一种面向机械加工过程的刀具选配方法
阅读：727发布：2022-03-19
专利汇可以提供一种面向机械加工过程的刀具选配方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种面向 机械加工 过程的刀具选配方法，依据待加工零件的不同特征，逐步缩小待选配刀具的可选范围，得到若干满足零件加工要求的待选刀具，再通过计算 碳 排放量 来选择最终的刀具。该选配方法的步骤调理清晰、层次明确，能够降低刀具选配的复杂度，提高刀具选配的推理效率和准确性。本发明中将机械加工过程的碳排放量计算引入到刀具选配方案评价中作为待选刀具最终的选择标准，一方面使最终的选配出的刀具方案更加贴近实际生产要求，保证了选配结果的实用性；另一方面在一定程度上实现了对车间制造系统 能量 消耗的管控和对加工过程碳排放量的管控，提高了整个系统的绿色化程度，为实现机械加工过程中的高效选刀与节能减排提供了借鉴。，下面是一种面向机械加工过程的刀具选配方法专利的具体信息内容。
1. 一种面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据待加工零件的加工特征选择匹配的机床类型和刀具类型； 2) 根据待加工零件的材料类型，在步骤1)选择出的刀具类型中，选出若干种材料的刀 具，使选择出的刀具满足待加工零件的加工要求； 3) 根据步骤1)选择出的机床类型中机床的主轴，在步骤2)选择出的刀具中，选出若干 个刀柄与机床主轴相配合的刀具； 4) 根据待加工零件的待加工特征的具体几何参数，在步骤3)选择出的刀具中，选出若 干个属性的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的具体几何参数要求； 5) 根据待加工零件的待加工特征的加工精度，在步骤4)选择出的刀具中，选出若干个 加工精度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的加工精度要求； 6) 根据待加工零件的待加工特征的表面粗糙度，在步骤5)选择出的刀具中，选出若干 个加工粗糙度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的表面粗糙度要求， 得到若干个待选刀具； 7) 计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量，选择碳排放量最低的待选刀具作为最终 选择出的刀具。
2. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤1)的具体操作为： 当加工零件为平面类零件或非回转体曲面类零件，且加工特征为平面、台阶、键槽、沟 槽、切断、内外曲线型面、镗孔、外齿轮、螺纹或花键轴时，选择铣床，刀具选择铣刀； 当加工零件为具有回转表面的工件时，且加工特征为端面、内外圆柱面、内外圆锥面、 螺纹、沟槽、端面或成形面时，选择车床，刀具为车刀； 当加工特征为水平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、T形槽、V形槽、孔、齿 轮或齿条时，选择刨床，刀具为刨刀； 当加工特征为通孔、盲孔或螺纹时，选择钻床，刀具为钻刀； 当加工特征为要求扩大孔径、提高精度、降低表面粗糙度或位置纠偏的孔时，选择镗 床，刀具为镗刀； 当加工特征为内外柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓线或螺旋面时，选择磨床，刀具为砂 轮； 当加工特征为孔眼或键槽时，选择拉床，刀具为拉刀。
3. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤2)的具体操作为： 当加工零件的材料为软金属时，选择高碳钢材料的刀具； 当加工零件的材料为钢、铸铁、有色金属及其合金时，选择硬质合金材料、陶瓷材料或 _速钢材料的刀具； 当加工零件的材料为铁族合金、镍基合金、钴基合金、淬硬钢、冷硬铸铁、高速切削高温 合金、热喷涂材料或硬质合金时，选择氮化硼材料的刀具； 当加工零件的材料为硬质合金、陶瓷或高硅铝合金时，选择金刚石材料的刀具； 当加工零件的材料为钢材时，选择P类烧结碳化材料的刀具； 当加工零件的材料为石材或铸铁时，选择K类烧结碳化材料的刀具； 当加工零件的材料为冷硬合金铸铁、耐热合金钢、普通铸铁或软钢时，选择钨钴合金材 料的刀具； 当加工零件的材料为韧性金属材料时，选择钨钛钻合金材料的刀具； 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢或高锰钢时，选择钨钴钛铌合金材料的刀具； 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃或陶瓷时，选择 钨钴铌类合金材料的刀具。
4. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤3)的具体操作为： 当机床主轴结接口为长锥形时，根据机床主轴接口的锥度，选择对应锥度的BT系列锥 形刀柄的刀具； 当机床主轴的接口为短锥形，并有豁口或紧定螺钉时，选择HSK系列刀柄的刀具； 当机床主轴的接口为圆柱形时，选择ST系列刀柄的刀具。
5. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤4)的具体操作为： 当加工零件的待加工特征为端面槽时，选择最大切深大于端面槽深度的刀具； 当加工零件的待加工特征为孔，选择加工直径与待加工孔直径相一致的铰刀或镗刀； 当加工零件的待加工特征为平面，根据平面的尺寸大小选择尺寸参数合适的铣刀； 当加工零件的待加工特征为加工圆柱面和台阶面时，选择W形车刀； 当加工零件的待加工特征为外圆、端面或台阶孔时，选择C形车刀； 当加工零件的待加工特征为通孔时，选择S形车刀； 当加工零件的待加工特征为盲孔或台阶孔时，选择T形车刀； 当加工零件的待加工特征为圆弧面时，选择R形车刀； 当加工零件的待加工特征为内孔的台阶孔或进行清根时，选择D形车刀。
6. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤5)的具体操作为：选择加工精度等级不低于零件要求的加工精度等级的刀具。
7. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤6)的具体操作为：选择加工粗糙度等级不低于零件要求的粗糙度等级的刀具。
8. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤7)中根据式（7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量 ：
其中：Cp为机械加工过程的碳排放量，Pu(1为最低空载功率，VA2为主轴转速系数，V。为 切削速度，屯为回转直径，Tp为加工总工时，asp为切削深度，f为进给量，F。为切削力，为 与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，为与工件材料和刀具材料有 关的系数，^为指数，tm为切削时间，Tt为刀具总寿命，Wt为刀具质量。
-种面向机械加工过程的刀具选配方法
技术领域
[0001] 本发明属于先进制造与自动化技术领域，涉及一种面向机械加工过程的刀具选配 方法。
背景技术
[0002] 随着我国装备制造业的高速发展，已经成为了国民经济的支柱产业，但是与此同 时消耗了大量的社会资源，并且成为当前环境污染问题的主要根源，是节能减排的重要对 象。为使产品在加工过程中尽可能的节省资源、降低能耗、减少对环境的负面影响，企业对 生产过程中的节能减排越来越重视，因此加工过程的环境影响问题（如碳排放问题）就显 得愈来愈重要。现代机械加工过程中，刀具已经成为了整个制造系统不可忽视的重要组成 部分，它不仅是影响加工质量、成本、生产率的重要因素，同时也关系到整个加工过程中的 能量消耗。因此对刀具使用方案进行合理的制定，不仅是保证机械加工顺利进行的关键手 段，同时也是提高制造系统绿色化程度的有效途径。因此，非常有必要去探究一套新型的刀 具选配方法。
[0003] 在传统的面向制造车间的刀具选配专家系统中，由于缺乏较为合理的刀具选配知 识描述方法且没有考虑面向绿色制造模式的方案评价体系，致使在机械加工过程的刀具选 配过程中出现如下问题：
[0004] 1)刀具选配问题涉及生产资源及加工工艺诸多内容，随着企业加工装备与产品种 类的增多，这部分信息量将会越来越大，之间的关系也越来越复杂，传统的基于产生式推理 规则的专家系统难以发觉信息及规则之间蕴含的内在联系，导致推选效率降低。
[0005] 2)刀具选配过程中，由于缺少对环境影响因素的考虑，从而使整个机械加工过程 的能量消耗不能得到很好的管控，导致选配方案脱离实际生产，缺乏实用性。
[0006] 由于以上两个问题的存在，伴随着制造信息量的增加以及新型制造模式的出现， 传统的刀具选配方法已不能满足现实生产的要求，刀具选配过程已经成了影响与制约机械 加工顺利进行的瓶颈问题。
[0007] 本体论（Ontology)源于哲学范畴，通过对客观世界的事物进行分解，发现其基本 组成部分，从而揭示事物存在的本质及规律，使抽象的事物具体化，是系统化、规范化描述 客观事物的一种方法。本体方法不仅可以用于准确的进行概念含义及概念之间关系的描 述，还可以通过逻辑推理去获得概念、规则内在的联系，具有非常强的概念表达和知识获取 的能力。本体定义的概念能够实现基于规则的推理，并在规则库基础上实现自学习。本体 知识管理还可以支持对隐性知识进行推理，方便异构知识之间实现互操作，方便融入领域 专家知识及实现经验知识结构化等，可以极大的弥补传统方法的不足。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种面向机械加工过程的刀具选配方法，能够减少机械加 工过程的碳排放量，保证选配结果的实用性。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0010] 一种面向机械加工过程的刀具选配方法，包括以下步骤：
[0011] 1)根据待加工零件的加工特征选择匹配的机床类型和刀具类型；
[0012] 2)根据待加工零件的材料类型，在步骤1)选择出的刀具类型中，选出若干种材料 的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的加工要求；
[0013] 3)根据步骤1)选择出的机床类型中机床的主轴，在步骤2)选择出的刀具中，选出 若干个刀柄与机床主轴相配合的刀具；
[0014] 4)根据待加工零件的待加工特征的具体几何参数，在步骤3)选择出的刀具中， 选出若干个属性的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的具体几何参数要 求；
[0015] 5)根据待加工零件的待加工特征的加工精度，在步骤4)选择出的刀具中，选出若 干个加工精度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的加工精度要求；
[0016] 6)根据待加工零件的待加工特征的表面粗糙度，在步骤5)选择出的刀具中，选出 若干个加工粗糙度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的表面粗糙度要 求，得到若干个待选刀具；
[0017] 7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量，选择碳排放量最低的待选刀具作为 最终选择出的刀具。
[0018] 所述的步骤1)的具体操作为：
[0022] 当加工特征为通孔、盲孔或螺纹时，选择钻床，刀具为钻刀；
[0024] 当加工特征为内外柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓线或螺旋面时，选择磨床，刀具 为砂轮；
[0025] 当加工特征为孔眼或键槽时，选择拉床，刀具为拉刀。
[0026]所述的步骤2)的具体操作为：
