TWI413559B - 自調式放電加工節能電源裝置及其方法 - Google Patents
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Description
本發明係與放電加工有關,特別是關於一種自調式放電加工節能電源裝置及其方法。
放電加工係利用電極以放電高溫熔融原理來加工工件,其中傳統限流電阻式的放電加工電源,其放電迴路是由一交流220V電源、交流功率變壓器、橋式整流器、限流電阻R1、防止逆向電流二極體D5與電晶體Q1所組成(如圖1),動作原理為首先由交流功率變壓器T1將市電交流220V降壓成為交流56~70V,之後再由橋式整流器整流濾波成為直流80~100V,再經由限流電阻R1限流,此時當電晶體Q1導通時兩極間產生高壓直流電,在兩極間隙達到適當的距離時便會產生破壞絕緣的放電電流,直到電晶體Q1截止時電流才會變為零,經過電晶體Q1截止時間後再次的將電晶體Q1導通,如此循環控制電晶體Q1導通與截止時間,便可得到一連串的放電電流。此種電源的缺點在於,交流功率變壓器T1會隨著其功率越大,體積越大;而損耗方面,在於限流電阻R1上損耗的功率為所流過電流的平方與限流電阻R1的乘積,因其損耗功率極大,所以選用限流電阻的瓦特數也相對提高,造成體積龐大與散熱不易等問題。電源實際使用於放電加工上約僅30%,其餘70%的能源耗損在限流電阻上,造成效率低落。
請參考中華民國公開專利第201025821號,其係揭露一種放電加工機節能放電電源裝置,設計在高電壓調整率的狀態,當放電加工機開始加工時會先產生一高壓直流電引弧,當引弧成功後,電源轉換器的輸出電壓會下降,達到節能的目的;但放電電壓不可調,所以無法解決弱導電及變阻抗材料之切割需求。
請參考中華民國公開專利第201006595號,其係揭露一種可調式放電加工電源控制方法與裝置,係使用低壓點火,高壓放電,其中的低壓點火電源為可調式,但是放電加工電源脈寬短,造成放電加工效率差。
請參考美國專利US4071729,其係揭露一種放電加工機控制系統,包含一藉由調整放電脈寬的限流裝置,其功效僅在於可減少放電極間的短路狀況。
請參考美國專利US4460815,其係揭露一種可程式化控制最大加工電流的控制系統,放電脈寬會隨電流上限值而自調,但其功效與目的係在於當使用者輸入不合理放電脈寬值時,可保護此放電裝置。
請參考美國專利US5371334,其係揭露一種藉由監測極間電阻以控制放電加工的方法,可偵測放電時極間的電阻值及電壓,隨之變化加工電壓、電流、暫停時間及電極位置,但其功效與目的為提供增加放電加工時正常火花出現機率之方法,藉以提高效率。
請再參考美國專利US4710603,其係揭露一種放電加工電源系統,省略限流電阻裝置,以電容、二極體、電感及其他開關元件所取代,其功效及目的在於可減少放電加工時能量損耗,以及避免充電開關元件因突波電壓而損壞。
基於上述問題,發明人提出了一種自調式放電加工節能電源裝置及其方法,以克服現有技術的缺陷。
本發明目的在於提供一種自調式放電加工節能電源裝置及其方法,使用兩段式脈衝電源技術,放電開始時,高壓引弧脈波及低壓放電脈波兩組脈波信號同時開啟,利用高壓來達成引弧目的,當偵測到極間回授電壓降至低於判斷電壓的同時,高壓引弧脈波會立即關閉,而後以低壓電源進行放電加工,藉此取代傳統的限流電阻功能,達到高效且節能的需求目標。其中採用高壓引弧、低壓放電的架構,可針對引弧後放電電壓進行偵測,調整低壓電源之放電電壓以精確控制單發放電加工能量。
為達上述目的,本發明係提供一種自調式放電加工節能電源裝置,設置在一放電加工機上,該裝置包含:一工件,設置在一被加工位置;一電極,設置在一加工位置,並相對應於該工件;一高壓引弧單元,該高壓引弧單元耦接該電極的一端,更進一步電性連接一高壓引弧電源模組,該高壓引弧單元用以控制一高壓引弧瞬間電流大小及控制高壓引弧電壓輸出與否;一低壓放電單元,該低壓放電單元耦接該電極的一端,更進一步電性連接一可調式低壓放電電源模組,該低壓放電單元用以控制該放電加工機於加工時的電流大小及控制該放電加工機的加工時間與休止時間;以及一放電脈波產生單元,可擷取該電極與該工件之間的一極間電壓為當作一回授電壓,該放電脈波產生單元
