基于Ansys Workbench的桁架式機械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

1 引言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，我國制造業(yè)的人口紅利逐漸消失，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級發(fā)展將成為脫離現(xiàn)實困境的唯一途徑。先進(jìn)的信息技術(shù)與機械設(shè)計生產(chǎn)理論相融合，為我國制造業(yè)的自動化和智能化發(fā)展打開了新的命門。工業(yè)生產(chǎn)的自動化成為我國制造業(yè)現(xiàn)階段發(fā)展的主流趨勢，工業(yè)機器人在制造行業(yè)的成熟應(yīng)用也逐漸顯現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢。工業(yè)機器人攜帶機械手爪可以提供高效、準(zhǔn)確、低綜合成本的生產(chǎn)服務(wù)，進(jìn)而逐步被眾多生產(chǎn)制造企業(yè)所青睞。當(dāng)前，工業(yè)機器人的發(fā)展已基本成熟，然而對機器人作業(yè)起著決定性作用的機械手爪，其研究正如火如荼

。

現(xiàn)階段，機械手爪的發(fā)展主要集中在以下幾類，第一種為諸如雄克ABB、柳道、雄克等一大批業(yè)內(nèi)翹楚，其設(shè)計的機械手爪已逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)化，也主要被各類大型企業(yè)和精密生產(chǎn)企業(yè)所接受；第二種為國內(nèi)自主品牌，該類機械手爪主要為自動化服務(wù)企業(yè)所推銷的附屬產(chǎn)品，為此手爪品質(zhì)也良莠不齊；第三種主要為非標(biāo)生產(chǎn)的定制化機械手爪，該種手爪主要針對某一實際生產(chǎn)現(xiàn)場所設(shè)計，普適性差，但使用可靠性、穩(wěn)定性、性價比較高，故常被中小型企業(yè)所青睞

。

本文將以某大型鑄造生產(chǎn)線為例，對大載重自動化機械手爪進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限單元法對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析，以簡化手爪的設(shè)計研發(fā)過程，提高手爪的載重能力和載重可靠性，形成可參考的手爪設(shè)計方法。

2 設(shè)計概況

現(xiàn)階段，技術(shù)較為成熟的機械手爪主要有柔性軟體手爪和剛性手爪兩大類，其中柔性軟體手爪常用于果蔬的仿生采摘，剛性手爪則多用于工業(yè)生產(chǎn)

。剛性手爪根據(jù)工作特性又可分為剛性張角手爪和剛性平動手爪兩種設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中剛性張角手爪具有結(jié)構(gòu)剛性差、包絡(luò)抓取牢固、操作穩(wěn)定性差、設(shè)計復(fù)雜、控制難度大等特點，剛性平動手爪具有工作負(fù)載大、結(jié)構(gòu)剛性好、抓取精度低、設(shè)計簡單等特點

。

本大型鑄造生產(chǎn)線主要為航母等大型軍民用設(shè)備提供零件鑄造生產(chǎn)，涉及砂芯打印、砂芯清理、砂型鑄造、落砂取料、毛坯修整、下料等6大工藝環(huán)節(jié)，具體如圖1所示。該生產(chǎn)線機械手爪的設(shè)計功能主要為生產(chǎn)過程中大型砂芯及鑄造毛坯件的轉(zhuǎn)運，其抓取范圍為1.2t～1.8t。由于該產(chǎn)線鑄造砂芯及毛坯件的質(zhì)量較大，故對轉(zhuǎn)運機械手爪作業(yè)負(fù)載、結(jié)構(gòu)剛性及抓取穩(wěn)定性要求高，而對抓取精度要求一般。本手爪結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力[δ]=120MPa，許用變形量[W]=5mm。結(jié)合以上要求，本機械手爪將采取剛性平動式機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體搭配機械桁架組合成桁架式機械臂用于輔助生產(chǎn)線的作業(yè)。手爪工作原理如圖2所示，桿5為一組平動手爪的執(zhí)行部件，主要依靠對向平動實現(xiàn)對工件的抓??；桿2為手爪豎梁，主要動作為上下運動，以實現(xiàn)將工件提升至安全高度；桿3為手爪橫柱，攜帶工件及手爪在水平方向沿桁架1運動。