[0031] 当加工零件的材料为钢材时，选择P类烧结碳化材料的刀具；
[0032] 当加工零件的材料为石材或铸铁时，选择K类烧结碳化材料的刀具；
[0034]当加工零件的材料为韧性金属材料时，选择钨钛钻合金材料的刀具；
[0036] 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃或陶瓷时， 选择钨钴铌类合金材料的刀具。
[0037] 所述的步骤3)的具体操作为：
[0039] 当机床主轴的接口为短锥形，并有豁口或紧定螺钉时，选择HSK系列刀柄的刀具；
[0040] 当机床主轴的接口为圆柱形时，选择ST系列刀柄的刀具。
[0041] 所述的步骤4)的具体操作为：
[0042] 当加工零件的待加工特征为端面槽时，选择最大切深大于端面槽深度的刀具；
[0043] 当加工零件的待加工特征为孔，选择加工直径与待加工孔直径相一致的铰刀或镗 刀；
[0044] 当加工零件的待加工特征为平面，根据平面的尺寸大小选择尺寸参数合适的铣 刀；
[0045] 当加工零件的待加工特征为加工圆柱面和台阶面时，选择W形车刀；
[0046] 当加工零件的待加工特征为外圆、端面或台阶孔时，选择C形车刀；
[0047] 当加工零件的待加工特征为通孔时，选择S形车刀；
[0048] 当加工零件的待加工特征为盲孔或台阶孔时，选择T形车刀；
[0049] 当加工零件的待加工特征为圆弧面时，选择R形车刀；
[0050] 当加工零件的待加工特征为内孔的台阶孔或进行清根时，选择D形车刀。
[0051] 所述的步骤5)的具体操作为：选择加工精度等级不低于零件要求的加工精度等 级的刀具。
[0052] 所述的步骤6)的具体操作为：选择加工粗糙度等级不低于零件要求的粗糙度等 级的刀具。
[0053] 所述的步骤7)中根据式（7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量：
[0054]
[0055] 其中：Cp为机械加工过程的碳排放量，Pu(l为最低空载功率，ApA2为主轴转速系数， V。为切削速度，士为回转直径，Tp为加工总工时，asp为切削深度，f为进给量，F。为切削力， 为与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，为与工件材料和刀具材 料有关的系数，^、•^、乂为指数，tm为切削时间，Tt为刀具总寿命，Wt为刀具质量。
[0056] 本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0057] 本发明提供的面向机械加工过程的刀具选配方法，依据待加工零件的不同特征， 逐步缩小待选配刀具的可选范围，最终得到若干满足零件加工要求的待选刀具，再通过计 算待选刀具的碳排放量来选择最终的刀具。该选配方法的步骤调理清晰、层次明确，能够降 低刀具选配的复杂度，提高刀具选配的推理效率和准确性。本发明中将机械加工过程的碳 排放量计算引入到刀具选配方案评价中来，作为待选刀具最终的选择标准，一方面，使最终 的选配出的刀具方案更加贴近实际生产要求，保证了选配结果的实用性；另一方面，也在一 定程度上实现了对车间制造系统能量消耗的管控和对加工过程碳排放量的管控，提高了整 个系统的绿色化程度，最终实现为整个机械加工过程提供合理刀具的目标，为实现机械加 工过程中的高效选刀与节能减排提供了借鉴。附图说明
[0058] 图1是本发明的具体操作流程图；
[0061] 图4是机械加工刀具选配领域知识体系框架图；
[0062] 图5是刀具选配本体模型图；
[0063] 图6是加工特征与刀具的匹配模型图；
[0064] 图7是机械加工过程碳排放构成图；
[0065] 图8是案例特征/[目息图。
具体实施方式
[0066] 下面结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细说明。
[0067] 参见图1，本发明提供的面向机械加工过程的刀具选配方法，包括以下步骤：
[0068] 1)根据待加工零件的加工特征选择匹配的机床类型和刀具类型；
[0069] 2)根据待加工零件的材料类型，在步骤1)选择出的刀具类型中，选出若干种材料 的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的加工要求；
[0070] 3)根据步骤1)选择出的机床类型中机床的主轴，在步骤2)选择出的刀具中，选出 若干个刀柄与机床主轴相配合的刀具；
[0071] 4)根据待加工零件的待加工特征的具体几何参数，在步骤3)选择出的刀具中， 选出若干个属性的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的具体几何参数要 求；
[0072] 5)根据待加工零件的待加工特征的加工精度，在步骤4)选择出的刀具中，选出若 干个加工精度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的加工精度要求；
[0073] 6)根据待加工零件的待加工特征的表面粗糙度，在步骤5)选择出的刀具中，选出 若干个加工粗糙度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的表面粗糙度要 求，得到若干个待选刀具；
[0074] 7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量，选择碳排放量最低的待选刀具作为 最终选择出的刀具。
[0075] 所述的步骤1)的具体操作为：
[0076] 当加工零件为平面类零件或非回转体曲面类零件，且加工特征为平面、台阶、键 槽、沟槽、切断、内外曲线型面、镗孔、外齿轮、螺纹和花键轴等时，选择铣床，刀具选择铣 刀；
[0077] 当加工零件为轴、盘、套和其他具有回转表面的工件时，且加工特征为端面、内外 圆柱面、内外圆锥面、螺纹、沟槽、端面和成形面等时，选择车床，刀具为车刀；