根據該電極產生的該回授電壓,以提供一高壓引弧脈波至該高壓引弧單元控制其作動及提供一低壓放電脈波至該低壓放電單元控制其作動。
其中,該低壓放電單元耦接該電極的一端,更進一步電性連接一可調式低壓放電電源模組,該放電脈波產生單元根據該回授電壓以傳送一電壓控制信號給該可調式低壓放電電源模組,以使該可調式低壓放電電源模組調整輸出電壓之大小,該可調式低壓放電電源模組用以產生穩定的一低壓直流電壓,提供給該放電加工機於該低壓放電單元作動時使用。
為達上述目的,本發明另提供一種自調式放電加工節能方法,其步驟包括:藉由一高壓引弧單元及一低壓放電單元分別地提供具有一高壓引弧脈波之一高電壓及具有一低壓放電脈波的一低電壓於一電極;該電極對一工件進行放電加工,並將該電極與該加工件之間的一極間電壓回授至一放電脈波產生單元;該放電脈波產生單元判斷該回授的極間電壓是否小於一預定電壓;若是,即該工件與該電極間的放電通道被導通,該放電脈波產生單元控制該高壓引弧單元關閉,該低壓放電單元於一加工時間持續作動,再於一休止時間進行關閉;若否,則迴圈至該放電脈波產生單元判斷該回授的極間電壓是否低於該預定電壓之步驟。
其中,當該高壓引弧單元關閉,且該低壓放電單元於該加工時間作動時,該可調式低壓放電電源模組進行一調壓步驟,包括:該放電脈波產生單元將回授至該放電脈波
產生單元的該極間回授電壓與前次的一極間回授電壓作比較;當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓大於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出一升壓信號至該可調式低壓放電電源模組以進行調升輸出電壓;當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓等於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出一維持信號至該可調式低壓放電電源模組以進行維持輸出電壓;當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓小於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出一降壓信號至該可調式低壓放電電源模組以進行調降輸出電壓。
雖然本發明使用了幾個較佳實施例進行解釋,但是下列圖式及具體實施方式僅僅是本發明的較佳實施例;應說明的是,下面所揭示的具體實施方式僅僅是本發明的例子,並不表示本發明限於下列圖式及具體實施方式。
請同時參考圖2,表示本發明自調式放電加工節能電源裝置的結構示意圖。
本發明的自調式放電加工節能電源裝置1是設置在一放電加工機(圖未示)上,主要包含一工件5、一電極6、一高壓引弧單元2、一低壓放電單元3、一放電脈波產生單元4。
工件5設置在一被加工位置P1,電極6設置在一加工位置P2,並相對應於工件5,藉由在電極6通以電壓對工
件5進行放電加工,以突破工件5的絕緣介質(圖未示)。
高壓引弧單元2耦接電極6,用以控制一高壓引弧瞬間電流I1大小及控制高壓引弧電壓輸出與否,詳而言之,高壓引弧單元2包含一限流元件21及一高壓引弧開關模組22,限流元件21與高壓引弧開關模組22串聯地電性連接,限流元件21可為一限流電阻,用以控制高壓引弧瞬間電流I1大小,高壓引弧開關模組22用以控制高壓引弧電壓輸出與否。
再者,高壓引弧單元2耦接電極6,進而電性連接一高壓引弧電源模組23,高壓引弧電源模組23可為一交流對直流電源轉換器,用以產生穩定的一高壓直流電壓,提供給放電加工機於高壓引弧單元2作動時使用。
