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Verfahren zur Bestimmung des Winkels der Normalen
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eines um eine ortsfeste Drehachse umlaufenden Prüflings und Meßmaschine
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung
des Winkels (Azimutwinkels) der Normalen eines um eine ortsfeste Drehachse umlaufenden
Prüflings gemessen in einer auf der Drehachse senkrecht stehenden Ebene mittels
eines entsprechend dem jeweiligen Azimutwinkel des Prüflings auf einen Lichtdetektor
fallenden Lichtstrahls.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht aus von einer
Meßmaschine mit einem um eine ortsfeste Drehachse rotierenden und einen Prüfling
aufnehmenden Drehtisch, der auf einem Sockel gelagert ist und dem ein seinen Azimutwinkel
(den in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse gemessenen Drehwinkel) messende Winkelmeßeinrichtung
zugeordnet ist, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Azimutwinkels der Normalen
des Prüflings, wobei die Einrichtung zur Bestimmung des Azimutwinkels der Normalen
eine verstellbar gehalterte Lichtquelle und einen Lichtdetektor enthält.
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Wenn mit Hilfe eines Drehtisches die Abwicklung eines Prüflings aufgenommen
werden soll, wobei die Abwicklung mit einer markanten Stelle an dem Prüfling zu
korrelieren ist, dann ist es wesentlich, den Azimutwinkel
des Prüflings
relativ zu dem Drehtisch zu kennen, weil sonst Profilverschiebungen auftreten. Ein
Beispiel für einen derartigen Prüfling stellt ein Kolben für einen Verbrennungsmotor
dar, bei dem die Bohrung für den Kolbenbolzen diejenige Bezugsstelle ist, mit der
die Abwicklung zu korrelieren ist.
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Aus der Praxis ist deshalb eine Meßmaschine zum Aufnehmen der Abwicklung
eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bekannt, die einen auf einem Sockel drehbar
gelagerten Drehtisch enthält. Auf dem Drehtisch wird der Prüfling, d.h. der Kolben
aufgesetzt und so zentriert, daß seine Symmetrieachse möglichst genau mit der Drehachse
des Drehtisches zusammenfällt. Zur Bestimmung der Null-Lage des Kolbens befindet
sich neben dem Drehtisch eine höhenverstellbare Lichtquelle, die in Richtung auf
den Prüfling einen Lichtstrahl aussendet. Der Lichtstrahl wird von einem stirnseitig
verspiegelten, in die Kolbenbolzenbohrung eingesetzten Kolbenbolzen reflektiert
und fällt auf einen Lichtdetektor. Wenn beim Umlaufen des Prüflings um die Drehachse
der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf den Lichtdetektor fällt, kann der dabei
eingenommene Azimutwinkel des Drehtisches gemessen werden, womit der Azimutwinkel
der Kolbenbolzenbohrung relativ zu dem Drehtisch bzw.
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dessen Winkelteilung bekannt ist.
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Zur Durchführung von Messungen mit der bekannten Meßmaschine ist es
jedoch erforderlich, für jede Kolbenbolzenbohrung einen passenden Kolbenbolzen bereitzuhalten,
der in den Kolben eingesetzt werden muß. Hierzu sind unerwünschte Manipulationen
an dem zu vermessenden Kolben notwendig. Auch darf die Stirnseite des zur Messung
erforderlichen Kolbenbolzens möglichst
kein Streulicht erzeugen,
weil darunter die Meßgenauigkeit leidet. Hierbei kann ein unerwünschtes Streulicht
bereits aufgrund von Fingerabdrückentauf der Stirnseite des Kolbenbolzens entstehen,
die sich bei der Handhabung des Kolbenbolzens nicht immer vermeiden lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Bestimmung
des Winkels der Normalen eines um eine ortsfeste Drehachse umlaufenden Prüflings
gemessen in einer auf der Drehachse senkrecht stehenden Ebene zu schaffen, bei dem
an dem Prüfling keine zusätzlichen Meßeinrichtungen angebracht werden müssen. Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Meßmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens
zu schaffen.
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Das Verfahren zur Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Hauptanspruches
gekennzeichnet, während die Meßmaschine zur Durchführung des Verfahrens durch den
Anspruch 5 gekennzeichnet ist.