[0078] 当加工特征为水平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、T形槽、V形槽、 孔、齿轮和齿条等时，选择刨床，刀具为刨刀；
[0079] 当加工特征为孔（通孔、盲孔）、螺纹等时，选择钻床，刀具为钻刀；
[0080] 当加工特征为孔（常常为已铸、锻、钻的，需要进一步扩大孔径、提高精度、降低表 面粗糙度以及孔位置的纠偏的孔），选择镗床，刀具为镗刀；
[0081] 当加工特征为内外柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓线、螺旋面以及各种成形表面 (为了获得更高的精度和更低的粗糙度）时，选择磨床，刀具为砂轮；
[0082] 当加工特征为孔眼、键槽时，选择拉床，刀具为拉刀。
[0083] 当加工特征为平面时，可根据具体情况，选择铣床、刨床或磨床。
[0084] 所述的步骤2)的具体操作为：
[0086] 当加工零件的材料为钢、铸铁、有色金属及其合金时，选择硬质合金材料、陶瓷材 料、高速钢材料的刀具；
[0087] 当加工零件的材料为坚硬、耐磨的铁族合金、镍基合金、钴基合金、淬硬钢、冷硬铸 铁、高速切削高温合金、热喷涂材料、硬质合金和其它难加工材料时，选择氮化硼材料的刀 亘. V N9
[0088] 当加工零件的材料为硬质合金、陶瓷、高娃错合金等高硬度、高耐磨材料时，选择 金刚石材料的刀具；
[0089] 当加工零件的材料为钢材时，选择P类烧结碳化材料的刀具；
[0090] 当加工零件的材料为石材、铸铁等脆硬材料时，选择K类烧结碳化材料的刀具；
[0091] 当加工零件的材料为切削韧性较大的材料时，选择M类烧结碳化刀具材料的刀 亘. V N9
[0092]当加工零件的材料为冷硬合金铸铁、耐热合金钢及普通铸铁、软钢等韧性金属材 料时，选择钨钴合金材料的刀具；
[0093]当加工零件的材料为钢料及其他韧性金属材料时，选择钨钛钻合金材料的刀具； [0094] 当加工零件的材料为各种铸铁和特殊合金钢材，如不锈钢、耐热钢、高锰钢等较难 加工的材料时，选择钨钴钛铌合金材料的刀具；
[0095] 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃和陶瓷等 时，选择钨钴铌类合金材料的刀具。
[0096] 当加工零件的材料为钢材类时，可根据具体情况，选择P类烧结碳化材料的刀具、 K类烧结碳化材料的刀具、钨钴钛铌合金材料的刀具或钨钴铌类合金材料的刀具。
[0097] 所述的步骤3)的具体操作为：
[0098] 数控刀具一般是由工作模块（刀片）、中间模块（刀杆）和主柄模块（刀柄）连接 而成的。三个模块之间的相互连接已由刀具生产厂家妥善配置，如：直柄立铣刀、直柄钻头 和直柄铰刀与强力夹头刀柄之间的连接需要弹簧筒夹+直套筒夹+强力夹头所构成的中间 模块。而莫氏立铣刀（粗立铣刀）与莫氏锥度刀柄可直接相连。所以步骤3)主要只需考 虑刀柄与机床主轴之间的连接。根据查询当前刀具生产商的刀具规格，刀柄的主要型号有： BT系列（长锥形），HSK系列（短锥形、豁口、紧定螺钉），ST系列（圆柱形）。不同型号的 刀柄形状参数不同。
[0099] 当机床主轴结接口为长锥形时，选择出BT系列锥形刀柄（有BT30、BT40、BT50、 BBT40)的刀具；同时，BT30、BT40、BT50、BBT40型号的刀柄各自的锥度不同，所以根据机床 主轴接口的锥度选择对应锥度刀柄的刀具。
[0100] 当机床主轴的接口为短锥形、并有豁口、紧定螺钉时，选择HSK系列刀柄的刀具；
[0101] 当机床主轴的接口为圆柱形时，选择ST系列刀柄的刀具。
[0102] 所述的步骤4)的具体操作为：
[0103] 当加工零件的待加工特征为端面槽时，选择最大切深大于端面槽深度的刀具；
[0104] 当加工零件的待加工特征为孔，选择加工直径与待加工孔直径相一致的铰刀或镗 刀；
[0105] 当加工零件的待加工特征为平面，根据平面的尺寸大小选择尺寸参数合适的铣 刀；
[0106] 当加工零件的待加工特征为加工圆柱面和台阶面时，选择w形车刀；
[0107] 当加工零件的待加工特征为外圆、端面、台阶孔时，选择C形车刀；
[0108] 当加工零件的待加工特征为通孔时，选择S形车刀；
[0109] 当加工零件的待加工特征为盲孔、台阶孔时，选择T形车刀；
[0110] 当加工零件的待加工特征为特殊圆弧面时，选择R形车刀；
[0111] 当加工零件的待加工特征为内孔的台阶孔或者进行较浅的清根时，选择D形车 刀。
[0112] 当加工零件的待加工特征为台阶孔时，可根据具体情况，选择C形车刀、T形车刀 或D形车刀。
[0113] 所述的步骤5)的具体操作为：
[0114] 零件的加工精度等级从IT01，ITO,IT1，IT2,IT3至IT18 -共有20个，每把刀具都 有其对应的加工精度等级，选择的刀具加工精度应该不低于零件要求的加工精度等级。例 如：
[0115] 当加工零件的待加工特征的加工精度为IT18时，选择加工精度为IT18及其精度 等级以上附近的刀具（如IT17,IT16)。
[0116]所述的步骤6)的具体操作为：
[0117] 零件的粗糙度（Ra)有 0• 012、0. 025、0. 05、0. 1、0. 2、0. 4、0. 8、1. 6、3. 2、6. 3、12. 5、 25、50、100,每把刀具都有其对应的能达到加工粗糙度水平，选择的刀具的加工粗糙度应该 满足零件的粗糙度要求。例如：
[0118] 当加工零件的待加工特征的表面粗糙度要求为12. 5时，选择加工粗糙度为12. 5 及其以下附近的刀具（如6. 3, 3. 2)。
[0119]所述的步骤7)中根据式（7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量：
[0120]
[0121] 其中：Cp为机械加工过程的碳排放量，Pu(l为最低空载功率，ApA2为主轴转速系数， V。为切削速度，士为回转直径，Tp为加工总工时，asp为切削深度，f为进给量，F。为切削力， 为与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，为与工件材料和刀具材 料有关的系数，•^、坨、乂为指数，tm为切削时间，Tt为刀具总寿命，Wt为刀具质量。