開始加工時,高壓引弧開關模組22開啟以使高壓直流電輸出,經電極6而到工件5產生引弧電壓,當高壓直流電將工件5的絕緣介質打穿之後,會產生瞬間的引弧電流,此時高壓引弧開關模組22會關閉,所以高壓引弧裝置單元2的工作為輸出高壓直流電到工件5上將絕緣介質打穿,在產生放電電流瞬間將高壓引弧開關模組22關閉。
低壓放電單元3電性連接電極6,低壓放電單元3用以控制放電加工機於加工時的電流I2大小及控制放電加工機的加工時間(ON time)與休止時間(OFF time),詳而言之,低壓放電單元3包含一限流模組31及一低壓放電開關模組32,限流模組31與低壓放電開關模組32串聯地電性連接,限流模組31用以控制放電加工機於加工時的電流I2大小,低壓放電開關模組32用以控制放電加工機的加工時間與休止時間。
再者,低壓放電單元3耦接電極6,進而電性地連接一可調式低壓放電電源模組33,放電脈波產生單元4可擷取工件5與電極6之間的極間電壓Vgap當作回授電壓,並依據回授電壓(極間電壓Vgap)以傳送一電壓控制信號VS至可調式低壓放電電源模組33,以調整其輸出之低壓直流電壓的大小;可調式低壓放電電源模組33用以產生穩定的一低壓直流電壓,提供給放電加工機於低壓放電單元3作動時使用,其自調式調壓步驟將於後詳述。
請同時參考圖3至圖5,其中,圖3表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第一實施例的電路圖,圖4表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第二實施例的電路圖,圖5表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第三實施例的電路圖。
而可調式低壓放電電源模組33可為一交流對直流電源轉換器,其結構可為由若干相同或不相同電壓之直流電源供應器Va~Vn對應若干開關元件SWa~SWn所並聯而成(如圖3所示)、由一可調變壓器穩壓電路所構成(如圖4所示)、由具有回授控制之切換式電源電路所構成(如圖5所示),但並不以此為限。
放電脈波產生單元4電性地連接電極6、高壓引弧單元2及低壓放電單元3,放電脈波產生單元4可擷取電極6所產生的回授電壓(即工件5與電極6之間的極間電壓Vgap),並根據回授電壓(極間電壓Vgap),以提供一高壓引弧脈波VH至高壓引弧單元2及/或提供一低壓放電脈波VL至低壓放電單元3分別控制其作動,其詳細作動步驟將於後詳述。
請參考圖6,表示本發明自調式放電加工節能方法的流程圖;本發明之自調式放電加工節能方法的步驟如下:步驟S1:高壓引弧單元2及低壓放電單元3同時與電極6電性連接,且高壓引弧單元2遠離電極6的一端係電性連接高壓引弧電源模組23,以提供高壓直流電壓,低壓放電單元3遠離電極6的一端係電性連接可調式低壓放電電源模組33,以提供低壓直流電壓;步驟S2:電極6對工件5進行加工,並將電極6與工件5之間的一極間電壓Vgap回授至放電脈波產生單元4;步驟S3:放電脈波產生單元4判斷回授的極間電壓Vgap是否小於一預定電壓,若否,則再由放電脈波產生單元4持續判斷回授的極間電壓Vgap是否低於預定電壓,即迴圈(loop)到步驟S2;步驟S4:若是,即工件5與電極6之間的放電通道被導通,放電脈波產生單元4藉由提供高壓引弧脈波VH給高壓引弧單元2以控制高壓引弧單元2關閉,低壓放電單元3於加工時間持續作動,再於休止時間由放電脈波產生單元4提供低壓放電脈波VL給低壓放電單元3以控制低壓放電單元3關閉。
其中,在步驟S4中,放電脈波產生單元4所提供的高壓引弧脈波VH,係提供給高壓引弧單元2的高壓引弧開關模組22,以控制高壓引弧開關模組22的啟閉,進而控制高壓引弧電源模組23之高壓直流電壓的輸出,同樣地,放電脈波產生單元4所提供的低壓放電脈波VL,係提供給低壓放電單元3的低壓放電開關模組32的啟閉,進而控制低電壓的輸出。
