JP4109280B2 - サーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械 - Google Patents

サーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械 Download PDF

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Description

本発明は、工作機械や各種産業機械等の可動部がサーボモータによって駆動制御される機械に関し、特に可動部と他のものとが衝突したことを検知する機能を備えた機械に関する。
工作機械や各種産業機械等において、サーボモータによって駆動される可動部が、ワークや治具等の他のものと衝突したことを、オブザーバによって外乱負荷トルクを推定し、該外乱推定負荷トルクによって、又、サーボモータの駆動電流値によって、検出するようにした機械はすでに公知である。
例えば、サーボモータの出力トルクを検出し、該検出トルクに対して慣性負荷を補正して外部負荷を求め、該外部負荷と設定過負荷レベルと比較して、可動部と他の物との衝突を検出するようにし、この外部負荷と比較する過負荷レベルを、移動指令が低速移動指令(加工指令)であるときは、高レベルの設定過負荷レベルに切り換え、早送り指令の場合には、低レベルの設定過負荷レベルに切り換えるようにした発明が知られている(特許文献1参照)。
又、外乱トルクオブザーバによって外乱トルク値を推定し、該推定外乱トルク値にモータの回転速度を乗じて推定外乱パワー値を求め、該推定外乱パワー値が許容外乱パワー値より大きい場合には衝突があったものと判定するようにした発明も知られている(特許文献2参照)。
さらに、電流フィードバックをローパスフィルタを通すことによって、高周波成分を除去して共振周波数以下の周波数成分とし、該フィルタを通した後の電流フィードバックの値によって、衝突が発生したか否かを判断するようにし、かつ、低速用、高速用の2つのローパスフィルタを設けて、速度指令又は速度フィードバックに基づいて、速度によってフィルタを変えるようにした発明も知られている(特許文献3参照)。
さらには、モータと該モータで駆動される機構部のモデルを有した制御モデルのシミュレーション部を備え、実際のモータと機構部の実機部とシミュレーション部の状態量を比較部で比較し該比較部の出力と設定されたしきい値を比較して接触を検出するようにした発明も知られている(特許文献4参照)。
また、オブザーバで推定した推定負荷トルクで衝突を検出する場合、サーボモータを加速、減速しているときには、モータの出力トルクは増大し、推定負荷トルクも増大することになる。そのため、推定負荷トルクによる異常負荷判定レベルを上げねばならず、正確な衝突検出が難しいという問題がある。このの問題を解決するために、動・静摩擦補正などにより、外乱推定負荷トルクをなますフィルタを設けて、加速、減速時の推定負荷トルクの上昇を抑えるようにしたものも知られている。
特許第3529010号公報 特許第2870482号公報 特開2001−150287号公報 特開2004−364396号公報
外乱負荷トルクをオブザーバ等によって推定し、該外乱推定負荷トルクによって、衝突を検出するとき、より精度高く衝突を検出するには、衝突を判定する異常負荷判定レベルを正常動作で発生する外乱推定負荷トルクにできるだけ近く、かつ、それより大きいものが望ましい。しかし、加速・減速時には、モータの出力トルクは増大し、外乱推定負荷トルクも増大することから、異常負荷判定レベルをこの正常な加速・減速時の外乱推定負荷トルクに合わせなくてはならず、加減速時以外のときは、この異常負荷判定レベルは高すぎる傾向となる。この加速・減速時の外乱推定負荷トルクをフィルタによってなまして抑えるとしても、駆動機構や可動部の潤滑状態によって変動し、十分なフィルタ効果を得ることが難しい場合がある。
そこで、本発明はサーボモータの駆動状態が変動する中で、異常負荷を的確に検出し衝突を正確に検出することを発明の課題とするものである。
サーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械において、請求項1に係る発明は、サーボモータが受ける負荷を推定する負荷トルク推定手段と、サーボモータに対する指令から加速度を求める手段と、加速度増大時の異常負荷判定レベルを記憶する手段と、速度に対する異常負荷判定レベルを記憶する記憶手段と、前記求められた加速度と設定された加速度しきい値を比較し加速度が加速度しきい値を越えているとき信号を出力する加速度比較手段と、前記サーボモータ又は駆動部の速度を検出する速度検出手段と、前記異常負荷判定レベルと推定負荷トルクを比較し、推定負荷トルクが異常負荷判定レベルをこえた場合、アラームを出力する異常負荷判定手段と、前記加速度比較手段から信号が出力されなくなった直後から所定時間を計時する計時手段と、前記異常負荷判定手段で用いる異常負荷判定レベルを切換える異常負荷判定レベル切換手段とを備え、前記異常負荷判定レベル切換手段は、前記加速度比較手段から信号が出力されると、異常負荷判定レベルを加速度増大時の異常負荷判定レベルに切り換え、前記計時時間が前記所定時間を計時するまで保持し、前記計時手段が計時中でなく、前記加速度比較手段から出力がないときは、前記記憶手段に記憶する異常負荷判定レベルに基づいて前記速度検出手段で検出された速度に対応する異常負荷判定レベルを求めて該異常負荷判定レベルに切り換えることによって、正確に可動部と他の物との衝突を検出できるようにしたものである。
さらに、請求項2に係る発明は、前記記憶手段に記憶する速度に対する異常負荷判定レベルを、速度を複数の領域に分け、各領域毎に設定するものとした。
請求項3に係る発明は、前記複数の領域に分けられた速度の一部の領域を補間領域とし、異常負荷判定レベル切換手段は、前記速度検出手段で検出された速度が前記補間領域内の速度であるときは、該補間領域の両側の領域の速度とその速度に対応する異常負荷判定レベルおよび前記速度検出手段で検出された速度に基づいて内挿補間して異常負荷判定レベルを求めて切換えるようにした。請求項4に係る発明は、前記速度に対する異常負荷判定レベルを記憶する記憶手段に代えて、速度に対する異常負荷判定レベルを関数によって求める異常負荷判定レベル算出手段を備え、前記異常負荷判定レベル切換手段は該異常負荷判定レベル算出手段で求められた異常負荷判定レベルに切換えるようにした。さらに、請求項5に係る発明は、前記異常負荷判定レベルを、前記駆動部に一定動作を与えたときに発生する推定負荷トルクに基づいて設定するようにした。請求項6に係る発明は、さらに、前記推定負荷トルクが前記異常負荷判定レベルより所定量だけ小さい警告レベルを越えたとき警告を通知するようにした。
加速度が増大して、推定負荷トルクが増大しても異常負荷判定レベルが、加速度増大時の判定レベルに上げられていることから、誤って異常負荷と判定することはなく、確実に機械の可動部と他のものとの衝突を検出することができる。さらに、速度に応じて異常負荷判定レベルを変えることによって、精度高く衝突を検出することができる。
以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明の一実施形態におけるサーボモータを駆動制御するサーボ制御部のブロック図である。機械を制御する数値制御装置等の上位制御装置から出力される位置指令とサーボモータ5(又は機械可動部6)に設けられた位置検出器(図示せず)から位置帰還される実際のサーボモータ5(又は機械可動部6)の位置により位置ループ部1で位置ループ制御処理を行い速度指令を求める(位置指令と位置帰還された位置により位置偏差を求め該位置偏差にポジションゲインを乗じて速度指令を求める)。該速度指令とサーボモータ5(又は機械可動部6)に設けた速度検出器(図示せず)からの速度帰還される実際の速度により速度ループ部2で速度ループ制御処理(比例、積分等の処理)を行い電流指令(トルク指令)を求める。該電流指令と電流検出器(図示せず)で検出され帰還される駆動電流とにより、電流ループ部3で電流ループ制御処理を行い、サーボモータ5への指令を電力増幅器4で増幅して、機械の可動部6を駆動するサーボモータ5を駆動制御する。又、サーボモータにかかる負荷を推定する負荷トルク推定手段を構成するオブザーバ7を設けて、速度ループ部2から出力される電流指令と速度帰還値により外乱負荷トルクを推定する。
上述したサーボ制御部の構成は、従来の外乱負荷トルクを推定するオブザーバを備えたサーボ制御部と同一である。又、これらの処理はプロセッサによって行われている。いわゆるデジタルサーボ制御によって実施されている。