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Eine besonders ausgeprägte Helligkeitsänderung auf dem Lichtdetektor
ergibt sich, wenn der Lichtstrahl von einem, bezogen auf die den Lichtstrahl aussendende
Lichtquelle hinter dem Prüfling befindliche fokussierenden oder planen Spiegel in
sich selbst reflektiert und die Intensitätsänderung auf derselben Seite des Prüflings
gemessen wird, auf der die Lichtquelle angeordnet ist. Hierdurch wird nämlich erreicht,
daß der Lichtstrahl zwei Mal an der auszumessenden Kante vorbeigelangen muß.
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Eine sehr genaue Messung des Azimutwinkels ist möglich, wenn ein extrem
feiner Lichtstrahl aus kohärentem Licht eines Lasers verwendet wird.
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Das Verfahren ist auch anwendbar auf zylindrische Prüflinge mit Querbohrung,
indem der Lichtstrahl durch die Querbohrung geschickt wird und die Schnittkanten
der Querbohrung mit der Außenumfangsfläche des Prüflings zur Intensitätsänderungen
des Lichtstrahles verwendet werden.
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Die nach dem oben genannten Verfahren arbeitende Meßmaschine mit den
Merkmalen des Anspruches 5 kann wiederum bereits bei einer kleinen Änderung des
Azimutwinkels eine starke Helligkeitsänderung auf dem Lichtdetektor hervorrufen,
wenn der Lichtstrahl an der auszumessenden Kante zwei Mal vorbeigelangen muß, was
dadurch erreicht wird, daß, bezogen auf die Lichtquelle hinter der Drehachse, ein
den Lichtstrahl in sich selbst reflektierender fokussierender oder planer Spiegel
angeordnet ist, während der Lichtdetektor sich auf derselben Seite der Drehachse
befindet wie die Lichtquelle.
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Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laser verwendet.
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Eine einfache und robuste Anordnung für den Laser und den Lichtdetektor
ergibt sich, wenn an dem Laser ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, der
unter 450 zu der optischen Achse des Lasers verläuft und hinter dem sich der Lichtdetektor
befindet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Meßmaschine
veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine Meßmaschine gemäß der Erfindung
in einer Seitenansicht, Fig. 2 den Signalfluß und den Strahlengang bei der Meßmaschine
nach Fig. 1 in einer schematisierten Seitenansicht und Fig. 3 den Strahlengang nach
Fig. 2 in einer Draufsicht mit unterschiedlichen Stellungen des Prüflings.
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Die in Fig. 1 veranschaulichte Meßmaschine 1 dient insbesondere zur
Vermessung der Abwicklung von Verbrennungsmotorkolben und enthält einen auf einem
Sockel 2 drehbar gelagerten Drehtisch 3, auf dem ein nicht veranschaulichter Prüfling
in Gestalt eines Kolbens auzustellen ist. Um die Längsachse des Prüflings auf die
Drehachse 4 des Drehtisches 3 auszurichten, enthält dieser einen Kreuztisch 5, der
mittels zweier Einstelleinrichtungen 6 und 7 relativ zu der Drehachse 4 des Drehtisches
3 verschiebbar ist. Neben dem Drehtisch 3 ist auf dem Sockel 2- ein Support 8 längsverschieblich
gelagert, und zwar erfolgt die Zustellbewegung des Supports 8 rechtwinklig zu der
Drehachse 4 des Drehtisches 3.
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An dem auf den Drehtisch 3 zustellbaren Support 8 ist eine Meßfühleraufnahme
9 höhenverstellbar gehaltert, die an ihrem vorderen Ende einen Meßfühler 10 trägt,
mit dessen Meßtaster 11 die Außenumfangsfläche des auf dem Drehtisch 3 befindlichen
Prüflings abgetastet wird, um die Abwicklung des Prüflings aufzuzeichnen. Die Höhenverstellung
des Meßfühlers 10 bzw. der Meßfühleraufnahme 9 erfolgt in Richtung eines Doppelpfeiles
12 parallel zu der Drehachse 4, so daß die Abwicklung in verschiedenen Höhen des
Prüflings abnehmbar ist.
