DE102004050426B4 - Verfahren und System zur Winkelsynchronisation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Winkelsynchronisation mindestens zweier bewegbarer Arbeitsmittel (2, 2') in Form robotergeführter Werkzeuge oder robotergeführter Strahlungssender bzw. -empfänger, in einem vorgegebenen Wirkpunkt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkrichtungen (1, 1') der Arbeitsmittel (2, 2') kontinuierlich dargestellt, erfasst und in einem vorgegebenen Wirkpunkt (4) zusammengeführt werden, wobei der Winkel (α) zwischen den Wirkrichtungen (1, 1') der Arbeitsmittel (2, 2') durch eine optische Winkelmessung bestimmt und auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Winkelsynchronisation mindestens zweier bewegbarer Arbeitsmittel in einem vorgegebenen gemeinsamen Wirkpunkt. Die Arbeitsmittel können robotergeführte Werkzeuge oder Strahlungssender bzw. -empfänger von bspw. Röntgenstrahlung sein.
- Bei der Entwicklung, Fertigung und Prüfung moderner Produkte werden hohe Anforderungen an die eingesetzten Technologien gestellt, um die gewünschte Herstellungsgenauigkeit erreichen zu können. Ein Beispiel für derartige Produkte mit höchsten Anforderungen an die Produktionsgenauigkeit sind bspw. Turbinentriebwerke. Insbesondere im Bereich der Fertigungs- und Prüftechnik kommt der Positionierbarkeit von Werkzeugen oder Messgeräten, bspw. Röntgendiffraktometern, relativ zu den Bauteilen eine entscheidende Bedeutung zu. Um eine hohe Produktqualität bei wirtschaftlichen Herstellungsverfahren zu erreichen, ist die Synchronisation verschieden bewegbarer Arbeitsmittel in einem Arbeitsablauf besonders wichtig. Diese erreicht man durch Festlegen von Zeitabständen, Distanzen und Winkeln zwischen den und während der Aktionen der jeweiligen bewegbaren Arbeitsmittel.
- Bei dem Zusammenwirken verschiedener Arbeitsmittel ist die Synchronisation der Winkel zwischen diesen beiden Arbeitsmitteln (Winkelsynchronisation) von besonderer Bedeutung. Typische in der Produktion eingesetzte, sechsachsige Roboter zur Führung der Arbeitsmittel erreichen jeweils in ihrem eigenen Koordinatensystem eine absolute Genauigkeit von +/– 0,5 mm beim Anfahren eines Punktes und eine Winkelgenauigkeit von +/– 0,03°. Diese Genauigkeit lässt sich bei einer räumlichen Synchronisation mehrerer Roboter bisher allerdings nicht erreichen, da die eigenen Koordinatensysteme der Roboter nur schwierig aufeinander abzustimmen sind. Wenn produktionstechnisch hochgenaue Bewegungen von zwei Robotern nötig sind, wird typischerweise eine Bewegungskette über eine ortsfeste Übergabestelle realisiert. Dies ist jedoch mit einem hohen Zeitaufwand verbunden und lässt sich bei dem unmittelbaren Zusammenwir ken zweier Arbeitsmittel, bspw. bei aufeinander abgestimmten Strahlungssendern und -empfängern, mit Robotern nicht erreichen. Hochgenaue Produktions- und Messanlagen werden daher in der Regel aus festen Linear- und Drehachsen aufgebaut. Anlagen mit einem solchen konventionellen Aufbau sind jedoch weniger flexibel und erfordern einen höheren Wartungsaufwand als robotergeführte Anlagen.
-
US 5,875,726 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nähen entlang dreidimensional verlaufender Nähte, wobei ein Schlaufensystem synchron zu einem Nadelsystem bewegt wird. - Bei dem in
US 2004/0093119 A1 - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine hochgenaue Winkelsynchronisation mindestens zweier bewegbarer Arbeitsmittel vorzuschlagen.
- Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Wirkrichtungen der Arbeitsmittel insbesondere kontinuierlich dargestellt, erfasst und in einem vorgegebenen Wirkpunkt zusammengeführt werden, wobei der Winkel zwischen den Wirkrichtungen der Arbeitsmittel durch eine insbesondere optische Winkelmessung bestimmt und auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Indem die Wirkrichtungen für jedes der zu synchronisierenden Arbeitsmittel bspw. durch eine kontinuierliche Projektion der Wirkrichtungen dargestellt werden, können die Wirkrichtungen der Arbeitsmittel mit hoher Genauigkeit in einem bestimmten Raumpunkt (Wirkpunkt) zusammengeführt und damit die Koordinatensysteme in Übereinstimmung gebracht werden. Dadurch lässt sich im gemeinsamen Koordinatensystem eine Genauigkeit von +/– 0,01 mm erreichen. Durch die direkte Winkelmessung zwischen den Arbeitsmitteln kann dann der genaue Zwischenwinkel in dem gemeinsamen Koordinatensystem bestimmt und auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch eine Steuerung, welche die Messgrößen, insbesondere die Wirkrich tungen der Arbeitsmittel, die bspw. durch Projektion auf der Oberfläche des Bauteils dargestellt und mittels Kameras mit angeschlossenem Bildverarbeitungssystem aufgenommen werden, und der Winkel zwischen den Wirkrichtungen erfasst, um daraus die Lagen der Wirkrichtungen der Werkzeuge zueinander zu berechnen und bei Bedarf durch geeignete Stellbefehle an die Stellglieder oder Roboter der bewegbaren Arbeitsmittel gegebenenfalls iterativ nachzuregeln. Dadurch lässt sich eine hochgenaue Winkelsynchronisation von +/– 0,001° in dem gemeinsamen Koordinatensystem erreichen.
- Um eine einfache und genaue Winkelbestimmung zu ermöglichen, wird die Winkelmessung gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ebene durchgeführt, welche für jedes Arbeitsmittel in Bezug auf seine Wirkrichtung genau definiert ist. Dies kann bei einem optischen Messverfahren insbesondere dadurch erreicht werden, dass die an einem Arbeitsmittel festgelegte Winkelmesseinrichtung definiert zu der Wirkrichtung des jeweiligen Arbeitsmittels ausgerichtet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Winkelmessung in der durch die in dem Wirkpunkt zusammengeführten Wirkrichtungen der Arbeitsmittel aufgespannten Ebene oder einer dazu parallelen Ebene erfolgt, weil die Winkelmessung dann unmittelbar den Winkel zwischen den relevanten Wirkrichtungen in der gemeinsamen Wirkebene der Arbeitsmittel definiert. Diese Wirkebene ist insbesondere bei aufeinander abgestimmten Strahlungssendern und -Empfänger wichtig.
- Bei einer einfachen Möglichkeit zur optischen Winkelbestimmung erfolgt die Winkelmessung durch Erfassung eines von dem einen Arbeitsmittel zu dem anderen Arbeitsmittel gesendeten und zurück reflektierten Lichtstrahls. Diese Messmethode führt zu einer hohen relativen Genauigkeit bei der Bestimmung des Winkels und der Wirkebene. Dazu können insbesondere zwei Drehverstellvorrichtungen verwendet werden, die in definierter Weise jeweils an einem Arbeitsmittel festgelegt sind, wobei mindestens eine Drehstelleinheit eine spiegelnde Fläche, bspw. einen Spiegel, zur Reflektion des Lichtstrahls positioniert.
- Erfindungsgemäß kann die Erfassung des reflektierten Lichtstrahls mit einem Autokollimationsfernrohr und/oder mindestens einem Interferometer mit Retroreflektor erfolgen. Mit dem Retroreflektor-Interferometer kann auch die Ortsabweichung des reflektierten Strahls gemessen werden. Vorteilhaft kann auch der Einsatz von zwei Interferometern mit je einem Retroreflektor sein, um jeweils auch die Ortsabweichung des reflektierten Strahls zu messen.
