DD224256A1 - Selbsttaetige positionieranordnung fuer schweissgeraete - Google Patents

Selbsttaetige positionieranordnung fuer schweissgeraete Download PDF

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DD224256A1
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Wolfgang Goette
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Abstract

Die Positionieranordnung fuer Schweissgeraete ist zur selbsttaetigen der Geometrie des Bearbeitungsgegenstandes angepassten Fuehrung von Bearbeitungsgegenstaenden geeignet. Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen selbsttaetig verlaufenden Schweissverlauf zu erreichen. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine mit Sensoren arbeitende Positionieranordnung zu schaffen, die die Herstellung von Kehlnaehten entlang unregelmaessig verlaufender und/oder in sich geschlossener Linien ermoeglicht. Die Positionieranordnung besteht aus einem feststehenden und einem rotatorischen Teil, die untereinander durch eine drehbar gelagerte Tragekonstruktion verbunden sind. Am feststehenden und rotatorischen Teil sowie an einem mit dem Schweissbrenner verbundenen Fuehlarm sind Sensoren angeordnet. Sie dienen zur informationstechnischen Umsetzung und Steuerung des Schweissablaufes. Die erfindungsgemaesse Anordnung ist zum kontinuierlichen Ausschweissen beliebig verformter Fachkonstruktionen speziell von Doppelbodenfaechern im Schiffbau geeignet. Darueber hinaus ist sie fuer selbsttaetig ablaufende Schleifarbeiten anwendbar. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung
Selbsttätige Positionieranordnung für Schweißgeräte
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung ist vorzugsweise dort anwendbar, wo die Führung der Bearbeitungswerkzeuge der Geometrie des Bearbeitungsgegenstandes selbsttätig angepaßt werden soll. Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Schweißen von Fächern eines Schiffsuoppelbodens.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Mit dem Einsatz automatischer Schweißgeräte wurden auch Vorrichtungen zur Bestimmung der Position derselben erforderlich. Das erfolgt in solchen Fällen, wo es sich um Wiederholteile handelt, über rechnergesteuerte Einrichtungen. Die dabei entstehenden Kosten erscheinen durch die Serienfertigung vertretbar 3ei Einzelfertigung oder geringer Stückzahl der Werkstücke werden der Aufwand und damit die Kosten zu hoch. Aus diesem Grunde werden in diesen Fällen Vorrichtungen mit Sensoren eingesetzt.
Nach der DE-OS 3 100 436 ist eine Vorrichtung zum Positionieren eines Schweißgerätes zum selbsttätigen Lichtbogenschweißen bekannt. Die bekannte Vorrichtung sieht vor, daß in der Nähe der Schweißpistole Sensoren angeordnet sind.Ihre Ausgangssignale sind an eine elektronische Rechenschaltung geführt. Von dort werden die Stelloefehle ausgelöst.
Während die bisher bekannten Vorrichtungen sich im wesentlichen auf das Stumpfschweißen gleicher Werkstücke bezogen, so wird nach der DE-OS 3 100 436 auch das Verschweißen flacher. Werkstücke längs einer Ecke möglich. Obwohl zwar danit ein selbsttätiges Schweißen von Kehlnähten durchführbar wird, ist diese Vorrichtung jedoch im Schiffbau nicht einsetzbar.
Der Nachteil ergibt sich daraus, daß die bekannte Vorrichtung nur in einer Arbeitslinie schweißen kann. Gerade aber im Schiffbau ist es notwendig, daß ζ. 8. bei der Schweißung von Fächern im Doppelboden außerdem in zwei sich schneidenden Arbeitslinien geschweißt werden muß. Das ist mit der bekannten Vorrichtung nach DE-OS 3 100 486 nicht möglich. Eine Vorprogrammierung des' Schweißbrenners ist auf Grund der Unterschiedlichkeit der Größe und Form der Fächer bzw. wegen der Schwierigkeit der Ermittlung einer Bearbeitungsgeometrie nicht möglich.
Ziel der Erfindung
Mit der Erfindung soll ein effektiver selbsttätig ablaufender Schweißverlauf bei der Herstellung von horizontalen Kehlnähten i:n Schiffbau erreicht werden.
