（平面螺旋）六瓣圆管同心扩张卡盘装置及相应升降台设计

（平面螺旋）六瓣圆管同心扩张卡盘装置及相应升降台设计摘要：随着近代电脑技术的飞快发展，日新月异的高科技技术在近代研发中应用的不断的广泛，电脑辅助设计手段在全球上应用不断的普及。这类的近代设计手段不仅仅是提升了设计效率，进而使设计出来的设备特别稳定，进而可以省去很多的人工劳作、物资力量，很大程度地提升设备的竞争力。本文是针对数字控制加工设备的飞快发展，应用创造性革新设计手段设计一种与之相适应的六瓣圆管同心扩张卡盘装置。六瓣圆管同心扩张卡盘装置是机械加工设备上使用的一种重要附件，根据同心扩张卡盘装置要达到的功能，用设计手段学理论的创造性革新设计确定最优设计方案。数字控制加工设备主轴转速的不断提升，同心扩张卡盘装置所承受工作载荷的需要也不断的大。与之同时本文将对同心扩张卡盘装置对应的升降台进行设计，升降台主要采用的是滚珠丝杆电机驱动的升降形式，以保证其精密程度与承载能力。关键词：六瓣卡盘；同心扩张卡盘；升降机构构；伺服滚珠丝杆

Abstract:Withtherapiddevelopmentofmoderncomputertechnology,theever-changinghigh-techtechnologyhasbeenwidelyusedinmodernresearchanddevelopment,andtheuseofcomputer-aideddesignmethodshasbeenpopularizedworldwide.Thistypeofmoderndesignmethodnotonlyimprovesthedesignefficiency,butalsomakesthedesignedequipmentparticularlystable,whichcansavealotofmanuallaborandmaterialresources,andgreatlyimprovethecompetitivenessoftheequipment.Thisarticleisaimedattherapiddevelopmentofdigitallycontrolledprocessingequipment,usingcreativeandinnovativedesignmethodstodesignasix-valveconcentricexpansionchuckdevicesuitableforit.Thesix-petaltubeconcentricexpansionchuckdeviceisanimportantaccessoryusedonthemachinetool.Accordingtothefunctiontobeachievedbythechuck,thecreativedesignofthedesignmethodisusedtodeterminetheoptimaldesignplan.Thecontinuousincreaseofthespindlespeedofthedigitalcontrolprocessingequipment,theneedfortheworkingloadofthechuckisalsoconstantlyincreasing.Atthesametime,thisarticlewilldesignanddesigntheliftingtablecorrespondingtothechuck.Theliftingtablemainlyusestheliftingformdrivenbythescrewmotortoensureitsaccuracyandcarryingcapacity.Keywords:six-lobechuck;concentricexpansionchuck;liftingmechanism;servoscrew

