CN112077406B - 用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,包括主功率电路、反压电路、检测电路、FPGA控制电路和驱动电路,其中所述主功率电路用于给间隙充电,提供放电能量;所述反压电路用于增大放电加工阶段线路阻抗上的电压,提高电流下降率;所述检测电路用于实时采集间隙的电压和电流,进行采样调理后传输至FPGA中;所述FPGA控制电路是根据间隙的电压和电流变化生成相应的控制信号;所述驱动电路用于对控制信号进行放大,产生驱动信号驱动主功率电路中开关管的导通和关断。本发明在主功率电路后加入反压电路,提高了加工间隙放电过程中间隙电流的下降斜率,降低了放电电流脉宽,实现了小能量的加工,提高了加工成品的表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及微细加工脉冲电源,特别是涉及一种用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源。
背景技术
高速往复走丝电火花线切割加工模式(俗称“快走丝”)是我国独创的电火花线切割加工模式,相较于国外研发的低速单向走丝电火花线切割加工模式(俗称“慢走丝”),具有电极丝损耗小、加工成本低的特点。在工业制造领域,我国又将高速往复走丝电火花线切割加工模式改进应用于实际电火花线切割加工过程中,创造了一种新型加工模式,该加工模式主要采用“割一修二”的加工方式,第一次粗加工切割,后面进行精加工修整、微能加工,同样是基于高速往复走丝电火花线切割加工方式与特点,还具有加工效率高、精度高、成本低、表面质量好等优点。
脉冲电源是电火花线切割机床的重要组成部分,其性能的优劣直接影响到加工效率、加工精度、表面粗糙度、切割稳定性等。当前大多数的脉冲电源所采用的电路拓扑在进行高速往复走丝电火花线切割中存在着放电脉宽较大、单个周期内放电能量过高的问题,尤其是在利用高速往复走丝电火花线切割加工模式进行修刀加工过程中放电脉宽长期维持在1μs左右,以至于会使得加工工件表面质量和精度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,包括主功率电路、反压电路、检测电路、FPGA控制电路和驱动电路,其中所述主功率电路用于给间隙充电,提供放电能量;所述反压电路用于增大放电加工阶段线路阻抗上的电压,提高电流下降率;所述检测电路用于实时采集间隙的电压和电流,进行采样调理后传输至FPGA中;所述FPGA控制电路是根据间隙的电压和电流变化生成相应的控制信号;所述驱动电路用于对控制信号进行放大,产生驱动信号驱动主功率电路中开关管的导通和关断。
所述主功率电路包括第一直流电源、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第三二极管和电感,其中第一直流电源的正极和第一开关管的一端连接,第一直流电源的负极接地,第一开关管的另一端和电感连接,电感的另一端和第二开关管连接,第一二极管的阳极和第一直流电源的负极连接,第一二极管的阴极和第一开关管与电感的连接点相连接,第二二极管的阳极和电感与第二开关管的连接点相连接,第二二极管的阴极和第一直流电源与第一开关管的连接点相连接,第三二极管的阳极和第二开关管的一端相连,第三二极管的阴极和电感与第二开关管的连接点相连接。第二开关管与第三二极管的阳极的连接点和第一直流电源的负极分别连接到反压电路两端。
所述反压电路包括第二直流电源、电阻、电容、第四二极管和第五二极管,其中电容的一端和第二开关管与第三二极管的阳极的连接点相连,第五二极管的阳极和第一直流电源的负极连接,第五二极管的阴极和电容的另一端相连,电阻的一端和电容的一端相连,电阻的另一端和电容的另一端相连,第二直流电源的负极和第二开关管与第三二极管的阳极的连接点相连,第二直流电源的正极和第四二极管的阳极相连,第四二极管的阴极和电容与第五二极管的连接点相连,电容、电阻与第二直流电源的负极的连接点和线路电感的一端连接,线路电感的另一端和第一直流电源的负极分别连接间隙两端。
所述第一开关管、第二开关管采用碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管SiCMOSFET,其制作材料为SiC。
所述驱动电路选取具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片。
一种基于上述微能脉冲电源的加工方法,包括如下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)在主功率电路后加入反压电路,提高了加工间隙放电过程中间隙电流的下降斜率,降低了放电电流脉宽,实现了小能量的加工,提高了加工成品的表面质量;2)主功率电路中在电感和开关管两端反向并联二极管,能够在加工过程中,将存储在电感上的能量反馈至直流电源上,提高了电能利用率;3)控制电路部分采用FPGA,可编程控制不同加工阶段的参数,改变峰值电流大小,满足不同加工时的需求。
附图说明
图1为本发明用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源的框架图。
图2为本发明用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源的电路拓扑图。
图3为本发明检测电路的框架图。
图4为本发明驱动芯片的应用原理图。
图5为高速往复走丝电火花线切割加工间隙电压和间隙电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方案作进一步详细描述。
如图1所示,本发明用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,包括主功率电路、反压电路、检测电路、FPGA控制电路和驱动电路,其中所述主功率电路用于给间隙充电,提供放电能量;所述反压电路用于增大放电加工阶段线路阻抗上的电压,提高电流下降率;所述检测电路用于实时采集间隙的电压和电流;所述FPGA控制电路是根据间隙的电压和电流变化生成相应的控制信号;所述驱动电路用于对控制信号进行放大,产生驱动信号驱动主功率电路中开关管的导通和关断。