3 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

本生產(chǎn)線用機械手爪設(shè)計目的在于抓取大型砂芯及鑄造毛坯件，并對其進(jìn)行生產(chǎn)轉(zhuǎn)運。結(jié)合該產(chǎn)線的實際工作條件，手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采取桁架式剛性平動機械結(jié)構(gòu)。參照設(shè)計原理圖(圖2)，本桁架式機械手爪可設(shè)計由桁架、橫柱、豎梁、橫梁、手指等部分組成，如圖3所示。圖示桁架為整體產(chǎn)線桁架的最小單元，每組跨距6.4m，產(chǎn)線整體桁架將由10組小桁架單元拼接而成；橫柱為整體手爪的承載與運動部分，上裝有伺服電機驅(qū)動，當(dāng)控制器發(fā)出信號時，伺服電機帶動橫柱耳版下側(cè)滾輪實現(xiàn)橫柱精確運動，即由橫柱可攜帶手爪及工件在各工位件傳輸；豎梁為手爪結(jié)構(gòu)的提升部件，通過上下運動以將工件提升至安全高度，豎梁和橫柱間由絲杠導(dǎo)軌連接，工作時由伺服電機驅(qū)動；橫梁為手爪的主要結(jié)構(gòu)部件，通過導(dǎo)軌連接兩組對向手指，并附帶液壓驅(qū)動手指對向移動，進(jìn)而實現(xiàn)對工件的抓取。

經(jīng)分析，由于手爪構(gòu)件中豎梁起著決定整體受力平衡的關(guān)鍵作用，其他結(jié)構(gòu)件的工作變形量均來自于豎梁變形的二次迭代，且豎梁變形的大小將直接影響手指、橫梁等結(jié)構(gòu)件的變形大小，為此對豎梁進(jìn)行必要的強度分析和剛度校核，并以此作為理論基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計手爪結(jié)構(gòu)，將可有效的提高本桁架式機械手爪設(shè)計的科學(xué)性與合理性。

H:150cm BMI:23.5kg/m 甲狀腺觸診2度腫大,質(zhì)地較韌,活動度好;心肺腹觸診、叩診、聽診無異常。

注：此處只做豎梁剛度和強度分析，橫梁和手指材料更換帶來的影響已另做分析，且分析結(jié)果符合要求。

4 機械手爪有限元分析

4.1 前處理階段

由于機械手爪結(jié)構(gòu)為非對稱式結(jié)構(gòu)，所以運載工件啟停時整體結(jié)構(gòu)所受慣性力不一致，即當(dāng)手爪攜帶工件處于位姿越低，手爪運行加速度越大，則桁架式機械手爪的變形量越大，所處狀態(tài)越危險。此處，我們選擇桁架式機械手剛抓取完成，又正在啟動狀態(tài)這一危險位姿進(jìn)行分析研究

。

根據(jù)上述設(shè)計，我們設(shè)置桁架式機械手豎梁為壁厚12mm的規(guī)則形方鋼型材，正常工作時手爪最大負(fù)載量為1.8t，攜帶工件的最大運載速度為600mm/s，加速度為1200mm/s

。打開Ansys Workbench軟件，在工程數(shù)據(jù)中選擇材料為結(jié)構(gòu)鋼(密度7850kg/m

，彈性模量200GPa，泊松比0.3)。

安：當(dāng)我剛開始學(xué)琴時，只接觸過立式琴。如你所說，因為結(jié)構(gòu)區(qū)別，我無法在立式琴上探索出上述方法，只能彈出最基本的強弱對比。11歲那年，進(jìn)入音樂學(xué)院之后，我開始使用三角鋼琴，當(dāng)我與帕內(nèi)拉和齊科里尼教授學(xué)琴時，便在三角鋼琴上探索上述方法和聲音。我的觀點是，演奏者首先需要理解并習(xí)慣三角琴的運行模式，才能自如控制三角琴和立式鋼琴，而如果只習(xí)慣于立式琴，是無法在三角鋼琴上營造美妙聲音的。

組網(wǎng)設(shè)計需要與住宅結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不同住宅其組網(wǎng)的設(shè)計也不同，在進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計的過程中，必須要進(jìn)行充分的考慮，特別是在使用無源光網(wǎng)絡(luò)時性需要對其傳輸?shù)木嚯x進(jìn)行考慮，有效的將分路器級聯(lián)進(jìn)行控制，使其始終保持在二級以內(nèi)。

4.2 計算結(jié)果分析

通過AnsysWorkbench軟件Static Structural模塊分析可得，桁架式機械手爪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的云圖如圖4-圖7所示。桁架式機械手爪在最大載荷和最危險姿態(tài)工作條件下，最大應(yīng)力應(yīng)力集中在豎梁上端靠近橫柱一側(cè)，最大應(yīng)力值為188.51MPa>[δ]；最大變形量出現(xiàn)在遠(yuǎn)離橫柱端一側(cè)手指的右下角，最大變形量為22.55mm>[W]，故手爪初步設(shè)計不能滿足要求。

