零件形位公差检测系统及方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:零件形位公差检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种零件检测系统及方法,尤其涉及一种零件形位公差检测系统及方 法。
背景技术
影像量测是目前精密量测领域中最广泛使用的量测方法,该方法不仅精度高,而 且量测速度快。影像量测主要用于零件的尺寸误差和形位误差的测量,对保证产品质量起 着重要的作用。做法一般是使用影像量测机台分别获取标准零件和待测零件的点云(即由 多个三维离散点组成的点的集合),而后将点云数据输入计算机,执行相应软件对点云数据 进行各种处理,获取检测结果。其中,对零件进行形位公差检测是上述各种处理所需要使用的重要技术之一,也 是上述各种处理所需要解决的一个关键问题。传统的方法采用将待测零件和标准零件放置 在一起,然后手动测量两者之间的形位公差,这种检测方法很不方便,不但费时费力,更主 要的是这种检测方法不能提供精确的数据。

发明内容
鉴于以上内容,有必要提供一种零件形位公差检测系统,其可自动检测零件的形 位公差。鉴于以上内容,还有必要提供一种零件形位公差检测方法,其可自动检测零件的 形位公差。一种零件形位公差检测系统,该系统包括资料获取模块,用于从影像量测机台获 取待测零件的图档及用户从该待测零件图档中选择的待测特征元素;网格化模块,用于对 待测零件图档进行三角网格化,获取该待测零件图档的点云数据;资料获取模块,用于从标 准零件图档中获取相对该待测特征元素的标准特征元素;点云提取模块,用于从待测零件 图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云;点云拟合模块,用于将点云提取模块所提 取的点云拟合成特征元素;形位公差计算模块,用于计算点云拟合模块拟合的特征元素与 标准特征元素之间的形位公差;报表生成模块,用于输出形位公差分析表,显示在显示屏 上。—种零件形位公差检测方法,其特征在于,该方法包括如下步骤(a)获取待测零 件的图档及用户从该待测零件图档中选择的待测特征元素;(b)对待测零件图档进行三角 网格化,获取该待测零件图档的点云数据;(C)从标准零件图档中获取相对该待测特征元 素的标准特征元素;(d)从待测零件图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云;(e) 将所提取的点云拟合成特征元素;(f)计算拟合的特征元素与标准特征元素之间的形位公 差;(g)输出形位公差分析表,显示在显示屏上。相较于现有技术,所述的零件形位公差检测系统及方法,其可自动检测零件的形 位公差,极大地提高了检测速度和精度,并减少了误差的产生。


图1是本发明零件形位公差检测系统较佳实施例的系统架构图。图2是形位公差检测示意图。图3是本发明零件形位公差检测方法较佳实施例的流程图。图4是图3中步骤S4的具体流程图。图5是图3中步骤S5的具体流程图。图6是图5中步骤S57运用拟牛顿算法拟合特征元素的具体流程图。
具体实施例方式如图1所示,是本发明零件形位公差检测系统较佳实施例的系统架构图。该系统 主要包括显示设备1、主机2、影像量测机台3和输入设备4。所述主机2包括存储体20和 形位公差检测单元21。其中,所述影像量测机台3用于获取标准零件和待测零件的图档,并将摄取的图 档资料传送到测试主机2,该标准零件和待测零件的图档由点云组成,所述点云是指由多个 三维离散点组成的点的集合。所述存储体20可以是主机2中的硬盘等,用于存储点云数据22。所述点云数据 22包括标准零件图档的点云和待测零件图档的点云等。所述主机2连接有显示设备1,用于显示影像量测机台3传送给主机2的图档等。 所述输入设备4可以是键盘和鼠标等,用于进行数据输入。所述形位公差检测单元21用于计算待测零件图档31的特征元素与标准零件图档 30的特征元素之间的形位公差(参阅图2所示),并输出形位公差分析表,显示在显示屏 上。