机构设计5.docx
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机构设计5
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第六章 反求工程及创新设计...1
第一节 概述...1
一、技术引进与反求工程...1
二、反求设计...2
三、反求设计与传统设计...3
四、反求设计与知识产权...3
第二节 反求设计的思路与内容...4
一、宏观分析...4
二、详细分析...5
第三节 反求设计对象类型...7
第四节 计算机辅助反求设计...9
一、计算机辅助实物反求设计...9
二、反求设计与快速成型技术（RP）...11
第五节 反求工程技术的评价...13
第六章 反求工程及创新设计
第一节 概述
一、技术引进与反求工程
技术引进在促进世界各国的科技与社会进步，促进生产力与经济的高速发展方面起了很大的作用。
但光引进还不行，还要对引进技术进行深入的研究、吸收、消化和创新，并在此基础上开发出新的产品，形成技术体系，这一过程就是反求工程（ReverseEngineering）。
引进技术中包括产品的研究开发、生产制造、管理和市场营销等方面的内容，这些内容组成了一个完整的系统，因此，反求工程应对整个系统进行分析和研究。
反求工程是一个将反求思维应用于工程实践的创新过程，是针对消化、吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。
在20世纪中后期，世界各国基于引进技术的反求工程的应用已非常广泛，在经济技术发展中，总结了许多应用反求工程进行技术创新的经验，其中以日本的技术引进与创新最为突出。
在二战结束后，日本在经济上落后欧美国家二三十年。
为恢复和振兴经济，日本在60年代初提出科技立国方针：
“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”。
于是日本在消化、吸收引进技术的基础上，采用移植、组合、改造等方法开发出许多创新产品，并出口创汇，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。
美国人发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。
但日本SONY公司买回晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领国际市场。
日本东洋工业公司1961年从西德引进了一种旋转活塞发动机，经过运转实验后，发现活塞表面产生振纹失效，于是由此研究发明出理想的润滑耐磨材料、密封材料及非破坏检验法（NDI），克服了振纹。
此后，日本的旋转活塞发动机质量超过西德，并畅销全球。
日本战后的“吸收性战略”获得了巨大的成功。
1945~1970年日本用60亿美元引进先进技术，并投资150亿美元进行消化吸收，取得约26000项技术成果。
成功的技术引进使日本节省了约9/10的研究费用和于约2/3的研究时间。
反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。
基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程：
1．应用过程 在生产实践中逐步熟悉产品或设备的操作、使用与维修，使其在生产中发挥作用。
然后，再结合其软件资料，进一步了解它的结构、技术性能、技术特点，尤其是要发现产品、设备的不足之处，做到“知其然”。
2．消化过程 对引进产品、设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、生产管理方法等进行深入研究，用现代的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行计算测定，了解其材料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，特别要找出它的关键技术及不足之处产生的根源，做到“知其所以然”。
3．创新设计过程 在第二个过程的基础上，再进行原理方案设计、技术设计等，但关键是要结合本国国情，博采众家之长，有所创新，开发设计出具有本国特色的新产品，并力争达到国际先进水平，实现技术从输入到输出的转化。
从这个过程来看，基于引进技术的反求工程主要是一个产品的创新设计过程，是一个与传统设计方法相结合的设计过程，因此，从这个意义上看，反求工程又称为反求设计（ReverseDesign）。
二、反求设计
20世纪90年代以后，数字化浪潮推动社会飞速发展，世界范围内的竞争将日趋激烈，尤其是工业领域的竞争更加白热化，企业必须充分吸收和利用现代高新技术成果以增强它们的竞争能力。
同时，现代市场对产品设计的要求也发生了根本的变化，多品种，小批量替代了少品种大批量的传统生产模式，这就导致了要求降低产品、缩短设计和生产周期、提高产品质量。
这些需求导致了产品反求设计（ReverseDesign）方法的广泛应用，使得反求设计方法出现了一些新的特征。
在现代产品更新极快的时代，许多新产品都从已有的产品脱胎而来，这些新产品与老产品之间差别不是太大，对其的设计往往只需将已有的产品设计方案作局部的改动。
因此，在进行产品设计时，应用这种设计方法与完全从草图开始设计的方法相比，设计周期会大大缩短，风险也会大大降低，设计费用也会大大减少。
基于此，反求设计方法在新阶段的基本设计思想是：
分析已有的产品或设计方案，明确产品的各个组成部分并作适当的分解，明确产品不同部件之间的内在的联系，包括功能联系，组装联系等；然后在更高的，更加抽象的设计层次上获取产品模型的表示方法；最后从功能、原理、布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再设计。
总而言之，反求设计是一种以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发同类创新产品的设计。
反求设计方法在与传统设计方法相结合的同时，还与计算机辅助测量技术、CAD技术等紧密地联系在一起。
反求设计中往往会遇到一些复杂的零部件，一般不能直接建立CAD模型，必须借助于先进的计算机辅助测量技术来获取零部件的数据，并经过计算机处理之后，进行CAD建模，然后在此基础上进行创新设计。
快速成型技术的发展，同样也使反求设计方法的应用前景更加广阔。
由于快速成型材料的价格低廉，以及生产快速成型产品的软硬件设备越来越完善，设计人员可以用易成型材料先制造一个产品的缩小或放大的实物模型，然后评价、决定该模型是否满足生产要求，如果不行，则返回到CAD模型继续修改（创新过程），直到满意为止，最后设计人员对真实模型进行反求创新设计，即可得到实际尺寸的产品的精确设计方案。
三、反求设计与传统设计
如图6-1a所示，传统设计是通过工程师的创造性劳动，将一个事先并不知道的事物变为人类需求的喜爱的产品。
为此，工程师首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，再进行功能设计，创造新方案，在经过一系列的设计活动之后，得到预期的新产品。
概括地说，传统设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，回答的是“怎么做？
”的问题。
反求设计则是从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。
如图6-1b所示为反求设计过程示意图，回答的是“为什么要这样做?