[0122] 本发明提供的刀具选配方法，在选配过程中，需要进行零件的特征信息和刀具的 加工信息逐步匹配，最终筛选出适宜的刀具，由于现有的加工零件和刀具的种类等信息量 特别大，为了便于进行上述信息匹配，本发明利用软件，根据所述刀具选配方法的思路，将 零件的特征信息和刀具的加工信息等建成数据库，将选配过程的选择条件编写成筛选条件 约束规则，形成一种基于本体论和面向低碳制造的数控刀具智能选配方法，能够实现刀具 的智能选配，提高工作效率。
[0123] 上述基于本体论和面向低碳制造的数控刀具智能选配方法，包括刀具选配知识的 本体建模、本体推理规则的建立、面向低碳制造的方案确定。本发明的提出的以降低碳排放 为目标的新型刀具智能选配方法能够深入挖掘各制造信息与知识之间的关系，并在一定程 度上能减少机械加工过程的碳排放量，提高了刀具选配的推理效率和准确性，保证了选配 结果的实用性，为实现机械加工过程中的高效选刀与节能减排提供了借鉴。该方法包括以 下步骤：
[0124] 1)在广泛收集刀具选配领域知识的基础上，深入了解该领域知识结构及其特点， 分析其本体模型术语表达，构建刀具选配领域知识体系框架及本体模型：主要包括工件信 息、刀具信息、机床信息、加工工艺信息等子模块。每个子模块有着下一层子模块或者相应 的各种参数。例如，机床可分为车床、铣床、钻床、镗床、磨床、刨床、插床、拉床等。每一类机 床又可进一步划分，如车床分为卧式车床、立式车床、仿形车床、转塔式车床等，铣床可以分 为卧式升降台铣床、立式升降台铣床和龙门铣床等。建立的本体模型能完善地覆盖刀具选 配所需要的知识、信息，为规则库的建立提供了框架。
[0125] 2)建立刀具选配知识库：主要包括选配规则库和选配案例库。基于建立的本体模 型，从而保证了选刀知识模型的完整性和结构化，进而建立加工过程中的刀具选配规则库， 更加全面深入的描述刀具选配知识的复杂性以及选配规则之间的多样性关系。建立案例库 的作用是当目标加工特征进入专家系统后，系统将首先对刀具选配实例库（案例库）进行 检索比对，查找出与目标加工特征相匹配的刀具选配案例，这样可以实现对过去刀具选配 结果的充分利用，提高选配效率。
[0126] 3)深入分析刀具与加工特征的匹配过程，定义相应的选配规则，采用语义Web规 则语言SWRL对选配规则进行统一描述，最后利用Prot6g6软件完成加工刀具的规则推理；
[0127] 4)分析机械加工过程的碳排放组成，通过对碳排放量的理论计算进而建立面向低 碳制造模式的刀具选配评价方法，基于碳排放量的选配方案确定：机械加工过程的碳排放 主要包括加工过程原材料消耗引起的碳排放Cm、电能消耗引起的碳排放(；、辅助物料（如刀 具使用产生的碳排放ct和切削液使用产生的碳排放C。）以及由加工过程产生切屑的后期处 理引起的碳排放cs。进行同一零件的加工时，根据选配知识库推理获得的选配方案有多种。 通过本文构建的公式能进行不同选配方案的碳排放量计算，根据不同选配方案碳排放量的 差异可以进行选配方案的最终确定。
[0128] 本发明提供的基于本体论和低碳制造理论模型的刀具智能选配方法。通过引入本 体论来对刀具选配工程领域问题进行描述，构建相应本体模型，准确表达概念含义及概念 之间关系，从而增强选配过程的知识表达能力。在此基础上，面向以降低加工过程碳排放为 考量指标，构建了刀具选配方案的评价方法，在一定程度上实现对加工过程碳排放量的管 控，最终达到为整个机械加工过程提供合理刀具的目标。
[0129] 本发明利用本体论的方法来表示机械加工选刀工艺领域知识，从而保证选刀知识 模型的完整性和结构化的特点，进而建立加工过程中的刀具选配规则库，并采用语义Web 规则语言对其进行统一定义，全面深入的描述刀具选配知识的复杂性以及选配规则之间的 多样性关系，有效提高了推理效率与推理结果的正确性。
[0130] 采用本体模型对刀具选配工程问题进行描述并进一步推理求解，并建立面向低碳 制造的刀具推选方案评价方法，不仅丰富了选配知识体系的语义表达、提高了推理效率，同 时也使推选方案更加贴近当前制造业背景、增强了实用价值，无论对理论研究还是实际生 产都有着较强的指导意义。
[0131] 其具体操作流程如图2所示。
[0132] 规则库、案例库等信息已经预写于系统之中，在使用本发明进行刀具选配时，仅需 要输入工件的特征信息。
[0133] 工件的特征信息包括：
[0134] 1、特征的类型：外圆、通孔、螺纹口、键槽、端面等；
[0136] 3、加工性质：粗加工、半精加工、精加工；
[0137] 4、精度：尺寸公差、位置公差、粗糙度等；
[0138] 5、形状参数：加工长度、起始直径、完工直径等。
[0139] 根据所输入的加工特征信息，系统自动进行选配方案的确定。其中，特征类型确定 了刀具类型；工件材料和加工性质确定了刀具材料；特征的精度和形状参数决定了相应的 刀具参数。系统自动运行的流程为根据输入的特征信息，首先匹配案例库，若匹配成功则直 接生产初步的选配结果；否则需要进行规则推理才能得到初步结果。然后再根据初步结果 的几个备选方案进行碳排放量的计算，根据碳排放量的高低来决定最终的选配结果。
[0140] 由图3所示，专家系统具有底层数据库、选配推理机、本体知识库，同时也包含知 识获取部分、解释器及刀具选配实例库（案例库）。底层数据库中存储加工任务信息、零件 特征信息和常用刀具信息，也包含选配过程中的临时信息，为专家系统推理提供初始事实 和选配实例。本体知识库包括事实库和规则库，事实库由底层数据库与选配过程中产生的 案例组成，规则采用SWRL(SemanticWebRuleLanguage)来描述以便于本体后续的推理， 知识的获取可以通过人机接口中的知识录入模块进行，另外可以对知识进行删除、修改等 管理操作。刀具规则推选部分采用Prot6g64. 1软件中的Racer推理机，结合刀具选配规则 库的具体规则，推理产生当前特征的加工刀具。之后系统将对初步选配合理结果进行碳排 放量计算，并将方案排序推荐给加工人员，同时把新产生的刀具推选案例存入刀具选配案 例库，通过这样的自更新过程来提高整个专家系统的推理能力。
