龍門加工中心銑頭自動(dòng)交換系統(tǒng)【4張CAD高清圖紙、文檔所見所得】

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Z focus to the two motor drives the ram. Homemade AC double pendulum head, according to the processing requirements to achieve A shaft can be automatic switching. Two sets of knife library, two Bridges division to hold 32 knife. Head library placed behind the workbench, easy to the realization of A shaft head automatic switching. Suspension system is installed on the machine right in front of the bridge. The present invention USES linear motor drive, smooth operation, stable performance and is suitable for the aviation, aerospace, automobile mold and precision machining Keywords: Gantry-type5-axismachiningcenter；High-speed machining目 錄摘要IAbstractII緒 論1 1銑頭自動(dòng)交換技術(shù)簡(jiǎn)介 11.1 本課題主要工作22 銑頭自動(dòng)交換原理32.1 銑頭自動(dòng)交換高速龍門加工中心簡(jiǎn)介32.2 A軸自動(dòng)交換原理53 銑頭自動(dòng)交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)63.1 電、液、氣快換63.2 定位夾緊及扭矩傳遞73.3 自鎖拉釘?shù)倪x用83.3.1 拉釘工作原理93.3.2 拉釘自鎖條件103.4 A軸編碼器選用123.4.1 基于西門子840D系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置123.4.2 基于海徳漢iTNC530系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置143.5 交換狀態(tài)監(jiān)控153.5.1 流量計(jì)簡(jiǎn)介163.5.2 監(jiān)控原理174 機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)184.1 機(jī)床總體機(jī)械結(jié)構(gòu)布局形式184.2 機(jī)床設(shè)計(jì)及分析方法185 機(jī)床的主要性能指標(biāo)及對(duì)比196 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇216.1 直線軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選擇216.1.1 X、Y 軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選型216.1.2 Z 軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選型216.2 擺動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選擇21結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25IV 沈陽(yáng)工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 緒 論 GMC2550u快速龍門的五軸加工中心主要使用于汽車產(chǎn)業(yè)的工業(yè)中模具生產(chǎn)和航天航空產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜零件生產(chǎn)，是航天、航空、模具制造，機(jī)動(dòng)車制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要加工設(shè)備。其中研究的數(shù)控機(jī)床的重點(diǎn)針對(duì)生產(chǎn)加工難度相對(duì)較大的航天透明體模具設(shè)計(jì)的，此機(jī)床可以滿足對(duì)透明體注射成形模具粗加工、精加工的要求，確保加工準(zhǔn)確度和加工表面高質(zhì)量的技術(shù)要求。1銑頭自動(dòng)交換技術(shù)簡(jiǎn)介 參考論文“雙擺頭自動(dòng)交換技術(shù)研究”、“高速精密五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究”、“自動(dòng)交換主軸銑頭的三高數(shù)控加工機(jī)床”、“國(guó)外龍門加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及先進(jìn)性能”五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心與五面加工中心常常被混淆，但事實(shí)上它們卻是截然不同的東西，這倆個(gè)加工中心都是能在一次裝夾后完成除裝夾面之外；另外那些面的加工內(nèi)容，但對(duì)于五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心，準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該稱它為五坐標(biāo)坐標(biāo)數(shù)控加工中心，機(jī)床的五個(gè)坐標(biāo)軸能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)，然后就可以滿足空間中的曲面和任何輪廓的加工，可以讓工件在一次裝夾后加工工序大量的完成，確保零件的精確度；此外，加工工藝的快速發(fā)展，航空領(lǐng)域的加工工藝要求的特別嚴(yán)謹(jǐn)，如航天航空領(lǐng)域所說(shuō)的“薄壁掏空”工藝，其中針對(duì)五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心提出多軸聯(lián)動(dòng)的同時(shí)，機(jī)床軸的高轉(zhuǎn)速也是要求之一，所以在五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心上還采用了例如高速主軸、高速控制系統(tǒng)、先進(jìn)刀具技術(shù)等，使其成為一種多方面高技術(shù)集成的產(chǎn)品。