(yè)的興起使得市場對數(shù)控機床，尤其是高速高精數(shù)控機床的需求有所提升。作為數(shù)控機床的重要傳動部件之一，滾珠絲杠直接影響著數(shù)控機床的加工精度和性能。隨著國內(nèi)學(xué)者對滾珠絲杠研究的不斷深入，國內(nèi)外的滾珠絲杠精度差距逐漸縮小，但是精度保持性和性能可靠性與國外相比仍有很大差距。國內(nèi)滾珠絲杠高端產(chǎn)品市場大都由國外廠家占領(lǐng)，嚴(yán)重制約著我國高端數(shù)控機床的國產(chǎn)化，因此，從精度保持性和性能可靠性入手，提高滾珠絲杠的性能成為國產(chǎn)滾珠絲杠生產(chǎn)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急［1］。

國內(nèi)對于滾珠絲杠的精度保持性與性能可靠性的研究幾乎是空白，關(guān)于精度保持性的研究主要集中在測試以及試驗臺的開發(fā)方面，而對于精度保持性以及性能可靠性提升方面的研究相對較少［2-3］。滾珠絲杠的狀態(tài)監(jiān)控與維護能夠很好地提高精度保持性，提高其可靠性。狀態(tài)監(jiān)控與維護能夠?qū)L珠絲杠的參數(shù)（溫度、噪聲、振動等）進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠副潛在的問題；故障診斷技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠的故障部位與類型；自修復(fù)技術(shù)能夠在滾珠絲杠出現(xiàn)磨損等故障時進行自修復(fù)，有效提高其可靠性。

文章綜述了滾珠絲杠副的典型失效形式及表現(xiàn)、多種失效檢測方法的優(yōu)缺點、降低磨損的方法，自修復(fù)的方法、反向間隙補償、螺距誤差補償、熱誤差補償?shù)妊芯窟M展，并對滾珠絲杠副未來的發(fā)展方向進行了展望。

1 數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)控機床是用數(shù)字信息進行控制的機床，借助輸入控制器中的數(shù)字信息來控制機床部件的運動，自動對零件進行加工處理。自1952年首臺數(shù)控機床問世以來，機床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了研究開發(fā)期、推廣應(yīng)用期、系統(tǒng)化、集成化以及網(wǎng)絡(luò)化5個階段［4］，如圖 1所示。

圖1 機床數(shù)控技術(shù)發(fā)展階段圖

數(shù)控機床作為機械裝備制造業(yè)的工作母機，具有非常重要的作用。2006年，日本馬扎克公司推出了首款產(chǎn)品“智能機床”，其出現(xiàn)標(biāo)志著數(shù)控機床的發(fā)展進入到了智能化時代。目前，對智能機床還沒有一個統(tǒng)一的定義，日本馬扎克公司和美國智能加工平臺計劃（SMPI）對智能數(shù)控機床的特征進行了總結(jié)［5］。機床的智能化是數(shù)字控制的進一步發(fā)展，借助各種傳感器對加工過程和機床狀態(tài)進行監(jiān)控，使其不僅能優(yōu)化自身的運行狀況，而且還具備自學(xué)習(xí)和提高的能力。

直線進給是機床最主要的進給形式之一，而滾珠絲杠副則是普遍應(yīng)用的直線進給機構(gòu)。滾珠絲杠副具有傳動效率高、磨損小、壽命長及自鎖特性等優(yōu)點，故而自1874年問世以來，逐漸受到各國重視，發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛，目前已是高性能數(shù)控機床不可或缺的功能部件。隨著數(shù)控機床向智能化方向發(fā)展，對滾珠絲杠副的要求就更高。

2 滾珠絲杠副的研究進展

2.1 滾珠絲杠副典型失效形式及表現(xiàn)