目录TOC\o"1-3"\h\u10730第一章绪论 9133801.1卡盘的概述 9116181.2国内外卡盘的研究 979271.3升降机构构的简介 107911.3.1升降机构发展状况 10320101.3.2升降机构分类及各自优缺点 10269881.4课题主要的研究内容 1028165第二章方案的设计与设计参数的确定 12147682.1整体方案的设计 12261722.1.1升降机构的方案设计 1277122.1.2六瓣同心扩张卡盘方案设计 12146692.1.3控制方案的设计 13278872.2设计参数的确定 136525第三章同心扩张卡盘装置的设计 14308843.1同心扩张卡盘简介 14151483.2扩张卡盘转速的确定 14267003.3驱动扩张卡盘装置功率计算 1512053.4电机的选择 15323353.5扩张卡盘机构V带设计计算 16139363.6带轮结构设计 18109933.7动力传递主轴的结构设计计算 1850463.8动力传递轴的校核 19286043.8.1轴上的载荷计算 1974483.8.2轴的强度校核 208783.9轴承的校核 20115523.9.1轴承的选择 21251173.9.2轴承寿命的校核 2152113.10键的选择和校核 2150383.10.1键的选择 21303373.10.2键的校核 21722第四章升降机构的设计 23312124.1结构组成 23207774.2工作原理 2391534.3主要部件的选型计算 23146514.4电动机的选择 24200934.4.3确定电机的转速 2621852第五章控制体系的设计 28219505.1PLC控制体系设计的基本原则 2868585.2PLC种类及型号选择 29106264.3I/O点数分配 2947265.4PLC外部接线图 29195075.5总体程序框图 3025948总结 326711参考文献 3316469致谢 35

第一章绪论1.1卡盘的概述加工设备用来固定加工对象的装置是机械类加工行业中的一种管理效率比较低生产工艺技术装备，难保障稳定的加工精密程度，从而减少工人的劳作强度，这在批量生产中尤为重要。然而，用来固定加工对象的装置设计中出现的问题错综复杂，尤其是一些模糊性问题使设计者难以飞快作出决策。与此同时，随着工件建筑材料的发展及机械加工设备转速的一直提高，对于刀架还给出了一直的低的要求。1.2国内外卡盘的研究由于我们国家整体工业水平的关系，机械加工设备工业的发展与国外先进国家相比，存在着一定的差距。当作机械加工设备主要附件的夹紧刀具的机械设备装置，它们的设计与生产还存有同样的状况，长久以来夹紧刀具的机械设备装置的生产煤炭企业通常是当作机械加工仪器厂的配套厂商。由于机械加工设备的技术水平关系，一定程度上抑制了夹紧工件的机械装置技术水平的提升。下面将从电气设计与生产等等方面来剖析较为国内夹紧刀具的机械设备装置的整体研讨总体水平。如斜齿条式飞快通孔夹紧工件的机械装置、系列精密可调卡盘，中飞快大通孔夹紧工件的机械装置，上海机械加工设备附件厂型中空式飞快夹紧工件的机械装置，型中空飞快回转油缸等，填补了国内空白烟台机械加工设备附件厂承担了数字控制加工设备国产化重点专项技术改造项目，总投资余万元呼和浩特机械加工设备附件总厂投资万元，进行扩大四爪卡盘、电动卡盘生产的技术改造及数控附件配套国产化专项技术改造等项目烟台第二机械加工设备附件厂投资夹紧工件的机械装置项目达千万元以上，生产规模、测试手段和新设备开发能力获得较大的改善和提升。1.3升降机构构的简介1.3.1升降机构发展状况电力驱动能升降装置应是一种内部结构比较复杂，然而举升力大、升降安稳、浑音低、操作便捷、维停留在升降范围内的任意位置之上的一种升降专门机构。它现如今广泛地应用在各物装卸流通领域中较为理想合理的新颖机具。现阶段，剪叉式可升降装置的国内外厂商主要有广州高昌、福州强伦、上海序高达、汉麦克森等等。1.3.2升降机构分类及各自优缺点在物的流通指标体系中，应用于提高或减少装置的类别众多，利用杠杆原理压缩升降叉的形式促成升降，因为其扭力大，可促使丝杆螺栓极易破损，进而进而降低了设备选用年限。继而上述设备只能单一使用，不能通容性。剪式提高装置是常用的升降专门机构械设备，应由剪叉式装置、驱动力传达装置、升降专门机构及机座等等部件组成。剪叉式装置起着传力及先导的作用，在驱动力传达装置的推进之下，促使升降专门机构安稳升降。现阶段，咱们国家的升降专门机构的品种较为多，按照驱动力传达装置的模式，可分成电缸剪式提高装置及电动车剪式提高装置两类，那两种不同模式的剪式提高装置也获得了广泛选用。现阶段，咱们国家的升降专门机构的品种较为多，按照驱动力传递模式，主要可以按照电机机械动力传递及电缸驱动力传递两种形式来划分，它也有各自的优点及不足之处。1.4课题主要的研究内容1.利用圆锥面原理，设计长杆夹持零件的夹爪扩张与缩小装置，要求形成圆周直径范围为30～80mm近似圆周；2.设计整体旋转及整个卡盘装置可垂直方向上下升降300mm体系；3.完成上述机械装置的电气自动控制原理图。