雙擺頭為五軸坐標(biāo)數(shù)控加工中心的主要功能部件，此應(yīng)用能夠滿足復(fù)雜曲面、復(fù)雜型腔及特殊工序的加工，使工件在每一次裝卡后，能夠完成所以工序或大部分工序，大大地提升了加工效率和準(zhǔn)確度，并擁有可自動(dòng)交換功能的雙擺頭，從而使從粗到細(xì)的加工能夠在一臺(tái)機(jī)床上完成，發(fā)展了機(jī)床的應(yīng)用范圍，提高了機(jī)床的效率和提高了機(jī)床的使用價(jià)值。龍門加工中心銑頭自動(dòng)交換技術(shù)存在機(jī)電液耦合技術(shù)、交換狀態(tài)監(jiān)測(cè)、銑頭夾緊牢靠性低等技術(shù)難題。針對(duì)這些難題采用電、液、氣快插快換結(jié)構(gòu)、液壓夾緊自鎖機(jī)構(gòu)、液壓流量監(jiān)測(cè)諸多的解決方案，實(shí)現(xiàn)銑頭自動(dòng)交換的可靠性與安全性。圖1.1 雙擺頭示意圖1.1本課題主要工作本課題主要對(duì)雙擺頭自動(dòng)交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括交換結(jié)合處的機(jī)電液耦合及快插快換、交換過(guò)程中的自鎖拉釘選用、交換狀態(tài)液壓流量監(jiān)控等均進(jìn)行了相關(guān)研究及應(yīng)用。最終設(shè)計(jì)了安全可靠的雙擺頭自動(dòng)交換系統(tǒng)，并取得了良好的應(yīng)用效果。2 銑頭自動(dòng)交換原理2.1銑頭自動(dòng)交換高速龍門加工中心簡(jiǎn)介 該設(shè)備滿足于航空和汽車工業(yè)中的模具制造、原型制造、大型鋼模和鑄鐵模具的制造以及航空航天工業(yè)中的復(fù)雜零件加工，是航空、航天、模具和機(jī)車等高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵加工裝備。其主要工作性能指標(biāo)如下：1、工作臺(tái)面：50002500mm2、X/Y/Z行程：500025001400mm，A/C軸轉(zhuǎn)角范圍：110/3603、A/C軸雙擺銑頭：主軸可自動(dòng)交換4、主軸轉(zhuǎn)速：高速主軸24000rpm，低速主軸9000rpm5、主軸扭矩：72Nm（高速），303 Nm（低速）6、X/Y/Z定位精度：0.018/0.018/0.013mm，A/C軸定位精度：10” 7、X/Y/Z重復(fù)定位精度：0.009/0.009/0.007mm，A/C軸重復(fù)定位精度：5” 8、X/Y/Z快進(jìn)速度：50/50/30m/min，A/C軸快進(jìn)速度：60r/min9、系統(tǒng)：SIEMENS 840D/HEIDEHAIN ITNC530機(jī)床整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，圖中第7部分即為可自動(dòng)交換A軸及主軸的A/C軸雙擺頭，第8部分為供交換過(guò)程中用于放置主軸頭的頭庫(kù)裝置。圖2.1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)示意圖序號(hào)說(shuō)明1 工作臺(tái)2左橋梁3右橋梁4橫梁5滑板6滑枕7AC雙擺頭8頭庫(kù)9左刀庫(kù)10右刀庫(kù)2.2 A軸自動(dòng)交換原理 A /C 軸雙擺角銑頭是中、大規(guī)格五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心功能部件，常用于加工具有復(fù)雜曲面的大型精密零部件。為了有效保證待加工工件的加工精度，避免因二次裝夾等因素引起的加工誤差，通常需要在一臺(tái)加工中心上完成從粗加工到精加工的全部工序，即現(xiàn)在的機(jī)床設(shè)計(jì)中倡導(dǎo)的“Done in one 理念”，這樣的加工背景需要A /C 軸雙擺角銑頭應(yīng)當(dāng)具有A 軸自動(dòng)交換功能。如圖2.2所示，A /C 軸自動(dòng)交換接口包括16 對(duì)液壓快接插頭、4 對(duì)電氣快接插頭、4 對(duì)拉釘、2 個(gè)定位銷以及1 對(duì)齒盤，一共5 種對(duì)接元件。在A 軸自動(dòng)交換時(shí)，必須遵循這樣一套原理: C 軸首先將欲換下的A 軸放到銑頭庫(kù)的相應(yīng)位置上并松開，然后滑枕帶動(dòng)C 軸上移并移動(dòng)到即將換取的A 軸正上方，此時(shí)，必須保證C軸與A 軸所有的對(duì)接元件在對(duì)接之前的位置一一對(duì)應(yīng)，不允許有錯(cuò)位的現(xiàn)象發(fā)生，否則會(huì)損壞對(duì)接元件;在定位準(zhǔn)確之后，滑枕帶動(dòng)C 軸緩慢下移開始抓取A軸，在抓取A 軸時(shí)，C 軸與A 軸交換接口中對(duì)接行程長(zhǎng)的元件先對(duì)接，對(duì)接行程短的元件后對(duì)接; 當(dāng)C 軸完成抓取A 軸時(shí)，所有的對(duì)接元件同時(shí)完成對(duì)接。C 軸完成抓取A 軸后，滑枕帶動(dòng)雙擺角銑頭上移脫離銑頭庫(kù)，此時(shí)，完成了A 軸自動(dòng)交換的全部過(guò)程。 圖2 .2A/C軸雙擺頭自動(dòng)交換接口3 銑頭自動(dòng)交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1電、液、氣快換 一般直驅(qū)式雙擺頭A軸部分包括驅(qū)動(dòng)A軸的力矩電機(jī)、A軸抱閘、電主軸、軸承等。這些全部的各個(gè)部件的水、油、氣、電都要滿足是能夠通斷的。所以就必須考慮水、油、氣、電等等這些的快換接頭的應(yīng)用和安裝問題。A軸頂面一般放置水、油、氣的快換接頭，可以滿足A軸部分的冷卻、潤(rùn)滑、密封、夾緊要求。