數(shù)控機床的故障主要發(fā)生在主軸、滾珠絲杠副、刀具存放和換刀裝置上，故障主要表現(xiàn)為切削加工過程中各部件的運動故障、振動、噪聲、磨損、工件質(zhì)量等方面。滾珠絲杠副作為數(shù)控機床的主要進給部件，雖然滾珠絲杠與滾動軸承有相似之處，但是失效形式并不完全相同，如由于滾珠絲杠副存在返向滾道，使得滾珠的運動方式、承載方式和潤滑方式與軸承存在較大不同，從而使?jié)L珠絲杠副的磨損方式也與球軸承的磨損模式大有不同，各個部件之間的磨損相互耦合。馮虎田對滾珠絲杠的幾種失效形式進行了總結(jié)［1］，如圖 2所示。

造成滾珠絲杠副失效的原因很多，事實上，在實際生產(chǎn)中滾珠絲杠副的失效形式往往是由多種原因綜合作用引發(fā)的，這種綜合失效模式在惡劣高速環(huán)境下十分常見，進而導(dǎo)致機器故障。

圖2 滾珠絲杠副的失效形式及表現(xiàn)圖

2.2 滾珠絲杠副失效檢測方法

目前國內(nèi)沒有關(guān)于滾珠絲杠副失效的檢測標(biāo)準(zhǔn)，實際的滾珠絲杠副失效判斷還停留在宏觀觀察和檢查上。對于磨損失效的診斷方法，主要是對滾珠絲杠副的潤滑油中鐵屑形貌變化、滾珠絲杠副的運轉(zhuǎn)噪聲、溫升和振動等進行檢測判斷［6］，檢測方法如圖3所示。

圖3 滾珠絲杠副的失效檢測方法圖

（1）綜合性能比較法 主要方式有：①通過測量反向間隙和摩擦力矩以及觀察滾道表面有無點蝕現(xiàn)象，或者檢查預(yù)緊力是否喪失；② 鐵粉記錄診斷法，即對運行中的滾珠絲杠副內(nèi)的潤滑油樣進行定期地采樣分析。其缺點是人為因素影響較大，無法及時有效地獲取滾珠絲杠副的磨損狀況信息，無法實現(xiàn)在線測量。隨著數(shù)控機床智能化程度的提高，能夠?qū)收线M行在線檢測是很有必要的，故而這種方法無法滿足智能化數(shù)控機床的要求。

（2）聲發(fā)射檢測技術(shù) 目前這項技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到低速軸承的故障診斷問題，該技術(shù)能夠及時地在線檢測出故障，但是對于滾珠絲杠副來說難度較大。因為對滾珠絲杠副進行聲發(fā)射檢測，必須將絲杠副安裝在試驗臺上，而試驗臺上電動機、軸承、導(dǎo)軌等零件都會產(chǎn)生發(fā)射信號，使得試驗臺的聲發(fā)射背景噪聲變得極其復(fù)雜，而且滾珠絲杠副本身也存在這樣的問題，滾珠不僅與滾道接觸時會有瞬時彈性波的現(xiàn)象，而且滾動體進入循環(huán)反向裝置時撞擊也會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，頻譜成分復(fù)雜，故而如何區(qū)分或者減少這些零件對滾珠絲杠副聲發(fā)射信號的影響是解決利用聲發(fā)射信號對滾珠絲杠副疲勞狀態(tài)并進行無損檢測的關(guān)鍵。

（3）溫度報警裝置 滾珠絲杠副潤滑不良、預(yù)緊力過大等都會產(chǎn)生較大溫升，而溫度升高會引起滾珠絲杠熱變形，進而影響機床的加工精度。對滾珠絲杠副溫度進行報警比較容易實現(xiàn)，一般可以將熱電阻黏貼在滾珠絲杠副的螺母、螺母座進行實時檢測溫度。王立將貼片式溫度傳感器直接貼在滾珠絲杠副的絲杠上，對其溫升進行檢測［7］。

（4）預(yù)緊力的測量方法 目前國內(nèi)外對滾珠絲杠副預(yù)緊的研究集中在預(yù)緊、軸向剛度的計算分析及建模研究、預(yù)緊力的檢測和預(yù)緊力的調(diào)整3個方面。