第二章方案的设计与设计参数的确定2.1整体方案的设计2.1.1升降机构的方案设计本课题选用的升降机构为滚珠丝杆升降结构。如下图2.1所示。滑动丝杆螺栓专门机构框架结构单纯，加工方便，生产效率高，具备自锁基本功能，但其摩擦阻力矩大、驱动力传达管理效率高(30％～40％)。滚珠丝杆螺栓专门机构纵然结构复杂、人工成本低，不能自锁，但其优点是摩擦阻力矩小、驱动力传达成本低(92％～98％)，精密程度高，体系刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长。图2.12.1.2六瓣同心扩张卡盘方案设计按照夹持零件的夹紧装置背锥齿轮的大小顺序顺次加装，必须与此同时装夹到一起才能选用。六瓣卡盘的结构特点及使用时的注意事项。装夹工件时采用合理，稳定的装夹基期且找正夹牢装，装夹时使用套管。整体的方案如下图2.2所示。图2.22.1.3控制方案的设计可以编程的逻辑处理单元（以下简称PLC）从其产生到现阶段，促成了母线逻辑到存储逻辑的优化；其功能从弱到强，实现了数字控制的进步；其应用领域从了组分设备单纯控制到胜任运动控制、过程控制以及等等各种具体任务的逾越。PLC是以微处理技合了电脑技术、自动控制技术和通信手段实现各种控制功能，具有极高的抗干扰能力，其本身结构活通用与维护方便，开发周期短过程控制平稳稳定，兼备了计算机和继电器两种控制一套以继电器梯形图为编程语言和内容进行格式化整理的模板化的软件结，构使用户程制明晰直观，方便易学，能在线控制程序。、所以，它己经变成电梯运行中的关键技术。2.2设计参数的确定1.利用圆锥面原理，设计长杆夹持零件的夹爪扩张与缩小装置，要求形成圆周直径范围为30～80mm近似圆周；2.设计整体旋转及整个卡盘装置可垂直方向上下升降300mm体系；3.完成上述机械装置的电气自动控制原理图。第三章同心扩张卡盘装置的设计3.1同心扩张卡盘简介“同心扩张卡盘装置”是机械加工设备上用来本实现卡爪的扩张收缩与整体的高速旋转的机械装置。同心扩张卡盘装置具备框架结构单纯、加装方便；装夹飞快，适用范围较广；精密程度高，使用寿命长安全性和稳定性高等特点。3.2扩张卡盘转速的确定本设计因为根据的应是家用的，所以设计每次刀具的重量设计为5kg。根据设计选定工作卡盘主体半径R=200mm工件的长度，根据公式＝m其中可以估算出，工件的长度值：＝196mm在小于时，转速随的增大而从而减少，考虑转速不宜太高，取＝。则由：n30计算转速最小值为n＝60r/min工件与卡盘的摩擦系数为1.1-1.3，取f＝1.2由：n=60计算转速n=163r/min取以上两者中的大值。故最终选定工作卡盘主体转速n＝250r/min3.3驱动扩张卡盘装置功率计算式中Ｍ为卡盘主体转矩（NM），为动力传递效率，取R为摩擦臂矩（m），R＝0.4D（D为工作卡盘活动主体间距）根据上式则可算出工作卡盘主体转矩M＝14.4Nm用近似值展开估算，达到生产要求所需的输出功率Ｎ＝1450w，考虑到电机管理效率以及意外状况，取电机输出功率为2KW3.4电机的选择考虑到动力传递功率的损失，故选取的电机为：电机选Y132S-8型号，额定功率为2.2kw，同步转速为750r/min。安装尺寸如下图3.2所示。图3.2下表3.1为电机的安装尺寸：表3.1ABCDEFGHK216140893880103313212AAABACADHDLBBHAGD63280270210315470205208本设计中皮和机构均使用V带动力传递。带动力传递是一种挠性动力传递。带动性传递的基本组成零件为抱轮及驱动力传递抱，利用抱轮及驱动力传递带大的摩擦或者啮合作用，将运动及驱动力通过驱动力传递抱传递给从动带轮。