CN102177411B - 用于测量第一构件和第二构件以及使第一构件和第二构件相对于彼此对齐的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量第一构件(2，4)和第二构件(3，5)以及使第一构件(2，4)和第二构件(3，5)相对于彼此对齐的装置(1)，其中，所述装置包括第一检测器单元(6)、第二检测器单元(7)以及控制单元(12)，该第一检测器单元(6)布置成安装在第一构件(2，4)上，该第二检测器单元(7)布置成安装在第二构件(3，5)上，该控制单元(12)连接于第一检测器单元(6)和第二检测器单元(7)。装置(1)包括布置在第一检测器单元(6)上的第一几何图案(16)和布置在第二检测器单元(7)上的第二几何图案。第一几何图案(16)的位置能够由第二检测器单元(7)检测，并且第二几何图案的位置能够由第一检测器单元(6)检测。本发明还涉及一种用于使第一构件(2，4)和第二构件(3，5)对齐的方法。

Description

用于测量第一构件和第二构件以及使第一构件和第二构件相对于彼此对齐的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量第一构件和第二构件以及使第一构件和第二构件相对于彼此对齐的装置，其中，所述装置包括第一检测器单元、第二检测器单元以及控制单元，该第一检测器单元布置成安装在第一构件上，该第二检测器单元布置成安装在第二构件上，该控制单元连接于第一检测器单元和第二检测器单元。

本发明还涉及一种用于测量第一构件和第二构件以及使第一构件和第二构件相对于以预定的关系彼此对齐的方法，其中，所述方法包括如下步骤：将第一检测器单元安装在第一构件上，将第二检测器单元安装在第二构件上，以及将控制单元连接于第一检测器单元和第二检测器单元。

背景技术

在各种技术背景下，需要使各种构件相对于彼此正确地对齐。关于诸如通风装置、泵以及相似设备之类的较大的机器的运行，来自驱动单元(例如，马达)的输出动力被传递至从动单元(例如，泵)。这经由驱动单元中的输出轴的旋转运动发生，该输出轴将动力传递至从动单元中的输入轴。

在较大的马达、泵等的运行中，从动单元的输出轴相对于从动单元的输入轴正确地对齐是极其重要的。以这种方式，来自驱动单元的输出动力可以最佳地传递至从动单元。这两个轴相对于彼此的任何不对齐都可能导致较低的效率以及各种组成部分磨损和损坏的风险增加。

因此，在该技术领域内，需要使输出轴相对于输入轴正确且精确地对齐。就此而言，能够注意到这两个轴可以具有本质上属于两个不同类型的对齐误差。最具体地，轴可以定位成使得彼此以相对的角度布置，这对应于水平或竖直角度误差，或者它们可以定位成使得彼此平行地移位。后一种情况与轴彼此平行地布置但是相对于彼此在侧向上稍微移位的情况对应。这通常被称为水平或竖直偏移误差。

如果这些误差超过预定阈值，则可以认定轴相对于彼此不对齐。在这种情况下，操作者可以通过机械地调节单元中的一个或全部两个的物理位置而对此进行校正以消除未对齐。通常，其中一个轴的位置被当作另一个轴与其对齐的参照。

因此，在所讨论的技术领域内，需要用于使包括转动轴在内的各种类型的构件正确对齐的系统和方法。该系统和方法可以用于马达、泵、通风系统、发电机、造纸机以及各种其它的领域。特别地，这些类型的用于对齐的系统可以使用在涉及高速转动的轴的应用中或使用在涉及昂贵且灵敏的设备的技术领域中，在该设备的情况下，迫切需要使由于轴的不正确对齐而引起的不必要的磨损和故障的风险最小化。

在现有技术中能够看到，可以通过使用包括安装在第一轴上的检测器单元和安装在第二轴上的附加的检测器单元的布置而使第一轴和第二轴对齐。在US 4518855中示出这种布置，US 4518855描述了安装在第一轴上的第一测量装置和安装在第二轴上的第二测量装置。第一测量装置设有导向第二测量装置的第一光源，而第二测量装置设有导向第一测量装置的第二光源。适当地，光源是激光光源。相应的测量装置布置成检测来自相对的装置的光束的位置。在测量过程期间，根据该已知的技术，轴必须转动以使在各个转动位置下的轴的相对运动能够被检测。当在各个转动位置测量时，关于相对运动的信息提供关于各个轴的位置变化的信息。这提供关于两个轴的任何未对齐的信息。