所述形位公差是指机械加工后零件的实际元素相对于标准零件元素之间的误差,包括 形状公差和位置公差。任何零件都是由点、线、面等构成的,这些点、线、面称为零件的元素。形状公差被测元素的实际形状对理想形状允许的变动量。形状公差包括直线度、 平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等。位置公差被测元素的实际位置对理想位置 允许的变动量。位置公差包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度和位置度等。其中,该形位公差检测单元21包括资料获取模块210、网格化模块211、点云提取 模块212、点云拟合模块213、形位公差计算模块214和报表生成模块215。本发明所称的模 块是完成一特定功能的计算机程序段,比程序更适合于描述软件在计算机中的执行过程, 因此在本发明以下对软件描述都以模块描述。所述资料获取模块210用于获取待测零件图档31及用户从待测零件图档31中选 择的待测特征元素,该待测特征元素用于进行形位公差分析。在本实施例中,待测特征元素 包括待测零件图档31的线、圆、面、圆柱或球等。所述网格化模块211用于对待测零件的图档31进行三角网格化,获取该待测零件 图档31的点云数据。所述资料获取模块210还用于从存储体20的标准零件图档30中获取相对该待测 特征元素的标准特征元素,该标准特征元素作为计算待测特征元素形位公差的参考值。所述点云提取模块212用于从待测零件图档31的点云数据中提取拟合成特征元素的点云,具体过程参见图4所述。所述点云拟合模块213用于将点云提取模块212所提取的点云拟合成特征元素, 具体过程参见图5和图6所述。所述拟合成的特征元素包括拟合线、拟合圆、拟合面、拟合 圆柱和拟合球等。所述形位公差计算模块214用于计算点云拟合模块213拟合的特征元素与标准特 征元素之间的形位公差。所述形位公差包括形状公差和位置公差,形状公差包括直线度、 平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等,位置公差包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴 度、对称度和位置度等。其中,直线度为拟合线上的点云到标准零件图档30的标准线的距离和。平面度为拟合面上的点云到标准零件图档30的标准面的距离和。圆度为拟合圆上的点云到标准零件图档30的标准圆的距离和。圆柱度为拟合圆柱上的点云到标准零件图档30的标准圆柱的距离和。线轮廓度为拟合线的轮廓度与标准零件图档30的标准线的轮廓度误差。面轮廓度为拟合面的轮廓度与标准零件图档30的标准面的轮廓度误差。平行度为拟合面与标准零件图档30的标准面的最大距离与最小距离之差。垂直度J=其中,L1代表标准特征元素的长度,L2代表

待测特征元素的长度,在待测特征元素的两个位置测量待测特征元素与直角坐标系的距离Ml和M2及相应的轴径dl和d2。倾斜度 同轴度
其中,(X1, Y1)代表待测特征元素的中心点

坐标,(X2, I2)代表标准特征元素的中心点坐标。对称度
,其中, 、代表待测特征元素中对称的两条边之间的距罔。位置
;其中,fx代表待测特征元素与标准特征元素的中心点在

X轴方向上的偏差,fv代表待测特征元素与标准特征元素的中心点在Y轴方向上的偏差。所述报表生成模块215用于输出形位公差分析表,显示在显示屏上。如图3所示,是本发明零件形位公差检测方法较佳实施例的流程图。步骤Si,资料获取模块210获取待测零件的图档31及用户从该待测零件图档31 中选择的待测特征元素,该待测特征元素用于进行形位公差分析。在本实施例中,待测特征 元素包括待测零件图档31的线、圆、面、圆柱或球等。步骤S2,网格化模块211对待测零件图档31进行三角网格化,获取该待测零件图 档31的点云数据。步骤S3,资料获取模块210从存储体20的标准零件图档30中获取相对该待测特 征元素的标准特征元素,该标准特征元素作为计算待测特征元素形位公差的参考值。步骤S4,点云提取模块212从待测零件图档31的点云数据中提取拟合成特征元素