如图2所示,用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源的拓扑元件,包括第一直流电源V1、第二直流电源V2、电阻R、电容C、电感L、线路电感Lm、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第五二极管D5,其中第一直流电源V1、电感L、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3组成主功率电路,第二直流电源V2、电阻R、电容C、第四二极管D4和第五二极管D5组成反压电路。其中主功率电路中第一直流电源V1的正极和第一开关管Q1的一端连接,第一直流电源V1的负极接地,第一开关管Q1的另一端和电感L连接,电感L的另一端和第二开关管Q2连接,第一二极管D1的阳极和第一直流电源V1的负极连接,第一二极管D1的阴极和第一开关管Q1与电感L的连接点相连接,第二二极管D2的阳极和电感L与第二开关管Q2的连接点相连接,第二二极管D2的阴极和第一直流电源V1与第一开关管Q1的连接点相连接,第三二极管D3的阳极和第二开关管Q2的一端相连,第三二极管D3的阴极和电感L与第二开关管Q2的连接点相连接。第二开关管Q2与第三二极管D3的阳极的连接点和第一直流电源V1的负极分别连接到反压电路两端。
反压电路中电容C的一端和第二开关管Q2与第三二极管D3的阳极的连接点相连,第五二极管D5的阳极和第一直流电源V1的负极连接,第五二极管D5的阴极和电容C的另一端相连,电阻R的一端和电容C的一端相连,电阻R的另一端和电容C的另一端相连,第二直流电源V2的负极和第二开关管Q2与第三二极管D3的阳极的连接点相连,第二直流电源V2的正极和第四二极管D4的阳极相连,第四二极管D4的阴极和电容C与第五二极管D5的连接点相连,电容C、电阻R与第二直流电源V2的负极的连接点和线路电感Lm的一端连接,线路电感Lm的另一端和第一直流电源V1的负极分别连接间隙两端。
此外,反压电路与间隙连接的线路上存在着线路电感Lm,为了便于描述,定义电容C与线路电感Lm的连接点为节点a,电容C和第五二极管D5负极间的节点为节点b,第五二极管D5正极处的节点为节点c。
作为一种具体示例,对于电路拓扑中的开关管,可以选择的碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)。由于该电路拓扑主要作为高速往复走丝电火花线切割加工脉冲电源,因此本发明选用的是Infineon(英飞凌)公司的型号为IMW120R090M1H的SiCMOSFET,其漏源极电压VDS高达250V,漏极电流ID为19A,可以适用于工作频率很高的高速往复走丝电火花线切割加工脉冲电源场合。
对于检测电路,用于实时精确地检测和采集间隙电流和电压,并将其进行数模转换后传输到FPGA控制电路中来进行分析和驱动控制。图3给出了检测电路示例,间隙电压和间隙电流在经过信号的采样和调理之后会转换为标准的被测信号,该被测信号在通过统一的接口后,经过衰减电路来符合数模转换芯片的输入要求,最后再将转换后的数据并行传输至FPGA相应的接口中。
对于FPGA控制电路,主要是用FPGA(即现场可编程门阵列)来进行控制,由于内部已集成相应控制电路结构,可通过程序运算来自动得出对应开关管的驱动信号,同时可以利用程序控制来满足不同加工阶段电流的需求。作为一种具体示例,可以选用ALTERA公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8。
对于驱动电路,可以选择具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片,本发明选择的是Texas Instruments(德州电子)公司的型号是UCC21520的驱动芯片,如图4所示,该芯片拥有高低端双路驱动,并且是隔离式双通道的栅极驱动芯片,可以适用于高频率的开关管,同时具有高稳定性和高效率。
在加工过程中,脉冲电源内的主功率电路、反压电路、检测电路、FPGA控制电路、驱动电路组合成了一个整体,作用于工件和工具两端,控制间隙电流。加工过程中的间隙电流波形如图5所示。在0~t1阶段,第一直流电源给间隙充电,间隙上的电压不断上升,同时间隙有一定的漏电流存在;在t1~t2阶段,间隙被击穿,开始放电加工,间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压,电流则会以一定斜率上升到某一峰值电流;在t2~t3阶段,脉冲电压关闭,随着脉冲电压的降为零,脉冲电流也迅速降为零,而反压电路的存在使得脉冲电流下降的速率更快;在t3时刻之后进入消电离阶段,直到一个加工周期结束。
基于上述微能脉冲电源的加工方法,具体过程如下:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
本发明还提出一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管和第二开关管关断,此时反压电路中的第二直流电源通过第四二极管给电容充电,电容上的能量上升,直到电容上的电压上升到与第二直流电源两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管和第二开关管导通,此时主功率电路中的第一直流电源给线路电感和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管和第二开关管关断,此时第一直流电源不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感将积蓄的能量通过第二二极管回馈到第一直流电源上;反压电路中第五二极管导通抬高了线路电感两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,其特征在于,包括主功率电路、反压电路、检测电路、FPGA控制电路和驱动电路,其中所述主功率电路用于给间隙充电,提供放电能量;所述反压电路用于增大放电加工阶段线路阻抗上的电压,提高电流下降率;所述检测电路用于实时采集间隙的电压和电流,进行采样调理后传输至FPGA中;所述FPGA控制电路是根据间隙的电压和电流变化生成相应的控制信号;所述驱动电路用于对控制信号进行放大,产生驱动信号驱动主功率电路中开关管的导通和关断;