US 5077905示出了用于借助于测量装置使两个转动轴对齐的装置，该测量装置基于激光光源并且与相应的转动轴相关地布置。

尽管存在用于使转动轴对齐的先前已知的装置和方法，但是继续需要改进，尤其是——如果可能的话——实现实施简单并且成本较低的越来越精确的测量过程。

上述类型的测量设备旨在当相关的机器静止不动时(即，当它们相对较冷并且暂时不使用时)使用。

然而，应当注意对于许多应用，当马达和泵被启动、被驱动并且逐渐变热，即，它们从较冷且关闭的状态进入对应于正常运行的状态时，马达和泵之间的对齐可以改变。对齐可以例如取决于机器的运行温度而变化。对齐还可以取决于运行压力的变化而变化(如果在泵或压缩机上执行对齐)。此外，轴上的管负载可以引起较冷和较暖的运行状态之间的对齐的变化。

如果相关的机器被并行地驱动，或者如果电负载或转动力的变化在运行期间发生，还可以影响较冷和较暖的运行状态之间的对齐的变化。

因此，存在影响机器的对齐的热因素和其它的参数。如上所述，特别地存在如下问题：静止不动的机器的正确对齐不一定对应于同一机器在运行中时的正确对齐。这意味着必须执行一些校正以补偿对齐的变化将在较冷和较暖的状态之间发生这一事实。

用于测量从较冷的运行状态到较暖的运行状态的对齐距离的先前已知的系统由普乐福尼克公司制造，并且包括由组合的发射器和检测器制成的两个单元，该组合的发射器和检测器旨在安装在第一固定式机器上——合适地安装在所述第一机器的轴承座上。发射器包括激光光源。协同工作的棱镜安装在旨在调节成使得获得正确的对齐的第二便携式机器上。

在US 7312871中示出另一个已知的系统，其中，用于转动的专用夹具使得能够利用单轴测量系统在水平方向和竖直方向上测量两个运行状态之间的对齐的不同。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是提供用于使第一构件和第二构件相对于彼此对齐的改进的方法和布置，尤其是实现测量中的较高精度、成本有效的测量以及对操作者而言简单的操作。

通过经由介绍描述的类型的装置实现上述目的，该装置还包括布置在第一检测器单元上的第一几何图案和布置在第二检测器单元上的第二几何图案，第一几何图案的位置能够由第二检测器单元检测，并且第二几何图案的位置能够由第一检测器单元检测。

还通过经由介绍描述的类型的方法实现该目的，该方法包括如下步骤：将第一几何图案安装在第一检测器单元上，将第二几何图案安装在第二检测器单元上，以使第一几何图案的位置由第二检测器单元检测并且第二几何图案的位置由第一检测器单元检测，以及检测和分析各个图案的几何属性。

本发明提供与现有技术相比的某些重要的优点。主要地，能够注意到因为容易操作且成本有效的摄像机单元可以使用在各个检测器单元中，所以本发明产生用于使轴对齐的简单、有效的以及容易监控的过程。因为各个检测器单元仅包括一个对齐构件(即，单个摄像机单元的形式)，所以在与现有技术相比时，本发明提供了简化。这与现有技术形成对比，在现有技术中，各个检测器单元必须设有两个构件——具体地，激光发射器和光敏传感器。

此外，与现有技术相比，本发明具有如下优点：其不基于发射光线。相反，借助于各个摄像机单元由图像获得对齐过程中的测量值。

因为各个检测器单元实际上不需要用于测量的任何形式的初始粗略对齐，所以根据本发明的装置还特别容易使用，所述初始粗略对齐可以是基于现有技术的呈传统的基于激光的测量系统的形式的系统中的情况。