①預(yù)緊、軸向剛度的計算分析及建模研究

滾珠絲杠副在預(yù)緊力的作用下會產(chǎn)生一定量的軸向接觸變形，預(yù)緊力的大小對絲杠副的軸向接觸變形和軸向接觸剛度的影響很大。Xu等和何紀(jì)承等對單、雙螺母滾珠絲杠副的軸向剛度進行了分析研究，分別建立了單、雙螺母滾珠絲杠副的計算公式，為滾珠絲杠副的合理設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)［8-9］。

由于滾珠絲杠副本身由多個組件組成，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其剛度模型的建立比較困難。目前的建模方法大多都對剛度模型進行了簡化處理，劉衍等根據(jù)滾珠絲杠副在不同固定方式下的靜態(tài)和動態(tài)剛度的計算，提出了一種滾珠絲杠副等效靜剛度和動剛度的計算方法［10］；康獻民等建立預(yù)緊力作用下的滾珠絲杠副滾珠及螺母滾道的模型，分析了預(yù)緊力與軸向接觸剛度的關(guān)系［11］。

②預(yù)緊力的檢測

滾珠絲杠副對螺母施加預(yù)緊力，可以提高滾珠絲杠副的軸向剛度和定位精度，雖然預(yù)緊力會增加進給系統(tǒng)的啟動力矩、增大絲杠的磨損及產(chǎn)生溫升等影響，但是預(yù)緊力損失則會導(dǎo)致其固有頻率降低、低剛度以及振蕩等問題。因此，對滾珠絲杠副預(yù)緊力損失進行檢測和預(yù)測非常必要。Wei等通過對滾珠絲杠副的螺母進行結(jié)構(gòu)改造，即在滾珠絲杠副的2個螺母之間沿不同角度安裝上多個壓電傳感器，從而可以在線測量出不同工況下滾珠絲杠副的預(yù)緊力的變化情況［12］。除此之外，還有一種監(jiān)測滾珠通過返向器的頻率（BPF）變化來確定預(yù)緊力損失的方法［13］。Huang等利用支持向量機確定和提取預(yù)加載狀態(tài)的特征模式，在此基礎(chǔ)上，對滾珠絲杠副預(yù)緊力狀態(tài)進行判別［14］。

③預(yù)緊力的調(diào)整

目前常用的預(yù)緊方法，如果是純傳動應(yīng)用，可以有一定的反向間隙，可以采用單螺母預(yù)緊；如果是不允許有反向間隙的精密滾珠絲杠副，則應(yīng)采用雙螺母預(yù)緊。對于單螺母，一般采用偏大點的滾珠提供預(yù)緊力，而雙螺母預(yù)緊方式主要有墊片式、螺紋式、齒差式及彈簧式。研究顯示雙螺母預(yù)緊方法具有更高的定位能力和更好的運動平穩(wěn)性，其軸向接觸剛度優(yōu)于單螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)。但是雙螺母預(yù)緊的方法也存在不足之處［1］，見表 1。

表1 雙螺母預(yù)緊方式的優(yōu)缺點表

一項發(fā)明專利技術(shù)介紹了一種調(diào)節(jié)預(yù)緊力的裝置［15］，如圖4所示。將2個斜面相互對接的預(yù)緊件放置在滾珠絲杠的螺母之間，通過調(diào)整預(yù)緊件的位移調(diào)節(jié)螺釘，2個預(yù)緊件的厚度將因預(yù)緊件之間的相對位移而改變，這樣就可以調(diào)節(jié)螺母之間的預(yù)緊力。

