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文檔簡介
1、<p> 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)機(jī)械手</p><p> 一、機(jī)械手及其應(yīng)用 </p><p> 機(jī)械手:mechanical hand,也被稱為自動手,auto hand</p><p> 能模仿人手和臂的某些動作功能,用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安
2、全,因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p> 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件,根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu),使手部完成各種轉(zhuǎn)動(擺動)、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式,稱為機(jī)械手的自
3、由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體,需有6個自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多,機(jī)械手的靈活性越大,通用性越廣,其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2~3個自由度。</p><p> 在中國工業(yè)韌帶發(fā)展中,很多高生產(chǎn)率高精度的機(jī)械加工設(shè)備從國外引進(jìn),大大的提高了工作速度,產(chǎn)品的加工精度,降低了工作的勞動強(qiáng)度,所以大受歡迎。機(jī)械手是一種模仿人體上肢運(yùn)動的機(jī)器,它能按照預(yù)定要求輸送工種或握持
4、工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備,對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化,推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力,受到人們的廣泛重視和歡迎。</p><p> 工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動,顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度,提高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁,單調(diào)的操作,如果沒有機(jī)械手那么工人的勞動強(qiáng)度是很高的,有時候還要用行車員工件,生產(chǎn)速度大大延緩,這種情況采用機(jī)械手是很有效
5、的。此外,它能在高溫、低溫、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染環(huán)境條件上進(jìn)行操作。更顯其優(yōu)越性,有著廣闊的發(fā)展前途。</p><p> 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面。</p><p><b> 熱加工方面的應(yīng)用</b></p><p> 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動,很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動化。為了提高工作
6、效率,和確保工人的人身安全,尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作</p><p><b> 冷加工方面的應(yīng)用</b></p><p> 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用,成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用,成為機(jī)床
7、、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。</p><p><b> 3. 拆修裝方面</b></p><p> 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一,促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門,已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等,減輕了勞動強(qiáng)度,提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手,可用以對客車內(nèi)
8、部進(jìn)行連續(xù)噴漆,以改善勞動條件,提高噴漆的質(zhì)量和效率。</p><p> 近些年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用,工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。</p><p><b> 機(jī)械手的應(yīng)用意義。</b></p><p> 在機(jī)械工業(yè)中,機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下:</p>
9、<p> 1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度</p><p> 應(yīng)用機(jī)械手,有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度,從而可以提高勞動生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中,用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)
10、械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè),大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中,以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作,可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。</p><p> 可以減少人力,便于有節(jié)奏地生產(chǎn)</p><p> 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作,這是直接減少人力的一個側(cè)面,同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個側(cè)面。因此,在自動化機(jī)床和綜合加工
11、自動生產(chǎn)線上,目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手,以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。</p><p><b> 二、機(jī)械手的分類</b></p><p> 工業(yè)機(jī)械手的種類很多,關(guān)于分類的問題,目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn),在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。</p><p><b> ?。ㄒ唬┌从猛痉?lt
12、;/b></p><p> 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:</p><p><b> 1.專用機(jī)械手</b></p><p> 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn),適用于大附屬,如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和‘加工中心”批量的
13、自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手。</p><p><b> 2.通用機(jī)械手</b></p><p> 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。通過調(diào)整可在不同場合使用,驅(qū)動系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi),其動作程序是可變的,控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng),適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。</p>&
14、lt;p> 通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位,只能是點(diǎn)位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng),可以點(diǎn)位控制,也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制,一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。</p><p><b> ?。ǘ┌打?qū)動方式分</b></p><p><b> 1.液壓傳動機(jī)械手</b><