与先前已知的单通道检测器(用于激光)相比，本发明的附加的优点是本发明提供双轴——即，二维——测量。这意味着可以在二维中检测轴的位置变化，这便于测量之后的机器的对齐。在原理上，利用已知技术，双轴测量是可能的，但是需要更昂贵的检测器。本发明以成本有效的方式解决该问题。

本发明的附加的优点是其可以以简单且成本有效的方式测量较冷的和较暖的运行状态之间的机器位置变化。通过将检测器安装在连接于轴的机器外壳上，可以测量水平方向和竖直方向上的角度和偏移变化。可以在较冷状态下的机器对齐期间使用这些变化以补偿转变到运行状态期间出现的运动，以使在较暖的运行状态期间对齐是正确的。

附图说明

将参照优选的实施方式和附图在下面描述本发明，其中：

图1是根据本发明的优选实施方式布置的装置的立体图；

图2根据本发明的装置中的检测器单元的稍微放大的立体图；

图3是根据替代性实施方式的检测器单元的立体图；以及

图4是本发明的替代性实施方式的立体图。

具体实施方式

图1是根据本发明的装置1的稍微简化的示意性立体图。本发明特别地而非排外地旨在用于使两个转动轴2、3对齐。根据本发明的一个实施方式，第一转动轴2可以是驱动单元4的一部分，驱动单元4可以是例如马达，而第二转动轴3可以是从动单元5的一部分，从动单元5可以是例如泵或风扇装置，通常，可以说本发明可以使用在从驱动单元到从动单元的各种类型的动力传输中，如各种类型的机器或马达单元，其中，动力由转动轴传输。还应当注意本发明不仅在发生动力传输的这些情况下使用，而且还通常使用在轴必须共线地对齐的所有类型的应用中。

在图1中，以简化示意方式示出驱动单元4和从动单元5。出于上述原因，驱动单元4和从动单元5布置成使得两个轴2、3相对于彼此基本上共线地对齐，即，使得它们沿着共同的假想线定向。这样做的目的是保证可以使诸如轴2、3之间的角度误差或偏移误差之类的任何对齐误差尽可能地最小化。反过来，这使得动力能够从驱动单元4传输至从动单元5而没有不必要的动力损失并且磨损和故障的风险是最小的。

为了两个轴2、3相对于彼此的对齐，使用第一检测器单元6和第二检测器单元7。第一检测器单元6在使用期间旨在安装在第一轴2上，而第二检测器单元7在使用期间旨在安装在第二轴3上。根据图1中示出的实施方式，两个检测器单元6、7具有基本上相同的结构和功能。第一检测器单元6借助于具有相关联的张紧带9的所谓的V形块8合适地固定于第一轴2，而第二检测器单元7可以借助于具有张紧带11的另外的V形块10固定于第二轴3。两个检测器单元6、7以图1中示出的相对的方式设立的一个重要原因是这样对在测量期间在角度误差和偏移误差之间进行区分是理想的。

此外，两个检测器单元6，7连接于基于计算机的控制单元12，控制单元12布置用于以将在下面描述的方式借助于检测器单元6、7控制和测量任何对齐误差。现在将参照图2更详细地描述第一检测器单元6。

图2是第一检测器单元6的放大立体图，第一检测器单元6包括外壳13和安装装置14，安装装置14在使用期间将外壳13连接于对应的V形块8(见图1)。此外，本发明的原理是外壳13容纳优选为摄像机单元15的形式的图像记录装置。该摄像机单元15大部分隐藏在外壳13内(在图2中以虚线表示)，并且包括具有面向另一个检测器单元7的镜头的图像传感器15a。第二检测器单元7在原理上与第一检测器单元6相同，并且也包括具有另外的图像传感器的摄像机单元(如图所示)的形式的图像记录装置，该另外的图像传感器具有面向第一检测器单元6的镜头。

此外，第一检测器单元6的外壳13设有第一几何图案16，即，用于借助于相对的(即，安装在第二检测器单元7上的)摄像机单元进行检测的一种目标。第一几何图案16可以以各种方式制成，但是根据本实施方式，由具有不同尺寸的两个正方形16a和16b的交叉组成，正方形16a和16b通过印刷，压印或借助于印花等布置在外壳13的正面17上，外壳13的正面17在使用期间面向第二检测器单元7。