請再同時參考圖7,表示本發明自調式放電加工節能方法之脈波時序圖;放電開始時,兩組脈波信號(高壓引弧脈波VH與低壓放電脈波VL)同時開啟,當極間電壓Vgap突破絕緣並導通時,極間電壓Vgap會迅速降至30V以下(視工件5之材質而定),此時因回授的極間電壓Vgap已低於放電脈波產生單元4所設定高壓引弧脈波VH之判斷預定電壓(以55V為例),故偵測到回授的極間電壓Vgap降至低於判斷預定電壓的同時,放電脈波產生單元4傳送高壓引弧脈波VH至高壓引弧開關模組22以控制高壓引弧開關模組22立即關閉,停止高壓引弧電源模組23之高壓直流電壓輸出至電極6,但低壓放電開關模組32仍持續開啟而不受影響,持續維持加工(ON)的脈波輸出狀態;放電通道(工件5與電極6之間)導通之後,放電脈波產生單元4即開始依設定的脈波開關時間計時,當加工時間(ON time)結束,並進入休止時間(OFF time)進行計數時,放電脈波產生單元4傳送低壓放電脈波VL至低壓放電開關模組32以控制低壓放電開關模組32立即關閉,停止可調式低壓放電電組33之低壓直流電壓輸出至電極6,此時放電通道亦恢復絕緣狀態,直至休止時間(OFF time)計時完畢,進入下一次放電週期。
請再參考圖8,表示本發明自調式放電加工節能方法中可調式低壓放電電源模組進行一調壓步驟的流程圖;當高壓引弧單元2關閉(即高壓引弧開關模組22關閉),且低壓放電單元3於加工時間作動時,可調式低壓放電電源模組33進行一調壓步驟,包括:步驟SA1:放電脈波產生單元4將回授至放電脈波產生單元4之回授的極間電壓Vgap與前次之回授的極間電壓Vgap作比較;步驟SA2:當回授至放電脈波產生單元4之回授的極間電壓Vgap大於前次之回授的極間電壓Vgap時,放電脈波產生單元4傳送出升壓的電壓控制信號至可調式低壓放電電源模組33以進行調升輸出電壓;步驟SA3:當回授至放電脈波產生單元4之回授的極間電壓Vgap等於前次之回授的極間電壓Vgap時,放電脈波產生單元4傳送出一維持的電壓控制信號至可調式低壓放電電源模組33以進行維持輸出電壓;步驟SA4:當回授至放電脈波產生單元4之回授的極間電壓Vgap小於前次之回授的極間電壓Vgap時,放電脈波產生單元4傳送出降壓的電壓控制信號至可調式低壓放電電源模組33以進行調降輸出電壓。
請同時參考圖9及圖10,其中,圖9表示未使用本發明自調式放電加工節能方法時對變動阻抗材料之工件進行放電加工時的放電電壓與電流波形變動示意圖,圖10表示使用本發明自調式放電加工節能方法中可調式低壓放電電源模組調變之波形變動示意圖。
針對具有如PCD、多晶矽等變阻抗材質之工件5進行放電加工時,由於放電電壓隨著加工狀態呈動態的變化,放電電流能量呈不穩定變動,造成表面品質不佳及加工效率低(如圖9所示);因此,在針對變動阻抗材料進行放電加工時,經由高速放電電壓取樣電路,再利用FPGA+DSP進行高速平行運算分析處理後即可得到目前之即時放電波形狀態,依據即時放電波形狀態鑑別之資料,即時迴授調整可調式低壓放電電源模組33,並接續以調變後之低壓放電電源輸出放電能量,並輸入至下一個放電時序內(如圖10所示)。
藉由上述結構及方法,採用高壓引弧、低壓放電的架構,可針對引弧後放電電壓進行偵測,調整低壓電源之放電電壓以精確控制單發放電加工能量,藉此取代傳統的限流電阻功能,達到高效節能之需求的功效。
雖然本發明以相關的較佳實施例進行解釋,但是這並不構成對本發明的限制。應說明的是,本領域的技術人員根據本發明的思想能夠構造出很多其他類似實施例,這些均在本發明的保護範圍之中。
1...自調式放電加工節能電源裝置
2...高壓引弧單元
21...限流元件
22...高壓引弧開關模組
23...高壓引弧電源模組
3...低壓放電單元
31...限流模組
32...低壓放電開關模組
33...可調式低壓放電電源模組
4...放電脈波產生單元
5...工件
6...電極
I1...高壓引弧瞬間電流
I2...電流
P1...被加工位置
P2...加工位置
Va~Vn...直流電源供應器
SWa~SWn...開關元件
Vgap...極間電壓
VH...高壓引弧脈波
VL...低壓放電脈波