Wesen der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mit Sensoren arbeitende Positionieranordnung zu schaffen, die die selbsttätige und kontinuierliche Herstellung von horizontalen Kehlnähten entlang einer unregelmäßig verlaufenden und/oder in sich geschlossenen Linie ermöglicht.
Me r km ale der Erf inchj ηig .
Erfindungsgemäß besteht eine in einer in x-Richtung verfahrbaren Führung in y-Richtung verfahrbar angeordnete Stellvorrichtung aus einem feststehenden Teil und aus einer mit diesem Teil um die Rotationsachse c drehbar verbundenen Tragekonstruktion und einem an der Tragekonstruktion in Richtung Werkstück befestigten Führungsstück, während in einer Führung des Führungsstückes ein Fühlarrn in x1, y'-Richtung bewegbar angeordnet ist, an dessen
Ende sich ein Schweißbrenner befindet, wobei an der denn Werkstück zugekehrten Fläche des feststehenden Teiles vier um 90° versetzte, die Arbeitsposition des Schweißbrenners erfassende und den der drehbaren Tragekonstruktion zugeordneten Stellantrieb beeinflussende Sensoren angeordnet sind, an der Unterseite des Führungsstückes weitere vier um 90° versetzte, die Arbeitsendlagen erfassende und denselben Stellantrieb beinflussende Sensoren befestigt sind, drei am Führungsstück angeordnete, die Arbeitsstellung des Fühlerarrnes erfassende und die für die Translationsbewegung in x- bzw. y-Richtung verantwortlichen Stellantrieb beeinflussende Sensoren in Wirkverbindung mit einem am Fühlarm stellbar angeordneten Schaltnocken stehen und weiterhin am Ende des Fühlarmes zwei den Abstand Schweißbrenner/Werkstück erfassende Sensoren angeordnet sind, von denen der eine den Stellantrieb der Rotationsachse und der andere .den Stellantrieb des Fühlarmes beeinflußt.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Fühlann über eine Seilführung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler in Wirkverbindung steht, dessen Ausgangssignal zur Einhaltung einer konstanten Aröeicsgeschwindigkeit als Stellgröße an den Stellantrieb, der um die Rotationsachse c drehbar gelagerten Tragekonstruktion zur Korrektur der Winkelgeschwindigkeit geführt ist.
Weiterhin enthält die Erfindung das Merkmal, daß zur Bestimmung der Start/Stoppposition des Schweißvorganges einer Steuerlogik der Positionieranordnung über einen Motorsteller ein Antrieb der Translationsachse (x- oder y-Achse) zum Empfang des Startsignals nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal an einem :Vießvvandler anliegt, wobei zur Erfassung der elektrischen Signale des ivießwandlers demselben ein Vor-/Rück\värtszähler nachgeschaltet ist, dessen Ausgang gemeinsam mit dem Ausgang eines Vorwahlschal ters an einem Vergleicher anliegt, dessen Ausgang wiederum zum Geben eines Stoppsignales auf den Eingang der Steuerlogik zurückgeführt ist. Durch die selbsttätige Positionieranordnung wird es erstmals möglich, eine der Geometrie des Werkstückes angepaßte Stellung des Schweißbrenners in drei Sewegüngsebenen zu erhalten.
Zu diesem Zwecke sind am feststehenden Teil, an der Tragekonstruktion sowie am Fühlarm Sensoren angeordnet, die die ihnen zugeordneten Stellantriebe betätigen. 3eim Erreichen bestimmter vorgegebener Punkte erfolgt eine selbsttätige Umschaltung der Bewegungsabläufe, so daß damit eine selbsttätige Positionierung des Schweißbrenners gewährleistet ist.
Ausführungsbeispiel
An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen
Fig. 1: Ansicht der Positionieranordnung
Fig. 2: Sensoranordnung am feststehenden Teil
Fig. 3: Sensoranordnung am rotierenden Teil
Fig. 4: Sensoranordnung am Fühlarm
Fig. 5: Wegegeometrie
Fig. 6: Arbeitsablauffolge
Fig. 7: Regelkreis zur Start/Stopposition-Bestimmung
Fig. 8: Ausschweißen einer Fachecke > 90°
Die Positionieranordnung für Schweißgeräte ist an einem in der Zeichnung nicht dargestellten in x-Richtung verfahrbaren Portal· wagen so gelagert, daß sie in y-Richtung beweglich ist.
