机电一体化系统概论
机电一体化原理及应用第一章机电一体化系统的概论
§4 机电一体化应用及发展前景
在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面， 有人称之为"全盘自动化"。 在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构 成。 从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实 现程度不同的机电一体化。 具体地说，典型的机电一体化产品主要包括:大型成套设备；数 控机床；仪器仪表电子化；自动化管理系统；电子化量具量仪； 工业机器人；电子化家用电器；电子化电机传动与调整系统；电 子化电站自动装置与开关板；电子医疗器械；电子化低压电器； 微电脑控制加热炉；电子控制汽车或内燃机；微电脑控制印刷机 械；微电脑控制食品机械或包装机械；微电脑控制办公机械；电 子式照相机；电子控制农业机械；电子控制塑料加工机械；电子 控制电焊机；计算机辅助设计系统(CAD)；计算机辅助制造系统 (CAM)；计算机集成制造系统(CIM)。
几种描述： 1983年日本振兴协会提出：
机械电子乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和 控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相 关软件有机结合而构成系统的总称。
1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国 国家科学基金的报告中提出现代机械系统的定义： 由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械系 统、运动和能量流等动力学任务的机械（或机电部件）相互 联系的系统，这实质上就是机电一体化的机械系统。
§2 机电一体化系统的主要组成部分（要素）
机械本体 传感检测部分 执行部分 动力部分 驱动部分 信息处理及控制部分。
一、 机械本体
1、概念 机械本体就是其机械结构部分。 包括机械结构装置和机械传动装置，属于产品的基础部分。
机电一体化1.概论
机电一体化1.概论第一篇：机电一体化1.概论1序言及概论序言一、对机电一体化技术的初步了解什么是机电一体化技术呢？机电一体化技术是在生产、制造机电一体化产品过程中使用的各种现代先进的技术。
那么哪些是机电一体化产品呢？日本学者高森年在他的著作中说：“当今世上只要是使人感到比较灵活、灵巧便利的机械都是基于机电一体化技术制造的，这样的说法毫不过分。
”因此可在自己感兴趣的领域想象。
实际上，机电一体化在家用电器、各种车辆、工厂设备、航天航空等各种领域、场所都得到了广泛的应用。
如家用照相机、全自动洗衣机、无人驾驶的汽车、全自动的玩具小车、工厂化流水线作业设备、航天器、火星探测器及机器人等。
综上所述，机电一体化产品是机械装置和电子装置的有机结合而形成的。
机电一体化技术是机械技术和电子技术等互相结合的各种技术的统称。
二、机电一体化产品的优越性列举出一系列实例后，这些机械都是机电一体化产品，由此可见机电一体化产品在各行各业都得到了非常广泛的应用。
随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化产品有逐步取代传统机电产品的趋势，这完全取决于机电一体化技术所存在的优越性和潜在的应用性能。
这些机电一体化产品，它们有哪些优越性呢？它比一般机械产品及传统机电产品突出的优越性具体体现在：（1）精度提高机电一体化产品大都具有信息自动处理和自动控制功能，其控制和检测的灵敏度、精度以及范围都有很大程度的提高，通过自动控制系统可精确地保证机械的执行机构按照设计的要求完成预定的动作，使之不受机械操作者主观因素的影响，从而实现最佳操作，保证最佳的工作质量。
数控机床的加工精度比一般手工操作的机床的加工精度大大提高。
（2）功能增强机电一体化产品跳出了机电产品的单技术和单功能限制，具有复合技术和复合功能，使产品的功能水平和自动化程度大大提高。
机电一体化产品一般具有自动化控制、自动补偿、自动校验、自动调节、自动保护和智能化等多种功能，能应用于不同的场合和不同领域，满足用户需求的应变能力较强。
机电一体化概论
机电一体化概论第一章机电一体化概述2•机电一体化的发展趋势:智能化，模块化，网络化，微型化,绿色化，系统化.3•机电一体化的基本含义:机电一体化乃是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进徽电子技术，并将机核装置与电子设备以及相关软件有机结合而构成的系统总称。
5•机电一体化的相关技术：机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。
6.机电一体化系统的基本要素及其功能：8•机电一体化一词最早于1971年出现在日本。
它是取机械学的前半部和电子学的后半部拼合而成，但是，机电一体化并非机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科。
第二章机电一体化的相关技术L机电一体化系统中的机械系统：传动部分、导向机构、执行机构、轴系、机座或机架。