綜合分析桁架式機械手爪有限元結(jié)果可知，手爪的最大應(yīng)力取決于豎梁的應(yīng)力變化。雖然手爪的最大變形量體現(xiàn)在手指構(gòu)件上，但分析桁架機械手爪結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，對其安全性及平穩(wěn)性起決定作用的主要集中在豎梁、橫梁、手指三個構(gòu)件。考慮到手爪結(jié)構(gòu)在工作過程中要承擔(dān)工件載荷、自重以及載重運載時所產(chǎn)生的慣性力的作用，參照圖8機械手爪質(zhì)量分布圖可對手爪結(jié)構(gòu)的撓度計算如下：

地質(zhì)勘察是工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，勘察數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確對工程建設(shè)至關(guān)重要。本文從工程地質(zhì)勘察的概念與質(zhì)量管理規(guī)范化角度出發(fā)，探討質(zhì)量管理規(guī)范化的必要性，并指出工程地質(zhì)勘察過程中存在的問題，對目前存在的問題給出整改措施，以期促進(jìn)工程地質(zhì)勘察質(zhì)量的全面優(yōu)化，保證工程建設(shè)質(zhì)量。

將豎梁結(jié)構(gòu)改變前后的有限元云圖對比分析可知，豎梁結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭招膱A柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)后，豎梁的最大應(yīng)力和變形量都得到較好的改善。最大應(yīng)力的集中位置向橫柱方向偏移，數(shù)值降為13.007Mpa。最大變形仍以翹曲變形為主，數(shù)值降低為2.9602mm。

式中：ω

——各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量對豎梁產(chǎn)生的撓度

ω

——慣性力對豎梁產(chǎn)生的撓度

式中：

——各結(jié)構(gòu)件質(zhì)量(kg)；

、

——各結(jié)構(gòu)件質(zhì)心坐標(biāo)(m)；

——手爪構(gòu)件總長度(m)；

——彈性模量(MPa)；

—豎梁橫截面對中性軸的慣性矩(m

)；

中醫(yī)上講“腎為先天之本”，腎的好壞，看的就是腎氣足不足。如果腎氣足，排尿就痛快，用老百姓的說法：垃圾不就全排出來了嘛！

5 桁架式機械手爪豎梁的優(yōu)化

在機械手爪工作過程中，豎梁作為主要的載重結(jié)構(gòu)，受力情況復(fù)雜，其應(yīng)力和變形的情況直接影響著整體手爪的狀態(tài)。從上述分析看出，在該危險工況下，豎梁的剛度和強度都不滿足設(shè)計要求。為了以最小的成本優(yōu)化設(shè)計效果，考慮分別從豎梁材料和結(jié)構(gòu)兩方面對豎梁進(jìn)行優(yōu)化。目前，市場上機械手爪所用的材料大多為結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金EN-AW1200兩大類，對比兩種材料的參數(shù)可知，結(jié)構(gòu)鋼的強度高、加工性能良好、材質(zhì)均勻且可靠性大，但自重較大

。而EN-AW1200鋁合金自重較輕、塑性較好、耐腐蝕性高。下面將從結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金EN-AW1200兩類材料選用，并從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度對桁架式機械手的豎梁進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

豎梁作為桁架式機械手的非對稱連接件，起著聯(lián)接手爪與桁架的關(guān)鍵作用，除負(fù)載和慣性影響外，豎梁和手爪的自重將直接集中作用在豎梁上，引起豎梁末端發(fā)生翹曲變形，進(jìn)而被手指結(jié)構(gòu)放大，直接影響手爪工作的穩(wěn)定性和可靠性

。因此，考慮到機械手爪自重對整體穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的思路可集中在三方面：

(1)結(jié)構(gòu)不變，在不影響手爪工作性能的情況下更換豎梁、橫梁以及手指材料。

(2)更改豎梁結(jié)構(gòu)，但不更改材料屬性。

將豎梁材料更改前后有限元云圖對比分析可知，豎梁材料更換為鋁合金EN-AW1200后，最大應(yīng)力由原來的188.51Mpa降低至102.22Mpa，最大變形量由原來的9.123mm降低在至5.7959mm。豎梁材料更改前后，豎梁的強度和剛度都得到有效的改善，且最大數(shù)值點的位置未發(fā)生改變。