本実施形態では、さらに、このサーボ制御部に加速度変換部8,速度・加速度比較処理部9,異常負荷判定レベル切換部10、異常負荷判定部11を備える。なお、これら各部の動作処理もサーボモータを制御するサーボ制御部のプロセッサによって実行されるものである。
上位制御装置から出力される位置指令より加速度変換部8で指令の加速度を求める(上位制御装置から出力される位置指令は、所定周期間の移動量が出力されることから、この移動量を周期で除して速度を求め、前周期と今周期との速度差より加速度を求める)。速度・加速度比較処理部9では、後述するように、求められた加速度と設定された加速度しきい値、及び、速度帰還の値と設定された速度切換値と比較し、その比較結果に基づいて、異常負荷判定レベル切換部10が衝突を判定するための異常負荷判定レベルを切り換える。そして、この異常負荷判定レベル切換部10で切換設定された異常負荷判定レベルとオブザーバで求められた外乱推定負荷トルクとを異常負荷判定部11で比較し、外乱推定負荷トルクが異常負荷判定レベルを越えているときには、衝突が発生したとしてアラームを上位制御装置に出力し、サーボモータ5を緊急停止させる。又、上位制御装置等に設けられた表示器にアラームを表示する。さらに、本実施形態では、トルク増大の警告レベルをも設けて、外乱推定負荷トルクがこの警告レベルを超えたときにも表示器に警告を表示するようにもしている。
図2は、本実施形態における速度に応じた異常負荷判定レベルの設定方法の説明図である。機械の可動部6に対して一定の動作をさせるようにサーボモータ5を駆動し、このときのオブザーバ7で検出される外乱推定負荷トルクのデータを複数の速度に対応して求める。図2における菱形の形状でプロットしたものが、この求められた外乱推定負荷トルクである。この求められた外乱推定負荷トルクのデータより推定負荷データの近似曲線を求める。
次に、求めた推定負荷データの近似曲線に基づいて、異常負荷判定レベルを設定する。この実施形態では、サーボモータの速度領域を3つの領域に区分し、第1の切換速度VS1までは異常負荷判定レベルをAL3として設定し、推定負荷データの近似曲線の速度に対しての変動が少なくなる第2の切換速度VS2以降は、異常負荷判定レベルをAL1と設定する。そして、切換速度VS1とVS2の間は、速度に応じて外乱推定負荷トルクも大きく変化することから、この間は、異常負荷判定レベルAL3とAL1間を速度によって内挿補間して求め、異常負荷判定レベルAL2とする。
さらに、こうして求められた異常負荷判定レベルAL1〜AL3より、所定量αだけ負荷値を低くした警告判定レベルWLをも設定する。
本実施形態では、さらに、加速度が大きくなったとき異常負荷判定レベルを変更するようにしている。図3は、この加速度が大きくなったとき加速度増大時の異常負荷判定レベルに変更するときの説明図である。
機械の可動部6を一定の動作させるようにサーボモータ5を駆動したときの、速度帰還データVf、オブザーバ7で推定される外乱推定負荷トルクT、及び加速度変換部8で求められる加速度Aが図3に示した状態であったとする。本実施形態では加速度変換部8で求められる加速度Aが、加速度しきい値ASを越えたとき、異常負荷判定レベルを加速度増大時の異常負荷判定レベルAL4にするように設定する。さらに、加速度Aが加速度しきい値AS以下に低下しても、所定時間異常負荷判定レベルを加速度増大時のレベルAL4に保持するようにしている。これは、加速度Aを指令値によって求めており、指令加速度である。しかし、実際の可動部6は遅れが生じるので、遅れて加速度がかかることになる。この遅れ分をも考慮して、加速度Aが加速度しきい値AS以下に低下しても、所定時間経過するまで加速度増大時の異常負荷判定レベルAL4とするものである。
図3に示す例では、サーボモータの速度が零もしくは低速で、切換速度VS1以下であることから、異常負荷判定レベルはAL3に切換設定されている。サーボモータ5が加速され、加速度Aが加速度しきい値AS以上になると、異常負荷判定レベルは加速度増大時のレベルAL4に切り換えられ、その後、加速度Aが加速度しきい値AS以下になった後、タイマで所定時間を計時した後に、異常負荷判定レベルは、速度に応じた値に切換られる。この図3の例では、速度帰還データVfが切換速度VS2よりも速い速度に達していることから、異常負荷判定レベルはAL4からAL1に切り換えられる状態を示している。