第一几何图案16的目的是能够借助于第二检测器单元7而被检测，更具体地，通过借助于布置在第二检测器单元7上的摄像机单元进行的光学检测而被检测。在本文中应当注意，摄像机单元15优选地安装在检测器单元6的正面17上的预先限定的中心点处。对应的关系适用于安装在第二检测器单元7上的摄像机单元。

在利用本发明进行检测期间，优选的是相应图案16的物理位置及其位置的变化由相应的相对摄像机单元15检测。更具体地，图案16的检测位置与相对摄像机单元15的图像传感器的表面对应，该表面被相对的图案16的检测图像(完全地或部分地)填充。该检测位置的变化在测量期间检测器单元6、7所放置的各个旋转位置之间进行测量。根据已知的技术完成将检测器单元6，7设置在各个转动位置的该过程，进而不在本文中详细描述该过程。

即使未在附图中示出，也可以注意到第二检测器单元7在面向第一检测器单元6的侧面上载有相同的几何图案。第二检测器单元7上的该第二几何图案——以与第一几何图案16的方式相同的方式——构成用于借助于相对的第一检测器单元6检测的目标。因此，本实施方式布置成使得第一检测器单元6布置成检测第二检测器单元7上的几何图案，而第二检测器单元7布置成检测第一检测器单元6上的几何图案16。

各个检测器单元6、7上的图案优选地布置成使得它们遵循相应的摄像机单元15的相对图像表面的几何形状。合适地，图像表面可以具有矩形形状，即，根据所谓的4:3格式，这意味着检测器单元6、7上的相应几何图案16可以具有相似的形状。然而，本发明不限于该实施方式，其它的几何形状——即，正方形(如参照附图示出的)或圆形——也可能在本发明的范围内。

参照图1，可以注意到两个不同的正方形16a、16b可以适当地设有某种形式的标记，例如两个相对较小的边角三角形18a、18b的形式，其标记在相应正方形16a、16b上的各个位置。这样做的目的是使得能够在利用相应的相对摄像机单元检测期间在两个正方形16a、16b之间进行区分。

两个摄像机单元具有预先限定的图像表面。当检测相应的相对几何图案的图像记录时，该几何图案的图像将被记录在相应的摄像机单元中。在第一情况下，假设相应的外正方形16a的位置被检测。

两个检测图像将给出几何图案关于相对的检测器单元的相对位置。在轴2、3的至少三个不同的转动位置重复该过程。预先假定在三个不同的转动位置进行测量，这意味着对于这些转动位置中的每一个，获得关于相应图案的相对位移的信息，这反过来提供轴2、3相对于彼此的位置。应当注意在某些应用中，例如对于较低精度的公差，使用不同转动位置下的两个不同位置就足够了。

此外，借助于一个摄像机单元，可以获得从检测器单元到相对的检测器单元的距离的测量。该距离测量可以提供摄像机单元图像表面的多大比例被外正方形覆盖的测量，即，其中，某一距离对应于某个正方形有多少填充图像表面。该测量与两个检测器单元6、7之间的距离成比例。

可替代地，可以通过使用检测器单元6、7估计距离然后计算平均值来进行距离测量。

借助于三个转动位置下的轴2、3相对于图案的相对位置的位置的测量值以及两个检测器单元6、7之间的距离的值，控制单元8可以计算第一轴2相对于第二轴3的位置。如果轴2、3然后相对于彼此定位成使得存在比已经预先限定为可允许的误差大的角度误差或偏移误差，则控制单元8将通过将测量数据表示在控制单元8的屏幕(未示出)上而合适地对此发出信号。然后，在该显示的测量数据的指导下，操作者可以机械地调节包括第一轴2(或者，第二轴3)的单元的位置。可以以该方式使任何角度或偏移误差减小。

根据可以在图2中看到的，第一几何图案12包括第一正方形16a和第二正方形16b。在该实施方式中，第二正方形16b设置在第一正方形16a内。本发明布置成使得相应的检测器单元可以在检测器单元6，7之间的相对较长的距离处检测第一正方形16a，并且使得在检测器单元6，7之间相对较短的距离处检测第二正方形16b。这意味着系统提供用于相对较长的距离和相对较短的距离处的测量的较好的解决方案。