VS...電壓控制信號
步驟S1~S4依據本發明的自調式放電加工節能方法
步驟SA1~SA4 依據本發明可調式低壓放電電源模組調壓步驟
D5...二極體
Q1...電晶體
R1...限流電阻
T1...交流功率變壓器
圖1 表示傳統限流電阻式的放電加工電源的電路圖。
圖2 表示本發明自調式放電加工節能電源裝置的結構示意圖。
圖3 表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第一實施例的電路圖。
圖4 表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第二實施例的電路圖。
圖5 表示本發明自調式放電加工節能電源裝置中可調式低壓放電電源模組之一第三實施例的電路圖。
圖6 表示本發明自調式放電加工節能方法的流程圖。
圖7 表示本發明自調式放電加工節能方法之脈波時序圖。
圖8 表示本發明自調式放電加工節能方法中可調式低壓放電電源模組進行一調壓步驟的流程圖。
圖9 表示未使用本發明自調式放電加工節能方法時對變動阻抗材料之工件進行放電加工時的放電電壓與電流波形變動示意圖。
圖10 表示使用本發明自調式放電加工節能方法中可調式低壓放電電源模組調變示意圖。
1...自調式放電加工節能電源裝置
2...高壓引弧單元
21...限流元件
22...高壓引弧開關模組
23...高壓引弧電源模組
3...低壓放電單元
31...限流模組
32...低壓放電開關模組
33...可調式低壓放電電源模組
4...放電脈波產生單元
5...工件
6...電極
I1
...高壓引弧瞬間電流
I2
...電流
P1...被加工位置
P2...加工位置
Vgap...極間電壓
VS...電壓控制信號
Claims (15)
- 一種自調式放電加工節能電源裝置,設置在一放電加工機上,該裝置包含:一工件,設置在一被加工位置;一電極,設置在一加工位置,並相對應於該工件;一高壓引弧單元,該高壓引弧單元耦接該電極的一端,更進一步電性連接一高壓引弧電源模組,用以提供穩定的一高壓直流電壓給該高壓引弧單元,該高壓引弧單元並用以控制一高壓引弧瞬間電流大小及控制高壓引弧電壓輸出與否;一低壓放電單元,該低壓放電單元用以控制該放電加工機於加工時的電流大小及控制該放電加工機的加工時間與休止時間,該低壓放電單元耦接該電極的一端,更進一步電性連接一可調式低壓放電電源模組,以提供穩定的一低壓直流電流給該低壓放電單元,該可調式低壓放電電源模組是由一具有回授控制之切換式電源電路所構成;以及一放電脈波產生單元,擷取該電極與該工件之間的一極間電壓為當作一回授電壓,並根據該回授電壓,提供一高壓引弧脈波至該高壓引弧單元及提供一低壓放電脈波至該低壓放電單元以分別控制其作動。
- 如申請專利範圍第1項所述的自調式放電加工節能電源裝置,其中,該放電脈波產生單元擷取該回授電壓並傳送至該可調式低壓放電電源模組以調整輸出的該低壓直流電壓。
- 如申請專利範圍第2項所述的自調式放電加工節能電源裝置,其中,該可調式低壓放電電源模組為一交流對直流電源轉換器。
- 如申請專利範圍第1項所述的自調式放電加工節能電源裝置,其中,該高壓引弧電源模組為一交流對直流電源轉換器。
- 如申請專利範圍第1項所述的自調式放電加工節能電源裝置,其中,該低壓放電單元包含一限流模組及一低壓放電開關模組,該限流模組與該低壓放電開關模組串聯地電性連接,該限流模組用以控制該放電加工機於加工時的電流大小,該低壓放電開關模組用以控制該放電加工機的加工與休止時間。
- 如申請專利範圍第1項所述的自調式放電加工節能電源裝置,其中,該高壓引弧單元包含一限流元件及一高壓引弧開關模組,該限流元件與該高壓引弧開關模組串聯地電性連接,該限流元件用以控制該高壓引弧瞬間電流大小,該高壓引弧開關模組用以控制高壓引弧電壓輸出與否。