”的问题。
传统设计过程是一个主动的创造性活动，而反求设计过程则是一种高起点的、先被动后主动的创造性活动。
一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要在吃透、消化原设计的基础上设计出更强竞争力的创新产品，别有一番难度。
故反求设计并非传统设计的简单逆过程。
图6-1 反求设计与传统设计之比较
a）传统设计过程 b）反求设计过程
四、反求设计与知识产权
科学技术的发展与知识产权的保护密切相关，只有任何一项新技术、新产品都应该受到有关保护法（如专利法、知识产权法等）的法律保护，才能引导正常的市场竞争和贸易。
保护知识产权是国际性的共同行为规范。
那么，反求设计是否有侵犯知识产权的嫌疑呢？
反求技术的发展基础是仿制技术，但近年来反求技术的内涵已有了很大的发展，因此反求技术并不同于仿制技术。
实物仿制的着眼点在于制造出和原有实物相同的产品，而反求设计的着眼点在于对原有实物进行修改和再设计后而制造出新的产品。
反求设计强调在剖析先进产品时，要吃透原设计，找出原设计中的“绝招”、“诀窍”和关键技术，尤其要找出原设计中的缺陷；然后在再设计中突破原设计的局限，在较高的起点上、以较短的时间设计出竞争力更强的创新产品。
因此反求设计避免了“侵权”的法律问题，而且满足了现代社会的实际需求。
第二节
反求设计的思路与内容
反求设计分为两个阶段：
反求分析阶段与再设计阶段
反求分析阶段：
包括宏观分析和详细分析，通过对原有产品的剖析、寻找原产品的技术缺陷、吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。
再设计阶段：
是一个创新设计阶段，包括变异设计和开发设计。
在对原产品进行反求分析的基础上，开发出符合市场需求的新产品的过程，称为“再设计”。
变异设计就是在现有的产品基础上对参数、机构、结构、材料等改进设计，或进行产品的系列化设计。
开发设计就是在分析原有的产品基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计。
反求设计的过程如图6-2所示。
图6-2 反求设计过程
一、宏观分析
机电产品作为一个系统（如图6-3所示），在对它作分析时就应该以该系统整体效益为目标，以寻求解决特定问题的最优策略为重点，运用定性和定量分析方法，最终获得反求设计对象的最佳切入点。
因此，在对反求对象作分析时应注意下面几个方面：
1．系统整体性 系统中的各个分系统，都具有其特定的功能和目标，只有各系统协调一致，才能达到系统的整体目标。
如果只研究改善某些局部问题，而忽略其他分系统的影响，将可能影响整个系统的整体效益。
2．针对性 系统分析应有针对性，寻求解决特定问题的最优方案。
3．定量性 解决问题，不应单凭主观臆断、经验和直觉。
在许多复杂情况下，必须以相对可靠的数字资料为分析依据，保证结果的客观性。
机电产品系统是以一定技术手段来实现社会特定需求的技术系统。
技术系统相当于一个转换装置，将输入量转换为输出量。
输入量和输出量一般表现为能量、物料和信息三种形式。
那么这三种形式在系统中如何变化是在对反求对象进行宏观分析时必须搞清楚的。
结合到反求对象在生产实践的操作、使用与维修情况，分析它的结构、技术性能、技术特点，尤其是要发现产品、设备的不足之处。
比如，能量方面：
产品中能量如何传递、测试的效率怎样、动力源是否可用其它动力替代等；物料方面：
零部件的形状、材料、性态等对系统的影响；信息控制方面：
机器系统操作是否方便，结合到有关测量数据判断控制系统是否灵敏等。
图6-3 机电产品系统
在宏观分析时，除了要考虑机器系统内部联系，还要分析系统与周围环境的密切联系。
与技术系统发生相互作用和联系的全部外部条件的总和，称为环境，主要是指与分析对象有直接关系的事物。
环境与系统之间的相互约束条件有：
生产条件的约束：
生产设备、生产工艺、人员技能等；
经济条件约束：
开发成本、销售价格等；
使用环境的约束：
工作环境的温度、湿度，空气尘埃等；
产品系统对环境的影响：
机械系统的振动、噪声、粉尘、污水等；
被加工对象的变化对系统的影响：
比如被加工对象化学成分的细微变化等。
反求设计中的宏观分析将为后续的产品分析、设计确定切入点，为关键技术的研究、设计指明方向。
比如，某企业计划开发新一代的包装机械。