应当指出本发明提供如下优点：如上所述，可以自动地计算检测器单元6、7之间的距离，即，和已知技术一样，不必手动地测量检测器单元6、7之间的距离并然后将该信息输入系统。

图3示出了本发明的替代性实施方式，该替代性实施方式由替代性检测器单元6’构成，其包括位于检测器单元6’的外壳13’上的几何图案16’，并且该几何图案16’优选地由第一正方形16a’和第二正方形16b’组成。在图3中示出的该实施方式中，使用仅包括几何图案16’——即，没有摄像机单元——的第一(替代性)检测器单元6’。另一方面(未在附图中示出)，在相对的检测器单元中，仅使用摄像机，即，没有图案。

第一正方形16a’设置在检测器单元6’的第一局部表面19a上，而更小的第二正方形16b’设置在检测器单元6’的第二局部表面19b上。根据该实施方式，第一局部表面19a布置成相对于第二局部表面19b在深度方向移位，即，两个局部表面19a、19b布置在到相对的检测器单元具有不同距离的两个单独的平面上。由于该布置，不必在第一检测器单元6’中使用摄像机单元或在第二检测器单元7中使用任何几何图案。

图4示出了根据本发明的替代性实施方式的装置的立体图。在图中，利用与图1中相同的附图标记示出了构件具有与以上所述相似的类型。此外，根据图4的实施方式适用于在单元4、5的运行期间进行测量的类型，单元4、5合适地为轴2、3安装在其中的机器或马达构件。本发明能够确定由于运行期间的热变化——即，在从单元4、5的较冷的运行状态转变到较暖的运行状态(或者反过来)期间发生的变化——而引起的关于轴2、3的对齐的任何误差。在这种情况下，两个检测器单元6、7优选地直接安装在相应的单元4、5上，即，与相应的单元4、5机械连接。第一检测器单元6安装在第一单元4上，并且第二检测器单元7安装在第二单元5上。另外，各个检测器单元6、7的功能和结构具有与前面参照图1所述相同的类型。

根据图1的布置的一个优点是检测器单元6、7布置成同时检测相对的图案在水平方向和竖直方向上的位置变化。以这种方式，可以计算机器构件4、5的对齐在水平方向和竖直方向上如何变化。通过使用所描述的具有两个相对单元的技术，可以检测角度(误差)和偏移(误差)的变化。

本发明不限于以上所述。相反，多种实施方式能够位于专利的权利要求的范围内。例如，可以使用各种类型的几何图案以及各种类型的摄像机单元。

各个检测器单元可以与照明单元(未在附图中示出)相关地布置，以使借助于摄像机单元的检测和记录尽可能地精确。此外，各个检测器单元可以设有色彩过滤器以阻挡阳光、反射等，并且使装置的稳健性和用户友好性增加，这尤其在工业环境中是重要的。

各个摄像机单元可以合适地设有变焦镜头，在测量在检测器单元之间的相对较长的距离处发生的这些情况下，这是合适的。作为替代性方案，具有各种焦距的可更换的固定镜头可以使用在各个摄像机单元中。

根据替代性实施方式，各个摄像机单元可以定位在除如图所示的几何图案的中心之外的另一个位置。例如，各个摄像机单元可以布置在图案以外。

可以在线地——即，实时地——或离线地进行图像处理，该图像处理要求基于利用检测器单元进行的测量计算任何角度和偏移误差。在后一种情况下，使用具有评价单元的特征的控制单元，借助于该控制单元对测量进行分析以用于计算任何对齐误差。

借助于快速且同步的图像记录单元，还可以在轴转动的同时进行测量。

此外，在轴转动期间进行多个测量是有利的，以借助于求平均值和修改提高精度。

所使用的几何图案在颜色和其它特征方面被合适地制备，以使在利用相应的摄像机单元检测时，它们有助于较高的对比度。以这种方式，容易在检测期间看到图案。

最后，应当指出，所使用的几何图案还合适地制备成便于用来确定图案的位置的计算机单元中的图像处理，并且可以为此使用已知的图像处理算法。

Claims (14)