7的点云,具体过程参见图4所述。步骤S5,点云拟合模块213将点云提取模块212所提取的点云拟合成特征元素,具 体过程参见图5和图6所述。所述拟合成的特征元素包括拟合线、拟合圆、拟合面、拟合圆 柱和拟合球等。步骤S6,形位公差计算模块214计算点云拟合模块213拟合的特征元素与标准特 征元素之间的形位公差。所述形位公差包括形状公差和位置公差,形状公差包括直线度、 平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等,位置公差包括平行度、垂直度、倾斜度、同轴 度、对称度和位置度等。步骤S7,报表生成模块215输出形位公差分析表,显示在显示屏上。如图4所示,是图3中步骤S4的具体流程图。步骤S41,点云提取模块212绘制多义线,该多义线将用户选择的待测特征元素包围。步骤S42,点云提取模块212从待测零件图档31的点云数据中提取位于该多义线 内的点云。步骤S43,点云提取模块212从多义线内的点云中提取位于屏幕最上层的点云。步骤S44,点云提取模块212从屏幕最上层的点云中提取出待测零件图档31的边 界点作为拟合成特征元素的点云。如图5所示,是图3中步骤S5的具体流程图。步骤S50,点云拟合模块213根据待测特征元素的类型获取该待测特征元素的拟 合类型。其中,所述拟合类型包括线、圆、面、圆柱和球等。步骤S51,判断所述拟合类型是否为线或圆,如果该拟合类型为线或圆,则执行步 骤S52和步骤S53后再执行步骤S54,如果该拟合类型不是线或圆,则直接执行步骤S54。步骤S52,点云拟合模块213将步骤S4中提取的点云拟合成面。步骤S53,点云拟合模块213将步骤S4中提取的点云投影到该拟合面上获得所述 提取点云在该拟合面上的投影点。步骤S54,根据拟合类型获取相应的迭代方程式进行迭代计算,所述迭代方程式包 括拟合线的迭代方程式、拟合圆的迭代方程式、拟合面的迭代方程式、拟合圆柱的迭代方程 式和拟合球的迭代方程式等。其中,如果拟合类型为线或圆,则使用步骤S53中获取的投影 点进行迭代计算,如果拟合类型不是线或圆,则直接使用步骤S4中提取的点云进行迭代计算。具体而言,如果拟合类型为线,则迭代方程式为拟合线的方程式,如方程式(1)所 示 方程式⑴为点云到拟合线的距离平均平方和的最小值,其中,Xi为当前点云的 X轴坐标,Yi为当前点云的Y轴坐标,Zi为当前点云的Z轴坐标,X0为拟合线第一点的X轴 坐标,%为拟合线第一点的Y轴坐标,Ztl为拟合线第一点的Z轴坐标,α为当前点与拟合线 第一点的连线与该拟合线的夹角。
如果拟合类型为圆,则迭代方程式为拟合圆的方程式,如方程式(2)所示
⑵方程式⑵为点云到圆心的距离减去半径的平均平方和的最小值,其中,Xi为当 前点云的X轴坐标,Ii为当前点云的Y轴坐标,Zi为当前点云的Z轴坐标,χ为圆心的X轴 坐标,y为圆心的Y轴坐标,ζ为圆心的Z轴坐标,R为拟合圆的半径。如果拟合类型为面,则迭代方程式为拟合面的方程式,如方程式(3)所示 方程式⑶为点云到面的距离平均平方和的最小值,其中,Xi为当前点云的X轴 坐标,Yi为当前点云的Y轴坐标,Zi为当前点云的Z轴坐标,AXi+Byi+CZi+D = 0为平面的一 般方程式。如果拟合类型为圆柱,则迭代方程式为拟合圆柱的方程式,如方程式(4)所示 方程式(4)为点云到圆柱中心轴的距离减去半径的平均平方和的最小值,其中, Xi为当前点云的X轴坐标,Yi为当前点云的Y轴坐标,Zi为当前点云的Z轴坐标,X0为圆柱 中心轴第一点的X轴坐标,%为圆柱中心轴第一点的Y轴坐标,Ztl为圆柱中心轴第一点的Z 轴坐标,α为当前点与圆柱中心轴第一点的连线与该中心轴的夹角,R为圆柱的半径。如果拟合类型为球,则迭代方程式为拟合球的方程式,如方程式(5)所示 方程式(5)为点云到球心的距离减去半径的平均平方和的最小值,其中,Xi为当 前点云的X轴坐标,Ii为当前点云的Y轴坐标,Zi为当前点云的Z轴坐标,χ为球心的X轴 坐标,y为球心的Y轴坐标,ζ为球心的Z轴坐标,R为球的半径。