- Zur Darstellung der Wirkrichtung eines Arbeitsmittels können erfindungsgemäß ein erster und ein zweiter flächiger Strahl insbesondere aus sichtbarem Licht bspw. mit Laserliniengeneratoren gebildet werden, die sich in der Wirkrichtung des Arbeitsmittels überschneiden und in der Projektion auf dem Bauteil bspw. ein Kreuz ergeben. Dabei kann es vorteilhaft sein, in dem Strahlengang der von den Laserliniengeneratoren erzeugten flächigen Strahlen (Laserlinie) rotierende transparente Scheiben oder Quader anzuordnen. Aufgrund des dadurch entstehenden wechselnden Parallaxenversatzes können die Speckle-Effekte drastisch reduziert werden, die bei der Beleuchtung von diffus reflektierenden, rauen Oberflächen auftreten, weil Rauigkeitsspitzen nach dem Huygenschen-Prinzip als Ausgangspunkte für neue Elementarwellen dienen, die sich rein zufällig im Raum ausbreiten und verlagern. Indem zwei sich in der Wirkrichtung des Arbeitsmittels schneidende, flächig aufgeweitete Strahlen bzw. Lichtebenen erzeugt werden, ist es möglich, ihre Lichtquellen außerhalb der Wirklinie des Arbeitsmittels anzuordnen und dennoch kontinuierlich die Wirkrichtung des Arbeitsmittels darzustellen. Dazu werden die beiden Lichtquellen zur Erzeugung der flächigen Strahlen und das Arbeitsmittel entsprechend so einjustiert werden, dass die Schnittgerade bzw. Schnittlinie der flächigen Strahlen mit der Wirkrichtung des Arbeitsmittel zusammenfällt.
- Der Einfachheit halber kann der Wirkpunkt auf einem Bauteil selbst gekennzeichnet sein, bspw. durch ein Kreuz. Dieses kann aufprojiziert, fest auf dem Bauteil vorgegeben oder anders gekennzeichnet sein. Zur Überwachung, ob die Wirkrichtungen aller Teile in dem Wirkpunkt zusammengeführt sind, kann bspw. mit einer Kamera festgestellt werden, ob das den Wirkpunkt kennzeichnende Kreuz mit den die Wirkrichtungen darstellenden Kreuzen in Übereinstimmung gebracht sind.
- Die Erfindung betrifft auch ein System zur Winkelsynchronisation mittels zweier bewegbarer Arbeitsmittel, insbesondere robotergeführter Werkzeuge oder robotergeführter Strahlungssender bzw. -empfänger bspw. von Röntgenstrahlen, in einem Wirkpunkt, mit dem das vorbeschrieben Verfahren durchgeführt werden kann. Dazu weist jedes der Arbeitsmittel eine Einrichtung zur Darstellung seiner Wirkrichtung auf. Ferner sind ein insbesondere optisches Winkelmesssystem zur Messung des Winkels zwischen den Wirkrichtungen des ersten Arbeitsmittels und des zweiten Arbeitsmittels vorgesehen. Mit einer Einrichtung zum Zusammenführen der Wirkrichtungen des ersten Arbeitsmittels und des zweiten Arbeitsmittels im Wirkpunkt und zur Überprüfung des Winkels zwischen den Wirkrichtungen wird die Winkelsynchronisation erreicht. Diese Einrichtung kann erfindungsgemäß in Form einer Steuerung vorgesehen sein, die mittels eines Bildverarbeitungssystems die die Wirkrichtung der Arbeitsmittel anzeigenden Laserkreuze auf der Oberfläche des Bauteils identifiziert, den Winkel zwischen den Arbeitseinheiten optisch vermisst, durch Verknüpfung aller erfassten Messgrößen die Lage der Wirkrichtungen der Arbeitsmittel zueinander berechnet und bei Bedarf durch entsprechende Stellbefehle an die Stellglieder oder Roboter der bewegbaren Arbeitsmittel nachregelt.