圖4 調(diào)節(jié)預(yù)緊力的裝置圖

這種調(diào)節(jié)預(yù)緊力的方法為機械式方法，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對預(yù)緊力的調(diào)整，但是并不能實現(xiàn)及時、自動的調(diào)整。可以預(yù)見的是，隨著伺服驅(qū)動和測控技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實時補償?shù)倪B續(xù)可調(diào)預(yù)緊裝置是未來的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)對滾珠絲杠在線實時補償?shù)倪B續(xù)可調(diào)預(yù)緊方面的研究主要集中在壓電陶瓷材料和磁致伸縮材料方面。

在壓電陶瓷材料方面，李鐵民提出了一種通過壓電陶瓷的伸縮量精確控制絲杠螺母預(yù)緊力大小的裝置［16］。該裝置能夠在運行過程當(dāng)中進行實時控制，操作簡單。沙勇提出了一種圓環(huán)驅(qū)動器與壓力傳感器相結(jié)合的一種滾珠絲杠副預(yù)緊力測量裝置，壓電陶瓷驅(qū)動器安置在圓環(huán)驅(qū)動器上，可直接測量預(yù)緊力大?。?7］。

在磁致伸縮方面，馬尚君提出了一種預(yù)緊力可測可調(diào)的預(yù)緊裝置［18］。通過控制外接電源輸入電流的大小改變伸縮棒的大小，從而起到調(diào)節(jié)預(yù)緊力的作用。林明星利用超磁致伸縮材料，提出了一種具有自感知功能的滾珠絲杠副預(yù)緊力測控系統(tǒng)及方法［19］。王慶東對基于超磁致伸縮的滾珠絲杠副螺母預(yù)緊系統(tǒng)進行了設(shè)計及優(yōu)化，實現(xiàn)了超磁致伸縮材料的機械應(yīng)變到滾珠絲杠副螺母預(yù)緊力的傳遞［20］。目前超磁致伸縮材料的生產(chǎn)成本較高，這在一定程度上限制了其在滾珠絲杠副上的應(yīng)用。

（5）智能診斷法 故障診斷技術(shù)主要是針對系統(tǒng)的運行狀態(tài)和異常狀況進行分析診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果為故障恢復(fù)提供相關(guān)的依據(jù)。目前一些學(xué)者采用智能識別方法對滾珠軸承的故障識別和預(yù)測進行了探索，研究表明這些檢測方法相比傳統(tǒng)的振動測量方法更能有效地判斷缺陷產(chǎn)生，甚至可以在軸承表面出現(xiàn)缺陷之前發(fā)現(xiàn)故障［21-22］。由于滾珠絲杠由滾動軸承演化而來，故而這些檢測方法對滾珠絲杠也有一定的借鑒意義，Lee等就通過把滾珠絲杠假設(shè)為滾動軸承，利用相對速度、轉(zhuǎn)速、直徑等推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)的失效頻率，進而實現(xiàn)對滾珠絲杠的故障診斷［23］。

智能故障診斷是模擬人類思維的推理過程，通過有效地獲取、傳遞和處理診斷信息，能夠模擬人類專家，以靈活的診斷策略對監(jiān)測對象的運行狀態(tài)和故障做出智能判斷和決策。目前應(yīng)用于智能診斷的技術(shù)主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論等［24-26］，這些技術(shù)雖然在智能診斷方面廣泛應(yīng)用，但是其本身存在的缺點是不容忽視的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要進行大量的樣本訓(xùn)練；專家系統(tǒng)存在知識獲取的瓶頸；模糊理論則需要由先驗知識人工確定隸屬函數(shù)及模糊關(guān)系矩陣。這也就造成了目前的智能診斷系統(tǒng)相對薄弱，智能化程度遠遠未達到要求。

各種人工智能方法都各有優(yōu)缺點，如何取長補短，優(yōu)勢互補，將各種智能技術(shù)的優(yōu)點進行融合是當(dāng)今智能診斷技術(shù)的發(fā)展方向之一。在這方面已經(jīng)有學(xué)者進行研究，Zheng等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和模糊理論的推理能力相結(jié)合，實現(xiàn)了滾動軸承故障的自動分類［27］。