Die Positionieranordnung besteht aus einem feststehenden Teil 1. Mit dem feststehenden Teil 1 ist eine Tragekonstruktion 2 verbunden. Diese ist um die Rotationsachse c drehbar gelagert. Weiterhin ist an der Unterseite der Tragekonstruktion 2 ein Führungsstück 3 angeordnet. In der Führung des Führungsstückes 3 ist ein Fühlarm δ in x'/v'-Achse beweglich angeordnet. Dessen Wirkrichtung stimmt mit der des Schweißbrenners 4 überein. Aiii feststehenden Teil 1 sind an dessen dem Werkstück 5 zugekehrter Fläche vier um 90° versetzte Sensoren El, E2, Ε3, E4 angeordnet. Diese ermöglichen die Bestimmung der Arbeitsposition des Schweißbrenners 4 am Werkstück (Doppelbodenfach) 5. Die Ausgangssignale der Sensoren El, E2, E3; E4 beeinflussen den der drehbaren Tragekonstruktion 2 zugeordneten Stellantrieb. Weiterhin sind an der Unterseite des Führungsstückes 3 vier weitere um 90° versetzte Sensoren E21, E22, E23, E24
angeordnet. Diese dienen zur Bestimmung der Arbeitsendlagen im Doppelbodenfach 5. Sei Annäherung des Schweißbrenners 4 an eine Begrenzung beeinflussen die Sensoren E21, E22, E23, E24 den Stellantrieb der Rotationsachse. Weiterhin sind an der Spitze des Fühlarmes 5 zwei mit dem Schweißbrenner 4 in gleicher lVirkungsrichtung stehende Sensoren E41, E42 angeordnet, welche den Stellantrieb des Fühlarmes 5 richtungsabhängig beeinflussen. Sie dienen der Bestimmung des Abstandes Fühlarm δ/Werkstück 5, der der Arbeitsposition des Schweißbrenners 4 am Werkstück 5 entspricht.
Ein am Fühlarm 6 angeordneter und in der Stellung veränderbarer Schaltnocken 7 steht in Wirkverbindung mit drei Sensoren Eil, E12, E13. Diese sind am Führungsstück 3 angeordnet. In Abhängigkeit der Arbeitsstellung des Fühlarmes 6 signalisieren die Sensoren Eil, E12, E13 dem Stellantrieb des Fühlarmes 6 die Stellung desselben
Es giIt
Eil = H Fühlarm δ in Arbeitslage
E12 = H Fühlarm δ ausgefahren 13 = H Fühlarm δ eingefahren
Der Fühlarm 6 steht über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Seilführung mit einem mechaniscn-elektrischen Wandler in Form eines Korrekturpotentiometers in ll'irkverbindung . Das einer Längenänderung proportionale Ausgangssignal des Wandlers ist als Stellgröße an den Stellantrieb der Rotationsachse c der drehbaren Tragekonstruktion 2 geführt. Zur Regelung der Start/Stoppposition des Schweißvorganges erfolgt die meßtechnische Verarbeitung von Weginkrementen, wobei folgendes ./!eßprinzip gilt: Die Summe aller Weginkremente bezogen auf eine Translationsachse im kartnesisehen Koordinatensystem entspricht einem vorgegebenen Wert. Die Bedingung entsprechend dem Steuerungsprograrnrn ist ein Umlauf im Koordinatensystem von 360°.