水、油、氣的通用必須采用同一系列的快換接頭，同時(shí)在快換接頭的安裝要求上維持一致，利于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)氣壓、流量等等各個(gè)方面能夠滿足水、油、氣的要求。設(shè)計(jì)開始的時(shí)候應(yīng)該思考到雖然一個(gè)快換接頭的安裝公差的要求不是特別嚴(yán)苛，但十多個(gè)頭一起相結(jié)合的時(shí)候與A軸交換，所以要逐個(gè)嚴(yán)格要求每一個(gè)快換接頭的公差來(lái)符合整體的結(jié)構(gòu)要求，保證在A軸交換時(shí)快換接頭能順利結(jié)合。強(qiáng)、弱電在A軸部分也必須通過(guò)快換接頭來(lái)斷開與接通。A軸的頂部必須采用電快換插頭，這樣的設(shè)計(jì)能夠防止其他一些液體、雜質(zhì)污染電快換插頭引起事故。要求電的快換接頭擁有可靠穩(wěn)定的接觸、優(yōu)秀的抗震動(dòng)性能、低插拔力、高插拔次數(shù)，同時(shí)擁有不同規(guī)格型號(hào)滿足強(qiáng)電弱電的不同要求?，F(xiàn)在市場(chǎng)上擺頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有專門的電快換接頭，此安裝存在相對(duì)的問題。此次設(shè)計(jì)采應(yīng)歐度的重載連接器作為電快換接頭并設(shè)計(jì)如圖1的結(jié)構(gòu)來(lái)解決安裝問題。按照電快換接頭本身結(jié)構(gòu)上有一個(gè)法蘭面，設(shè)計(jì)應(yīng)用螺釘來(lái)擰緊兩個(gè)兩板焊件夾住快換接頭，固定軸向位置，同時(shí)利用開槽平端緊定螺釘來(lái)固定快換接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩鈑焊件之間放置尼龍軟性材料調(diào)整快換接頭高度和防止安裝調(diào)試時(shí)擰緊螺釘力量過(guò)大損壞快換接頭。A軸部分的快換接頭在A軸放置的時(shí)候有可能被污染，所以在C軸與A軸結(jié)合的同時(shí)最好有氣體來(lái)清潔結(jié)合面。圖3.1電快換接頭安裝示意圖1- 鈑金件 2-尼龍墊片 3-鈑金件 4-快換接頭 5-槽平端緊定螺釘3.2定位夾緊及扭矩傳遞定位夾緊技術(shù)，扭矩傳遞需要幾個(gè)部件來(lái)共同完成這一過(guò)程，這包括粗定位銷、拉釘、端齒盤等。在A軸的互換過(guò)程中來(lái)粗定位滿足水、油、氣、電的快換接頭可以結(jié)合是粗定位銷的作用。采用C軸的孔與粗定位銷的配合確保這一過(guò)程，但是此C軸的孔和粗定位銷的配合尺寸公差需高于水、油、氣、電快換接頭結(jié)合的公差要求。然后需要拉釘?shù)睦o，拉抓不但要提供足夠的拉力而且拉緊后還需要自鎖，確保斷電等意外情況發(fā)生時(shí)A軸不會(huì)意外掉落。在拉釘拉緊時(shí)端齒盤開始相結(jié)合。由于端齒盤的自動(dòng)定心作用和高重復(fù)準(zhǔn)確度的特點(diǎn)，在使得C軸與A軸同心在拉釘拉緊時(shí)得到確保。圖3.2雙擺頭A軸部分結(jié)構(gòu)1-粗定位銷 2-支承軸 3-雙擺頭A軸上部 4-雙擺頭A軸下部圖3.3雙擺頭A軸部分上部結(jié)構(gòu)1-拉釘 2-水、油、氣快換接頭 3-電器快換接頭 4-端齒盤3.3自鎖拉釘?shù)倪x用在交換過(guò)程中選用Hydrodock拉釘進(jìn)行銑頭的鎖緊，Hydrodock拉釘擁有一定的可靠性的自鎖特點(diǎn),在拉緊銑頭時(shí)由于拉釘自鎖可以擁有非常高的安全性, 而且銑頭的松緊進(jìn)行自動(dòng)化控制能有依靠控制壓力油進(jìn)行，已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)的銑頭手動(dòng)交換過(guò)程中的動(dòng)作繁瑣、重復(fù)定位精度差以及效率低下的缺點(diǎn)。圖3.3 Hydrodock拉釘3.3.1拉釘工作原理 拉釘包括2種工作狀態(tài)：松開狀態(tài)與拉緊狀態(tài)。當(dāng)拉釘呈松開狀態(tài)時(shí),表示機(jī)床滑枕已經(jīng)松開下方的銑頭。此時(shí)，可以在銑頭庫(kù)中自動(dòng)交換新的銑頭。當(dāng)拉釘呈拉緊狀態(tài)時(shí)，表示機(jī)床滑枕已經(jīng)交換完成新的銑頭，可以立刻進(jìn)行下一步的工件切削工序。圖3.3拉釘內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖1、松開狀態(tài)壓力油從拉釘?shù)撞克砷_進(jìn)油口進(jìn)入后，油腔內(nèi)的油推動(dòng)活塞進(jìn)行向左的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞的根部的凹槽與拉釘?shù)捻敳恳约盎钊捻敳颗c拉釘?shù)闹行目椎牡撞客粫r(shí)間接觸后，推動(dòng)拉釘、自鎖塊共同向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)整體向左運(yùn)動(dòng)到自鎖塊與拉釘殼體的斜面緊密貼合后，整個(gè)機(jī)構(gòu)向左自鎖，該動(dòng)作稱為松開狀態(tài)正行程。由于活塞可以向右運(yùn)動(dòng)，因此，松開狀態(tài)反行程不自鎖。在松開狀態(tài)正行程動(dòng)作過(guò)程中，拉爪在拉釘摩擦力的帶動(dòng)下會(huì)向左滑動(dòng)，為防止拉爪從拉釘上脫落， 在拉釘殼體內(nèi)壁上安裝有擋圈，可以通過(guò)擋住拉爪根部的法蘭從而限制拉爪向左的移動(dòng)。2、拉緊狀態(tài)當(dāng)油從拉釘拉緊進(jìn)油口進(jìn)入后， 活塞在油的力的作用下向右運(yùn)動(dòng)，自鎖塊與拉釘通過(guò)活塞帶動(dòng)著的斜面一同向右運(yùn)動(dòng)，向右運(yùn)動(dòng)一段路程，拉釘左側(cè)凸起部位推動(dòng)拉爪共同向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)拉爪勾住左側(cè)的拉釘端蓋后，整個(gè)機(jī)構(gòu)停止向右運(yùn)動(dòng)。該動(dòng)作稱為拉緊狀態(tài)正行程，正行程不發(fā)生自鎖現(xiàn)象。正行程結(jié)束后，機(jī)床滑枕完成了自動(dòng)交換銑頭的拉緊動(dòng)作。