那么企业设计工程师就必须对现有产品进行宏观分析，现有产品就包括他们自有的产品和国际最先进的包装机械产品，掌握该类产品的国际发展趋势。
分析之后，他们认为包装机械行业将向机电化、智能化、自动化控制方向发展。
因此确定了以包装工业中急需的量大面广的成套技术装备为重点，增加品种；以微电子和计算机技术为先导，促进机械技术和电子技术的结合，推动包装装备机电一体化，进而向包装机械智能化迈进的产品开发方向。
二、详细分析
根据宏观分析提出的研究方向，对产品的设计、加工、使用的寿命等内容逐项深入研究，掌握产品的功能原理、参数、尺寸、材料和结构，特别是对关键技术的研究及发现现有产品中存在的问题。
一般在实践实践中，可从下面各方面来进行分析。
1．产品设计的指导思想分析
了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提。
不同时期的产品在设计指导思想方面是不同的，并与社会的发展及科技发展水平密切相关。
比如在早期人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成本方面开发产品，但随着社会的发展，人民生活水平的提高，在保证功能的前提下，产品的精美造型、工作生活的舒适性等方面上升为主要矛盾：
冰箱要求能美化人们家居生活或能满足人们的健康需求，计算机键盘、鼠标必须使操作人员手位舒适，汽车座椅设计能够缓解驾驶员的疲劳等。
又比如，为贯彻可持续发展战略，满足人们产品的节能、保护环境等要求，工程师们提出了绿色设计的指导思想。
绿色设计（GreenDesign）就是从产品的设计、加工、装配、使用、报废整个生命周期充分考虑产品的环境属性（可回收性、可拆卸性、可维修性、重复利用性等），防止影响环境的噪声或废弃物产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时以最高附加值回收并重复利用。
从绿色设计的指导思想出发，许多产品在选择材料时注意选择无毒、无污染、废弃物排放量小的材料（避免含铅、镍、汞等）并减少材料种类。
IBM计算机中所有塑料制品都采用同样的材料，并压有识别标志，便于回收；用精模压铸保持表面精度；采用弹性联接结构，替代金属铰链；为此，材料和零件成本大大降低。
无氟冰箱、无烟抽油烟机也是应健康、环保要求而生。
在另外一些场合，降低噪声变得非常重要，成了产品设计中的主要矛盾。
比如，家庭用空调，降低噪声始终都是人们的追求；又比如某公司开发的低噪声电机，其中消噪器在机壳内测定并产生音频，与电机产生的噪声相位差180°而将其部分抵消，可减少约50%的噪声。
它用于炉灶排风扇上，提高效率37%，噪声下降15dB。
2．原理方案分析
各种产品是针对其功能要求进行设计的，而实现相同功能的原理方案上多种多样的。
了解现有原理方案的工作原理和机构组成，探索其构思过程和特点，变异出许多实现同样功能新的原理解法，并在此基础上进行优化。
对于一些产品，工作原理是该产品的关键技术，可参见前面有关章节。
3．零、部件结构分析
正如前面章节所述，结构设计不仅仅是原理方案的具体化过程，还必须要考虑许多细节，而细节的总和就是质量。
因此，零、部件结构分析时除了要考虑提高产品性能（提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等），还要考虑工艺、装配、美观、成本、安全、环保等诸多方面的要求和限制。
具体可参见前面有关章节。
4．零、部件形体尺寸分析
不同的反求对象，零、部件尺寸分析方法有所不同。
对于实物或图纸，测量分析零部件形体尺寸；对于照片、图像，可通过透视法求得尺寸之间的比例，再按参照物确定各尺寸。
对于具有复杂曲线曲面的零件，则要采用一些先进的测绘手段及测绘仪器（比如三坐标测量机）方可实现。
5．精度分析
精度是衡量反求对象性能的重要指标之一，也直接影响产品的成本。
零件尺寸易于获得，但尺寸精度却难以确定，这也是反求设计中的难点之一。
合理分析设计零件精度及其分配关系，对提高产品的装配精度、机械性能，降低产品成本至关重要。
6．材料分析
机械零件材料及热处理方法的选择将直接影响零件的强度、刚度、寿命、可靠性等性能指标。
因此在一些产品中材料及热处理方式的选择显得非常重要，并可能成为该产品的关键技术。
一般采用表面观测、化学分析、金相检验等方式确定材料的化学成分、组织结构和表面处理情况，并通过物理试验测定材料的各种物理性能和主要的力学性能，确定材料牌号及热处理方式。