Die meßtechnische Umsetzung des '.Vießprinzips geschieht dabei wie folgt:
Von der Steuerlogik 10 der Positionieranordnung wird über den ivlotorstel ler 11 dem Antrieb 12 der Translationsachse (x- oder y-Achse) das Startsignal übertragen. Gleichzeitig erfolgt das
Nullen der Positionselektronik. Der dem Antrieb 12 nachgeschaltete Meßwandler setzt die vom Antrieb 12 erzeugten Weginkremente in elektrische Signale um, welche von einem Vor-/ Rückwärtszähler erfaßt werden. Oa beim Erreichen einer Start-/ Stopposition die Summe der Weginkremente einem vorgegebenen Wert entsprechen soll, wertet der dem Zähler 14 nachgeschaltete Vergleicher 15 den Registerinhalt des Zählers 14 in Abhängigkeit von einem mit seinem Ausgang auf den Eingang des Vergleichers geschalteten Vorwahlschalter aus und gibt bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes ein entsprechendes Stoppsignal an die Steuer logik 10,
Im weiteren wird der Arbeitsablauf im Zusammenwirken mit den \ Sensoren näher erläutert.
Fig. 6 zeigt das Prinzip der Arbeitsablauffolge im Doppelbodenfach 5. Folgende Ablauffolge gilt für den Schweißvorgang:
I Das Schweißgerät befindet sich in der .Mitte des Faches 5.
II Das Schweißgerät wird in der Führung des Portalwagens zur Werkstückkante 9 verfahren.
Der Sensor El erfaßt die Arbeitsposition des Schweißbrenners 4.
-Der Sensor E23 signalisiert/ daß sich der Schweißbrenner an der Bearbeitungskante 9 befindet.
Der Sensor Eil signalisiert, daß der Fühlarm δ sich in Arbeitslage befindet. Die Startposition ist somit folgende:
El = E23 = Eil = H
Die Steuerlogik 10 gibt ein Startsignal an den Translationsachsantrieb 12.
III 0er Schweißbrenner 4 schweißt in stechender Arbeitsweise entlang der 1. Arbeitslinie Al in x-Richtung. Bauteilungenauigkeiten und ungerade Naht verlaufe werden durch den Sensor E42 erfaßt. Nimmt der Fühlarm δ infolge Bauteilungenauigkeiten und damit Abweichungen des Nahtverlaufes in x- bzw. y-Richtung eine von Eil abweichende Arbeitsposition ein, d.h. Eil £ H, verändert sich die Stellung des Fühlarmes 5 in der Achse x'; y". (Fig. 1)
Wird der vorgegebene Wertebereich der Fühlannachse überschritten/unterschritten, d.h. der Sensor E12/E13 meldet, daß keine weitere Zustellung möglich ist, wird bei Anliegen dieses Schaltzustandes auf den y-Achsenantrieb umgeschaltet. Dieser stellt den Arbeitsbereich des Fühlarmes 5 wieder her. Das wird durch den Sensor Eil signalisiert und bei Eil = H wird der y-Achsenantrieb wieder abgeschaltet. -
Die Arbeitsbewegung in x-Richtung wird beendet, wenn der Sensor E21 bzw. E41 meldet, daß die Arbeitsendlage erreicht ist, d.h. eine anders verlaufende Werkstückkante 9 erreicht ist.
Es gilt
E21 = H V E41 = H
Das Erfassen der Arbeitsposition des Fühlarrnes 6 durch.die Sensoren Eil, E12, E13 erfolgt mittels Schaltnocken 7. Die Stellung des Schaltnockens 7 auf dem Fühlann 6 wird in Abhängigkeit vom sogenannten Srennerzustellwinkel β verändert. Den Brennerzustel Γ,νί nkel β bilden Fühlarm 6 und somit Schweißbrenner 4 mit der Werkstückkante 9. Der Schaltnocken 7 besitzt für jeden 3rennerzustellwinkel ß eine definierte Lage.
IV Es erfolgt das Ausschweißen der Eckendlage 8 des Doppelbodenfaches 5, Die translatorische Bewegung wird in eine rotatorische um die Rotationsachse c umgeschaltet, Die Arbeitsstellung des Fühlarmes 6 verändert sich.in Abhängigkeit vom Rotationswinkel OC .
Der Brennerzu stellwinkel^? wurde zu Beginn des Schweißvorganges in seiner Größe vorgegeben
Der Wert des Winkels .^ wurde durch die Kombination der Eingangsgrößen
El = Eil = E23 = H
mit El Sensor am feststehenden Teil 1 £11 Sensor am Fühlarm 6 E23 Sensor am rotatorischen Teil 2
in Verbindung mit dem einstellbaren Nocken 7 informationstechnisch eindeutig festgelegt.