步骤S55,点云拟合模块213判断是否到达预先设定的迭代总次数,如果到达迭代 总次数,则执行步骤S58,如果没有到达迭代总次数,执行步骤S56。在本较佳实施例中,用 m表示迭代总次数,用i表示迭代次数即第几次迭代(i从0开始计数),假设m = 3。步骤S56,点云拟合模块213根据迭代次数和待测特征元素的点云总数得到该次 迭代中的点云数目η。在本实施例中,当i = 0,即第1次迭代时,从待测特征元素的点云总数中按10 1 的比例等间距均勻取点,即此时η等于待测特征元素的点云总数的十分之一。其中,从待测 特征元素的点云总数中按10 1的比例等间距均勻取点的具体步骤为首先沿X轴、Y轴、Z轴方向对待测特征元素的点云包围盒进行等间距分割,使该包围盒被均勻分成10个小包 围盒,而后分别求得所述10个小包围盒的中心,最后分别取出离所述10个小包围盒的中心 最近的点。当i = l,即第2次迭代时,从待测特征元素的点云总数中按10 5的比例等间距 均勻取点,即此时η等于待测特征元素的点云总数的二分之一。当i = 2,即第3次迭代时,从待测特征元素的点云总数中按1 1的比例等间距 均勻取点,即此时η等于待测特征元素的点云总数。步骤S57,点云拟合模块213根据本次迭代的点云数目η和相应的迭代方程式拟合 特征元素,然后流程转到步骤S55,进行下一次迭代直至到达迭代总次数。当i = 0,即第1 次迭代时,运用最小二乘法进行拟合,当i不为零时,即第2次和第3次迭代时,运用拟牛顿 算法进行拟合。其中,运用拟牛顿算法拟合特征元素的具体流程图参见图6的描述。步骤S58,点云拟合模块213输出最后一次迭代拟合成的特征元素。如图6所示,是图5中步骤S57中运用拟牛顿算法拟合特征元素的具体流程图。步骤S570,计算步骤S54中获取的迭代方程式的值f (χ)。步骤S571,判断上述计算得到的f(x)是否小于预先设定的拟合精度FimX,如果 f(x)小于拟合精度FimX,则结束拟合过程,执行步骤S576,如果f(x)大于等于拟合精度 FunX,则执行步骤S572。所述拟合精度指拟合标准特征元素和待测特征元素要达到的程度。步骤S572,计算f(x)的下降方向。所述下降方向指使f(x)的值变小的方向,即使 待测零件图档31的点云到标准零件图档30的点云的距离变小的方向。步骤S573,判断是否存在所述下降方向。如果不存在所述下降方向,则结束拟合过 程,执行步骤S576,如果存在所述下降方向,则执行步骤S574。步骤S574,计算待测特征元素的点云沿下降方向移动拟合步长D后到标准特征元 素的点云的距离f(x 1)。所述拟合步长指以标准特征元素的点云为基准,为拟合待测特征 元素的点云和标准特征元素的点云,每次移动该待测特征元素的点云的距离。具体而言,首 先计算得到待测特征元素的点云沿下降方向移动D后的位置,而后利用该位置计算得到该 待测特征元素的点云到标准特征元素的点云的距离f(x-l),即f(x-1) =f(x) + |D|。其中, 所述f(x-l)与步骤S570中f(x)的计算方法完全相同,仅仅使用的参数不同,可参考步骤 S570完成计算。步骤S575,判断步骤S574中计算得到的f (x-l)是否小于f (χ)。若f (χ_1)小于 f(x),则返回步骤S572;若f(x-l)不小于f(x),则返回步骤S574,并以f(x-l)的值作为新 Wf(x)值。步骤S576,输出拟合成的特征元素。最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的 技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。例如,将此方法应 用于在清晰的边界线上寻找边界点。
权利要求