15、;/p><p> 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格,不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響,且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制,使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大,但是電液伺服閥的制造精度高,油液過濾要求嚴(yán)格,成本高。</p><p> 2.氣壓傳動機(jī)械手是以壓縮空
16、氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便,輸出力小,氣動動作迅速,結(jié)構(gòu)簡單,成本低。但是,由于空氣具有可壓縮的特性,工作速度的穩(wěn)定性較差,沖擊大,而且氣源壓力較低,抓重一般在30公斤以下,在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大,所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。</p><p><b> 3.機(jī)械傳動機(jī)械手</b></p><
17、p> 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手,其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠,動作頻率大,但結(jié)構(gòu)較大,動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。</p><p><b> 4.電力傳動機(jī)械手</b></p><p> 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直
18、接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手,因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長,維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多,但有發(fā)展前途。</p><p><b> (三)按控制方式分</b></p><p><b> 1.點(diǎn)位控制</b></p><p> 它的運(yùn)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動,只
19、能控制運(yùn)動過程中幾個點(diǎn)的位置,不能控制其運(yùn)動軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多,則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。</p><p><b> 2.連續(xù)軌跡控制</b></p><p> 它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線,其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的,整個移動過程處于控制之下,可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動,并且使用范圍廣,但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工
20、業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制[4]。</p><p><b> 三、機(jī)械手的組成</b></p><p> 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 </p><p><b> 1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p> 手部 、腕部 、臂部、手臂等部件。 </p>
21、<p><b> 2、驅(qū)動機(jī)構(gòu)</b></p><p> 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。</p><p><b> 3、控制系統(tǒng)分類</b></p><p&
22、gt; 在機(jī)械手的控制上,有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制,也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制,采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置,并注意其加速度特性。</p><p> 四、機(jī)械手整體設(shè)計(jì)方案</p><p> 在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種機(jī)械手,該機(jī)械手能利用吸盤自動吸取工件,并將工件放到指定位置。該手運(yùn)行路徑合理,整個過
23、程無人工操作,系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件,工作結(jié)束后能自動停止。機(jī)械手有上行/下行、左擺/右擺、放松/吸取幾個運(yùn)行方式,并且能夠準(zhǔn)確把握工件的起始、終止位置因素。</p><p><b> 總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p><b> 1.控制裝置的選擇</b></p><p> 本設(shè)計(jì)中用單片機(jī)取代PLC 控制。&
24、lt;/p><p> 2.機(jī)械手坐標(biāo)形式的選擇</p><p> 本設(shè)計(jì)中精度要求較高,直角坐標(biāo)式靈活性差,不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀,機(jī)械手坐標(biāo)類型選擇為圓柱坐標(biāo)機(jī)械手。</p><p><b> 3.傳動機(jī)構(gòu)的選擇</b></p><p> 本設(shè)計(jì)要求傳動方式為電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動機(jī)械手臂的上
25、下、左右移動,由于設(shè)計(jì)精度要求較高,從零件的加工方面考慮,最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動。</p><p><b> 4.抓取機(jī)構(gòu)的選擇</b></p><p> 目前工業(yè)上較長采用的抓取機(jī)構(gòu)為真空吸盤,考慮到材質(zhì)(表面光滑工件),因此選擇了真空吸盤作為抓取機(jī)構(gòu)。通過氣缸活塞的上下運(yùn)動來控制工件的抓取和放下,操作方便。</p><p>&
26、lt;b> 5.驅(qū)動方式的選擇</b></p><p> 選擇驅(qū)動方式階段,電機(jī)選擇相對較為簡單,由于步進(jìn)電機(jī)有步距角誤差,機(jī)械手在齒輪傳動和擺動時會進(jìn)一步放大該誤差,因此選擇伺服電機(jī)驅(qū)動。</p><p><b> 三維圖如圖所示:</b></p><p> 真空吸盤;2—?dú)飧祝?—小臂;4—齒輪;5—伺服電機(jī);6—
27、大臂;7—支撐座。</p><p> 抓取及放松工件的過程:</p><p> 伺服電機(jī)帶動大臂6繞著各自的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使工件在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動,通過伺服電機(jī)5和齒輪4傳動,使小臂3也可在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)移動到工件上方時,氣缸2控制真空吸盤1吸取工件,然后通過大臂與小臂的旋轉(zhuǎn)使工件到達(dá)指定位置,將工件放松。</p><p> 伺服電機(jī)的驅(qū)動芯片選用型號為LMD
28、18200的芯片。它可以根據(jù)PWM 控制信號的占空比來決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用一個增量型光電編碼器來反饋電動機(jī)的實(shí)際位置,輸出AB 兩相,檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置,形成閉環(huán)位置反饋,從而達(dá)到精確控制電機(jī)。</p><p> 所設(shè)計(jì)的電路圖如下圖所示:</p><p><b> 五、總結(jié)與體會</b></p><p> 通過本次機(jī)械手的課程
29、設(shè)計(jì),使我對以前所學(xué)的理論知識有了更進(jìn)一步的了解,同時學(xué)會了將所學(xué)過的知識技能應(yīng)用到實(shí)際中去,能夠系統(tǒng)的、全面的鍛煉我的整體設(shè)計(jì)能力,并且能夠?qū)⒋髮W(xué)期間所學(xué)到的知識得到有效的復(fù)習(xí)和鞏固。</p><p> 機(jī)械手的課程設(shè)計(jì),要求內(nèi)容更高,設(shè)計(jì)過程更加復(fù)雜。我們需要有充分專業(yè)知識,和良好的理解能力、掌握能力以及實(shí)際運(yùn)用的靈活性。</p><p> 通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì),使我了解了很多機(jī)械手的