Die rotatorische Arbeitsbewegung wird demzufolge abgeschlossen, wenn gilt
E2 = Eil = E23 = H,
wobei der Sensor E2 am feststehenden Teil 1 angeordnet ist und die abgeschlossene Drehung des rotatorischen Teiles 3 um 90° signalisiert.
Der Winkel i? liegt dann wieder in der ursprünglichen Größe an.
Auch beim rotatorischen- Teil 3 des Searbeitungsablaufes erfolgt die Stellung des Fühlarmes 6 über den Sensor E42 in gleicher Weise wie bei der translatorischen Bewegung.
Die rotatorische Arbeitsbewegung wiederholt sich für die Arbeitsschritte VI, VIII, X entlang der 3., 4. und 1. Arbeitsschritte analog dem Arbeitsschritt IV, wobei gilt, daß die Arbeitsbewegung abgeschlossen ist, wenn die Sensorzustände gelten:
E2 = Eil = E23 = H 90°-Drehung
E3 = Eil = E23 = H 130°-Drehung
E4 = Eil = E23 = H 270°-Drehung
El = Eil = E23 = H 360°/0°-Drehung
Somit ist es möglich, nach jedem übergang von einer rotatorischen Bewegung in eine translatorische die ursprünglich vorgegebene Winkelstellung β des Brenners 4 eindeutig zu fixieren.
r ' 9/
Die translatorischen Bewegungen für die Arbeitsschnitte V, VII, IX, XI erfolgen analog der im Arbeitsschritt III
Für den Arbeitsschritt XI gilt weiterhin, daß nach Erkennen des Nahtaufganges mittels der Wegmeßeinrichtung dieser um einen definierten Betrag überschweißt und der Schweißprozeß beendet wird, d.h. der Vergleicher 15 gibt ein Stoppsignal an die Steueriogik 10.
Die Kombination der Bewegungsabläufe und ihre informationstechnische Umsetzung und Steuerung ermöglichen das Ausschweißen beliebig verformter kompletter Fachkonstruktionen, Im folgenden sei zur näheren Erläuterung das Ausschweißen einer von 90° abweichenden Fachecke beschrieben.
Bei Erreichen der in Fig. 8 dargestellten Ecke durch den Fühlarm wird derselbe eingefahren bis zur Endlage E13 = H. Danach ist kein weiteres Sensieren möglich und es geht ein Stelloefehl an den x-Achsenantrieb, Der einsetzenden rotatoriscnen Bewegung zur Eckenausschweißung wird eine translatorische überlagert, Damit wird der Arbeitsbereich der Fühlarmachse wieder hergestellt. Die rotatorische Arbeitsbewegung wird abgeschlossen, wenn gilt:
E2 = Eil = E23 = H
Danach erfolgt ein Stellbefehl an den y-Achsenantrieb und.der Schweißprozeß an der nächsten Arbeitslinie beginnt, Zur Erzielung eines konstanten Schweißnahtquerschnittes ist es notwendig, auch im Bereich der Eckenausschweißung eine konstante Schweißgeschwindigkeit V zu erreichen.
Die Geschwindigkeitsabweichungen werden dabei über die Rotationsgeschwindigkeit «V kompensiert, Nach Figur 6 gilt dazu der mathematische Zusammenhang
V,
sin ( oi + β )
r - Δ r
mit IVc = Winkelgeschwindigkeit der Rotationsachse
QC = Drehwinkel β = Brennerzustellwinkel f = Abstand Brenner/Rotationsachse
Δ Γ = Abweichung von r
10/
- ίο -
Für die erfinderische Lösung wurde der funktionelle Zusammenhang
W = f (1 + Δ r)
bzw. die für die Praxis des Schweißens ausreichende Näherung. Δ Wn = f ( Δ r )
für die Steuerungsaufgabe genutzt. Bei einer Längenänderung Af wird über die Seilführung ein Korrekturpotentiotneter betrieben, dessen der Längenänderung proportionale Spannungsausgangswert als Stellgröße auf den Stellantrieb der Rotationsachse c geführt ist. So wird die Rotationsgeschwindigkeit W in Abhängigkeit der Längenänderung 4 Γ derart geändert, daß gilt:
V äj· konstant s
Die erfindungsgeniäße Anordnung ermöglicht das Ausschweißen beliebig geformter Fachkonstruktionen mit horizontalen Kehlnähten in kontinuierlicher Arbeitsweise und mit konstanten Schweißnahtquerschnitten an geraden Arbeitslinien. Spezielle Anwendung findet die Anordnung i^i Schiffbau beim Ausschweißen nach oben offener Doppelbodenfächer.