[0141] 1、刀具选配知识的本体建模
[0142] 机械加工的刀具选配过程涉及到机床、零件、刀具、工艺方法等诸多领域信息，因 此在本体构建过程中，一方面要确定整个机械加工选刀领域中较为重要的核心概念及之间 的关系，便于日后对模型的完善扩展；另一方面则需要充分收集本领域信息，以深入了解该 领域知识结构及其特点，机械加工刀具选配知识信息的获取方式如表1所示。
[0143] 表1刀具选配知识信息的获取来源
[0144]
[0145] 在对相关资料获取基础之上，结合刀具选配的具体需求，对刀具选配领域知识进 行总结和分析，归纳出此本体模型中的领域术语及体系框架。领域术语可以分为以下几 类：
[0146] 1)实体术语
[0147] 工件：问题针对的加工对象，分为回转体零件、壳体类零件和铸件等。
[0148] 刀具：选配结果，对某一工件直接进行切削加工的工具，主要分为车刀、铣刀、镗 刀、拉刀、铰刀、钻头、磨具等。
[0149] 机床：进行机械加工的数控中心，可分为车床、铣床、钻床、镗床、磨床、刨床、插床、 拉床等。每一类机床又可进一步划分，如车床分为卧式车床、立式车床、仿形车床、转塔式车 床等，铣床可以分为卧式升降台铣床、立式升降台铣床和龙门铣床等。
[0150] 2)加工术语
[0151] 切削用量：包含主轴转速、切削速度、切削深度、每转进给量等与切削加工相关的 重要参数。
[0152] 加工方式：切削加工满足的条件，分为粗加工、半精加工、精加工等。
[0154] 3)属性术语
[0155] 类别：描述刀具及工件的所属分类。由于刀具和工件的种类繁多，将其根据各自特 点分成不同的类或组，以便于对不同牌号、不同类型的刀具和工件进行统一管理。
[0156] 材料：制造刀具、工件时使用的材料，分铸铁、合金、不锈钢、特种材料等。
[0157] 几何参数：不同类型刀具的参数指标。类型不同，参数也有所区别。主要包含：角 度（如前后角、刃倾角、主副偏角等）、导向长度、刀尖圆弧半径、刃带宽度等，根据刀具特点 选择相应参数。
[0158] 加工特征：零件的基本组成单元，包含几何实体造型信息及工艺信息，主要分为 孔、槽、平面、曲面、筋、壁板、螺纹等特征。
[0159] 4)评价术语
[0160] 寿命：主要针对刀具，是衡量刀具耐用性的重要统计指标，不同切削条件下刀具寿 命一般会有较明显的差别。
[0161] 加工表面质量：包含加工表面粗糙度、尺寸公差等特征。
[0163] 以上对该领域的术语进行了介绍，在此基础上建立机械加工刀具选配领域知识的 体系框架，如图4所示。
[0164] 根据本体的语义描述方法，工件、刀具、机床、加工类型和方法等选配中的实体或 概念将封装成一个个的"类"，其中的工件、刀具、机床以及加工特征实例将以"个体"的形式 表达；概念类或类实例之间属性以及实例与具体数据之间的属性分别以"个体属性"和"数 据类型属性"进行表达；约束则通过本体建模时自定义的刀具选配规则进行描述，至此刀具 选配过程中使用的知识都有其确定的表达方式。
[0165] 由于刀具选配领域知识体系信息量大、结构复杂，受各种条件制约，可能还存在未 被发现的术语，故模型需要在系统应用过程中不断进行完善。根据图4中建立的体系框架， 在软件Prot6g64. 1中建立基于本体的刀具选配知识模型，如图5所示。
[0166] 2、推理规则建立
[0167] 根据建立的刀具选配本体模型，将本体中定义的实例作为推理机的事实库，将 加工特征工艺要求转换为约束条件，与刀具选配规则结合作为推理机的规则库，使用 Prot6g64. 1软件中自带的推理机Racer推理得到所有满足条件的选配结果。
[0168] 规则用来约束选配模型中各模块及实例之间的关系，通过约束选配过程中对实例 的选择来保证推理求解得到选配方案的合理性，刀具选配的过程可以看作是加工特征与刀 具加工能力之间的匹配过程，如图6所示。只有每个属性都完成了匹配才能选配出合格的 刀具。其中，形状、生产稳定性、材料为定性属性，尺寸、粗糙度、精度为定量属性，为方便描 述推理规则，也将其分为定性规则和定量规则两部分。
[0169] 1)定性本体规则
[0170] (1)加工特征约束规则
[0171] 不同的加工特征可以采取的加工方法一般是不同的，选取的刀具类型自然也就不 同，因此加工特征往往决定选配的刀具类型，同一种加工特征也可采用多种加工方法，这又 取决于特征的形状特点。例如，端面特征如果隶属于回转体零件，则采用端面车刀进行加 工，如果隶属于壳体类零件，则采用端铣刀进行加工。在Prot6g6中编写为SWRL规则如下 所示：
[0172] 加工特征（？平面特征1)八特征名称（？平面特征1，？端面）八零件类型（？ 平面特征1，？回转体零件）一刀具类型（？车刀X，？端面车刀）
[0173] 加工特征（？平面特征2)八特征名称（？平面特征2,？端面）八零件类型（？ 平面特征2，？壳体零件）一刀具类型（？铣刀X，？端铣刀）
[0174] (2)加工材料约束规则
[0175] 刀具选配过程中，加工零件的材料将直接决定选取刀具的材料。例如，若加工材料 为铝合金的话，加工刀具最好选择硬质合金刀具。在Prot6g6中该规则编写为SWRL规则如 下所示：
[0176] 加工特征（？台阶面特征1)A隶属工件（？台阶面特征1，？支持缸）A零件材 料（？支持缸，？铝合金）一刀具材料（？立铣刀X，？硬质合金）
[0177] (3)刀具接口约束规则
[0178] 数控刀具一般是由工作模块（刀片）、中间模块（刀杆）和主柄模块（刀柄）连接 而成的，选配顺序一般采用从两端向中间的查找的方式。选配过程中要根据数据库中刀具 工作部分的右端接口属性开始，然后选择与数控机床主轴相配合的主柄模块，最后根据刀 片右端接口属性和王柄左端接口属性来选取中间t旲块，有时也可能不存在中间t旲块，此选 配过程中刀具接口型号是最基本的约束条件。例如，面铣刀头和主刀柄之间需要连接杆连 接时，其左右端接口类型必须一致。在Prot6g6中该规则编写为SWRL规则如下所示：
