CN114888733B - 封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其包括：第一夹具与第二夹具，两者用于分别固定换向前和换向后的封闭曲面构件，两者结构相同且能够进行相对运动；位姿检测单元，用于检测第一夹具、第二夹具以及封闭曲面构件的位置及姿态；位姿调整单元，用于调整第一夹具与第二夹具的相对位置及姿态，其通过多轴联动，并借助夹具位姿检测单元获取的夹具位姿信息，将第一夹具与第二夹具调整为换向装夹位姿。本发明还公开了基于上述换向装夹定位***的换向装夹定位方法，用于封闭曲面构件的换向，换向装夹精度高，无测量盲区，能够有效提高封闭曲面构件全表面测量效率和测量精度。

Description

封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***及方法

技术领域

本发明属于曲面构件测量技术领域，具体涉及一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***及方法。

背景技术

封闭曲面构件表面面形复杂，自由度多，精密加工的封闭曲面构件具有良好的光学性能，广泛应用于光学***、航空航天、机械电子、天文观测等领域。封闭曲面构件超精密加工是加工、测量与补偿加工反复进行的过程，高精度的检测技术是实现精密加工的基础。封闭曲面构件全表面的测量对于检测加工缺陷，提高加工质量具有重要意义。目前对于曲面构件的检测方法主要分为接触式和非接触式，其中接触式的测量方法采用逐点扫描的方式进行测量，具有代表性的是扫描隧道显微镜和原子力显微镜，分别通过检测探针与构件表面之间的作用力和电流实现检测目的。非接触式测量方法属于无损检测，具有代表性的是白光干涉仪，通过干涉条纹检测表面形貌。

白光干涉仪、扫描隧道显微镜或原子力显微镜等设备的换向测量过程均是通过转动载物台实现的，具有以下几个方面的不足：(1)检测范围有限，通过载物台换向均不能检测到设备与封闭曲面构件装夹的盲区，不适用于封闭曲面构件的全表面检测；(2)测量精度低，白光干涉仪与扫描隧道显微镜等设备检测曲面构件通过转动仪器载物台实现，对于封闭曲面的侧面检测精度低；(3)换向难度高，数据量大，现有仪器通过多次测量，拼接数据得到表面形貌的测量方法受限于拼接精度，对于尺寸过大的构件，数据处理量大，精度低；对于尺寸较小的构件，换向装夹难度高。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了基于位移传感器扫描的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，通过该***转换构件测量角度，完成构件表面盲区的测量，并优化定位方法，简化测量流程与数据处理过程，实现封闭曲面构件的全表面精确测量。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其包括：

第一夹具与第二夹具，两者用于分别固定换向前和换向后的封闭曲面构件，两者结构相同且能够进行相对运动；

位姿检测单元，用于检测第一夹具、第二夹具以及封闭曲面构件的位置及姿态；

位姿调整单元，用于调整第一夹具与第二夹具的相对位置及姿态，其通过多轴联动，并借助夹具位姿检测单元获取的夹具位姿信息，将第一夹具与第二夹具调整为换向装夹位姿。

作为优选，所述第一夹具与第二夹具均为真空吸附夹具，第一夹具的端部具有第一吸附头，第二夹具的端部具有第二吸附头，两个吸附头分别连通不同的真空管路；当第一夹具与第二夹具处于换向装夹位姿时，第一吸附头与第二吸附头对封闭曲面构件的吸附位分别为第一吸附位及第二吸附位，两个吸附位不同区域且无重叠范围。上述方案能够有效消除测量盲区，实现封闭曲面构件全面形测量。

作为优选，所述第一吸附位与第二吸附位的中心连线经过封闭曲面构件的质心；所述第二吸附位为换向前封闭曲面构件面形测量起始位，所述第一吸附位为换向后封闭曲面构件面形测量的起始位。通过优化换向角度，设定第一吸附位与第二吸附位的位置，在保证装夹稳定的同时可以提高测量效率，两次测量即可实现封闭曲面构件全面形测量，且方便后续数据拼接。