2.3 滾珠絲杠副的智能維護

維護的主要目的是避免或降低設(shè)備產(chǎn)生故障的可能性，合理的維護管理，既可以延長設(shè)備的使用壽命，又可以提高設(shè)備的使用率，降低使用成本。對于滾珠絲杠副而言，由于磨損是導(dǎo)致其出現(xiàn)故障的主要問題之一，是影響滾珠絲杠精度的主要因素，故而如何降低磨損對滾珠絲杠副的影響是其維護的關(guān)鍵。目前滾珠絲杠副智能維護的研究主要集中在降低滾珠絲杠表面磨損、自修復(fù)方面。

滾珠絲杠的運動是滾動伴隨有滑動的復(fù)雜運動，其潤滑問題就是典型的彈流潤滑。采用正確的潤滑劑種類、潤滑方式等能夠有效減少滾珠絲杠副的磨損［28］。除此之外，采用涂層技術(shù)及表面納米化技術(shù)［29-30］也明顯提高了材料表面的性能，提高其使用壽命。這些方法雖然提高了滾珠絲杠副的可靠性，但是依然沒有解決在滾珠絲杠副產(chǎn)生磨損后對磨損進行自修復(fù)的問題。

磨損表面的自修復(fù)一般是通過納米二氧化鈦［31］等自修復(fù)添加劑實現(xiàn)的，自修復(fù)添加劑能夠促進形成具有抗磨減摩作用的自修復(fù)膜。實際上，自修復(fù)技術(shù)在軸承中已有所應(yīng)用［32］。滾珠絲杠是以滾動軸承為基礎(chǔ)發(fā)展起來的“滾動化元件”，通過納米潤滑材料促進形成自修復(fù)膜，進而有效改善摩擦磨損性能的自修復(fù)技術(shù)，對滾珠絲杠副自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展有重要作用。

2.4 滾珠絲杠副誤差補償方法

對于定位精度高的數(shù)控設(shè)備而言，一般希望采用精度等級較高的滾珠絲杠副，不過采用精度高的滾珠絲杠副其成本必然較高，故而可以采用誤差補償技術(shù)來提高其精度。誤差補償技術(shù)是指利用軟件技術(shù)，人為產(chǎn)生出一種新的誤差去抵消當(dāng)前成為問題的原始誤差，是一種既經(jīng)濟有效又能提高機床加工精度的手段。滾珠絲杠的誤差補償主要集中在反向間隙補償、絲杠螺距誤差補償、熱誤差補償3個方面。

（1）反向間隙補償

滾珠絲杠副存在反向間隙，雖然反向間隙不大，但是在高速運動狀態(tài)下，依然會對運動精度造成一定的影響，這就需要數(shù)控系統(tǒng)提供反間隙補償功能。隨著機器運行，磨損增大進而使運動副間隙的增大而導(dǎo)致反向間隙逐漸增加，故而需定期對數(shù)控機床各坐標(biāo)軸的反向間隙進行測定和補償。

（2）絲杠的螺距誤差補償

由于設(shè)備的加工精度及加工條件的不同，使得絲杠存在螺距誤差。對于開環(huán)與半閉環(huán)數(shù)控機床而言，螺距誤差補償可以有效的提高其定位精度。早期提高絲杠加工精度的誤差補償方法主要是采用人工補償控制，這種方法難實施、容易出錯且效率低。

激光干涉儀可以準(zhǔn)確的測量被測物的位置精度和定位精度且不受移動距離的限制，故而在螺距測量與補償中應(yīng)用廣泛［33］。不過，大多數(shù)在激光測量中受環(huán)境影響嚴(yán)重，尤其是在測試環(huán)境惡劣及測量距離較長時這一缺點尤為突出，故而為了降低環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，可以在被測點附近固定一個環(huán)境補償器，對激光波長進行補償。