30、相關(guān)知識。使我也了解了當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)。了解了機(jī)械手程序設(shè)計(jì)的一般過程,掌握了程序設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ),為以后的工作、學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時我也認(rèn)識到了自身控制方向的不足,以后仍需繼續(xù)努力。</p><p><b> 附件1</b></p><p><b> 仿真程序</b></p><p>
31、 #include<REG51.H></p><p> #define TH0_TL0 (65536-1000)//設(shè)定中斷的間隔時長</p><p> unsigned char count0 = 0;</p><p> unsigned char count1 = 0;</p><p> bit Flag = 1;//
32、電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位,1 正轉(zhuǎn),0 反轉(zhuǎn)</p><p> sbit Key_add=P3 ^ 2; //電機(jī)減速</p><p> sbit Key_dec=P3 ^ 3; //電機(jī)加速</p><p> sbit Key_turn=P3 ^ 4; //電機(jī)換向</p><p> sbit PWM1=P3 ^ 6;//PWM 通道 1&
33、lt;/p><p> sbit PWM2=P3 ^ 7;//PWM 通道 2</p><p> unsigned char Time_delay;</p><p><b> //函數(shù)聲明</b></p><p> void Delay(unsigned char x);</p><p> v
34、oid Motor_speed_high(void);</p><p> void Motor_speed_low(void);</p><p> void Motor_turn(void);</p><p> void Timer0_init(void);</p><p> /****************************
35、*************************************</p><p><b> ***/</b></p><p> void Delay(unsigned char x)//延時處理</p><p><b> {</b></p><p> Time_delay = x;
36、</p><p> while(Time_delay != 0);</p><p><b> }</b></p><p> /*****************************************************************</p><p><b> ***/</b
37、></p><p> void Timer0_int(void) interrupt 1 using 1//定時0 中斷處理</p><p><b> {</b></p><p><b> TR0 = 0;</b></p><p> TL0 += (TH0_TL0 + 9) % 256
38、;</p><p> TH0 += (TH0_TL0 + 9) / 256 + (char)CY;</p><p><b> TR0 = 1;</b></p><p> if(Time_delay != 0)//延時函數(shù)用</p><p><b> {</b></p><
39、p> Time_delay--;</p><p><b> }</b></p><p> if(Flag == 1)//電機(jī)正轉(zhuǎn)</p><p><b> {</b></p><p><b> PWM1 = 0;</b></p><p>
40、 if(++count1 < count0)</p><p><b> {</b></p><p><b> PWM2 = 1;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> else</b></p>
41、<p><b> PWM2 = 0;</b></p><p> if(count1 >= 100)</p><p><b> {</b></p><p><b> count1=0;</b></p><p><b> }</b>
42、</p><p><b> }</b></p><p> else //電機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p><b> {</b></p><p><b> PWM2 = 0;</b></p><p> if(++count1 < count0)&l
43、t;/p><p><b> {</b></p><p><b> PWM1 = 1;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> else</b></p><p><b> PWM1 =
44、0;</b></p><p> if(count1 >= 100)</p><p><b> {</b></p><p><b> count1=0;</b></p><p><b> }</b></p><p><b&g
45、t; }//反轉(zhuǎn)</b></p><p><b> }</b></p><p> /*****************************************************************</p><p><b> ***/</b></p><p>
46、void Motor_speed_high(void)//按鍵處理加pwm 占空比,電機(jī)加速</p><p><b> {</b></p><p> if(Key_add==0)</p><p><b> {</b></p><p> Delay(10);</p><p&
47、gt; if(Key_add==0)</p><p><b> {</b></p><p> count0 += 5;</p><p> if(count0 >= 100)</p><p><b> {</b></p><p> count0 = 100;&
48、lt;/p><p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p> while(Key_add == 0);//等待鍵松開</p><p><b> }</b></p><p><b> }</b>
49、;</p><p> /*****************************************************************</p><p><b> ***/</b></p><p> void Motor_speed_low(void)//按鍵處理減pwm 占空比,電機(jī)減速</p><
50、p><b> {</b></p><p> if(Key_dec==0)</p><p><b> {</b></p><p> Delay(10);</p><p> if(Key_dec==0)</p><p><b> {</b>
51、</p><p> count0 -= 5;</p><p> if(count0 <= 0)</p><p><b> {</b></p><p> count0 = 0;</p><p><b> }</b></p><p><
52、;b> }</b></p><p> while(Key_dec == 0);</p><p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p> /************************************************
53、*****************</p><p><b> ***/</b></p><p> void Motor_turn(void)//電機(jī)正反向控制</p><p><b> {</b></p><p> if(Key_turn == 0)</p><p>
54、<b> {</b></p><p> Delay(10);</p><p> if(Key_turn == 0)</p><p><b> {</b></p><p> Flag = ~Flag;</p><p><b> }</b><
55、;/p><p> while(Key_turn == 0);</p><p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p> /*****************************************************************<
56、/p><p><b> ***/</b></p><p> void Timer0_init(void)//定時器0 初始化</p><p><b> {</b></p><p> TMOD=0x01;</p><p> TH0=TH0_TL0 / 256;</p
57、><p> TL0=TH0_TL0 % 256;</p><p><b> TR0=1;</b></p><p><b> ET0=1;</b></p><p><b> EA=1;</b></p><p><b> }</b>
58、;</p><p> /*****************************************************************</p><p><b> ***/</b></p><p> void main(void)//主函數(shù)</p><p><b> {</b&g
59、t;</p><p> Timer0_init();</p><p><b> while(1)</b></p><p><b> {</b></p><p> Motor_turn();</p><p> Motor_speed_high();</p>
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