Claims (3)

- JLJ. - Erfindungsanspruch
1. Selbsttätige Positionieranordnung für Schweißgeräte, mit Sensoren arbeitend/ dadurch gekennzeichnet, daß in einer in x-Richtung verfahrbaren Führung eine in y-Richtung verfahrbare Stellvorrichtung angeordnet ist, die aus einem feststehenden Teil (l) und aus einer mit dem Teil (l) um die Rotationsachse c drehbar verbundenen Tragekonstruktion (2) und einem an der Tragekonstruktion (2) in Richtung Werkstück (5) befestigten Führungsstück (3) besteht, während in einer Führung des Führungsstückes (3) ein Fühlarm (5) in x', y'-Richtung bewegbar angeordnet ist, an dessen Ende sich ein Schweißbrenner (4) befindet, wobei an der dem Werkstück (5) zugekehrten Fläche des feststehenden Teiles (1) vier um 90° versetzte, die Arbeitsposition desSchweißbrenners (4) erfassende und den der drehbaren Tragekonstruktion (2) zugeordneten Stellantrieb beeinflussende Sensoren (El, E2, E3, E4) angeordnet sind, an der Unterseite des Führungsstückes (3) weitere vier um 90° versetzte die Ar'cei töendlage erfassende und denselben Stellantrieb beeinflussende Sensoren (E21, E22, E23, E24) befestigt sind,, drei am Führungsstück (3) angeordnete, die Arbeitsstellung des Fühlarmes (6) erfassende und die für die Translationsbewegung in x- bzw. y-Richtung verantwortlichen Stellantriebe beeinflussende Sensoren (Eil, E12, E13) stellungsabhangig in Wirkverbindung mit einem am Fühlarm (6) stellbar angeordneten Schaltnocken (7) stehen und weiterhin am Ende des Fühlarmes (6) zwei den Abstand Schweißbrenner (4)/»!/erkstück (5) erfassende Sensoren (E41, E42) angeordnet sind, von denen der Sensor E41 den Stellantrieb der Rotationsachse und der Sensor E42 den Stellantrieb des Fühlarmes (5) beeinflußt.
2. Selbsttätige Positionieranordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Fühlarm (6 )über eine Seilführung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler in Wirkverbindung steht, dessen Ausgangssignal zur Einhaltung einer konstanten Arbeitsgeschwindigkeit als Stellgröße an den Stellantrieb der um die Rotationsachse c drehbar gelagerten Tragekonstruktion (2)zur Korrektur der Winkelgeschwindigkeit W geführt ist.
3, Selbsttätige Positionieranordnung nach Punkt I1 dadurch gekennzeichnet , daß zur Bestimmung der Start/Stoppposition des Schweißvorganges einer Steuerlogik (10) der Positionieranordnung über einen Motorsteller (11) der An-
^ trieb (12) der Startachse (x- oder y-Achse) zum Empfang des Startsignales nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal an einem Meßwandler (13) anliegt, wobei zur Erfassung der elektrischen Signale des Meßwandlers (13) demselben ein Vor/ Rückwärtszähler (14) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang geineinsam mit dem Ausgang eines Vorwahlschalters (16) am Eingang eines Vergleichers (15) anliegt, dessen Ausgang wiederum zum Geben eines Stoppsignales auf den Eingang der Steuerlogik (10) zurückgeführt ist.
iietzüLZL-Seften Zeichnungen
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