[0179] 右端接口类型（？面铣刀1，？d)A左端接口类型（？主柄1，？D)A左端接 口类型（？连接杆1，？d0)八右端接口类型（？连接杆1，？DO)八Equal( ?d，？ d0)AEqual( ?DO，？D)-选配（？连接杆 1，？是）
[0180] (4)加工稳定性约束规则
[0181] 整个加工过程考虑追求最大稳定性，也会对刀具的选择提出相应的要求。例如，在 进行内孔车削加工时，内圆车刀的刀头伸出距离在符合加工需要的前提下，要尽可能小，以 保证加工的平稳进行。在Prot6g6中该规则编写为SWRL规则如下所示：
[0182] 加工方式（？内圆车削）八刀头伸出距离（？内圆车刀1，？arl)八刀头伸出距离 (?内圆车刀2，？ar2)八…八刀头伸出距离（？内圆车刀N，？arn)八greaterThan( ? arl，？ar2)八…八greaterThan(?ar(n_l)，？arn)-选配（？内圆车刀N，？是）
[0183] 2)定量本体规则
[0184] (1)加工尺寸约束规则
[0185] 同类型刀具的主要参数属性一般是相同的，但属性值却千差万别，选配过程中需 要根据具体加工特征的几何参数来确定刀具的主要属性值。例如，在加工端面槽的过程中， 端面槽刀的最大切深要大于槽特征本身的深度。在Prot6g6中该规则可编写为如下SWRL 规则：
[0186] 加工特征（？端面槽1)A槽深（？端面槽1，？h)A刀具名称（？端面槽刀1) 最大切深amax八greaterThan( ?amax，？h)-选配（？端面槽刀1，？是）
[0187] (2)加工精度约束规则
[0188] 为保证加工特征的尺寸精度要求，刀具选配过程中必须考虑刀具本身可以完成的 精度范围。例如，在加工上下偏差为±0.05的外圆面时，外圆车刀的加工精度范围必须是 其子区间。在Prot6g6中该规则可编写为如下SWRL规则：
[0189] 加工特征（？外圆特征1)A上偏差（？外圆特征1，？E+)A下偏差（？外 圆特征1，？E-)A加工精度（？外圆车刀1，？e+)A加工精度（？外圆车刀1，？ e-)八greaterThan( ?E+，？e+)八greaterThan( ?e_，？E-)-选配（？外圆车刀 1，？是）
[0190] (3)表面粗糙度约束规则
[0191] 工件加工除保证尺寸精度外还要保证加工表面的粗糙度，粗糙度按等级划分，力口 工过程中要选取相应等级的刀具。在Prot6g6中该规则可编写为如下SWRL规则：
[0192] 加工特征（？平面特征1)八特征名称（？平面特征1，？端面1)八粗糙度（？ 端面1，？ 1)八刀具类型（？车刀X，？端面车刀）八刀具加工表面级别（？车刀X，？ L)八Equal( ? 1，？L)-选配（？车刀X，？是）
[0193] 以上是基于命题与逻辑理论的推理规则，为实现推理规则与刀具选配知识本体结 合，选择语义Web规则语言SWRL作为规则数字化描述语言。其中，采用"一"符号将规则分 为前提部分和结论部分，如果前提内容为真则结论内容亦为真。
[0194] 3、面向低碳制造的刀具选配方案确定
[0195] 机械加工过程的碳排放主要包括加工过程原材料消耗引起的碳排放Cm、电能消耗 引起的碳排放(；、辅助物料（如刀具使用产生的碳排放Ct和切削液使用产生的碳排放C。） 以及由加工过程产生切屑的后期处理引起的碳排放Cs，如图7所示。
[0196] 考虑到只有电能消耗、刀具加工产生的碳排放与加工刀具选型有直接关系，故本 论文对其他因素不予以考虑，则机械加工过程的碳排放量Cp可以表示为：
[0197] Cp =Ce+Ct (1)
[0198] 1)电能消耗引起的碳排放
[0199] 数控加工电能消耗碳排放计算公式如下：
[0200] Ce =FeEe (2)
[0201]其中，Fe表示电能的碳排放因子（kgC02/kWh)，Ee表示加工过程电能消耗量。
[0202] 电能碳排放因子^的取值与电网的构成关系密切，不同电网系统的碳排放因子不 同。我国各大电网的碳排放因子如表2所示，本发明研究对象隶属西北电网。
[0203] 表2电能碳排放因子表
[0204]
[0205] 电能消耗量艮是切削速度V。、进给量f、切削深度asp、加工时间tm等变量的函数， 要从空载和加工两方面一同分析。机床总的输入功率Pi分为三部分：空载功率Pu、切削功 率P。和附加载荷损耗功率Pa。即机床动态运行时的功率消耗方程如下：
[0206] Pi(t)=Pu(t)+Pc(t)+Pa(t) (3)
[0207] 据此可得机床动态运行时的电能消耗方程：
[0209] 根据重庆大学刘飞等在空载功率Pu、切削功率P。和附加载荷损耗功率Pa方面的研 究可得机械加工过程中的能耗为：
[0210]
[0211] 式中，Pu0一最低空载功率，asp-切削深度，f一进给量，F。一切削力，V。一切削速度， TP-加工总工时（包括切削时间、换刀时间和工序辅助时间），tm-切削时间
[0212] 夂/、<&、Xf、乃p 一表示与工件材料和切削条件有关的系数，需查阅切 削用量手册
[0213] 2)刀具加工产生的碳排放
[0214] 刀具加工的碳排放计算采用在其寿命周期内按时间折算到加工过程的分配方法， 计算公式如下 ：
[0215]
[0216]式中，Ft表示刀具的碳排放因子（kgC02/kg)，Wt表示刀具质量，tm表示刀具切削时 间，Tt表示刀具总寿命。
[0217] 查阅关于刀具制造耗能资料，本文在计算时取Ft = 29. 6kgC02/kg。
[0218] 综上可得，机械加工过程的碳排放量为：
[0219]
[0220] 其中：Cp为机械加工过程的碳排放量，Pu(l为最低空载功率，ApA2为主轴转速系 数，V。为切削速度，屯为回转直径，Tp为加工总工时，asp为切削深度，f为进给量，F。为切削 力，为与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，CV;为与工件材料和刀 具材料有关的系数，义、七.为指数，tm为切削时间，Tt为刀具总寿命，Wt为刀具质量。 心、、、.V、JV、乂可通过查阅切削用量手册得到，ApA2可由机床主轴转速的空载 功率公式计算得到。
[0221] 4、案例分析