受實際生產(chǎn)情況限制，本桁架式機械手爪結(jié)構(gòu)為非對稱式設(shè)計，結(jié)構(gòu)偏置將導(dǎo)致本手爪除了應(yīng)滿足強度條件外更重要滿足剛度條件，即變形量不得超過一定的限度，進(jìn)而保證本手爪能夠正常工作

。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用參數(shù)化建模思想，以豎梁結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象，以豎梁撓度和所受應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，并結(jié)合機械手爪整體的質(zhì)量指標(biāo)，對不同方案進(jìn)行有限元仿真

，對比獲取最優(yōu)設(shè)計方案。

方案一：不更改豎梁結(jié)構(gòu)，將豎梁材料更換為鋁合金EN-AW1200。豎梁的有限元分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

為了得到箱梁翼緣板的準(zhǔn)確正應(yīng)力，將預(yù)應(yīng)力加在兩腹板上的點10位置處，如圖1所示，兩根鋼束的預(yù)應(yīng)力合力大小均為300 N。在ANSYS中利用LINK8單元模擬預(yù)應(yīng)力作用，通過賦予初始應(yīng)變得到所需預(yù)應(yīng)力。研究初期，也曾用等效荷載加在同一位置處，提取的結(jié)果和用LINK8單元算出來的結(jié)果進(jìn)行對比分析，最后發(fā)現(xiàn)誤差較小，說明用LINK8單元模擬縱向預(yù)應(yīng)力筋是準(zhǔn)確的?？缰惺┘拥募泻奢dP亦可模擬車輪荷載作用下在跨中的等效集中力。

(3)更改豎梁結(jié)構(gòu)，不影響手爪工作性能的情況下更換豎梁、橫梁以及手指材料。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計數(shù)資料采用x2比較，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

豎梁材料更換為鋁合金EN-AW1200雖獲得理想的數(shù)值優(yōu)化方向，但最大變形仍超過許用量，故還需進(jìn)一步優(yōu)化。

方案二：將豎梁的結(jié)構(gòu)由12mm壁厚的規(guī)則性方鋼結(jié)構(gòu)改進(jìn)為空心圓柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)，加強筋共4根，整體豎梁外形尺寸不變。此時豎梁材料屬性選用結(jié)構(gòu)鋼。豎梁的有限元分析結(jié)果如圖11、圖12所示。

W=ω

+ω

為了在仿真過程中最大限度還原實際工作情況，需進(jìn)一步在軟件中設(shè)置各結(jié)構(gòu)件之間的接觸狀態(tài)。參照設(shè)計，在橫梁與兩手指之間設(shè)置不分離接觸，確保二者在保持連接的同時還可以實現(xiàn)滑移，進(jìn)而模擬導(dǎo)軌與滑塊聯(lián)接；在手指與工件接觸面之間設(shè)置摩擦接觸，定義摩擦系數(shù)為0.15；其余各構(gòu)建之間為綁定接觸

。在橫柱兩端面設(shè)置固定約束，用于限定整體機械手爪在X、Y和Z方向上的移動和轉(zhuǎn)動

。最后，根據(jù)實際加載載荷，并將控制元器件以及對整體研究影響不大的結(jié)構(gòu)部件等效為質(zhì)量單元耦合到手爪的相應(yīng)位置，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性

。

1.2.1 研究工具 由自設(shè)的一般情況調(diào)查問卷和護(hù)士工作壓力源量表組成。根據(jù)研究目的，自行設(shè)計一般情況調(diào)查表，包括人口學(xué)資料（性別、年齡、護(hù)齡、職稱、學(xué)歷、婚姻狀況等）。護(hù)士工作壓力源量表由李小妹等編制而成，包括5個維度，即護(hù)理專業(yè)及工作、工作量及時間分配、工作環(huán)境及資源、患者護(hù)理、管理及人際關(guān)系，采用1～4 級評分法，1分代表沒有壓力，2 分代表壓力程度一般，3 分代表壓力程度較高，4 分代表壓力程度非常高，得分越高表明壓力程度越大，量表的總 Cronbach’s α系數(shù)為 0.98，具有良好的信效度[2]。

對比分析發(fā)現(xiàn)，豎梁結(jié)構(gòu)的改變使得豎梁強度和剛度改善的同時，危險點也逐漸朝著脫離豎梁的方向運動，為此在該豎梁結(jié)構(gòu)上繼續(xù)優(yōu)化將可有效改善桁架式機械手爪的結(jié)構(gòu)性能，并有望將手爪性能的影響因素轉(zhuǎn)移到其他非重要構(gòu)件上。

方案三：豎梁選用空心圓柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)，材料選用鋁合金EN-AW1200。豎梁的有限元分析結(jié)果如圖13、圖14所示。