所述主功率电路包括第一直流电源(V1)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第三二极管(D3)和电感(L),其中第一直流电源(V1)的正极和第一开关管(Q1)的一端连接,第一直流电源(V1)的负极接地,第一开关管(Q1)的另一端和电感(L)连接,电感(L)的另一端和第二开关管(Q2)连接,第一二极管(D1)的阳极和第一直流电源(V1)的负极连接,第一二极管(D1)的阴极和第一开关管(Q1)与电感(L)的连接点相连接,第二二极管(D2)的阳极和电感(L)与第二开关管(Q2)的连接点相连接,第二二极管(D2)的阴极和第一直流电源(V1)与第一开关管(Q1)的连接点相连接,第三二极管(D3)的阳极和第二开关管(Q2)的一端相连,第三二极管(D3)的阴极和电感(L)与第二开关管(Q2)的连接点相连接,第二开关管(Q2)与第三二极管(D3)的阳极的连接点和第一直流电源(V1)的负极分别连接到反压电路两端。
2.根据权利要求1所述的用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,其特征在于,所述反压电路包括第二直流电源(V2)、电阻(R)、电容(C)、第四二极管(D4)和第五二极管(D5),其中电容(C)的一端和第二开关管(Q2)与第三二极管(D3)的阳极的连接点相连,第五二极管(D5)的阳极和第一直流电源(V1)的负极连接,第五二极管(D5)的阴极和电容(C)的另一端相连,电阻(R)的一端和电容(C)的一端相连,电阻(R)的另一端和电容(C)的另一端相连,第二直流电源(V2)的负极和第二开关管(Q2)与第三二极管(D3)的阳极的连接点相连,第二直流电源(V2)的正极和第四二极管(D4)的阳极相连,第四二极管(D4)的阴极和电容(C)与第五二极管(D5)的连接点相连,电容(C)、电阻(R)与第二直流电源(V2)的负极的连接点和线路电感(Lm)的一端连接,线路电感(Lm)的另一端和第一直流电源(V1)的负极分别连接间隙两端。
3.根据权利要求1所述的用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,其特征在于,所述第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)采用碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET,其制作材料为SiC。
4.根据权利要求1所述的用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源,其特征在于,所述驱动电路选取具有高低端双路驱动且具有隔离特性的驱动芯片。
5.基于权利要求1-4任一项所述的用于高速往复走丝电火花线切割加工的微能脉冲电源的加工方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时反压电路中的第二直流电源(V2)通过第四二极管(D4)给电容(C)充电,电容(C)上的能量上升,直到电容(C)上的电压上升到与第二直流电源(V2)两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)导通,此时主功率电路中的第一直流电源(V1)给线路电感(Lm)和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时第一直流电源(V1)不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感(L)将积蓄的能量通过第二二极管(D2)回馈到第一直流电源(V1)上;反压电路中第五二极管(D5)导通抬高了线路电感(Lm)两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
6.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时反压电路中的第二直流电源(V2)通过第四二极管(D4)给电容(C)充电,电容(C)上的能量上升,直到电容(C)上的电压上升到与第二直流电源(V2)两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)导通,此时主功率电路中的第一直流电源(V1)给线路电感(Lm)和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时第一直流电源(V1)不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感(L)将积蓄的能量通过第二二极管(D2)回馈到第一直流电源(V1)上;反压电路中第五二极管(D5)导通抬高了线路电感(Lm)两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤:
步骤1:在进行加工开始前,控制主功率电路的第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时反压电路中的第二直流电源(V2)通过第四二极管(D4)给电容(C)充电,电容(C)上的能量上升,直到电容(C)上的电压上升到与第二直流电源(V2)两端电压相等为止;
步骤2:控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)导通,此时主功率电路中的第一直流电源(V1)给线路电感(Lm)和间隙充电,当间隙电压达到击穿电压后,间隙被击穿,开始进行放电加工;
步骤3:当间隙电流上升到给定的峰值电流时,控制第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)关断,此时第一直流电源(V1)不再给间隙供电,间隙电流下降,电路被分割成两个部分,主功率电路中电感(L)将积蓄的能量通过第二二极管(D2)回馈到第一直流电源(V1)上;反压电路中第五二极管(D5)导通抬高了线路电感(Lm)两端的电压,使得间隙电流下降斜率增大;
步骤4:电流放电完成后进入加工脉间,进行消电离;
步骤5:重复步骤1-4,进行下一个加工周期。
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