在拉緊狀態(tài)反行程過(guò)程中，只有一個(gè)移動(dòng)副，而自鎖塊處于拉釘端蓋與活塞兩個(gè)斜面之間，兩兩互相貼合，緊密相連，向左完全自鎖。所以，整個(gè)拉釘機(jī)構(gòu)在拉緊狀態(tài)反行程自鎖，自鎖的特殊性很大程度上增加了銑頭自動(dòng)拉緊的安全性。3.3.2拉釘自鎖條件拉釘松開狀態(tài)正行程與拉緊狀態(tài)反行程均自鎖。下面通過(guò)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率理論來(lái)分別求解松開狀態(tài)正行程與拉緊狀態(tài)反行程的自鎖條件。松開狀態(tài)正行程自鎖條件如圖所示，在松開狀態(tài)正行程時(shí)，自鎖塊的驅(qū)動(dòng)力就是油壓的推力。同時(shí)，自鎖塊受拉釘殼體的反作用力以及拉釘?shù)姆醋饔昧Γ枣i塊在力的作用下呈自鎖狀態(tài)。圖3.3松開正行程自鎖狀態(tài)局部受力圖如圖所示，可推出：其中油壓的推力與拉釘殼體對(duì)自鎖塊的反作用力；拉釘對(duì)自鎖塊的反作用力；為拉釘殼體與自鎖塊之間的摩擦角；自鎖塊與拉釘之間的摩擦角；為拉釘殼體斜面與水平線之間的夾角；拉釘斜面與水平線之間的夾角?？蛇M(jìn)一步得：當(dāng)不計(jì)算自鎖塊與拉釘、拉釘殼體之間的摩擦力時(shí)，此時(shí)，松開狀態(tài)正行程的機(jī)械效率為：若松開狀態(tài)正行程自鎖, 即，則松開狀態(tài)正行程的自鎖條件為：拉緊狀態(tài)反行程自鎖條件此圖顯示，當(dāng)拉緊狀態(tài)反行程時(shí)，自鎖塊的驅(qū)動(dòng)力為銑頭的拉力，此時(shí)，自鎖塊分別受到拉釘與拉釘殼體對(duì)其的反作用力，自鎖塊在每個(gè)方向力的作用下顯示自鎖狀態(tài)。圖3.3拉緊狀態(tài)反行程自鎖局部受力圖此圖顯示，同樣用自鎖塊作為研究的對(duì)象，此時(shí)可由正弦定理推出可得拉緊狀態(tài)反行程的機(jī)械效率為：式中銑頭的拉力為，拉釘斜面與水平線之間的夾角為。若拉緊狀態(tài)反行程自鎖, 即，則拉緊狀態(tài)反才了程的自鎖條件為 通過(guò)對(duì)研究拉釘工作原理，研究了拉釘松開狀態(tài)正行程和反行程與拉緊狀態(tài)正行程和反行程的工作過(guò)程。分別計(jì)算松開狀態(tài)正行程和拉緊狀態(tài)反行程機(jī)械效率，最后求出松開狀態(tài)正行程和拉緊狀態(tài)反行程自鎖條件。3.4A軸編碼器選用 因?yàn)樵谧詣?dòng)交換雙擺銑頭時(shí)，需要同時(shí)更換擺頭中相應(yīng)軸(如本文范例機(jī)床中的主軸與A軸)的電機(jī)與編碼器，在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的類型不同的情況下，同時(shí)互換編碼器與電機(jī)時(shí)，對(duì)編碼器類型的采用是有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)要求的，數(shù)控系統(tǒng)的類型不同對(duì)于編碼器的類型也不相同，有一些組合是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)交換雙擺銑頭，但是有一些組合是沒有辦法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換的。3.4.1基于西門子840D系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置第一，應(yīng)該注意的問題是，在自動(dòng)交換雙擺銑頭的過(guò)程中，要同一時(shí)間交換編碼器和交換電器，對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)的話，相同類型的電機(jī)間能行進(jìn)交換，就是同步電機(jī)與同步電機(jī)之間互相交換，異步電機(jī)與異步電機(jī)互相交換，同步電機(jī)與異步電機(jī)是無(wú)法進(jìn)行交換的。其次，對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換雙擺銑頭，必須重新激活并應(yīng)用“新更換機(jī)床軸”相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，為了達(dá)到此目的，西門子系統(tǒng)準(zhǔn)備了4組電機(jī)參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)在1000，2000，3000，4000系列范圍的參數(shù)中，PLC通過(guò)改變“驅(qū)動(dòng)控制字”中的電機(jī)位(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請(qǐng)求，并同時(shí)選擇并激活了對(duì)應(yīng)的上述4組電機(jī)參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置方面，有一個(gè)重要的參數(shù)MD1013(ENABLE_STAR_DELTA)，該參數(shù)是控制電機(jī)交換使能及電機(jī)交換類型的，當(dāng)參數(shù)MD1013=0時(shí)，系統(tǒng)電機(jī)交換功能關(guān)閉，當(dāng)參數(shù)MD1013=1時(shí)，系統(tǒng)可最多可交換4組電機(jī)與編碼器，并且每組電機(jī)都擁有自己的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。