带动性传递具备框架结构单纯、驱动力传递安稳、价格低廉及缓冲吸振等等特性，在近代机械设备中应用广泛。3.5扩张卡盘机构V带设计计算由上述可知，电动机转速为750r/min，额定功率P＝2.2KW，皮卡盘主体转速为250r/min，动力传递比，一天运转时间小于10h。1、计算功率由机械设计书表8-6查得工作情况系数＝1.1故故=2、选取普通V带带型根据，由图3.3确定V带为A型。图3.33、确定带轮基准直径1）初选带轮基准直径。经查表，取小带轮基准直径=120mm，大带轮基准直径。按下式验算带的速度2）验算带速vV=因为5m/s<14.13m/s<v<30m/s，故带速合适4.确定V带的中心距a和基准长度Ld1）根据式初定中心距2）计算带所需要的基准长度经查表，选带的基准长度为3)计算实际中心距a安装时的最小轴间距：安装时的最大轴间距：5.验算小带轮的包角故合适。6.计算带的根数1）计算单根V带的额定功率Z。安全起见取2根。7.计算单根V带的初拉力的最小值8.计算压轴力压轴力的最小值为3.6带轮结构设计当带轮基期直径dd≤2.5d（d为安装带轮的主轴的直径）时，能采取实心式；当dd≤300mm时，可采用腹板式。故设计的皮与小带轮采用实心式，其三维图如图3.4所示。图3.43.7动力传递主轴的结构设计计算因为轴承的牌号应是依照轴端直径设定的，进而主轴的电气设计应是在初步推算轴径的根底上展开的，故1、初步计算轴的直径轴的直径可按照扭转强度法进行估算，即d=CP=2.2KWn=250r/min式中Ｐ为轴传递的功率，kw;n为轴的转速，r/min;C为由轴的材料和受载情况确定的系数。轴用45号钢材料，C取110。则经过计算:=22.7mm输出主轴的最小直径显然应是安装带轮的直径，因为此内驱力传递导轨开有键槽，顾及到键槽对于主轴的强度的削弱，则＝22.7+22.7取最小轴径d=30mm2、拟定轴上零件的装配方案选用45号型钢当做主轴的原料，展开调质处理。依据主轴上零件的加装、细分以及主轴的工艺，断定主轴的框架结构如下见图3.5所示：图3.53.8动力传递轴的校核3.8.1轴上的载荷计算根据轴的结构做出轴的受力简图，如下图3.6所示。图3.6轴的受力图因为整个轴所受弯矩较小，所以可按轴的扭矩进行计算。其扭矩为：T=画出其扭矩图，如图3.7图3.7扭矩图3.8.2轴的强度校核依据主轴的内力及扭矩见图，可以获得联轴器端处截面所受的计算扭矩最大，属凶险截面。主要对此处进行校核。查资料可得此处的抗扭截面模量==5298.8轴的扭转切应力=5.3Mpa查资料机械设计手册得轴的许用扭转切应力[]=40-50所以，安全。3.9轴承的校核滚动轴承应是近代机器中广泛应用的元件之一，它应是依赖于主要元器件间的滚动接触来支承内驱力传递零件的。滚动轴承绝大多数早已标准化，而是由专业工厂很多生产及供给各种常用规格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。3.9.1轴承的选择支撑轴上所用的轴承数据：深沟球轴承，代号6007，内径35，外径62，轴承宽14；需上述轴承两个3.9.2轴承寿命的校核求当量动载荷P由于轴承只受径向载荷，所以P=1.2FrP=3432.56N验算轴承寿命3.10键的选择和校核3.10.1键的选择均为一般联接，可选用普通平键中的圆头普通平键。1、动力传递轴处键的选择：由以上计算可知此处轴的直径d=30mm，查《机械设计课程设计手册》表得，键的截面尺寸如下：宽度b=8mm，高度h=7mm，取键长L=35mm.2、皮动力传递轴的键的选择：由以上计算可知此处轴的直径d=30mm，查《机械设计课程设计手册》表得，键的截面尺寸如下：宽度b=8mm，高度h=7mm，取键长L=30mm.3.10.2键的校核键、主轴的原材料均应是钢，键选用静联接，冲击轻微。查《机械设计基础》从表13-4（P237）得许用挤压应力：[σp]=125～150MPa，取[σp]=135MPa键1的工作长度：l=L-b=30-10=20mm键与刀盘的接触高度k=0.5h=4mm由《机械设计基础》公式得：=得出σp为116MPa小于[σp]所以键1的强度合适。键2的工作长度l=L-b=30-8=22mm键与皮带轮的接触高度k=0.5h=3.5mm=得出σp为136MPa小于[σp]所以键1的强度合适T——动力传递的转矩N·mk——键与轮毂键槽的接触高度l——键的工作长度mmd——轴的直径