図4は、サーボ制御部のプロセッサが所定周期毎実施する異常負荷判定処理のフローチャートである。以下、図3に示す状態を参照しながらこの処理を説明する。
まず、加速度Aが加速度しきい値ASを越えて、その後、該加速度しきい値AS以下になった後の経過時間を測定するタイマカウンタが計時中か否かを示す計時中フラグTEXが「1」か判断する(ステップS1)。このフラグTEXは、最初は初期設定で「0」にセットされているので、ステップS2に移行し、上位制御装置からの指令に基づいて加速度データAを算出する。そして、該加速度データAの大きさ(加速度データの絶対値)が設定されている加速度しきい値ASを越えているか判断し(ステップS3)、越えていなければ、計時中フラグTEXが「1」か判断し(ステップS4)、該フラグTEXは最初は「0」であるので、速度検出器から帰還される速度データVを読みとる。
読み取った速度データVが第1の切換速度VS1より小さいか(ステップS6)、又、第1の切換速度VS1を越えていれば、第2の切換速度VS2を越えているかを判断する(ステップS8)。読み取ったデータVが第1の切換速度VS1より小さいときは、異常負荷判定レベルVLをレベルVL3にセットし(ステップS7)、読み取ったデータVが第2の切換速度VS2を越えているときには、異常負荷判定レベルVLをレベルVL1にセットする(ステップS9)。
又、読み取った速度データVが第1の切換速度VS1と第2の切換速度VS2の間のときは、異常負荷判定レベルをレベルAL2にセットすることになるが、このレベルAL2は、レベルAL1とAL3間を速度によって内挿補間して求めるものでレベルAL3とAL1の差をΔAL(=AL3−AL1)、切換速度VS1,VS2の差をΔVS(=VS2−VS1)とすると、レベルAL2は次の式を演算することによって求める。
AL2=AL3−{ΔAL・(V−VS1)/ΔVS}
こうして求めたレベルAL2を異常負荷判定レベルALとしてセットする(ステップS10)。なお、ΔVS、ΔALの値は、切換速度VS1,VS2、異常負荷判定レベルAL1,AL3をセットした、既知のものとなることから、予めこのΔVS、ΔALの値もセットしておく。
図3に示す例では、最初、速度Vは第1の切換速度VS1より小さいので、異常負荷判定レベルALには、設定値AL3がセットされることになる(ステップS7)。こうして異常負荷判定レベルALが設定された後、オブザーバ7によって求められる外乱推定負荷データTを読み取り(ステップS11)、該外乱推定負荷データTが異常負荷判定レベルALを越えているか判断する(ステップS12)。越えていれば、アラーム停止指令信号を上位制御装置に出力する(ステップS13)。又、該外乱推定負荷データTが異常負荷判定レベルALを越えていなければ、該外乱推定負荷データTが警告判定レベルWLを越えているか判断する(ステップS14)。この警告判定レベルWLは、異常負荷判定レベルALから一定値αを減じた値である。すなわち、WL=AL−αである。
外乱推定負荷データTが警告判定レベルWLを越えていなければ、当該周期における処理を終了する。又、外乱推定負荷データTが警告判定レベルWLを越えていれば、警告表示指令を上位制御装置に出力し(ステップS15)、警告を表示器に表示させるようにする。
以下、ステップS2で求められる加速度Aが加速度しきい値ASを越えない限り前述したステップS1〜S15の処理を各周期毎実行する。
ステップS2で求めた加速度Aが設定された加速度しきい値ASを越えていることが、ステップS3で検出されると、異常負荷判定レベルALを設定された加速度増大時のレベルAL4にセットし、計時中フラグTEXを「1」にセットすると共に、タイマカウンタTCをクリアし「0」とし(ステップS19)、ステップS11に移行する。その結果、前述したようにステップS11以下の処理がなされ、外乱推定負荷データTが、異常負荷判定レベルAL4を越えているか、又、警報判定レベルWLを越えているか判定されることになる。
また、次の周期では、計時中フラグTEXが「1」にセットされていることから、ステップS1からステップS16に移行し、タイマカウンタTCが設定値TSを越えたか判断し、越えてなければ、該タイマカウンタTCに「1」を加算する(ステップS17)。そして、ステップS2に戻り、加速度データAを求め該加速度データAが加速度しきい値ASを越えたか判断し(ステップS3)、越えていればステップS19に移行する。
