自动锁螺丝机送料机械手设计【含CAD图纸和说明书】

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Secondly, to analyzing the process of automatic production line for camshaft pump feeding robot,I have determined the coordinates form，the number of freedom and drive mechanismthe of manipulator, identified the main technical parameters of mechanical hand,completed the overall design of automatic line feed pump camshaft mechanical hand. Thirdly,I have completed the structure design of hand, arm and body . Finally, through analysing the movement of mechanical hand,I have completed the design of hydraulic cylinders and the choice of hydraulic components ;I have designed schematic diagram of hydraulic system and the diagram of electrical control to meet the requirements of manipulator's loop movement. Keywords: The mechanical hand, industrial automation, structure design, cylinder 目 录 摘 要 3 Abstract 4 目 录 5 第1章 绪论 7 1.1机械手概述 7 1.2机械手的组成和分类 8 1.2.1机械手的组成 8 1.2.2机械手的分类 9 1.3课题的提出及主要任务 9 1.3.1课题的提出 9 1.3.2课题的主要任务 10 第2章 机械手的设计方案 10 2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围 11 2.2 机械手的手部结构方案设计 11 2.3 机械手的手臂结构方案设计 11 2.4机械手的驱动方案设计 11 2.5 机械手的控制方案设计 11 2.6机械手的主要参数 12 第3章 夹持设计与气缸选型 12 3.1夹持部分设计 12 3.1.1夹持的形状和分类 12 3.1.2设计时考虑的几个问题 12 3.1.3 机械夹选型 14 3.2夹紧气缸的设计 16 3.3气缸选型 18 4 气压系统主要参数 20 4.1气缸和气马达的设计计算 20 4.1.1气缸的设计计算 20 4.1.2 气缸的流量计算 20 4.4.2 气压元件的选择 21 总结与展望 24 参考文献 25 致 谢 26 本科毕业设计 第1章 绪论 1.1机械手概述 机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用. 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 机械手首先从美国开始研制，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。在此基础上美国通过不断改进完善，研制出一系列新的机械手，美国的研制十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。 德国从1970年开始再制造行业应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型的机械手后，便开始大力进行机械手的研究。据报道，1979年从事机械手研究工作的大专院校、研究单位多达50多个；1979年日本机械手的产值达到443亿日元，产量为14535台。使用机械手最多的行业是汽车工业，其次是电机、电器和电子行业。到目前在日本工作的工业机械手已有100万台左右。 目前随着电子计算机和电信设备的不断发展，工业机械手应用也不断扩大，正逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2机械手的组成和分类 1.2.1机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。 图1-1机械手的组成方框图 (一)执行机构 包括手部 、手腕、手臂和立柱、机座等部件，有的还增设行走机构。 (二)驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有气传动、气压传动、电力传动和机械传动。 (三)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。 (四)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制 系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构 以一定的精度达到设定位置。 1.2.2机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: (二)按驱动方式分 机械手可分为气传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。本设计是气传动机械手的设计。 1、 气传动机械手 是以气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几 百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油 的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械 手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是 电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 (三)按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.3课题的提出及主要任务 1.3.1课题的提出 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，自动送锁螺丝机的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 现在的机械手大多采用气传动，气传动存在以下几个优点: (1)气传动能方便地实现无级调速，调速范围大。 (2)在相同功率情况下，气传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。 (3)工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。 (4)便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长。 (5)操纵简单，便于实现自动化。特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环。 （6）气元件易于实现系列化、标准化和通用化。 1.3.2课题的主要任务 本课题将要完成的主要任务如下: 机械手为自动送锁螺丝机，因此它是专用机械手. 查阅相关资料,完成系统总体方案设计及相关气缸和气爪的设计计算和选型; 利用CAD软件完成机械手的装配图和零件图设计; 翻译相关的外文资料并撰写一篇论文。 第2章 机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地搬运工件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，增强专用性，并能实现柔性转换和编程控制。 本次设计的机械手是自动送锁螺丝机专用气动上下料机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。 2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。 2.2 机械手的手部结构方案设计 为了适应自动送锁螺丝机，把机械手的手部结构设计成夹持式手部，可以准确的夹取工件。 2.3 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 2.4机械手的驱动方案设计 由于气传动系统的工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向，因此选用气传动系统。 2.5 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的专用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。 2.6机械手的主要参数 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径约为1300mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为240(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。 定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm 第3章 夹持设计与气缸选型 3.1夹持部分设计 3.1.1夹持的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 3.1.2设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 (四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量 使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭 转力矩最小为佳。 (五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成U型，其结构如附图所示. U型手指 3.1.3 机械夹选型 经过市场分析与比较，选择性价比比较高的产品，选择速易可气动系列的产品速易可气动（上海）有限公司成立于2004年，从事于空油压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以『TONAB』品牌营销国内外市场，产品主要有空气净化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机器人、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 而速易可机械夹有如下种类： 根据使用要求和工作对象，在这里我们选择JB宽口机械夹。 选择JB32120型号的宽口夹 3.2夹紧气缸的设计 本课题气动机械手的手部结构 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以 (3)实际驱动力: 故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则: 所以 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。 2、气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: 式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N - 气缸工作时的总阻力，N - 气缸工作压力，Pa 弹簧反作用按下式计算: Gf = 式中:- 弹簧刚度，N/m - 弹簧预压缩量，m - 活塞行程，m - 弹簧钢丝直径，m - 弹簧平均直径，. - 弹簧有效圈数. - 弹簧材料剪切模量，一般取 在设计中，必须考虑负载率的影响，则: 由以上分析得单向作用气缸的直径: 代入有关数据，可得 所以: 查有关手册圆整，得 由,可得活塞杆直径: 圆整后，取活塞杆直径校核，按公式 有: 其中，[]， 则: 满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 气缸内径，mm - 实验压力，取, Pa 材料为:ZL3,[]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为: 取，则缸筒外径为: 3.3气缸选型 经过比较，参考市场上的气缸类型，选择一种可靠优质的气缸产品的生产商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。 速易可气动（上海）有限公司成立于2004年，从事于空油压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以『TONAB』品牌营销国内外市场，产品主要有空气净化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机器人、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气（油）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。 根据上节计算，在这选择DEG32. 4 气压系统主要参数 4.1气缸和气马达的设计计算 4.1.1气缸的设计计算 1.初定气缸工作压力 气缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素： (1)各类设备的不同特点和使用场合。 (2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高1些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。 所以，气缸的工作压力的选择有两种方式：1是根据机械类型选；二是根据切削负载选。 如表4-1、表4-2所示。 表4-1 按负载选执行文件的工作压力 负载/N ＜5000 500～10000 10000～20000 20000～30000 30000～50000 ＞50000 工作压力/MPa ≤0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ＞5 表4-2 按机械类型选执行文件的工作压力 机械类型 机 床 农业机械 工程机械 磨床 组合机床 龙门刨床 拉床 工作压力/MPa a≤2 3～5 ≤8 8～10 10～16 20～32 4.1.2 气缸的流量计算 气缸的最大流量： qmax=A·vmax (m3/s) （4-8） 式中：A为气缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为气缸的最大速度(m/s)。 