下面用交換雙擺銑頭的電主軸和A軸為例，介紹西門子840D 系統(tǒng)選擇編碼器的技術(shù)原則及原因，交換過(guò)程中需要通過(guò)以下步驟與狀態(tài)(擺頭1是當(dāng)前激活并工作的，現(xiàn)將擺頭1交換為擺頭2)：圖3.4 交換雙擺銑頭示意圖1、把雙擺頭準(zhǔn)確定位到擺頭1庫(kù)中的還擺頭位置，準(zhǔn)備把擺頭1還回庫(kù)中，此時(shí)A=0,C=0,如上圖1所示：2、PLC通過(guò)改變“驅(qū)動(dòng)控制字”中的電機(jī)位，發(fā)出準(zhǔn)備交換電機(jī)的請(qǐng)求(DB3x.DBX21.3和DB3x.DBX21.4)3、驅(qū)動(dòng)控制器將“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”設(shè)置成“交換激活”的狀態(tài)，并取消主軸1及A軸的“脈沖使能”4、驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來(lái)通知PLC主軸1及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)取消(DB3x.DBX93.7)5、控制器來(lái)開啟主軸2及A軸相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置6、控制器通過(guò)電機(jī)位來(lái)通知PLC主軸及A軸已經(jīng)生效7、PLC通過(guò)840D申請(qǐng)“parking軸”生效DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=0DB3x.DBX2.1=08、840D通過(guò)“驅(qū)動(dòng)控制字”申請(qǐng)“parking軸”生效9、驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)生效($VA_POSCTRL_MODEAxis=3 : “parking軸”生效)10、PLC斷掉主軸連接，PLC等候自動(dòng)交換雙擺銑頭執(zhí)行命令過(guò)程，如圖3.4所示： 圖3.4交換雙擺銑頭示意圖11、PLC連接主軸2及A軸的電壓供給及編碼器等，如圖3.4所示：圖3.4交換雙擺銑頭示意圖12、PLC通過(guò)840D終止“parking軸”DB3x.DBX1.5/ DB3x.DBX1.5=1DB3x.DBX2.1=113、840D通過(guò)“驅(qū)動(dòng)控制字”終止“parking軸”14、驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”通知PLC“parking軸”已經(jīng)終止($VA_POSCTRL_MODEAxis)15、PLC通過(guò)“PLC控制字”(DB3x.DBX21.5)通知驅(qū)動(dòng)控制器“電機(jī)交換完成”16、驅(qū)動(dòng)控制器將“驅(qū)動(dòng)狀態(tài)字”中的“交換激活”狀態(tài)刪除，并激活主軸2及A軸的“脈沖使能”17、驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)“PLC狀態(tài)字”的“脈沖使能位”來(lái)通知PLC主軸2及A軸的“脈沖使能”已經(jīng)激活(DB3x.DBX93.7)3.4.2 基于海徳漢iTNC530系統(tǒng)編碼器類型選擇及參數(shù)設(shè)置采用海徳漢iTNC530系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)交換雙擺銑頭，其中交換的物理過(guò)程和上面所說(shuō)的的西門子840D系統(tǒng)類似，不在重復(fù)敘述，以下重點(diǎn)介紹在自動(dòng)交換銑頭的過(guò)程中系統(tǒng)軟件的處理過(guò)程和特點(diǎn)，和產(chǎn)生對(duì)編碼器類型選擇的影響。如圖3.4所示：圖3.4自動(dòng)交換銑頭的子參數(shù)文件設(shè)置3.5交換狀態(tài)監(jiān)控 機(jī)床上液壓卡緊松開輔助動(dòng)作很多，如：主軸松卡刀，伺服軸抱閘松卡，交換托盤時(shí)拖盤的松卡，交換雙擺頭時(shí)雙擺頭的松卡等。而執(zhí)行卡緊松開動(dòng)作的油缸多植入在各功能部件內(nèi)部，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，很難在內(nèi)部直接安裝接近開關(guān)或位移傳感器以獲取位置進(jìn)行到位信號(hào)。有些功能部件在結(jié)構(gòu)允許的情況下，將活塞位移動(dòng)作傳遞到功能部件外部再進(jìn)行檢測(cè)，如主軸松卡刀、轉(zhuǎn)臺(tái)松卡等。但旋轉(zhuǎn)軸環(huán)形抱閘、托盤卡緊拉釘、雙擺頭交換拉釘?shù)龋褂脮r(shí)需將卡緊機(jī)構(gòu)插裝在機(jī)械體內(nèi)部，由于結(jié)構(gòu)所限就無(wú)法直接測(cè)得位移信號(hào)。通常做法是采用壓力信號(hào)來(lái)代替位移信號(hào)，即松卡壓力達(dá)到設(shè)定值不變標(biāo)志著活塞運(yùn)動(dòng)停止，從而間接判斷松卡動(dòng)作已完成，原理圖如圖2所示。但如果由于某些原因?qū)е掠透自谥虚g位置卡死時(shí)，就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，造成機(jī)床誤動(dòng)作，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。高速龍門五軸加工中心的研制中，雙擺頭交換是由4個(gè)自鎖拉釘實(shí)現(xiàn)雙擺頭松卡。為了解決上述問題，在液壓松卡回路中設(shè)置了流量計(jì)，作為卡緊松開到位檢測(cè)元件。流量計(jì)可以通過(guò)檢測(cè)通過(guò)的油量，真實(shí)地檢測(cè)到油缸卡緊松開是否到位。由于流量計(jì)設(shè)置在回路上，不受機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸所限制，成功地解決了雙擺頭松卡到位檢測(cè)的問題。其原理圖如圖3所示。圖3.5 壓力開關(guān)檢測(cè)松/夾到位原理圖圖3.5流量計(jì)檢測(cè)松/夾到位原理圖3.5.1流量計(jì)簡(jiǎn)介流量計(jì)種類較多，功能原理大不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。齒輪流量計(jì)是根據(jù)齒輪馬達(dá)原理，兩圓柱齒輪在測(cè)量腔內(nèi)由液流驅(qū)動(dòng)無(wú)接觸運(yùn)行；齒輪的運(yùn)動(dòng)由位于蓋板內(nèi)的兩個(gè)無(wú)接觸的傳感器檢測(cè)，在傳感器室和計(jì)量環(huán)室之間，裝有一非磁性抗壓隔板；當(dāng)計(jì)量機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒時(shí)，傳感器發(fā)出一脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)一個(gè)齒的油量AV通過(guò)流量計(jì)，通過(guò)前置放大器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為一方波信號(hào)；兩通道檢測(cè)，可有更高的分辨率，并確認(rèn)流量方向。