1.一种用于测量第一构件(2，4)和第二构件(3，5)以及使所述第一构件(2，4)和所述第二构件(3，5)相对于彼此对齐的装置(1)，其中，所述第一构件(2，4)包括第一轴(2)，并且所述第二构件(3，5)包括第二轴(3)，所述第一轴(2)和所述第二轴(3)旨在以预定的关系彼此对齐，并且其中，所述装置包括第一检测器单元(6)、第二检测器单元(7)以及控制单元(12)，所述第一检测器单元(6)布置成安装在所述第一轴(2)上，所述第二检测器单元(7)布置成安装在所述第二轴(3)上，所述控制单元(12)连接于所述第一检测器单元(6)和所述第二检测器单元(7)，其特征在于，所述装置(1)还包括布置在所述第一检测器单元(6)上的第一几何图案(16)和布置在第二检测器单元(7)上的第二几何图案，所述第一几何图案(16)的位置能够由所述第二检测器单元(7)检测，并且所述第二几何图案的位置能够由所述第一检测器单元(6)检测，其中，所述装置布置成通过利用所述控制单元(12)分析相应的几何图案(16)的检测位置来检测相对于所述第一轴(2)和所述第二轴(3)被认为彼此对齐的情况的角度偏移和平行偏移，并且通过测量所述第一几何图案(16)和所述第二几何图案的位置变化、所述第一轴(2)和所述第二轴(3)的至少两个不同的轴向转动位置来检测所述角度偏移和平行偏移。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一检测器单元(6)和所述第二检测器单元(7)都包括图像记录装置(15)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个图像记录装置(15)包括镜头和图像传感器。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个几何图案(16)是具有外围的至少一个几何图形(16a，16b)，相应的图像记录装置(15)安装在所述外围内。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，每个几何图形具有限定的中点，所述图像记录装置(15)安装在所述中点中。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述两个几何图案(16)基本上彼此相同。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置布置成通过在所述控制单元(12)中分析每个几何图案(16)相对于所述图像记录装置(15)上的图像表面的检测尺寸来检测所述第一检测器单元(6)和所述第二检测器单元(7)之间的距离。

8.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个检测器单元(6，7)包括变焦功能。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述几何图案(16)由至少两个局部图案(16a，16b)组成。

10.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述几何图案(16a，16b)具有不同的尺寸，并且所述图像记录单元(15)布置成用于根据所述检测器单元(6，7)之间的距离而选择图案。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，各个局部图案(16a，16b)制有区别性的标记(18a，18b)。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，各个局部图案(16a，16b)制有区别性的标记(18a，18b)。

13.一种用于测量第一构件(2，4)和第二构件(3，5)以及使所述第一构件(2，4)和所述第二构件(3，5)以预定的关系彼此对齐的方法，其中，所述方法包括使所述第一构件(2，4)的第一轴(2)和所述第二构件(3，5)的第二轴(3)以预定的关系彼此对齐，其中，所述方法包括如下步骤：

将第一检测器单元(6)安装在所述第一轴(2)上；

将第二检测器单元(7)安装在所述第二轴(3)上；以及

将控制单元(12)连接于所述第一检测器单元(6)和所述第二检测器单元(7)，其中，所述方法进一步的特征在于包括如下步骤：

将第一几何图案(16)安装在所述第一检测器单元(6)上；

将第二几何图案安装在所述第二检测器单元(7)上，使得所述第一几何图案(16)的位置能够由所述第二检测器单元(7)检测，并且所述第二检测器单元的位置能够由所述第一检测器单元(6)检测；以及

检测和分析各个几何图案(16)的几何特征，

通过分析每个几何图案(16)的检测位置来获得相对于所述第一轴(2)和所述第二轴(3)被认为彼此对齐的情况的角度偏移和平行偏移，并且其中通过测量位置和所述第一轴(2)和所述第二轴(3)的至少两个不同的轴向转动位置来检测角度偏移和平行偏移。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过分析每个几何图案(16)的检测尺寸来获得所述第一检测器单元(6)和所述第二几何图案之间的距离以及所述第二检测器单元(7)和所述第一几何图案(16)之间的距离。

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