第四章升降机构的设计4.1结构组成本次设计中分为三大部分，分别是：伺服电机、滚珠丝杠副、轴承组等。4.2工作原理工作原理为：伺服电机旋转，通过联轴器机构带动丝杠副旋转；丝杠螺母径向限位，在丝杠旋转力矩的驱动下，丝杠螺母与电力驱动可升降装置一起做往复直线运动。4.3主要部件的选型计算滚珠丝杠副的选用：按照设计要求额定推力不低于1000N，满载速度不低于8mm/s的要求对电动缸使用的滚珠丝杠原副展开选型推算。选择某公司生产的某型号滚珠丝杠副，该丝杠副的基本额定动载荷为[Ca]=1540N、基本额定静载荷为[Coa]=3310N，导程Ph=6mm。1）滚珠丝杠副额定寿命校核螺母的予紧力为：轴向动载荷为：计算丝杠副理论要求总转数为：计算丝杠副实际额定寿命（总转数）为：根据上述数据可知丝杠副额定寿命可以适用使用要求。2）滚珠丝杠副临界压缩载荷的校核（验算压杆稳定性）根据公式计算可知滚珠丝杠副临界压缩载荷满足要求滚珠丝杠副极限转速的校验根据公式计算可知滚珠丝杠副极限转速满足要求综上计算，该型号滚珠丝杠副可以满足使用要求。4.4电动机的选择电动机是系列化的标准设备。一般我们在设计时，要综合多方面的内容来考量，有工作载荷（它的大小、变化规律和具体要求（转速、许用误差频繁程度等的要求），有对工作环境（例如油温，液体，气体等），还有安装要求及对尺寸的要求等等，最终确定具体的型号。伺服电机，主要是依靠调控供电频率来控制电动机转速的。由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频冲击电流的方式启动，并可利用变频器所方式进行快速制动，为实现频率创造了条件。如图3.1所示。图4.1变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际作为三相电机的电源，可将频率固定的电压变成频率连续可调的三相电源，提供给电动机，促使电动机会按照不同速度旋转。调频调速公式为：滚珠丝杠副所需转矩计算依照技术要求，电动升降机需产生不小于1000N的推力，满载工作速度不小于88mm/s，结合丝杠副导程，计算丝杠副转速为：丝杠副的效率：丝杠副的额定输出动转矩为：丝杠副的额定输入动转矩为：伺服电机的转矩计算整个联轴器环节的效率：电机需输出转矩为：电机需输出转速为：80X32/3=854rpm根据功率的计算已知=5.23kw。由动力传递效率公式式中：总动力传递效率；主轴轴承的动力传递效率，=0.98；主轴花键的动力传递效率，=0.99；带动力传递效率，=0.96；带轮轴承的动力传递效率，=0.98。得那么由公式式中：电动机的功率，KW；功率，KW；总动力传递效率。得电动机的功率为：根据的工作要求，选择:日立牌伺服电动机，额定功率为6.0kw。4.4.3确定电机的转速同类别的容量相同的电机，有不同的转速。在断定电机转速时候，应当考虑综合要素，展开剖析较为，是整个设计不仅合理，也比较经济。——电机的可选转速数值范围（r/min）——动力传递装置总动力传递比的合理范围——工作机构转速（r/min）电机详细参数见下表：额定扭矩额定转速重量3Nm8545Kg

第五章控制体系的设计5.1PLC控制体系设计的基本原则PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证稳定、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。本研究课题的要求不高，不需要顾及配备上位计算机网络，可是为了方便洽购和管理等等你还是要求车型应当统一。1.非连续性信号的采集和输出输入内容进行格式化整理的模板的选择非连续性信号的采集和输出输入内容进行格式化整理的模板是用来接收现场输入设备的开关信号,选择时主要应考虑以下几个方面：（1）输入信号的类型及电压等级非延续性波形的录入和输出输入具体内容展开格式化收集整理的模板有电压输入、沟通交流输入和沟通交流／电压输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输出具体内容展开格式化汇总的钢筋的延迟时间中较短，还可以直接与趋近开关、光电开关等数字化输出设备联接；交流输入内容进行格式化整理的模板稳定性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。