作为优选，所述夹具位姿调整单元包括第一载物台、第二载物台及载物架，其中第一夹具设于第一载物台，第二夹具设于第二载物台，第一载物台与第二载物台能够进行相对运动，以调整第一夹具与第二夹具的相对位置及姿态。

作为优选，所述第二载物台包括Z轴滑座及滑动设置在Z轴滑座上的Z轴滑块，该Z轴滑块能够在Z轴滑座上沿Z轴方向往复滑动；Z轴滑块上固设有X轴滑座，X轴滑座上滑动设置有X轴滑块，该X轴滑块能够在X轴滑座上沿X轴方向往复滑动；X轴滑块上设有一B轴运动台，该B轴运动台能够绕B轴自转，且B轴垂直于X轴及Z轴，第二夹具设于B轴运动台。

作为优选，所述第一载物台包括Y轴运动台，Y轴运动台能够沿Y轴方向往复移动，Y轴运动台上设C轴运动台，该C轴运动台能够绕C轴自转，且C轴平行于Z轴；第一夹具设于C轴运动台。

作为优选，所述位姿检测单元包括第一CCD相机、第二CCD相机、第一调平测头及第二调平测头；其中第一CCD相机及第二CCD相机均设置在载物架上，并分别位于封闭曲面构件的水平方向与垂直方向上；第一调平测头设于B轴运动台上，用于测量第一夹具的位姿，并与第二夹具间隔设置；第二调平测头设于载物架上，且其测量头指向B轴运动台，以测量第二夹具的位姿。

作为优选，所述B轴运动台上还设有面形测头，所述面形测头的测量头及第一调平测头的测量头及第二夹具的吸附头均沿B轴运动台的径向指向外侧。

作为优选，所述面形测头的测量头与第二夹具的吸附头背离设置，间隔180度；所述第一调平测头的测量头与面形测头的测量头及第二夹具的吸附头均间隔90度。面形测头、第一调平测头及第二夹具均集成在B轴运动台上，并采用上述位置关系，通过一个载物台的多轴联动即可实现面形测量、第一夹具位姿测量、第二夹具位姿调整，结构紧凑，运行高效。

一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位方法，其包括以下步骤：

步骤一，测量第一夹具位姿，并记录第一夹具位姿数据，该位姿数据包括位置数据及姿态数据，根据该位姿数据设定第二夹具的目标位姿数据；

步骤二，测量调整第二夹具位姿，并获取第二夹头实测位姿数据，该实测位姿数据数据包括位置数据和姿态数据；将该实测位姿数据与步骤一中的目标位姿数据进行比对，并确定调整方案；根据调整方案，通过第二载物台的多轴联动调整第二夹具位姿；调整后再测量再比对，若第二夹具位姿调整至目标位姿，则停止调整，若未调整至目标位姿，则继续调整、测量、比对，直至第二夹具调整至目标位姿；

步骤三，第二夹具调整至目标位姿后，第一夹具与第二夹具配合对封闭曲面构件进行换向装夹。

作为优选，所述步骤二中测量第二夹具位姿的方法为：驱动Z轴滑块、X轴滑块及B轴运动台，借助第一CCD相机与第二CCD相机粗调第二夹具的位姿，使第二夹具的第二吸附头与第一夹具的第一吸附头位于同一平面，并使第二吸附头指向封闭曲面构件；沿X轴方向调整第二调平测头的位置，使第二夹具位于第二调平测头的测量范围内；驱动Z轴滑块，利用第二调平测头测量第二夹具位姿，并记录该实测位姿数据。