[0222] 西安西电开关电气有限公司作为一家高压开关设备重点开发研制和生产企业，对 于制造过程中的刀具选配和节能减排有着较高的要求，以该企业机加车间某一加工特征为 生产案例，利用本发明的方法对整个刀具选配和评价过程进行研究。选取导体零件的端面 槽加工特征为研究对象，特征详细信息如图8所示。
[0223] 第一步：输入加工特征信息，匹配案例库。
[0224] 案例库匹配失败，利用规则推理进行刀具选配。
[0225] 第二步：输入特征类型：端面槽。
[0226] 第三步：输入零件类型：回转体零件
[0227] 根据Rule:端面槽特征如果隶属于回转体零件，则采用端面切槽刀进行加工。
[0228] 在Prot6g6中编写的SWRL规则为：
[0229] 加工特征（？端面槽特征1)A特征名称（？端面槽特征1, ?端面）A零件类型 (?端面槽特征1，？回转体零件）一刀具类型（？槽刀X，？端面切槽刀）
[0231] 第四步：输入特征材料：铝合金。
[0232] 根据Rule:若加工材料为铝合金的话，加工刀具最好选择硬质合金刀具。
[0233] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0234] 加工特征（？端面槽特征1)A隶属工件（？端面槽特征1，？回转体零件）八零 件材料（？回转体零件，？铝合金）一刀具材料（？端面切槽刀X，？硬质合金）
[0235] 根据此规则，选定端面切槽刀的材料为：硬质合金。
[0236] 第五步：输入尺寸属性：槽宽：6_n，槽深：4mm,首切直径：80mm。
[0237] 根据Rule:端面槽刀的允许加工的最小槽宽应小于槽特征的槽宽。
[0238] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0239] 加工特征（？端面槽1)八槽宽（？端面槽1，？b)八刀具名称（？端面切槽刀 1)最小切削槽宽bmin八greaterThan( ?b，？bmin)-选配（？端面切槽刀1，？是）
[0240] 根据此规则，选择最小加工槽宽小于端面槽特征本身槽宽的硬质合金端面切槽 刀。
[0241] 根据Rule:端面切槽刀的最大切削直径要大于槽特征的首切直径，且最小切削直 径要小于或等于槽特征的首切直径。
[0242] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0243] 加工特征（？端面槽1)八首切直径（？端面槽1，？d)八刀具名称（？端面 切槽刀1)最大切削直径dmax,最小切削直径dmin,首切直径d八greaterThan( ?d，？ dmin)八greaterThan( ?dmax，？d)-选配（？端面切槽刀 1，？是）
[0244] 根据此规则，选择满足切削直径的硬质合金端面槽切槽刀。
[0245] 根据Rule:端面槽刀的最大切深要大于槽特征本身的深度。
[0246] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0247] 加工特征（？端面槽1)A槽深（？端面槽1，？h)A刀具名称（？端面切槽刀 1)最大切深amax八greaterThan( ?amax，？h)-选配（？端面切槽刀1，？是）
[0248] 根据此规则，选择最大切深大于槽本身深度的硬质合金端面切槽刀。
[0249] 第六步：输入表面粗糙度：Ra6. 3。
[0250] 根据Rule:刀具的加工糙粗度与特征要求的表面粗糙度相匹配。
[0251] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0252] 加工特征（？槽特征1)八特征名称（？槽特征1，？端面槽1)八粗糙度（？端 面槽1，？r)八刀具类型（？切刀X，？端面槽切刀）八刀具加工表面级别（？端面切槽 刀1，？R)八Equal( ?r，？R)-选配（？端面切槽刀1，？是）
[0253] 根据此规则，选择能满足加工粗糙度要求（6. 3)的硬质合金端面切槽刀。
[0254] 第七步：输入尺寸精度：[_0• 05, 0• 05]。
[0255] 根据Rule:刀具的加工精度应不低于特征要求的尺寸精度。
[0256] 在Prot6g6中编写额SWRL规则为：
[0257] 加工特征（？槽特征1)A特征名称（？槽特征1，？端面槽1)A端面槽刀加工上 偏差（？端面槽1，？E)A端面槽刀加工下偏差（？端面槽1, ?E0)A端面槽特征上偏差 (?端面槽1，？e)A端面槽特征下偏差（？端面槽1，？eO)AgreaterThanOrEqual( ?E，？e)八 greaterThanOrEqual( ?eO, ?EO)-选配（？端面切槽刀 1，？是）
[0258] 根据此规则，选择能满足加工精度要求的硬质合金端面切槽刀，
[0259] 初步的选配结果如表3所示：
[0260] 表3选配结果信息表
[0261]
[0262] 第八步：基于碳排放量的最终选配方案的确定。
[0263] 以表中选配结果为研究对象，代入上述模型分别进行碳排放量计算并以此为依据 对选配方案进行评价。该案例中零件材料为铝合金，选配刀具材料均为硬质合金，根据实际 加工经验切削深度选取为asp = 1_。该工件采用西安西电开关电气有限公司机加车间型 号为NT4250DCG-2的数控加工机床进行加工，查阅相关操作手册得机床规格参数如表4所 /_J、i〇
[0264] 表4数控机床规格参数
[0265]
[0266] 查询相应刀具信息和切削手册，得到该工况下选配刀具的切削参数和碳排放量计 算的相关系数如表5和表6所不。
[0267] 表5切削参数表
[0268]
[0270] 表6相关系数表
[0271]
[0272] 根据公式（1)至（7)计算可得选配方案中各刀具在相应工况下的的碳排放量，如 表7所示。
[0273] 表7计算结果
[0274]
[0275] 由计算结果可得刀具的推荐顺序为：端面槽刀01>端面槽刀04>端面槽刀03。因 此，该回转体零件的端面槽特征的最终选配方案为端面槽刀01。
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