2.机电一体化中机械系统的基本要求：高精度、小惯量、大刚度、快速响应性、良好的稳定性。
9•传感器的定义：传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。
13•常见的接近开关及其应用：电涡式接近开关（金属）、电容式接近开关（导体和非导体）、霍尔接近开关（磁性物件）、光电开关：透射型，反射型（统计产量，检测包装，精确定位等）。
16.在控制系统中根据系统信号相对于时间的连续性，通常分为连续时间系统和离散时间系统（连续系统和离散系统）。
18•计算机控制系统的类型及计算机担当的角色：操作指导控制系统（助手）、宜接数字控制系统（DDC,决策者，操作者）、监督计算机控制系统（SCC, 操作指导系统与DDC系统的综合与发展，决策人）、分级控制系统、集散控制系统（DCS）、工厂自动化（FA）系统。
25•接口的分类（1）根据接口的变换和调整功能特征：零接口、被动接口、主动接口、智能接口。
（2）根据接口的输入\输出功能的性质：信息接口、机械接口、物理接口、环境接口。
（3）按照所联系的子系统不同：人机接口、机电接口。
机电一体化概论
1.1机电一体化的定义和基本概念(2)
■ [例1-1]机械手 组织教学 建议：①参观机械手及其动作，结合讲授。 ②重点介绍机电一体化共性的各关键技术及其含义。
1.2机电一体化系统的基本结构和功能 (1)
■ 基本结构：机械部分、控制及信息处理部分、动力部分、传感检测部分、驱动部 分等五个部分(或系统)。
3.5全自动洗衣机
■ 简介： 全自动洗衣机是广泛应用于家用电器中典型的机电一体化设备。
■ 种类： 波轮式、滚筒式、搅拌式等。 洗衣基本原理 基本结构： 洗涤系统、给排水系统、脱水系统、电动机与传动系统、控制系统、箱体与支撑机构 等。
3.5全自动洗衣机
■ 新型洗衣机----模糊洗衣机 几个概念：模糊逻辑、控制原理、模糊控制推理系统、推理规则等。 组织教学 建议：在教学中尽量多结合实际例子或实物进行讲授。
2.7接口技术(1)
■ 概念： 接口----指将机电一体化系统的各部分连接起来的连接电路。 设置接口电路的原因。 接口电路的主要作用、功能。 接口电路的类型：人机接口与机电接口两大类。
2.7接口技术(1)
■ 人机接口-----指人与计算机之间建立联系、实现交换、传输信息的输入/输出设备 的控制电路。 两个任务：信息形式的转换和信息传输的控制。 机电接口---指计算机与机械装置或设备之间联系的控制电路。
■ 组织教学 建议：①结合[例1-2]平面关节型机械手，重点掌握机电一体化系统的结构。 ②结合实物----机械手，介绍机电一体化系统的结构。
1.3机电一体化产品(系统)的种类
■ 按功能来划分： 数控机械类；电子设备类；机电结合类；信息处理类；其它类。
■ 按用途来划分： 生产用类；运输、包装及工程用类；存储、销售用类；社会服务性用类；家庭用 类；科研及பைடு நூலகம்程控制用类；其它用类。 组织教学 建议：在教学中结合日常生活和工作的实际例子进行讲授。
机电一体化概论
计算机辅助工程（CAE）是采用CAE技术以 及有限元分析发，可实现对质量、体积、
惯性力矩、强度等计算分析；对产品的运 动精度，动、静态特征等的性能分析；对 产品的应力、变形等的结构分析。
五、并行工程
并行工程是集成地、并行地设计产品及其 部件和相关各种过程的一种系统工作模式。
律、分析方法和自控系统的构造等。 三、机电一体化技术的特点 机电一体化技术具有以下特点： 1、体积小、重量轻
2、速度快、精度高 3、可靠性高 4、柔性好
由于机电一体化技术的上述特点，使其机 电一体化产品具有节能、高质、高效、低 成本的共性，从而产生一系列过去不可想 象的新产品。
管理信息系统（MIS）、物料需求计划（MRP） 制造资源计划(MRP)等。
从狭义上来讲，先进制造是指各种计算机辅助制 造设备和计算机集成制造系统。
生产过程中机电一体化所包括的内容： 一、计算机的辅助设计
计算机的辅助设计是在计算机硬件与软件的支撑 下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、 仿真和图形处理的研究，使计算机辅助完成产品 的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产 品图形。
为系统提供能量和动力。使系统正常运行。 （4）传感器（检测要素） 传感器是将被测对象的状态、性质等信息
转换为一定的物理量或者化学量。 （5）计算机控制装置（控制要素） 为达到一定的目的而实行的适当的操作成
为控制。
6、接口
机电一体化系统由许多要素或子系统构成， 各子系统之间必须能顺利进行物质、能量 和信息的传递与交换，为此各要素或子系 统相接处必须具备一定的联系部件，这个 部件称为接口，其基本功能主要有三个：1、 交换，需要进行信息交换和传输之间，2、 放大，在两个信息强度相差悬殊的环节间， 经接口放大，达到能量的匹配；
机电一体化第一章概论
“目的功能”。 构造功能 ：使构成系统的子系统及元、部件维持所
定的时间和空间上的相互关系所必需的 功能
机电一体化第一章概论