作为优选，所述步骤三中对封闭曲面构件进行换向装夹的方法为：在第一CCD相机与第二CCD相机的监测下，驱动Z轴滑块，使第二夹具逐渐靠近封闭曲面构件，连通第二夹具真空管路，断开第一夹具真空管路，第二夹具吸附封闭曲面构件，第一夹具卸载封闭曲面构件；整个换向装夹过程在第一CCD相机及第二CCD相机的监测下完成，保证第二夹具与封闭曲面构件距离满足吸附要求的同时，避免第二夹具与封闭曲面构件碰撞；第二夹具吸附封闭曲面构件后，取下第一夹具与第二夹具，并将第二夹具安装到C轴运动台上，完成换向装夹。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、扩大测量范围，通过本发明所述换向装夹定位***，消除封闭曲面构件表面的测量盲区，实现全表面的测量。

2、提高换向装夹精度，通过调平测头检测夹具位姿，实现夹具的精确定位；通过CCD相机实时监测换向过程，提高了换向装夹过程的可靠性。

3、提高测量效率，相比现有技术而言，换向装夹流程简单，构件一次换向，两次扫描即可完成全表面测量，减少数据处理量，提高测量效率。

附图说明

图1为封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***结构示意图；

图2为封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位方法流程图；

图3为第一夹具位姿测量方法示意图；

图4为第二夹具位姿测量方法示意图；

图5为换向装夹后第二夹具位姿示意图

图中标记：1Y轴运动台；2载物架；3第一CCD相机；4封闭曲面构件；5Z轴滑座；6X轴滑块；7X轴滑座；8Z轴滑块；9B轴运动台；10第一调平测头；11第二夹具；12面形测头；13第二调平测头；14第二CCD相机；15C轴转接件；16第一夹具；17C轴运动台。

具体实施方式

下面结合附图所表示的实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种封闭曲面构件4全表面测量换向装夹定位***，其包括：第一夹具16与第二夹具11、位姿检测单元、位姿调整单元及控制单元。

第一夹具16与第二夹具11，两者用于分别固定换向前和换向后的封闭曲面构件4，两者结构相同且能够进行相对运动；所述第一夹具16与第二夹具11均为真空吸附夹具，第一夹具16的端部具有第一吸附头，第二夹具11的端部具有第二吸附头，两个吸附头分别连通不同的真空管路；本实施例中，位姿调整时，第一夹具16保持不动，仅对第二夹具11的位姿进行调整，第二夹具11调整到目标位姿时，第一吸附头与第二吸附头对封闭曲面构件4的吸附位分别为第一吸附位及第二吸附位，两个吸附位不同区域且无重叠范围，以有效消除测量盲区，实现封闭曲面构件4全面形测量。

第一吸附位与第二吸附位的中心连线经过封闭曲面构件4的质心，本实施例中封闭曲面构件4为一球型构件，第一吸附位与第二吸附位的中心连线经过球心；所述第二吸附位为换向前封闭曲面构件4面形测量起始位，所述第一吸附位为换向后封闭曲面构件4面形测量的起始位。通过优化换向角度，设定第一吸附位与第二吸附位的位置，在保证装夹稳定的同时可以提高测量效率，两次测量即可实现封闭曲面构件4全面形测量，且方便后续数据拼接。

位姿调整单元用于调整第一夹具16和第二夹具11的位置及姿态，其通过多轴联动，并借助夹具位姿检测单元获取的夹具位姿信息，将第一夹具16和第二夹具11调整为换向装夹位姿。位姿调整单元包括第一载物台、第二载物台及载物架2，其中第一夹具16设于第一载物台，第二夹具11设于第二载物台，第一载物台与第二载物台能够进行相对运动，以调整第一夹具16与第二夹具11的相对位置及姿态；所述第一载物台包括Y轴运动台1，Y轴运动台1能够沿Y轴方向往复移动，Y轴运动台1上固设C轴运动台17，该C轴运动台17能够绕C轴自转，且C轴平行于Z轴，C轴运动台17上设C轴转接件15，第一夹具16设于C轴运动台17，且第一夹具16的吸附口沿C轴方向指向外侧。