齒輪流量計(jì)，精度較高，黏溫特性好，工作壓力高，價(jià)格相對(duì)較低，適合在機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖3.5齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖3.5.2監(jiān)控原理設(shè)每個(gè)拉釘卡緊所需油量，卡緊動(dòng)作所需總油量為，選取德國(guó)KRACHT公司VC0.2型號(hào)齒輪流量計(jì)，齒輪幾何容積，即每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)齒輪流量計(jì)通過(guò)0.245mL油量，則完成卡緊動(dòng)作所需脈沖數(shù)為：拉釘松開時(shí)，流量計(jì)測(cè)量同一油腔的油量，脈沖數(shù)與卡緊動(dòng)作相同，但方向相反。因而，執(zhí)行拉釘松卡動(dòng)作后，通過(guò)檢測(cè)流量計(jì)接收的脈沖數(shù)是否達(dá)到相應(yīng)數(shù)值(檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1)，來(lái)判斷該動(dòng)作是否正確完成，雙通道脈沖信號(hào)可以檢測(cè)出流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而判斷是松開還是卡緊動(dòng)作。表3.5.1檢測(cè)脈沖數(shù)與拉釘狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系最大檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)拉釘狀態(tài)0保持松開或縮緊狀態(tài)13流量計(jì)與拉釘之間管路有泄漏163松開或卡緊到位163管路爆裂通過(guò)合理使用流量計(jì)，保證了銑頭在自動(dòng)交換過(guò)程中松開和加緊的可靠性。 參考“可交換式雙擺頭設(shè)計(jì)過(guò)程中編碼器類型的選擇”、 “Hydrodock拉釘自鎖原理及其在銑頭自動(dòng)交換技術(shù)中的應(yīng)用”、 “齒輪流量計(jì)在機(jī)床液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用”、“直驅(qū)式雙擺頭交換A軸相關(guān)結(jié)構(gòu)的研究”、“端齒盤的參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用”4 機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)4.1機(jī)床總體機(jī)械結(jié)構(gòu)布局形式如圖 1 所示。GMC2550u 加工中心采用龍門框架結(jié)構(gòu)，工作 臺(tái)和左右橋梁固定，橫梁、滑板和滑枕在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在兩橋梁上前后移動(dòng)做 X 向運(yùn)動(dòng)，滑板和滑枕通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在橫梁上左右移動(dòng)做 Y 向運(yùn)動(dòng)，滑枕通過(guò)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)在滑板 中上下移動(dòng)做 Z 向運(yùn)動(dòng)；A/C 軸雙擺銑頭繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)（360）為 C 軸，A/C 軸雙擺銑頭繞 X 軸擺動(dòng)（110）作為 A 軸；A/C 軸雙擺 銑頭采購(gòu)的是某公司的可換銑頭形式的產(chǎn)品，C 軸部分固定在滑 枕內(nèi)，可以通過(guò)頭庫(kù)來(lái)選擇兩個(gè)不同的 A 軸銑頭，以便滿足粗加 工和精加工的要求，整個(gè)交換過(guò)程自動(dòng)化。1X 軸的 4 條重載導(dǎo)軌分兩組分別布置在左右橋梁上，直線 電機(jī)初級(jí)與橫梁相連接，次級(jí)布在每組導(dǎo)軌的中間位置，如圖 2 所示。Z 軸采用滾珠絲杠副雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床可靠性及精度穩(wěn) 定性。各軸采用光柵尺全閉環(huán)控制，確保機(jī)床的定位精度及精度 的穩(wěn)定。A、C 軸與 X、Y、Z 3 個(gè)直線軸五軸聯(lián)動(dòng)就可加工出復(fù)雜的 空間曲面。該機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局適合大型航空透明體模具高速加工 中的需要，更適合于大型飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高速加工中的需要。 1 圖 4.1 GMC2550u 高速龍門五軸加工中心結(jié)構(gòu)示意圖 1.左橋梁 2.橫梁 3.滑板 4.工作臺(tái) 5.頭庫(kù) 6.雙擺頭 7.滑枕 8.右橋梁4.2機(jī)床設(shè)計(jì)及分析方法 機(jī)床采用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到產(chǎn)品的系列化，主要部件均采用模塊化設(shè)計(jì)理念，用PRO/E 軟件進(jìn)行三維 設(shè)計(jì)，用 ADAMS 軟件對(duì)機(jī)床（尤其是 A/C 軸雙擺頭）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬計(jì)算，用ANSYS 軟件對(duì)機(jī)床整體和關(guān)鍵基礎(chǔ)大件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整臺(tái)機(jī)床剛性高、振動(dòng)小、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量小，從而可以改善動(dòng)態(tài)性能和快移速度；整機(jī)設(shè)計(jì)重視工作區(qū)域的優(yōu) 化設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)。 