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机电一体化系统的五种内部功能
机电一体化第一章概论
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机电一体化系统（产品）的 内部功能
主功能 动力功能 控制功能 构造功能 计测功能
机电一体化第一章概论
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第二节 优先发展机电一体化的 领域及其共性关键技术
优先发展的机电一体化领域必须同时具备下述几个 条件：
①短期或中期普遍需要； ②具有显著的经济效益 ； ③具备或经过短期努力能具备必需的物质技术基础； ④社会效益十分显著的领域 。
机电一体化第一章概论
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机电一体化技术内部联系与外 部影响
2）无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源 接口。例如齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻器以及透镜 等。
3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源 接口。例如电磁离合器、放大器、光电耦合器、D/A转换器、A/D转 换器以及力矩变换器等。
4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适应性地改 变接口条件的接口，称为智能接口。 例如自动变速装置， 通用 输入／输出LSI(8255等通用I/O)、GP-IB总线、STD总线等。
机电一体化第一章概论
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根据输入／输出功能可分 成以下四种广义接口：
第一章 概 论
第一节 机电一体化时代与机电一体化技术革命 第二节 优先发展机电一体化的领域及其共性关键技术 第三节 机电一体化系统构成要素及功能构成 第四节 机电一体化系统构成要素之间的连接 第五节 机电一体化系统的评价 第六节 机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型 第七节 机电一体化系统的设计流程 第八节 机电一体化工程与系统工程 第九节 机电一体化系统的设计程序、准则与规律 第十节 机电一体化系统的开发工程与现代设计方法
机电一体化概论教案
机电一体化概论教案教案标题：机电一体化概论教案教案概述：本教案旨在为学生提供机电一体化概论的基础知识和理解，使他们能够了解机电一体化的概念、原理和应用领域。
通过本课程的学习，学生将能够认识到机电一体化在现代工程中的重要性，并了解其在自动化、机械制造和电子工程等领域的应用。
教学目标：1. 理解机电一体化的概念和基本原理。
2. 了解机电一体化在自动化、机械制造和电子工程等领域的应用。
3. 能够分析和评估机电一体化系统的优势和局限性。
4. 培养学生的团队合作和问题解决能力。
教学重点：1. 机电一体化的概念和基本原理。
2. 机电一体化在自动化、机械制造和电子工程等领域的应用。
教学难点：1. 分析和评估机电一体化系统的优势和局限性。
教学准备：1. 教材：《机电一体化概论》。
2. 多媒体设备：投影仪、电脑等。
3. 实验设备：机电一体化实验装置（如果有）。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 利用多媒体设备展示一些机电一体化系统的应用案例，引发学生对机电一体化的兴趣。
2. 引导学生讨论他们对机电一体化的理解和认识。
二、讲解机电一体化的概念和基本原理（15分钟）1. 通过讲解教材中的相关内容，介绍机电一体化的概念和基本原理。
2. 强调机电一体化系统的优势，如提高生产效率、降低成本、提高产品质量等。
三、讨论机电一体化在自动化、机械制造和电子工程等领域的应用（20分钟）1. 分组讨论：将学生分成小组，每个小组负责研究一种领域中机电一体化的应用案例。
2. 小组展示：每个小组向全班展示他们的研究成果，并进行讨论和交流。
四、分析和评估机电一体化系统的优势和局限性（15分钟）1. 引导学生思考机电一体化系统的优势和局限性，并进行讨论。
2. 指导学生分析不同应用场景下机电一体化系统的适用性和局限性。
五、课堂练习（15分钟）1. 分发练习题，让学生在课堂上完成。
2. 收集学生的答案，进行讲评。
六、总结与延伸（5分钟）1. 总结本节课的重点内容和学习收获。
机电一体化概论
机电一体化概论一．机电一体化的基本概念及主要特性1，机电一体化的基本概念机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械技术、微电子技术相互融合的产物，如图8—1所示。
机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、化学工程、建筑工程、信息工程、控制工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的一门新兴的交叉学科。