第二载物台包括Z轴滑座5及滑动设置在Z轴滑座5上的Z轴滑块8，该Z轴滑块8能够在Z轴滑座5上沿Z轴方向往复滑动；Z轴滑块8上固设有X轴滑座7，X轴滑座7上滑动设置有X轴滑块6，该X轴滑块6能够在X轴滑座7上沿X轴方向往复滑动；X轴滑块6上设有一B轴运动台9，该B轴运动台9能够绕B轴自转，且B轴垂直于X轴及Z轴，第二夹具11设于B轴运动台9。

位姿检测单元，用于检测第一夹具16、第二夹具11以及封闭曲面构件4的位置及姿态；所述位姿检测单元包括第一CCD相机3、第二CCD相机14、第一调平测头10及第二调平测头13,本实施例中的两个调平测头采用位移传感器，可以检测第一夹具16与第二夹具11的相对位移，以得出第一夹具16与第二夹具11的空间姿态；第一CCD相机3及第二CCD相机14均设置在载物架2上，并分别位于封闭曲面构件4的水平方向与垂直方向上；第一调平测头10设于B轴运动台9上，用于测量第一夹具16的位姿，并与第二夹具11间隔设置；第二调平测头13设于载物架2上，且其测量头指向B轴运动台9，以测量第二夹具11的位姿。

B轴运动台9上还设有面形测头12，所述面形测头12的测量头及第一调平测头10的测量头及第二夹具11的吸附头均沿B轴运动台9的径向指向外侧；所述面形测头12的测量头与第二夹具11的吸附头背离设置，间隔180度；所述第一调平测头10的测量头与面形测头12的测量头及第二夹具11的吸附头均间隔90度。面形测头12、第一调平测头10及第二夹具11均集成在B轴运动台9上，采用上述位置关系，通过一个载物台的多轴联动即可实现面形测量、第一夹具16位姿测量、第二夹具11位姿调整，结构紧凑，运行高效。

面形测量时，通过通过Z轴滑块8与X轴滑块6平动及B轴运动台9回转进行三轴联动，使面形测头12的测量头跟踪封闭曲面构件4表面轮廓，且保证面形测头12的测量头始终指向封闭曲面构件4表面法向方向；在X轴滑块6、Z轴滑块8、B轴运动台9三轴联动驱动面形测头12运动的同时，通过C轴运动台17驱动曲面构件回转运动，以在面形测头12跟随封闭曲面构件4表面运动的同时，封闭曲面构件4自身在回转运动，实现激光干涉光针对曲面构件表面的随形扫描。测量第一夹具16位姿时，驱动X轴滑块6、Z轴滑块8、B轴运动台9，调整第一调平测头10相对第一夹具16的位置，使第一夹具16位于第一调平测头10的测量范围内，驱动Z轴滑块8，通过第一调平测头10测量第一夹具16位姿，并记录数据。测量调整第二夹具11位姿时，驱动X轴滑块6、Z轴滑块8、B轴运动台9，调整第二夹具11相对第二调平测头13的相对位置，使第二夹具11位于第二调平测头13的测量范围内，驱动Z轴滑块8，通过第二调平测头13测量第二夹具11位姿，并记录数据，再根据实测数据与目标数据的比对，按需驱动X轴滑块6、Z轴滑块8、B轴运动台9，对第二夹具11的位姿进行校正。

实施例2

参见图2-5，本实施例公开一种封闭曲面构件4全表面测量换向装夹定位方法，具体方法如下：

测量第一夹具16位姿。封闭曲面构件4完成第一次扫描后，驱动X轴滑块6、Z轴滑块8、B轴运动台9，并借助第一CCD相机3与第二CCD相机14粗条第一调平测头10相对第一夹具16的位置，使第一夹具16位于第一调平测头10的测量范围内，驱动Z轴滑块8，并记录第一夹具16位姿数据，该位姿数据包括位置数据及姿态数据，根据该位姿数据设定第二夹具11的目标位姿数据。