气缸的最小流量： qmin=A·vmin(m3/s) 式中：vmin为气缸的最小速度。 气缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满足此要求时，则需重新选定气缸的工作压力，使工作压力低1些，缸的有效工作面积大1些，所需最小流量qmin也大1些，以满足上述要求。 流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。 4.2 气马达的设计计算 1.计算气马达排量 气马达排量根据下式决定： vm=6.28T/Δpmηmin(m3/r) （4-9） 式中：T为气马达的负载力矩(N·m)；Δpm为气马达进出口压力差(N/m3)；ηmin为气马达的机械效率，1般齿轮和柱塞马达取0.3～0.35，叶片马达取0.8～0.3。 2. 计算气马达所需流量气马达的最大流量： qmax=vm·nmax(m3/s) （4-10） 式中：vm为气马达排量(m3/r)；nmax为气马达的最高转速(r/s)。 4.4.2 气压元件的选择 一，气泵的确定与所需功率的计算 1.气泵的确定 (1)确定气泵的最大工作压力。气泵所需工作压力的确定，主要根据气缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的压力损失ΣΔp，即 pB=p1+ΣΔp （4-11） ΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，1般管路简单的节流阀调速系统ΣΔp为(2～5)×105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为(5～15)×105Pa，ΣΔp也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从气元件手册或产品样本中查找，也可参照表4-3选取。 表4-3 常用中、低压各类阀的压力损失(Δpn) 阀名 Δpn(×105Pa) 阀名 Δpn(×105Pa) 阀名 Δpn(×105Pa) 阀名 Δpn(×105Pa) 单向阀 0.3～0.5 背压阀 3～8 行程阀 1.5～2 转阀 1.5～2 换向阀 1.5～3 节流阀 2～3 顺序阀 1.5～3 调速阀 3～5 (2)确定气泵的流量qB。泵的流量qB根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。 ①多气缸同时动作时，气泵的流量要大于同时动作的几个气缸(或马达)所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和气泵磨损后容积效率的下降，即 qB≥K(Σq)max(m3/s) （4-12） 式中：K为系统泄漏系数，1般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；(Σq)max为同时动作的气缸(或马达)的最大总流量(m3/s)。 ②采用差动气缸回路时，气泵所需流量为： qB≥K(A1-A2)vmax(m3/s) 式中：A 1，A 2为分别为气缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m2)；vmax为活塞的最大移动速度(m/s)。 ③当系统使用蓄能器时，气泵流量按系统在1个循环周期中的平均流量选取，即 qB=ViK/Ti （4-13） 式中：Vi为气缸在工作周期中的总耗油量(m3)；Ti为机器的工作周期(s)；Z为气缸的个数。 (3)选择气泵的规格：根据上面所计算的最大压力pB和流量qB，查气元件产品样本，选择与PB和qB相当的气泵的规格型号。 上面所计算的最大压力pB是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力pB应比系统最高压力大25%～60%，使气泵有1定的压力储备。若系统属于高压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。 (4)确定驱动气泵的功率。 ①当气泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为： p=pBqB/103ηB (kW) （4-14） 式中：pB为气泵的最大工作压力(N/m2)；qB为气泵的流量(m3/s)；ηB为气泵的总效率，各种形式气泵的总效率可参考表4-4估取，气泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。 表4-4 气泵的总效率 气泵类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵 总效率 0.6～0.7 0.65～0.80 0.60～0.75 0.80～0.85   ②在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即 p= （4-15） 式中：t1，t2，…，tn为1个工作循环中各阶段所需的时间(s)；P1，P2，…，Pn为1个工作循环中各阶段所需的功率(kW)。 按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算，使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。 25 总结与展望 总结与展望 一、总结 通过对机械手的结构要求和动作行程分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数，完成了机械手的气缸设计和气元件选择，机械手技术是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，机械自动化作为工业发展的一个方向，它有着广阔的市场，属于实际需要去研制的一种项目。通过这次机械手设计让我知道了现代企业在完成自动化控制中离不开PLC的控制，它可以使企业在生产的同时减少劳动力和生产成本。目前我国很多地区的企业整个生产设备还比较落后且大部分工序都是通过人工来完成的，而机械手成本比较低且操作简单很适合中小企业的发展要求。但随着科技不断进步我相信多功能复杂的机械手将会在不久的将来出现，所以在今后的学习和生活中我们还要不段的学习和创新，只有这样才能设计出更符合现代社会所需求的产品。 二、今后研究方向 在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然做得还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富，使我终身受益。 宁波大红鹰学院本科毕业设计 参考文献 [1]何存兴编·气传动与气压传动·华工科技大学出版社·2000.8 [2]黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，1981 [3]东北工学院<<机械零件设计手册>>编写组编·机械零件设计手册·冶金工业出版社·1979.12 [4]东北工学院<<机械零件设计手册>>编写组编·机械零件设计手册·冶金工业出版社·1979.12 [5]周开勤编·机械零件手册·高等教育出版社·1998.3. 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