（3）熱誤差補償

熱變形誤差是影響絲杠螺距精度的主要因素之一，因此熱誤差的補償是提高滾珠絲杠精度的重要措施之一。滾珠絲杠的熱誤差補償方法主要有：有限元FEM（Finite Element Method）分析、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等幾種方法。王劉影等根據(jù)絲杠工作狀況建立進給系統(tǒng)的溫度場ANSYS分析模型，探究了滾珠絲杠副的溫度場及熱變形特性，為進給系統(tǒng)的熱變形誤差補償設(shè)計提供依據(jù)［34］；張寶剛分別將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)控機床關(guān)鍵功能部件的熱變形誤差建模，并對2種模型進行了精度對比，得出優(yōu)化的GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能更佳的結(jié)論［35］。

3 展望

滾珠絲杠副不僅可以作為進給機構(gòu)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域如數(shù)控機床，也可以作為推動機構(gòu)應(yīng)用于其他新興領(lǐng)域，如計算機、注塑機械、電子汽車、軍事雷達、機器人以及核電站等。滾珠絲杠副應(yīng)用領(lǐng)域的擴大使得滾珠絲杠副的生產(chǎn)與發(fā)展出現(xiàn)了新趨勢——高精—高速化、智能化、制造綠色化方向。

（1）高精—高速化

航空航天、汽車和模具工業(yè)的產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對數(shù)控機床的加工精度要求越來越高。據(jù)統(tǒng)計，大約每8年機床的加工精度提高1倍。滾珠絲杠副是數(shù)控機床領(lǐng)域直線進給驅(qū)動應(yīng)用最廣泛的形式，對數(shù)控機床的性能起到?jīng)Q定性的影響。提高進給系統(tǒng)的剛度是改善該問題的主要途徑，這類方法包括驅(qū)動方式的創(chuàng)新如螺母驅(qū)動、雙控制進給系統(tǒng)和螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。

滾珠絲杠副的高速化是高效生產(chǎn)的保證。熱變形是提高滾珠絲杠運動速度的主要瓶頸之一。研究人員應(yīng)該重視螺母和絲杠以及工作臺等結(jié)構(gòu)的對稱性和熱變形方向的設(shè)計，將熱變形對滾珠絲杠進給系統(tǒng)精度的影響減少到最小，尤其要重視對結(jié)構(gòu)件的熱變形數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用，借助仿真工具對熱變形加以補償，減少熱的負(fù)面作用，使高速進給系統(tǒng)的精度得以保證。

（2）故障檢測與診斷趨于智能化

無論是德國工業(yè)“4.0”還是“中國制造2025”，都是以智能化為核心的重要戰(zhàn)略舉措，由此可見智能化必將是制造業(yè)未來的發(fā)展方向。滾珠絲杠進給系統(tǒng)的智能化關(guān)鍵的問題是滾珠絲杠副運行狀態(tài)的在線檢測與判斷。準(zhǔn)確檢測到滾珠絲杠副運行系統(tǒng)的運動狀態(tài)及一系列合理的定位精度和響應(yīng)帶寬的位置、速度、加速度和載荷傳感器是實現(xiàn)在線檢測與診斷的智能化的前提。

（3）制造趨于綠色化

制造設(shè)備的節(jié)能和生態(tài)不僅是環(huán)境保護問題，也是市場競爭的焦點。滾珠絲杠副的綠色化涉及到制造和使用2個方面。目前滾珠絲杠副的加工往往采用磨削，其加工過程中會產(chǎn)生的大量廢棄磨削液與金屬粉塵，對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響，因此滾珠絲杠副的綠色化加工方式是未來發(fā)展的趨勢。采用諸如旋風(fēng)硬銑等不使用冷卻液的加工方法是實現(xiàn)滾珠絲杠副綠色加工的解決途徑之一；同時采用冷軋滾珠絲杠副也是綠色設(shè)計的另一個選項，因為冷軋絲杠不僅節(jié)約材料，軋制過程中會使得金屬內(nèi)部組織的缺陷得到彌補，還能有效避免切削與磨削過程中產(chǎn)生的裂紋與燒傷等情況。

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