测量调整第二夹具11位姿。驱动Z轴滑块8、X轴滑块6及B轴运动台9，借助第一CCD相机3与第二CCD相机14粗调第二夹具11的位姿，使第二夹具11的第二吸附头与第一夹具16的第一吸附头位于同一平面，并使第二吸附头指向封闭曲面构件4；沿X轴方向调整第二调平测头13的位置，使第二夹具11位于第二调平测头13的测量范围内；驱动Z轴滑块8，利用第二调平测头13测量第二夹具11位姿，并记录该实测位姿数据，该实测位姿数据数据包括位置数据和姿态数据；将该实测位姿数据与步骤一中的目标位姿数据进行比对，并确定调整方案，；根据调整方案，通过第二载物台的多轴运动调整校正第二夹具11位姿；调整后再测量再比对，若第二夹具11位姿调整至目标位姿，则停止调整，若未调整至目标位姿，则继续调整、测量、比对，直至第二夹具11调整至目标位姿，第二夹具11调整至目标位姿时，其与第一夹具16位镜像对称。

第一夹具16与第二夹具11配合对封闭曲面构件4进行换向装夹。第二夹具11调整至目标位姿后，在第一CCD相机3与第二CCD相机14的监测下，驱动Z轴滑块8，使第二夹具11逐渐靠近封闭曲面构件4，连通第二夹具11真空管路，断开第一夹具16真空管路，第二夹具11吸附封闭曲面构件4，第一夹具16卸载封闭曲面构件4；第二夹具11的吸附位为换向前封闭曲面构件4面形测量起始位，换向前第一夹具16的吸附位为测量盲区，换向后该吸附位作为封闭曲面构件4面形测量的起始位，两次测量即可实现封闭曲面构件4全面形测量，且方便后续数据拼接；整个换向装夹过程在第一CCD相机3及第二CCD相机14的监测下完成，保证第二夹具11与封闭曲面构件4距离满足吸附要求的同时，避免第二夹具11与封闭曲面构件4碰撞；第二夹具11吸附封闭曲面构件4后，取下第一夹具16与第二夹具11，并将第二夹具11安装到C轴运动台17上，完成换向装夹，然后进行后续的二次测量和测量数据拼接，实现封闭曲面构件4的全表面面形测量。

本发明公开的封闭曲面构件4全表面测量的换向装夹定位***，用于封闭曲面构件4的换向，通过位移传感器检测换向前后夹具位姿，实现精准定位，一次换向即可完成全表面测量，无测量盲区，减少了数据处理量，提高了测量精度；通过五轴超精密机床***控制工件与位移传感器的相对运动，扩大了扫描范围，对于不同尺寸的工件都具有良好的测量与定位效果。

应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少包含……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，包括：

第一夹具与第二夹具，两者用于分别固定换向前和换向后的封闭曲面构件，两者结构相同且能够进行相对运动；

位姿检测单元，用于检测第一夹具、第二夹具以及封闭曲面构件的位置及姿态；

位姿调整单元，用于调整第一夹具与第二夹具的相对位置及姿态，其通过多轴联动，并借助夹具位姿检测单元获取的夹具位姿信息，将第一夹具与第二夹具调整为换向装夹位姿。

2.根据权利要求1所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述第一夹具与第二夹具均为真空吸附夹具，第一夹具的端部具有第一吸附头，第二夹具的端部具有第二吸附头，两个吸附头分别连通不同的真空管路；当第一夹具与第二夹具处于换向装夹位姿时，第一吸附头与第二吸附头对封闭曲面构件的吸附位分别为第一吸附位及第二吸附位，两个吸附位不同区域且无重叠范围。

3.根据权利要求2所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述第一吸附位与第二吸附位的中心连线经过封闭曲面构件的质心；所述第二吸附位为换向前封闭曲面构件面形测量起始位，所述第一吸附位为换向后封闭曲面构件面形测量的起始位。

4.根据权利要求1-3任一项所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述位姿调整单元包括第一载物台、第二载物台及载物架，其中第一夹具设于第一载物台，第二夹具设于第二载物台，第一载物台与第二载物台能够进行相对运动，以调整第一夹具与第二夹具的相对位置及姿态。