以下、加速度データAが加速度しきい値ASを越えている限り、ステップS1、S16、S17、S2、S3、S19、S11〜S15の処理を各周期毎実行する。その結果、タイマカウンタTCはステップS17で「1」加算されるが、ステップS19で再びクリアされ「0」とされるから、該タイマカウンタTCが1を越えることはない。
しかし、ステップS3で加速度データAが加速度しきい値AS以下であると判定されると、ステップS4に進み、計時中フラグTEXが「1」か判定され、「1」にセットされていることから、ステップS11に移行し、ステップS11〜S15の処理がなされる。以後、ステップS1、S16、S17、S2、S3、S4、S11〜S15の処理が各周期毎に実行され、ステップS17によってタイマカウンタTCはカウントアップされることになる。この間、図3に示すように、異常負荷判定レベルALは加速度増大時のレベルAL4に保持されたままである。
そして、ステップS16で、タイマカウンタTCの値が設定値TSを越えたことが判別されると計時中フラグTEXを「0」にセットし(ステップS18)、ステップS2に移行する。ステップS2、S3、S4と進み計時中フラグTEXを「0」にセットされているから、ステップS5に移行し、前述したように、速度帰還の値より求めた速度データVと第1、第2の切換速度VS1、VS2とが比較され、異常負荷判定レベルALが速度データVの値に応じてセットされ(ステップS7、S9、S10)、オブザーバ7からの出力である外乱推定負荷トルクTと異常負荷判定レベルALと比較されて負荷異常か判断されることになる(ステップS11〜S15)。
図3に示す例では、加速後、異常負荷判定レベルALがAL4に設定され、加速度Aが加速度しきい値AS以下になった後、所定時間経過したときの速度データVが第2の切換速度を越え大きいことから、異常負荷判定レベルALはAL1にセットされている例を示している。
上述した実施形態では、速度領域を3つに区分し、異常負荷判定レベルALを第1の切換速度VS1より小さい速度領域ではレベルAL3、第2の切換速度VS2を越えて大きい領域ではレベルAL1とし、第1,第2の切換速度VS1,VS2間の領域では、速度に応じて異常負荷判定レベルALを変化させた。しかし、この第1,第2の切換速度VS1,VS2間の領域も複数の領域に分割し、速度領域毎に異常負荷判定レベルALを設定してもよい。この場合、切換速度がVS1〜VSnとなりn+1の領域となり、各領域毎に異常負荷判定レベルAL1〜AL(n+1)が設定されることになる。そして、図4におけるステップS6〜S10の処理が、速度データVと各切換速度VS1〜VSnを比較し、速度データVを含む領域に対して設定されている異常負荷判定レベルが実際に比較する異常負荷判定レベルALとしてセットされることになる。
又、異常負荷判定レベルを曲線として設定するようにしてもよい。図5は、設定する異常負荷判定レベル曲線の例の説明図である。
機械の可動部6に対して一定の動作をさせるようにサーボモータ5を駆動し、このときのオブザーバ7で検出される外乱推定負荷トルクのデータを複数の速度に対応して求め、この求められた外乱推定負荷トルクのデータより、速度に対する推定負荷データの近似曲線を求め、この近似曲線を所定量の負荷値分だけシフトさせて異常負荷判定レベル曲線を求め、さらに該曲線を表す関数を求めて設定する。
機械稼動時には、速度帰還より求められる速度データVに対する異常負荷判定レベルを該異常負荷判定レベル曲線関数より求めて、オブザーバ7で求められた外乱推定負荷トルクTと比較するようにすればよい。警告判定レベルは、異常負荷判定レベル曲線関数より求めた判定レベルから所定値αだけ減じた値とすればよい。
又、異常負荷判定レベル曲線関数に変えて、異常負荷判定レベル曲線をメモリに記憶させるようにしてもよい。すなわち、所定幅単位で、速度に対応する異常負荷判定レベル曲線上の値をメモリに記憶しておき、機械稼動時には、検出速度データVに対応して記憶する異常負荷判定レベルをメモリから読み出し、この異常負荷判定レベルとオブザーバ7で求められた外乱推定負荷トルクTと比較するようにする。
本発明の一実施形態におけるサーボモータを駆動制御するサーボ制御部のブロック図である。 同実施形態における速度に応じた異常負荷判定レベルの設定方法の説明図である。 同実施形態における、加速度増大時の異常負荷判定レベル変更の説明図である。 同実施形態における、サーボ制御部のプロセッサが所定周期毎実施する異常負荷判定処理のフローチャートである。 異常負荷判定レベルを曲線で設定する場合の異常負荷判定レベル曲線の説明図である。