在1971年，日本《机械设计》杂志提出了”MECHA TRONICS”这个新英文名词，它是由英文单词“MECHANICS”(机械学)的前半部分和“ELECTRONIS”(电子学)后半部分组合@成的。
用汉子表达即为“机电一体化”。
目前对“机电一体化”的涵义有各种各样的认识。
即使在最早提出这一概念的日本也有众多说法。
例如，“机电一体化是机械工程中采用微电子技术的体现”;“机电一体化就是利用微电子技术，最大限度地发挥机械能力的一种技术”；“机电一体化是考&事物的一种方法”。
总之，由于各自的出发点和着眼点不尽相同，在加上“机电一体化”本身的涵义还在随着生产和科学技术的发展被赋予新的内容，因@，目前较为人们普遍接受的涵义是：“机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子设备以及相关软件有机结合@构成系统的总称”。
机电一体化技术不是机械技术和电子技术的简单叠加，@是将电子设备的信息处理功能和控制功能“揉和”到机械装置中去，从而达到扬长避短、互为补充的目的，使机电一体化产品更具有系统性、完整性和科学性。
“机电一体化”具有“技术”与“产品”两方面的内容。
“机电一体化技术”主要是指其技术原理和机电一体化系统（或产品）得以实现、得已实现、使用和发展的技术。
而“机电一体化产品”是机电一体化技术的物化结果。
机电一体化产品主要指机械系统和微电子系统有机结合，从而赋予新的功能和性能的新一代产品。
2，机电一体化产品的主要特征机电一体化是在信息论、控制论和系统论基础上建立起来的应用技术。
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2021/2/4
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机械产品到机电一体化产品的４个阶段
阶段 举例
１ 机械
驱动
带驱动
控制
机械开关装置
２ 机械＋电器 电机(开/关) 电器－机械开 关装置
３ 机械＋电子 带转速独立控 电子控制
＋软件
制的电机
４ 机电一体化 变频器和连接 软件、连接总
总线相集成的 线和控制均集
电机
成在执行器中
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机电一体化技术分类
• 生产过程的机电一体化：
实例：械制造过程、冶金生产、化工生产、粮食及 食品加工过程、纺织工业、排版与印刷等
分类： – 离散制造过程的机电一体化：机械制造业 – 连续生产过程的机电一体化：化工生产流程
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机电一体化技术分类
• 机电产品的机电一体化：
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机电一体化目标
• 将机械技术与电子技术相结合，充分发挥各自的 长处，弥补各自技术上的不足。
– 机械的强度高，输出功率大，可承受较大的载荷,但 实现微小运动和复杂运动比较困难。
– 电子领域，利用传感器和计算机可实现复杂的检测和 控制。
– 将机械技术和电子技术两者结合，可在重载条件下实 现微小运动和复杂运动。
完善系统的自诊断功能，实现信息处理的智能化、小 型化、轻量和标准化等。
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能源
• 能源是机电一体化产品能量供应部分
• 组成 ：电能、气能和液压能，以电能为主。
• 作用：按照系统控制要求向机械系统提供能量 和动力使系统正常运行。
• 要求：用尽可能小的输入获得尽可能大的功率 输出，工作效率高，符合使用环境和结构尺寸 的要求。
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机电一体化目标
• 机械的柔性化：
– 使机械能够像动物那样动作灵活。
• 机械的智能化：
– 使机械能够像人类那样会思考与判断。
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机电一体化系统六大基本结构要素
1. 机械本体： 2. 执行机构： 3. 驱动部分： 4. 测试传感部分： 5. 控制及信息处理单元： 6. 能源：
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控制及信息处理单元
• 是机电一体化系统的核心。
• 组成：控制计算机、控制软件、硬件接口
• 要求：负责把来自各传感器的检测信号和外部输入命
令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果， 按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系 统有目的地进行。
• 作用：提高信息处理的速度、抗干扰能力和可靠性，
机电一体化系统概论
机电一体化的概念
• 1971 年，日本提出 “机电一体化”新名词
机电一体化 (Mechatronics) =机械学(Mechanics) + 电子学(Electronics)
• 定义：