直線導(dǎo)軌 直線電機(jī)初級(jí)移動(dòng)部件 圖 4. 2 X/Y 軸直線電機(jī)的布置示意圖 通過(guò)對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械加工整機(jī)裝配精度工藝保證方法的研究，整機(jī)剛度特性測(cè)試與分析，以及動(dòng)力學(xué)特性對(duì)加工精度性能的影響規(guī)律的研究和機(jī)床智能化技術(shù)的研究，包 括熱變形及溫度補(bǔ)償技術(shù)，自適應(yīng)加工技術(shù)，五軸變換功能中 RTCP（Rotation Tool Centre Point 旋轉(zhuǎn)刀具中心編程）自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的研究，保證機(jī)床的精度。5 機(jī)床的主要性能指標(biāo)及對(duì)比 GMC2550u 銑頭可自動(dòng)交換的高速龍門五軸加工中心產(chǎn)品與德國(guó) Zimmermann F38 和法國(guó) Forest-line TH 系列高速龍門五 軸加工中心進(jìn)行主要技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)對(duì)比，如表 5所示。 表 5主要技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)對(duì)比6 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及選擇6.1直線軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選擇 6.1.1X、Y 軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選型X、Y 軸采用西門子直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于 GMC2550u 型機(jī)床 X/Y 軸的移動(dòng)質(zhì)量非常大，所以均選用推力最大的 1FN3-900 型 號(hào)的直線電機(jī)。1FN3 電機(jī)是永磁同步直線電機(jī)，特點(diǎn)是功率大，超負(fù)載能 力強(qiáng)，具有模塊冷卻功能，此電機(jī)是以內(nèi)裝式電機(jī)構(gòu)件的形式提 供的，如圖 4 所示1。它由初級(jí)部構(gòu)芯和次級(jí)部構(gòu)芯構(gòu)成，根據(jù)精 密度要求的不同，電機(jī)可以配精密冷卻器或次級(jí)部構(gòu)芯冷卻器， 初級(jí)部構(gòu)芯有固定尺寸；而次級(jí)部構(gòu)芯包含了各種不同的構(gòu)芯半 體，這些構(gòu)芯半體可以被組合起來(lái)產(chǎn)生一個(gè)所需要的移動(dòng)軌道。 通過(guò)幾個(gè)電機(jī)并聯(lián)工作，驅(qū)動(dòng)力可以擴(kuò)展的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。機(jī)床的 X 軸是橫梁加上滑板滑枕框架移動(dòng)，整個(gè)框架重達(dá)18t，項(xiàng)目選用瑞士某公司的 MR65 型號(hào)重載滾柱導(dǎo)軌和 MRB65型號(hào)的滑塊，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)小，非常適合龍門框架移動(dòng)的動(dòng)靜剛度要求。導(dǎo)軌的滑塊選用加長(zhǎng)加寬型，每個(gè)滑塊的額定靜態(tài)承載量 C 可達(dá)到 295000N，額定動(dòng)態(tài)承載量 C0 可達(dá)到530000N2?？紤]到安全系數(shù)，每根導(dǎo)軌安裝 4 個(gè)滑塊。Y 軸是滑板 和滑枕組合體移動(dòng)，重量達(dá)到 8t，同樣選用瑞士某公司的 MR65 型號(hào)重載滾柱導(dǎo)軌和 MRB65 型號(hào)的滑塊，每根導(dǎo)軌安裝 3 個(gè)滑 塊。每根導(dǎo)軌上均安裝有防止機(jī)床高速共振的阻尼塊和用來(lái)緊急 制動(dòng)的液壓箝制器（日本產(chǎn)品）。6.1.2 Z 軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選型 Z 軸采用了滾珠絲杠副雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床可靠性及精度穩(wěn)定性，雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于滑枕兩側(cè)，呈對(duì)稱排布，電機(jī)選用 SIEMENS 的 1FK7 型號(hào)電機(jī)，與 SHUTON 絲杠通過(guò) KTR 聯(lián)軸器直聯(lián)；同時(shí)，在滑枕上左右各配置一個(gè)液壓缸，利用雙液壓缸平衡 部分滑枕滑板以及雙擺頭的重力（7080）%，以保證Z 軸的動(dòng)態(tài) 性能。Z軸驅(qū)動(dòng)重量是滑枕和雙擺頭的重量之和，重約 6.5t，選用瑞士某公司的 MR65 型號(hào)重載滾柱導(dǎo)軌和 MRD65 型號(hào)的滑塊，每根導(dǎo)軌安裝3個(gè)滑塊。6.2擺動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及選擇 A/C 軸雙擺銑頭是本項(xiàng)目最關(guān)鍵的零部件之一，雙擺頭繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)360為 C 軸，繞 X 軸擺動(dòng)（110）作為 A 軸；A/C 軸雙擺 銑頭的 A、C 軸均為力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)可交換的銑頭分別選用德國(guó)某公司的 G30 系列重型銑 頭，其中低速重切時(shí)選用：功率 42kW，轉(zhuǎn)數(shù) 7000r/min，最大扭矩400Nm，刀柄系統(tǒng)為 HSK100A 的銑頭；高速時(shí)選用：功率 34kW， 轉(zhuǎn)數(shù) 24000r/min，最大扭矩 72Nm，刀柄系統(tǒng)為 HSK63A 的銑頭。 