CDIO代表了構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念。CDIO的理念從產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行，以其生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程類課程和知識。

豎梁選用空心圓柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)，材料選用鋁合金EN-AW1200后，所得應(yīng)力云圖和變形云圖相比方案一和方案二的云圖結(jié)果取得了有效的改良。最大應(yīng)力集中在豎梁外側(cè)與橫柱連接交匯處，數(shù)值為3.9061MPa。最大變形數(shù)值降低至1.395mm。

此時，結(jié)合圖15、圖16所示桁架式機械手爪云圖可以發(fā)現(xiàn)，機械手爪的最大應(yīng)力已轉(zhuǎn)移至橫柱之上，脫離豎梁、橫梁和手指三大關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，此時機械手爪的強度主要受桁架等外圍構(gòu)建影響。最大應(yīng)力值為27.406MPa，最大變形量為3.3482mm，均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值。豎梁結(jié)構(gòu)的強度和剛度達(dá)到理想的數(shù)值范圍。

5.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

原設(shè)計機械手爪在危險位姿工作時，豎梁的最大應(yīng)力集中的中間位置處，且超過許用應(yīng)力，豎梁產(chǎn)生變形甚至破壞；豎梁的最大變出現(xiàn)在底部，形量為22.55mm，因偏移迭代直接影響到了手爪整體工作的安全性和穩(wěn)定性。

《四庫》共著錄明別集提要1092篇，其中《正目》著錄238篇，《存目》著錄854篇。[6]經(jīng)初步統(tǒng)計，晚明范圍的僅268篇，9篇歸《正目》，259篇歸《存目》，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未及《四庫》明人別集總量的三分之一?？紤]到年代劃分的復(fù)雜性，本文僅討論提要中記載的隆慶后中進(jìn)士的作者，被《四庫》歸入國朝的作者，則不作論述。

在結(jié)構(gòu)不變，只更改豎梁材料屬性的情況下，方案一相比原設(shè)計強度上提高45.7%，剛度提高34.6%。在材料屬性不變，只更改滑柱結(jié)構(gòu)的情況下，方案二相比原設(shè)計強度提高93%，剛度提高67.5%；在材料屬性和結(jié)構(gòu)都改變的情況下，方案三相比原設(shè)計強度提高98%，剛度提高85%。由此說明，以豎梁為研究對象，本次優(yōu)化過程中結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和材料的合理選用都取得了理想的優(yōu)化效果。

隨后，分別在三種方案的基礎(chǔ)上，參照有限元仿真對整體桁架機械手爪進(jìn)行優(yōu)化，手爪整體強度和剛度都獲得了理想的優(yōu)化效果。最終，在該優(yōu)化思路下，手爪的整體變形量和最大應(yīng)力均小于許用值，且最大應(yīng)力點和最危險變形點均轉(zhuǎn)移至桁架等其他非核心結(jié)構(gòu)件，后期亦可通過桁架改性的方法進(jìn)一步優(yōu)化該桁架機械手的工作精度。

綜上，方案三為最優(yōu)手爪結(jié)構(gòu)方案，即在原始設(shè)計基礎(chǔ)上，采用空心圓柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)的豎梁，并整體配用EN-AW1200鋁合金材料可確保該桁架式機械手爪設(shè)計的科學(xué)性與合理性。

6 結(jié)束語

本論文根據(jù)大型鑄造生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，設(shè)計了一款桁架式剛性平動機械手爪。通過對初步設(shè)計結(jié)果的研究，判斷出該機械手爪并未滿足強度和剛度要求。經(jīng)過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)對該機械手爪強度和剛度產(chǎn)生重要影響的結(jié)構(gòu)件為豎梁。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出三種優(yōu)化方案，使用Ansys Workbench對豎梁在危險工作姿態(tài)下的最大變形量和應(yīng)力進(jìn)行評估，進(jìn)而實現(xiàn)對機械手爪設(shè)計結(jié)果的優(yōu)化。綜合三種方案的討論，最終總結(jié)出桁架式機械手爪采用空心圓柱加發(fā)散式加強筋結(jié)構(gòu)豎梁，并整體配用EN-AW1200鋁合金材料可滿足該桁架式機械手爪設(shè)計強度和剛度。使用Ansys Workbench輔助設(shè)計并優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，可有效降低機械設(shè)計的難度，簡化設(shè)計研發(fā)過程，提高機械設(shè)計的科學(xué)性和可靠性

。該方法將有效簡化機械設(shè)計工作，對提高設(shè)計效率具有重要的現(xiàn)實意義。

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