非连续性信号的采集和输出输入内容进行格式化整理的模板的输入信号的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入内容进行格式化整理的模板之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入内容进行格式化整理的模板最远不得超过十米。距离很远的应选用输入电阻等级较高的具体内容展开格式化收集整理的模板。本体系传输距离较近可选择24Ｖ直流输入。非连续性信号的采集和输出输入内容进行格式化整理的模板主要有汇点式和分组式两种接线方式。汇点式的非连续性脉冲的传送以及输出输出具体内容展开格式化汇总的钢筋所有输出点共用一个公共端（COM）；而分组式的非连续性信号的采集和输出输入内容进行格式化整理的模板是将输入点分成若干组，每一组（几个输出点）有一个公共端，各组间隔断的。分组式的对非连续性信号的采集及输入输出具体内容展开格式化分类整理的构件价钱比较汇点式的高，倘若输出信号间不太应该隔断，一般采用汇点式的。所以本体系考虑价格便宜问题，所以本指标体系顾及价格便宜关键问题，且输入波形之间不需要分隔，选择汇点式较最合适。5.2PLC种类及型号选择FX2N系列是FX系列PLC家族中最先地包容了规范特性，程式执行更快，全面补充通界各国不同的变压器及迎合单个应该的很多特殊基本功能具体内容展开格式化分类整理的构件。4.3I/O点数分配根据动作流程分析及I/O点数确定，可以确定电气控制体系的I/O点分配，如表5.1、表5.2所示：表5.1控制输入点分配表输入设备输入点号输入设备输入点号启动按钮SB1X000手动下降按钮SB6X005停止按钮SB2X001手动左旋按钮SB7X006急停按钮SB3X002手动右旋按钮SB8X077上升限位传感器ST4X003超上升限位传感器ST8X010下降限位传感器ST5X004超下降限位传感器ST9X011表5.2控制输出点分配表输出设备输出点号输出设备输出点号左旋继电器6YAY000报警指示灯L11Y004右旋继电器5YAY001手动指示灯L12Y005上升继电器4YAY002自动指示灯L13Y006下降继电器3YAY003原位指示灯L14Y0075.4PLC外部接线图根据表5.1、5.2分配输入/输出信号与PLC输入/输出接口分配情况及所选定的PLC，得到PLC的外部接线图如图5.1：图5.1PLC外部接线图5.5总体程序框图设备有“手动/自动”两种工作形式，其控制程序可分成自动控制程序及手动控制程序两个具体内容展开格式化分类整理的构件，各内容进行格式化整理的模板程序分开编写，结构清晰，便于调试和修改。在进行编程前，应先绘制出整个控制程序的结构框图，如图5.2所示。在该类结构图中，当操作形式选择开关放到“手动”时候，输出点X012接通，执行手动程序；当操作形式选择开关放到“自动”时候，输出点X013接通，执行自动程序。图5.2控制程序的结构框图

总结通过本论文的研究，可得到以下主要结论：1、根据六瓣同心扩张卡盘零件加工工艺的要求，提出了同心扩张卡盘设计的总体方案。在卡盘总体设计与各部件设计时，保证以卡盘加工精密程度为中心进行设计。2、本论文采用相关的CAD软件solidworks，针对六瓣同心扩张卡盘要求结构设计的需要，运用参数化造型的手段，综合使用了的各种建模手段，解决了同心扩张卡盘的造型问题。3、应用三维软件对同心扩张卡盘进行结构装配，并进行结构干涉检查，检查到整个卡盘不存在结构干涉现象。确定同心扩张卡盘设计的稳定性。4、对卡盘的滚珠丝杆升降机构进行详细的设计计算，并进行有关的三维造型建模设计，在设计的同时也学到了很多新的知识与技巧，为以后走向社会打下坚实的基础。

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