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Auf der dem Support 8 gegenüberliegenden Seite der Drehachse 4 ist
an dem Sockel 2 ein höhenverstellbares Gehäuse 13 vorgesehen, das, wie Fig. 2 zeigt,
eine Lichtquelle 14 sowie einen Lichtdetektor 15 enthält.
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Die Lichtquelle 14 ist ein im sichtbaren Bereich kohärentes Licht
aussendender Laser, dessen Strahlungsleistung so klein ist, daß sie für den Menschen
ungefährlich ist und die auch keine Augenschäden hervorruft, wenn das Laserlicht
an der Prüflingsoberfläche reflektiert wird. Die optische Achse des Lasers 14 bzw.
der Lichtquelle verläuft in Richtung parallel zu der Drehachse 4, wobei durch einen
oberhalb des Lasers 14 angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 16 ein aus dem Laser
14 austretender Lichtstrahl 17 teilweise in Richtung auf die Drehachse 4 bzw. einen
auf dem Drehtisch 3 befindlichen Prüfling 18 umgelenkt wird. Der von dem halbdurchlässigen
Spiegel 16 umgelenkte Lichtstrahl 17 schneidet als Lichtstrahl 19 die Drehachse
4 unter einem rechten Winkel und fällt auf einen unter der Meßfühleraufnahme 9 angebrachten
planen Spiegel 20.
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Falls als Lichtquelle 14 kein Laser verwendet wird, der ohne weiteres
ein in sich weitgehend paralleles Licht aussendet, sondern eine gebräuchliche Lichtquelle
mit Kondensoroptik kann es zweckmäßig sein, den Spiegel 20 als fokussierenden Spiegel
auszubilden.
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In jedem Falle reflektiert der Spiegel 20 den Lichtstrahl 19 in sich
selbst zurück, so daß der Lichtstrahl 19 ein weiteres Mal die Drehachse 4 schneidet
und dann auf den teildurchlässigen unter 450 angeordneten Spiegel 16 auftrifft.
An dieser Stelle gelangt ein Teil des Lichtes des Lichtstrahles 19 als Lichtstrahl
21 zu dem Lichtdetektor 15.
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An den Ausgang des Lichtdetektors 15 ist über eine Verbindungsleitung
22 eine Rechenschaltung 23 angeschlossen, mit deren Hilfe der Azimutwinkel der Normalen,
d.h.
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der Winkel der Normalen, gemessen in einer Ebene senkrecht zu der
Drehachse 4 des Prüflings 18 gebildet wird, so daß eine fehlerfreie Korrelierung
der von dem Meßfühler 10 ermittelten Abwicklung des Prüflings 18 mit der Normalen
möglich ist. Hierzu ist an die Rechenschaltung 23 weiterhin ein mit dem Drehtisch
3 drehfest gekuppelter Winkelgeber 24 über eine Leitung 25 angeschlossen.
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Das Meßverfahren,nach dem die insoweit beschriebene Meßmaschine 1
arbeitet, ist nunmehr anhand der Fig. 3 und 4 erläutert. Es ist dabei angenommen,
daß sich auf dem in den Fig. 3 und 4 nicht weiter veranschaulichten Drehtisch 3
ein Kolben 18 eines Verbrennungsmotors befindet, wobei der Kolben 18 eine im wesentlichen
zylindrische Gestalt aufweist und eine rechtwinklig zu seiner Längsachse verlaufende
Querbohrung 30 enthält. Die Achse der Querbohrung 30 schneidet hierbei die Längsachse
des Kolbens 18, die wiederum mit der Drehachse 4 des Drehtisches 3 zusammenfällt.
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Die Normale 31 des Kolbens 18 ist definiert als eine Gerade, die in
Richtung parallel zu der Längsachse der Querbohrung 30 verläuft und die Längsachse
des Kolbens 18 schneidet. Auf diese Normale 31, deren Azimutwinkel Y Nx bezogen
auf die OO-Marke des Drehtisches 3 zunächst noch unbekannt ist, soll die von dem
Meßfühler 10 ermittelte Abwicklung bezogen werden.