– 机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息技 术与机械技术相结合的新兴的综合性高技术，是机械 技术与微电子技术的有机结合。
• 利用高新技术实现结构上、材料上、性能上的变更， 满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改 善性能的要求。
• 制造过程的机电一体化系统中，经典的机械理论与工 艺应借助于计算机辅助技术，采用人工智能与专家系 统等，形成新一代的机械制造技术。
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机械本体
• 组成 ：机身、框架、机械联接、机械传动等
• 作用：支撑系统中其它功能单元、传递运动和 动力。
• 要求：在机械结构、材料、加工工艺性及几何 尺寸等方面适应高效、多功能、可靠、节能、 小型、轻量和美观等要求。
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执行机构
• 组成 ：通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱 动等方式。
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机电一体化产品的分类
• 按发展水平分类：
– 功能附加型初级系统 – 功能代替型中级系统 – 机电融合型高级系统
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机电一体化产品的分类
• 按应用分类：
– 民生机电产品：微电脑洗衣机、电子照相机 – 办公机电产品：复印机、打字机 – 产业机电产品：数控机床、工业机器人
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• 要求：根据控制信息和指令，驱动机械部件的运 动。
• 作用：根据机电一体化系统的匹配性要求改善性 能，如提高刚性、减轻重量、实现模块化、标准 化和系列化，提高系统可靠性。
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驱动部分
• 组成 ：步进电机、直流电机、交流电机、液 压与气压伺服元件。
• 作用：在满足驱动力和速度的前提下，还应满 足高效率、快速响应、环境适应性和可靠性等 要求。
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测试传感部分
• 组成：位移、速度、力、角度等各种类型的传感 器和仪表。
• 作用：是对系统运行中所需要的本身和外界环境 的各种参数及状态进行检测，转换为可识别的信 号，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控 制信息。
• 要求：满足快速、精确、稳定的工作要求，输出 信息便于传输与处理。
– 传统的机电产品＋微机控制 – 特点：功能强、性能好、精度高、重量轻、体积
小、更可靠பைடு நூலகம்更方便、经济效益高。
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机电一体化产品
• 定义：
– 机电一体化产品是新型机械与微电子器件，特别是微 处理器、微型计算机相结合而开发出来的新一代电子 化机械产品。
– 机电仪一体化产品，机电液一体化产品，光机电一体 化产品统等称为机电一体化产品。
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机电一体化的6大相关技术
1. 机械技术 2. 计算机及信息处理技术 3. 系统技术 4. 自动控制技术 5. 传感与检测技术 6. 伺服驱动技术
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机械技术
• 机械技术是机电一体化系统的基础，影响机电一体化 系统的结构、重量、体积、刚度、耐用性等。
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人体是机电一体化系统
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机电一体化发展的技术基础
• 核心技术：
机械技术、电子技术
• 机械技术的4大支柱学科：
– 力学:有限元分析 – 机械学:优化设计CAD – 制造工艺学:数控技术CAM – 控制:手动继电器逻辑控制自动控制智能控制
• 典型机械产品：
– 自行车
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判断机电一体化产品？
• 机器人、数控机床、自动行李输送机、自动对 焦照相机、自动对焦防颤型摄像机、装有微型 计算机的电视机、自动电饭煲、打印机、复印 机、微机控制缝纫机、洗衣机、扫描仪、传真 机、电子表……
• 判断依据：
– 工作原理在本质上是否运动？无运动的则不属于机 电一体化产品。
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