有时需通过材料分析进行材料代用，代用的原则是首先满足力学、物理性能，其次满足化学成分的要求，并参照其他同类产品，确定代用材料的牌号及技术条件。
比如，1983年，中原油田从美国引进英格索兰公司的注水泵，用于高压注水。
使用中发现，材料为42CrMo的泵头在水压大于36MPa工作时寿命急剧下降，发生开裂失效。
经分析是由于油田污水腐蚀引起裂纹所致。
于是从强度、耐腐蚀性和韧性三方面综合考虑，用耐腐蚀、高强度的低碳马氏体不锈钢OCr13Ni6Mo作为泵体材料，解决了高压注水泵的关键问题。
7．工艺分析
许多先进设备的关键技术是先进的工艺，分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。
在此基础上改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。
8．外观造型分析
在市场经济条件下，产品的外观造型在商品竞争中起着重要的作用。
在对产品作观造型分析时，应从产品的美学原则、用户的需求心理及商品价值等角度来分析。
比如，美学原理包括合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡、稳定与轻巧、统一与变化、节奏与韵律等。
此外，色彩也能美化产品并引起感情效果。
对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析，有利于了解它的设计风格。
9．工作性能分析
运用各种测试手段，仔细分析产品的运动特性、动力特性、工作特性等，掌握原产品的设计方法和设计规范，并提出改进措施。
比如，某机床厂与法国Vernier公司合作，开发生产DB420型工作台不升降铣键床。
在测试了原铣键床的部件几何精度，机床静刚度，主传动效率，主轴部件热变形、温升，并进行切削振动，激振，噪声等试验之后，抓住了刚度和热变形的主要矛盾。
主要矛盾的解决，使新产品工作性能得到了很大改善。
10．其他
对产品的管理、使用、维护、包装技术等的分析也很重要。
管理的好坏直接影响产品效能的发挥。
比如，分析了解重要零、部件及易损零、部件就有助于产品的维修、改进设计和创新设计。
第三节 反求设计对象类型
从工程技术角度看，根据反求对象的不同，反求设计可分为实物反求、软件反求和影像反求三类。
（一）实物反求
顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，再创造出新产品的过程。
其中包括功能、性能、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。
实物反求对象可以是整机、部件组件和零件。
通常实物反求的对象大多是比较先进的设备、产品，包括从国外引进的先进设备、产品和国内的先进产品。
实物反求应用于技术引进的硬件模式中，是以扩大生产能力为主要目的，在此基础之上，开发创新新的产品。
实物反求设计有如下特点：
1）具有形象直观的实物；
2）可对产品的性能、功能、材料等直接进行测试分析，获得详细的产品技术资料；
3）可对产品各组成部分的尺寸直接进行测试分析，获得产品的尺寸参数；
4）起点高，缩短了产品的开发周期；
5）实物样品与新产品之间有可比性，有利于提高新产品开发的质量。
实物反求设计一般要经历如图6-4所示的过程。
图6-4 实物反求设计的一般过程
由该设计过程可以看出，实物反求设计的创新性可以体现在产品设计中的许多方面：
设计思想、方案选择、零部件结构设计、尺寸公差设计、材料选择、工艺设计等都有设计师发挥创造的空间。
（二）软件反求
产品样本、产品标准、设计说明书、使用说明书、产品图纸、操作与管理规范和质量保证手册等技术资料文件均称为技术软件。
依据这些技术软件，设计新产品的过程，称为软件反求。
与实物反求相比，软件反求应用于技术引进的软件模式中，以增强国家“创新能力”为目的，具有更高层次，
通过软件反求一般可知产品的功能、原理方案和结构组成，若有产品图纸则还可以详细了解零件的材料、尺寸、精度。
软件反求设计具有以下特点：
1）抽象性 技术软件不是实物，只是一些抽象的文字、公式、数据、图纸等，需要发挥人们的想象力。
因此，软件反求是一个处理抽象信息的过程。
2）科学性 软件反求要求人们从各种技术信息中，去伪存真，从低级到高级，逐步探索、反求出设计对象的技术奥秘，获取可为我所用的技术信息。