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Hierzu wird zunächst so vorgegangen, daß das Gehäuse 13 zusammen mit
der darin befindlichen Lichtquelle 14, dem teildurchlässigen Spiegel 16 und dem
Lichtdetektor 15 in der Höhe, d.h. parallel zu der Drehachse 4
solange
verstellt wird, bis bei entsprechender Stellung des Kolbens 18 der Lichtstrahl 19
durch die Kolbenbolzenbohrung 30 hindurchfallen und auf den Spiegel 20 auftreffen
kann, der gegebenenfalls entsprechend der Höhenverstellung des Gehäuses 13 mit in
der Höhe verstellt wird.
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Die Messung der Abwicklung wird bei der 0°-Marke des Drehtisches 3
begonnen, wobei in dieser Stellung des Kolbens 18 kein Licht durch die Kolbenbolzenbohrung
30 hindurchtreten kann, so daß als Folge hiervon auch kein Licht auf den Lichtdetektor
15 auftrifft.
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Wenn sich der Kolben 18 zusammen mit dem Drehtisch 3 nunmehr im Gegenuhrzeigersinne
um den Azimutwinkel f 1 gedreht hat, kommt erstmals Licht auf den Lichtdetektor
15, weil der Lichtstrahl 19 an der Schnittkante der Kolbenbolzenbohrung 30 mit der
Außenumfangsfläche des Kolbens 18 vorbeigelangen und auf den Spiegel 20 auftreffen
kann. Hier wird der Lichtstrahl, wie oben ausgeführt, reflektiert und trifft schließlich
auf den Lichtdetektor 15.
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Der Azimutwinkel, bei dem mit Hilfe des Lichtdetektors 15 die Intensitätsänderung
des Lichtstrahles 19 bzw.
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21 auftritt, wird von der Rechenschaltung 23 mit Hilfe des Winkelgebers
24 gemessen. Während einer weiteren Drehung des Kolbens 18 bis zum Erreichen des
Azimutwinkels 9 2 erfolgt keine Änderung der Intensität der Lichtstrahlen 19 bzw.
21, die in dem Azimutwinkelbereich zwischen f 1 und 't2 2 durch die Kolbenbolzenbohrung
30 hindurchtreten. Bei dem Azimutwinkel f 2 tritt eine weitere Intensitätsänderung
des von dem Lichtdetektor 15 gemessenen Lichtstrahles 21 auf, der nunmehr durch
die Kante der Kolbenbolzenbohrung 30 abgedeckt wird. Sobald diese Intensitätsänderung
auftritt,
wird wiederum von der Rechenschaltung 23 mit Hilfe des Drehwinkelgebers 24 der Azimutwinkel
gemessen.
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Wie sich durch geometrische Überlegungen beweisen läßt, ist nunmehr
der zunächst unbekannte Azimutwinkel fN N der Normalen 31 der algebraische Mittelwert
aus den gemessenen Azimutwinkeln #1 und #2, bei denen jeweils eine Intensitätsänderung
der Lichtstrahlen 19 bzw.
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21 auftritt. Die Rechenschaltung 23 bildet deshalb den Azimutwinkel'P
der Norma-len 31 nach der Gleichung: N = #1 + #2 2 Dieses Spiel des Auf- und Abdunkelns
der Lichtstrahlen 19 und 21 wiederholt sich, wenn die während der Messung von Zur
und (P2 dem Spiegel 20 benachbarten Kanten der Kolbenbolzenbohrung 30 auf die Seite
der Lichtquelle 14 gelangt sind, d.h. nach einer weiteren Drehung im Gegenuhrseinersinne
um den Azimutwinkel )O3 wird der Lichtstrahl 19 bzw. der Lichtstrahl 21 wieder aufgeblendet
und fällt durch die Kolbenbolzenbohrung 30 auf den Spiegel 20. Nach einer weiteren
Drehung um den Azimutwinkel #4 gegenüber der 0°-Marke des Drehtisches 3 wird der
Lichtstrahl 19 bzw. der Lichtstrahl 21- wieder abgeblendet. Aus den Azimutwinkeln
#3 und 3 4 läßt sich wiederum der AzimutwinkelY der Normalen N in der Rechenschaltung
berechnen, wobei zweckmäßigerweise zur Erhöhung der Genauigkeit die bereits ermittelten
Winkel #1 und Y2 miteinbezogen werden.