一种零件形位公差检测方法,其特征在于,该方法包括如下步骤(a)获取待测零件的图档及用户从该待测零件图档中选择的待测特征元素;(b)对待测零件图档进行三角网格化,获取该待测零件图档的点云数据;(c)从标准零件图档中获取相对该待测特征元素的标准特征元素;(d)从待测零件图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云;(e)将所提取的点云拟合成特征元素;(f)计算拟合的特征元素与标准特征元素之间的形位公差;及(g)输出形位公差分析表,显示在显示屏上。
2.如权利要求1所述的零件形位公差检测方法,其特征在于,所述步骤(d)包括 (dl)绘制多义线,该多义线将待测特征元素包围;(d2)从待测零件图档的点云数据中提取位于该多义线内的点云; (d3)从该多义线内的点云中提取位于屏幕最上层的点云;及(d4)从屏幕最上层的点云中提取出待测零件图档的边界点作为拟合成特征元素的点云
3.如权利要求1所述的零件形位公差检测方法,其特征在于,所述步骤(e)包括 (eO)根据待测特征元素的类型获取该待测特征元素的拟合类型;(el)判断所述拟合类型是否为线或圆,如果该拟合类型为线或圆,则执行步骤(e2)和 步骤e (3)后再执行步骤e (4),如果该拟合类型不是线或圆,则直接执行步骤e (4); (e2)将步骤(d)中提取的点云拟合成面;(e3)将步骤(d)中提取的点云投影到该拟合面上获得所述提取点云在该拟合面上的 投影点(e4)根据拟合类型获取相应的迭代方程式进行迭代计算,如果拟合类型为线或圆,则 使用步骤(e3)中获取的投影点进行迭代计算,如果拟合类型不是线或圆,则直接使用步骤 (d)中提取的点云进行迭代计算;(e5)判断是否到达预先设定的迭代总次数,如果到达迭代总次数,则执行步骤(e8), 如果没有到达迭代总次数,执行步骤e (6);(e6)根据迭代次数和待测特征元素的点云总数得到该次迭代中的点云数目; (e7)根据本次迭代的点云数目和相应的迭代方程式拟合特征元素,然后流程转到步骤 (e5),第一次迭代时,运用最小二乘法进行拟合,不是第一次迭代时,运用拟牛顿算法进行 拟合;及(e8)输出最后一次迭代拟合成的特征元素。
4.如权利要求3所述的零件形位公差检测方法,其特征在于,所述步骤(e7)运用拟牛 顿算法拟合特征元素包括(gO)计算步骤(e4)中获取的迭代方程式的值f(x);(gl)判断上述计算得到的f(x)是否小于预先设定的拟合精度,如果f(x)小于拟合精 度,则结束拟合过程,执行步骤(g6),如果f(x)大于等于拟合精度,则执行步骤(g2); (g2)计算f(x)的下降方向,所述下降方向指使f(x)的值变小的方向; (g3)判断是否存在所述下降方向,如果不存在所述下降方向,则结束拟合过程,执行步 骤(g6),如果存在所述下降方向,则执行步骤(g4);(g4)计算待测特征元素的点云沿下降方向移动拟合步长D后到标准特征元素的点云 的距离f (x-1);(g5)判断步骤(g4)中计算得到的f(x-l)是否小于f(x),若f(x-l)小于f(x),则返 回步骤(g2),若f(x-l)不小于f(x),则返回步骤(g4),并以f (x-1)的值作为新的f(x)值; 及(g6)输出拟合成的特征元素。
5.如权利要求4所述的零件形位公差检测方法,其特征在于,所述拟合精度指拟合标 准特征元素和待测特征元素要达到的程度,所述拟合步长指以标准特征元素的点云为基 准,为拟合待测特征元素的点云和标准特征元素的点云,每次移动该待测特征元素的点云 的距离。
6.一种零件形位公差检测系统,其特征在于,该系统包括资料获取模块,用于从影像量测机台获取待测零件的图档及用户从该待测零件图档中 选择的待测特征元素;网格化模块,用于对待测零件图档进行三角网格化,获取该待测零件图档的点云数据;资料获取模块,用于从标准零件图档中获取相对该待测特征元素的标准特征元素; 点云提取模块,用于从待测零件图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云; 点云拟合模块,用于将点云提取模块所提取的点云拟合成特征元素; 形位公差计算模块,用于计算点云拟合模块拟合的特征元素与标准特征元素之间的形 位公差;及报表生成模块,用于输出形位公差分析表,显示在显示屏上。