- 一種自調式放電加工節能方法,其步驟包括:一高壓引弧單元及一低壓放電單元同時與一電極電性連接,且該高壓引弧單元遠離該電極係電性連接一高壓引弧電源模組,以提供一高壓直流電壓給該高壓引弧單元,該低壓放電單元遠離該電極係電性連接一可調式低壓放電電源模組,以提供一低壓直流電壓給該低壓放電單元; 該電極對一工件進行放電加工,並將該電極與該工件之間的一極間電壓回授至一放電脈波產生單元;該放電脈波產生單元判斷該回授的極間電壓是否小於一預定電壓;若是,即該工件與該電極之間的一放電通道被導通,該放電脈波產生單元藉由提供一高壓引弧脈波給該高壓引弧單元以控制該高壓引弧單元關閉,該低壓放電單元於一加工時間持續作動,再於一休止時間由該放電脈波產生單元提供一低壓放電脈波給該低壓放電單元,以控制該低壓放電單元關閉;若否,則迴圈到該放電脈波產生單元判斷該回授的極間電壓是否低於該預定電壓之步驟;其中,當該高壓引弧單元關閉,且該低壓放電單元於該加工時間作動時,該可調式低壓放電電源模組進行一調壓步驟,包括:該放電脈波產生單元將回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓與前次的一極間回授電壓作比較;當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓大於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出升壓的該電壓控制信號至該可調式低壓放電電源模組以進行調升輸出電壓;當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓等於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出維持的該電壓控制信號至該可調式低壓放電電源模組以進行維持輸出電壓; 當回授至該放電脈波產生單元的該極間回授電壓小於前次的一極間回授電壓時,該放電派波產生單元傳送出降壓的該電壓控制信號至該可調式低壓放電電源模組以進行調降輸出電壓。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該放電脈波產生單元擷取該回授電壓並傳送一電壓控制信號至該可調式低壓放電電源模組,以調整該低壓直流電壓之大小。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該可調式低壓放電電源模組為一交流對直流電源轉換器。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該高壓引弧電源模組為一交流對直流電源轉換器。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該低壓放電單元包含一限流模組及一低壓放電開關模組,該限流模組與該低壓放電開關模組串聯地電性連接,該限流模組用以控制一放電加工機於加工時的電流大小,該低壓放電開關模組用以控制一放電加工機的加工與休止時間。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該高壓引弧單元包含一限流元件及一高壓引弧開關模組,該限流元件與該高壓引弧開關模組串聯地電性連接,該限流元件用以控制一高壓引弧瞬間電流大小,該高壓引弧開關模組用以控制高壓引弧電壓輸出與 否。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該可調式低壓放電電源模組是由若干相同或不相同電壓之直流電源供應器對應若干開關元件所並聯而成。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該可調式低壓放電電源模組是由一可調變壓器穩壓電路所構成。
- 如申請專利範圍第7項所述的自調式放電加工節能方法,其中,該可調式低壓放電電源模組是由一具有回授控制之切換式電源電路所構成。
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