5.根据权利要求4所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述第二载物台包括Z轴滑座及滑动设置在Z轴滑座上的Z轴滑块，该Z轴滑块能够在Z轴滑座上沿Z轴方向往复滑动；Z轴滑块上固设有X轴滑座，X轴滑座上滑动设置有X轴滑块，该X轴滑块能够在X轴滑座上沿X轴方向往复滑动；X轴滑块上设有一B轴运动台，该B轴运动台能够绕B轴自转，且B轴垂直于X轴及Z轴，第二夹具设于B轴运动台。

6.根据权利要求5所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述第一载物台包括Y轴运动台，Y轴运动台能够沿Y轴方向往复移动，Y轴运动台上设有C轴运动台，该C轴运动台能够绕C轴自转，且C轴平行于Z轴；第一夹具设于C轴运动台。

7.根据权利要求6所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位***，其特征在于，所述位姿检测单元包括第一CCD相机、第二CCD相机、第一调平测头及第二调平测头；其中第一CCD相机及第二CCD相机均设置在载物架上，并分别位于封闭曲面构件的水平方向与垂直方向上；第一调平测头设于B轴运动台上，用于测量第一夹具的位姿，并与第二夹具间隔设置；第二调平测头设于载物架上，且其测量头指向B轴运动台，以测量第二夹具的位姿；

所述B轴运动台上还设有面形测头，所述面形测头的测量头及第一调平测头的测量头及第二夹具的吸附头均沿B轴运动台的径向指向外侧；

所述面形测头的测量头与第二夹具的吸附头背离设置，间隔180度；所述第一调平测头的测量头与面形测头的测量头及第二夹具的吸附头均间隔90度。

8.一种封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位方法，其包括以下步骤：

步骤一，测量第一夹具位姿，并记录第一夹具位姿数据，该位姿数据包括位置数据及姿态数据，根据该位姿数据设定第二夹具的目标位姿数据；

步骤二，测量第二夹具位姿，并获取第二夹头实测位姿数据，该实测位姿数据包括位置数据和姿态数据；将该实测位姿数据与步骤一中的目标位姿数据进行比对，并确定调整方案；根据调整方案，通过第二载物台的多轴联动调整第二夹具位姿；调整后再测量再比对，若第二夹具位姿调整至目标位姿，则停止调整，若未调整至目标位姿，则继续调整、测量、比对，直至第二夹具调整至目标位姿；

步骤三，第二夹具调整至目标位姿后，第一夹具与第二夹具配合对封闭曲面构件进行换向装夹。

9.根据权利要求8所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位方法,其特征在于，所述步骤二中测量第二夹具位姿的方法为：驱动Z轴滑块、X轴滑块及B轴运动台，借助第一CCD相机与第二CCD相机粗调第二夹具的位姿，使第二夹具的第二吸附头与第一夹具的第一吸附头位于同一平面，并使第二吸附头指向封闭曲面构件；沿X轴方向调整第二调平测头的位置，使第二夹具位于第二调平测头的测量范围内；驱动Z轴滑块，利用第二调平测头测量第二夹具位姿，并记录该实测位姿数据。

10.根据权利要求8所述的封闭曲面构件全表面测量换向装夹定位方法,其特征在于，所述步骤三中对封闭曲面构件进行换向装夹的方法为：在第一CCD相机与第二CCD相机的监测下，驱动Z轴滑块，使第二夹具逐渐靠近封闭曲面构件，连通第二夹具真空管路，断开第一夹具真空管路，第二夹具吸附封闭曲面构件，第一夹具卸载封闭曲面构件；整个换向装夹过程在第一CCD相机及第二CCD相机的监测下完成，保证第二夹具与封闭曲面构件距离满足吸附要求的同时，避免第二夹具与封闭曲面构件碰撞；第二夹具吸附封闭曲面构件后，取下第一夹具与第二夹具，并将第二夹具安装到C轴运动台上，完成换向装夹。

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