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Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ergibt sich der Azimutwinkel
? dann nach der Gleichung: #N = #1 + #2 + #3 + #4 - 90° 4
Falls
der Kolben 18 so auf dem Drehtisch 3 steht, daß die Nullgradmarke des Drehtisches
in den Bereich der Kolbenbolzenbohrung 30 fällt, tritt an dem Winkel d.h. dem Azimutwinkel,
bei dem ausgehend von der 0°-Marke , die erste Helligkeitsänderung in dem Lichtstrahl
19 bzw. 21 erfolgt, kein Aufblenden, sondern vielmehr ein Abblenden des Lichtstrahles
19 auf. Umgekehrt erfolgt bei dem Azimutwinkel Y 2 im Gegensatz zu der oben erläuterten
Betriebssituation ein Aufblenden der Lichtstrahlen 19 und 21, womit sich der Azimutwinkel
'P N der Normalen 31 nunmehr nach der Gleichung: N = Y1 Y 2)/ - 900 berechnet. Unter
Einbeziehung der Azimutwinkel #3 und t4 berechnet sich PN dann zu: N = = 1 + 2 +
Y + t4)/4 - 1800 Da es, wie aus den Fig. 3 und 4 weiterhin ohne weiteres ersichtlich
ist, nicht darauf ankommt, ob die den Strahl 19 abblendende Kante des Prüflings
oder Kolbens 18 zwischen der Drehachse 4 und der Lichtquelle 14 oder zwischen der
Drehachse 4 und dem Spiegel 20 liegt, können auch Prüflinge oder Kolben 18 vermessen
werden, bei denen die Bohrung 30 seitlich versetzt angebracht ist und die Längsachse
der Bohrung 30 neben der Drehachse 4 vorbeiläuft. Auch ist es möglich, mit diesem
Meßverfahren die Orientierung von Prüflingen zu ermitteln, die die Form von Zylindersegmenten
aufweisen. Solche Zylindersegmente oder zylinderähnlichen Segmente werden dann in
der Weise auf dem Drehtisch 3 positioniert, daß die Längsachse des vollständig gedachten
Zylinders, aus dem der Prüfling einen Ausschnitt darstellt, mit der Drehachse
4
zusammenfällt.
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Schließlich läßt sich auch die Orientierung von prismatischen Körpern
mit beispielsweise rechteckiger Grundfläche auf dem Drehtisch nach dem oben beschriebenen
Meßverfahren ermitteln, wenn der prismatische Körper neben der-Drehachse 4 des Drehtisches
3 steht, so daß der Lichtstrahl bei bestimmten Azimutwinkelbereichen des Drehtisches
3 an dem prismatischen Körper vorbeigelangen kann, wenn dafür gesorgt wird, daß
die zu der Drehachse 4 parallel verlaufenden und dieser unmittelbar benachbarten
Kanten jeweils gleichen Abstand von der Drehachse 4 aufweisen.
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Für den Fall, daß diese Bedingung nicht eingehalten wird, bzw. daß
bei dem obigen Ausführungsbeispiel die Längsachse des Kolbens 18 nicht mit der Drehachse
4 zusammenfällt, tritt bei der Bestimmung des Azimutwinkels YN der Normalen 31 ein
Meßfehler auf, der jedoch bei der Genauigkeit, mit der die Prüflinge üblicherweise
auf dem Drehtisch 3 positioniert werden, unbeachtlich ist.
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Die eingangs beschriebene Meßmaschine 1 kann auch derart aufgebaut
werden, daß anstelle des Spiegels 20 der Lichtdetektor 15 angeordnet ist und der
Lichtstrahl 19 lediglich einmal die jeweils zu vermessende Kante des Prüflings passiert.
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Zur Ermittlung des Azimutwinkels der Normalen ist es nicht notwendig,
daß der Lichtstrahl 19 bei der Meßmaschine 1 die Drehachse 4 schneidet, sondern
es sind auch richtige Ergebnisse zu erhalten, wenn der Lichtstrahl 19 neben der
Drehachse 4 vorbeiläuft, so daß es nur darauf ankommt, daß der Lichtstrahl 19 die
Drehachse 9 passiert bzw. im wesentlichen in Richtung auf diese verläuft.
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