3）技术性 软件反求大部分工作是一个分析、计算的逻辑思维过程，也是一个从抽象思维到形象思维的不断反复的过程，因此，软件反求具有高度的技术性。
4）综合性 软件反求要求综合运用决策理论、模糊理论、相似理论、计算机技术等多门学科的饿知识，是一门综合性很强的技术。
5）创造性 软件反求还是一个创造、创新的过程。
软件反求设计应充分发挥人的创造性及集体的智慧，大胆开发，大胆创新。
软件反求的一般过程：
1）必要性论证，包括对引进对象作市场调研及技术先进性、可操作性论证等；
2）软件反求成功的可能性论证，并非所有技术软件都能反求成功；
3）原理、方案、技术条件反求设计；
4）零、部件结构、工艺反求设计；
5）产品的使用、维护、管理反求；
6）产品综合性能测定及评价。
（三）影像反求
既无实物，又无技术软件，仅有产品照片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，设计信息最少，基于这些信息来构思、想象开发新产品，称为影像反求，这是反求对象中难度最大的并最赋有创新性的反求设计。
影像反求本身就是创新过程。
影像反求目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构，并要求设计者具有较丰富的设计实践经验。
在进行影像反求时，可从下面一些方面来考虑。
1）可从影像资料得到获得一些新产品设计概念，并进行创新设计。
某研究所从国外一些给水设备的照片，看到喷灌给水的前景，并受照片上有关产品的启发，开发出一种经济实用、性能良好的喷灌给水栓系列产品。
2）结合到影像信息，可根据产品的工作要求分析其功能和原理方案。
如从执行系统的动作和原动机情况分析传动系统的功能和组成机构。
国外某杂志介绍一种结构小巧的“省力扳手”增力十几倍，这种扳手适用于妇女、少年给汽车换胎、拧螺母。
根据其照片输出输入轴同轴及圆盘形外廓，分析它采用了行星轮系，以大传动比减速增矩。
在此基础上设计的省力扳手，效果很好。
3）根据影像信息、外部已知信息、参照功能和工作原理进行推理，分析产品的结构和材料。
比如可通过判断材料种类，通过传动系统的外形判断传动类型。
4）为了较准确地得到产品形体的尺寸，需要根据影像信息，采用透视图原理求出各尺寸之间的比例，然后用参照物对比法确定其中某些尺寸，通过比例求得物体的全部尺寸。
参照物可为已知尺寸的人、物或景。
如图片中产品旁边有操作工人，根据人平均身高约1.7m，可按比例求得设备其他尺寸。
日本专家曾依据大庆油田炼油塔的一张照片估算出炼油塔的容积和生产规模，其参照物是油塔上的金属爬梯。
一般高大建筑物金属爬梯宽为400~600mm，高约为n×300（n为台阶数）。
参照爬梯估算出炼油塔的高度和直径，就很容易计算出容积。
5）可借助计算机图像处理技术来处理影像信息。
可利用摄像机将照片中的图像信息输入计算机，经过处理得到三维CAD实体模型及其相关尺寸。
第四节 计算机辅助反求设计
随着计算机技术的飞速发展，在反求设计中应用计算机辅助技术可大大缩短新产品开发周期。
在实物反求设计中，尤其是象一些汽车覆盖件、叶片等自由曲面零件，计算机辅助设计已具有广泛的应用。
一、计算机辅助实物反求设计
计算机辅助实物反求首先要对实物进行参数、形体测量，然后计算机根据测量数据重构出实物的CAD模型。
具体过程如下：
1）对象数字化（objectdigitization）：
指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。
对象数字化是实物反求设计中最基本的、必不可少的步骤，通常采用三坐标测量机、三维激光扫描仪、三维数字化仪、物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据。
当得到了较完整的采样数据以后，可通过三维图形处理技术将采样数据以三维图形的方式显示出来，得到直观简略的产品结构外形。
此外还需要对测量数据作些编辑处理，比如删除噪声点、增加必要的补偿点，数据分割、压缩等。
2）对象的模型重构（objectmodeling）：
指根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化
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