符号の説明
1 位置ループ部
2 速度ループ部
3 電流ループ部
4 電力増幅器
5 サーボモータ
6 可動部
7 オブザーバ
8 加速度変換部
9 速度・加速度比較処理部
10 異常負荷判定レベル切換部
11 異常負荷判定部

Claims (6)

  1. サーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械において、
    サーボモータが受ける負荷を推定する負荷トルク推定手段と、
    サーボモータに対する指令から加速度を求める手段と、
    加速度増大時の異常負荷判定レベルを記憶する手段と、
    速度に対する異常負荷判定レベルを記憶する記憶手段と、
    前記求められた加速度と設定された加速度しきい値を比較し加速度が加速度しきい値を越えているとき信号を出力する加速度比較手段と、
    前記サーボモータ又は駆動部の速度を検出する速度検出手段と、
    記異常負荷判定レベルと推定負荷トルクを比較し、推定負荷トルクが異常負荷判定レベルをこえた場合、アラームを出力する異常負荷判定手段と、
    前記加速度比較手段から信号が出力されなくなった直後から所定時間を計時する計時手段と、
    前記異常負荷判定手段で用いる異常負荷判定レベルを切換える異常負荷判定レベル切換手段とを備え、
    前記異常負荷判定レベル切換手段は、前記加速度比較手段から信号が出力されると、異常負荷判定レベルを加速度増大時の異常負荷判定レベルに切り換え、前記計時時間が前記所定時間を計時するまで保持し、前記計時手段が計時中でなく、前記加速度比較手段から出力がないときは、前記記憶手段に記憶する異常負荷判定レベルに基づいて前記速度検出手段で検出された速度に対応する異常負荷判定レベルを求めて該異常負荷判定レベルに切り換えることを特徴とするサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
  2. 前記記憶手段に記憶する速度に対する異常負荷判定レベルは、速度を複数の領域に分け、各領域毎に設定されている請求項1に記載のサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
  3. 複数の領域に分けられた速度の一部の領域は補間領域とされ、異常負荷判定レベル切換手段は、前記速度検出手段で検出された速度が前記補間領域内の速度であるときは、該補間領域の両側の領域の速度とその速度に対応する異常負荷判定レベルおよび前記速度検出手段で検出された速度に基づいて内挿補間して異常負荷判定レベルを求めて切換える請求項2に記載のサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
  4. 前記速度に対する異常負荷判定レベルを記憶する記憶手段に代えて、速度に対する異常負荷判定レベルを関数によって求める異常負荷判定レベル算出手段を備え、前記異常負荷判定レベル切換手段は該異常負荷判定レベル算出手段で求められた異常負荷判定レベルに切換える請求項1に記載のサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
  5. 前記駆動部に一定動作を与えたときに発生する推定負荷トルクに基づいて、前記異常負荷判定レベルを設定することを特徴とする請求項1乃至4の内いずれか1項に記載のサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
  6. 前記推定負荷トルクが前記異常負荷判定レベルより所定量だけ小さい警告レベルを越えたとき警告を通知することを特徴とする請求項1乃至請求項5の内いずれか1項に記載のサーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械。
JP2005260925A 2005-09-08 2005-09-08 サーボモータによって駆動制御される可動部を有する機械 Active JP4109280B2 (ja)

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