7.如权利要求6所述的零件形位公差检测系统,其特征在于,所述待测特征元素包括 待测零件图档的线、圆、面、圆柱或球。
8.如权利要求6所述的零件形位公差检测系统,其特征在于,所述点云提取模块从待 测零件图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云包括绘制多义线,该多义线将待测特征元素包围; 从待测零件图档的点云数据中提取位于该多义线内的点云; 从该多义线内的点云中提取位于屏幕最上层的点云;及从屏幕最上层的点云中提取出待测零件图档的边界点作为拟合成特征元素的点云。
9.如权利要求6所述的零件形位公差检测系统,其特征在于,所述点云拟合模块将点 云提取模块所提取的点云拟合成特征元素包括(eO)根据待测特征元素的类型获取该待测特征元素的拟合类型; (el)判断所述拟合类型是否为线或圆,如果该拟合类型为线或圆,则执行步骤(e2)和 步骤e (3)后再执行步骤e (4),如果该拟合类型不是线或圆,则直接执行步骤e (4); (e2)将步骤(d)中提取的点云拟合成面;(e3)将步骤(d)中提取的点云投影到该拟合面上获得所述提取点云在该拟合面上的 投影点;(e4)根据拟合类型获取相应的迭代方程式进行迭代计算,如果拟合类型为线或圆,则 使用步骤(e3)中获取的投影点进行迭代计算,如果拟合类型不是线或圆,则直接使用步骤(d)中提取的点云进行迭代计算;(e5)判断是否到达预先设定的迭代总次数,如果到达迭代总次数,则执行步骤(e8), 如果没有到达迭代总次数,执行步骤e (6);(e6)根据迭代次数和待测特征元素的点云总数得到该次迭代中的点云数目; (e7)根据本次迭代的点云数目和相应的迭代方程式拟合特征元素,然后流程转到步骤 (e5),第一次迭 代时,运用最小二乘法进行拟合,不是第一次迭代时,运用拟牛顿算法进行 拟合;及(e8)输出最后一次迭代拟合成的特征元素。
10.如权利要求9所述的零件形位公差检测系统,其特征在于,所述运用拟牛顿算法拟 合特征元素包括(g0)计算步骤(e4)中获取的迭代方程式的值f(x);(gl)判断上述计算得到的f(x)是否小于预先设定的拟合精度,如果f(x)小于拟合精 度,则结束拟合过程,执行步骤(g6),如果f(x)大于等于拟合精度,则执行步骤(g2); (g2)计算f(x)的下降方向,所述下降方向指使f(x)的值变小的方向; (g3)判断是否存在所述下降方向,如果不存在所述下降方向,则结束拟合过程,执行步 骤(g6),如果存在所述下降方向,则执行步骤(g4);(g4)计算待测特征元素的点云沿下降方向移动拟合步长D后到标准特征元素的点云 的距离f (x-1);(g5)判断步骤(g4)中计算得到的f(x-l)是否小于f(x),若f(x-l)小于f(x),则返 回步骤(g2),若f(x-l)不小于f(x),则返回步骤(g4),并以f (x-1)的值作为新的f(x)值; 及(g6)输出拟合成的特征元素。
全文摘要
一种零件形位公差检测方法,该方法包括如下步骤(a)获取待测零件的图档及用户从待测零件图档中选择的待测特征元素;(b)对待测零件图档进行三角网格化,获取该待测零件图档的点云数据;(c)获取标准特征元素;(d)从待测零件图档的点云数据中提取拟合成特征元素的点云;(e)将所提取的点云拟合成特征元素;(f)计算拟合的特征元素与标准特征元素之间的形位公差;(g)输出形位公差分析表。利用本发明可以自动检测零件的形位公差。
文档编号G01B11/00GK101871767SQ20091030183
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月25日 优先权日2009年4月25日
发明者吴新元, 张旨光, 王敏 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司

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