兩個(gè)銑頭備有頭庫(kù)裝置，如圖6.2所示。圖 6. 2 銑頭頭庫(kù) 擺頭的 A 軸部分可以通過(guò)拉緊機(jī)構(gòu) CyTeb 和快速接頭 CyFit 的組合應(yīng)用進(jìn)行自動(dòng)交換，快速接頭 CyFit 是某公司的一種 非?？煽康木_的氣路、油路快速對(duì)接系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)在 高流速的情況下具備低阻抗的優(yōu)點(diǎn)，保證了最小的壓力損失；拉 緊機(jī)構(gòu) CyTeb 具備方位偏差補(bǔ)償功能，它允許對(duì)接件更大范圍的誤差和不準(zhǔn)確，甚至不需要其他螺紋連接或?qū)蜓b置。結(jié)構(gòu)如圖6 .2所示。 圖 6.2 快速換頭機(jī)構(gòu)示意圖 結(jié)論 基于大型航空透明件模具對(duì)數(shù)控加工裝備的要求與目前國(guó)際航空數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)高速龍門五軸加工中心設(shè)備的研制，掌握直線電機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)交換雙擺銑頭等關(guān)鍵技術(shù)，以提升我國(guó)機(jī)床行業(yè)在五軸、高速加工等設(shè)備方面的自主研制能力，對(duì)“高、精、尖”數(shù)控裝備國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。另外，該設(shè)備的研制成功將滿足國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)的研制需求，國(guó)防意義重大；同時(shí)將突破大尺寸、高精度模具制造瓶頸，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。采用了二次調(diào)節(jié)的液壓電梯調(diào)速系統(tǒng)，很好的解決了節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的弊端。由于使用了蓄能器，不但能使電梯下行時(shí)釋放的能量得以回收再利用，而且能使電梯上行減速時(shí)，將制動(dòng)能量回收，大大減輕了泵的負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能的效果，采用電反饋回路提高了系統(tǒng)的控制精度，此外，由于恒壓變量泵多為柱塞泵，必然存在輸出壓力波動(dòng)，蓄能器則可在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)吸收壓力脈動(dòng)，保證定壓網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定輸出，從而進(jìn)一步提高了二次調(diào)速系統(tǒng)的控制精度。因二次調(diào)速系統(tǒng)無(wú)節(jié)流損失，故工作效率高。應(yīng)當(dāng)注意，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)油源中的恒壓變量泵一般按平均功率選配，這樣可以降低成本，提高效率；蓄能器在選配時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度應(yīng)高于恒壓變量泵的壓力波動(dòng)速度，這樣才能很好地吸收壓力脈動(dòng)。致 謝通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)使我重新拾回了那些學(xué)過(guò)卻被遺忘的知識(shí)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程學(xué)到了為接觸過(guò)的知識(shí)，也在這過(guò)程得到了很多人的幫助。首先，衷心感謝我的指導(dǎo)老師在我畢業(yè)論文選題、調(diào)研、草案、定案及總結(jié)等方面做出的指導(dǎo)和幫助，在畢業(yè)開題時(shí)指導(dǎo)著進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題及講解，在設(shè)計(jì)過(guò)程中給予意見與指導(dǎo)，作為一名本科畢業(yè)生，在設(shè)計(jì)方面難免會(huì)考慮不周全，感覺老師在我的設(shè)計(jì)過(guò)程給予的建議，指導(dǎo)，才使得能順利完成本次的設(shè)計(jì)。在此，再次衷心感謝老師的耐心教導(dǎo)。其次，感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程幫助過(guò)的同學(xué)，在我疑惑時(shí)能給予我一定幫助，在繪制圖形方面做出的指導(dǎo)，本次設(shè)計(jì)的完成也離不開同學(xué)的幫助。最后，感謝百忙中審閱本文的各位老師，你們的意見將變成我寶貴的經(jīng)驗(yàn)，感謝我的母校沈陽(yáng)工學(xué)院四年來(lái)對(duì)我的大力栽培。參考文獻(xiàn)1 趙紅星液壓電梯速度控制研究J科技資訊，2010（5） 2 王愛芳，劉秀蓮，周平二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)在液壓電梯系統(tǒng)中的節(jié) 能應(yīng)用J機(jī)床與液壓，2008，4（4）3 杜陽(yáng)堅(jiān)蓄能器在液壓電梯中應(yīng)用J江西科學(xué)，2006，10（5） 4 榮擁軍，范崇托電液比例閥在液壓電梯速度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J液 壓氣動(dòng)與密封，1996（3） 5 徐兵，胡東明，孫惠萍，等采用閉式油路的節(jié)能液壓電梯研究J液壓 與氣動(dòng)，2007（1）6 惲源世，唐國(guó)興，徐鳴謙，等液壓電梯的速度預(yù)測(cè)控制J控制工程，2002，9（3）7 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