- Erfindungsgemäß kann das Winkelmesssystem eine Strahlführung von einem Arbeitsmittel zu dem anderen Arbeitsmittel aufweisen, wobei die Wirkrichtung jedes Arbeitsmittels insbesondere in der durch die Strahlführung aufgespannten oder einer dazu parallelen Ebene verläuft. In einer einfachen Ausgestaltung weist das Winkelmesssystem an mindestens einem Arbeitsmittel einen auf einer Drehverstellvorrichtung angeordneten Spiegel oder dergleichen spiegelnde Fläche auf. Aus der Dreheinstellung kann die Steuerung dann den Winkel zwischen den Arbeitsmitteln genau bestimmen. Dazu kann erfindungsgemäß an mindestens einem Arbeitsmittel ein Autokollimationsfernrohr und/oder ein Interferometer mit Retroreflektor vorgesehen sein.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems kann die Einrichtung zur Darstellung der Wirkrichtung des Arbeitsmittels zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Strahlen mit flächiger Ausdehnung aufweisen, welche sich in Wirkrichtung des Arbeitsmittels schneiden. Ferner kann ein Kamerasystem zur Aufnahme der Projektion der Strahlen und des Wirkpunktes vorgesehen sein, um das Übereinanderliegen der Strahlen zur Darstellung der Wirkrichtung des Arbeitsmittels sowie des Wirkpunktes bspw. mittels einer Bildverarbeitung zu überprüfen.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
- Es zeigen:
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1 schematisch das erfindungsgemäße System zur Winkelsynchronisation in einer dreidimensionalen Ansicht; -
2 schematisch die Positionen der Wirkrichtungen der Arbeitsmittel in dem System gemäß1 und -
3 das erfindungsgemäße Winkelmesssystem für die Winkelsynchronisation im Detail. - Gemäß
1 weist das System zur Winkelsynchronisation zwei Arbeitsmittel2 ,2' auf, die an sechsachsigen Robotern11 ,11' montiert sind. Die Wirkrichtungen1 ,1' der Arbeitsmittel2 ,2' sollen in einem gemeinsamen Wirkpunkt4 auf dem Bauteil5 zusammengeführt werden. Dabei sollen sie untereinander den Winkel α einschließen. Die Wirkrichtungen1 ,1' sollen dabei in der gemeinsamen Wirkebene3 verlaufen. Das Zusammenlaufen der Wirkrichtungen1 ,1' der Arbeitsmittel2 ,2' in dem Wirkpunkt4 auf dem Bauteil5 unter dem Winkel α kann der dreidimensionalen Ansicht von2 im Detail entnommen werden. Zur Feststellung des Winkel α ist an den Arbeitsmitteln2 ,2' ein optisches Winkelmesssystem6 angeordnet. - Das Zusammenlaufen der auf dem Bauteil
5 sichtbar gemachten Wirkrichtungen1 ,1' kann mittels einer Kamera7 überwacht werden, die auch an einem Arbeitsmittel2 festgelegt sein kann und mit einem Bildauswertungssystem verbunden ist, welches gegebenenfalls die Roboter11 ,11' zur Ausrichtung der Arbeitsmittel2 ,2' nachregelt. - Anhand von
3 werden nachfolgend das Winkelmesssystem6 und die Ausrichtungen der Wirkrichtungen1 ,1' im Detail beschrieben. - Das Winkelmesssystem
6 bildet eine Strahlführung9 zwischen seinen an jedem Arbeitsmittel2 ,2' angebrachten Komponenten aus. Dazu ist an dem Arbeitsmittel2 eine Drehverstellvorrichtung6c' mit einem Spiegel6a' vorgesehen, welche mit einer entsprechenden Drehverstellvorrichtung6c mit einem Spiegel6a korrespondiert, die an dem anderen Arbeitsmittel2' angeordnet ist. Beide Drehverstellvorrichtungen6c ,6c' sind zu den Wirkrichtungen1 ,1' derart angeordnet, dass die Strahlführung9 und die Wirkrichtungen1 ,1' jeweils in einer gemeinsamen Ebene oder in parallelen Ebenen liegen. An dem Arbeitsmittel2 ist ferner ein weiterer Spiegel6a' vorgesehen, um den in der Strahlführung9 zwischen den Arbeitsmitteln2 ,2' verlaufenden Strahl in ein Autokollimationsfernrohr6b' zu lenken. Durch das Autokollimationsfernrohr6b' und die Drehverstellvorrichtungen6c ,6c' kann die Strahlführung9 derart einjustiert werden, dass der hin und her reflektierte Strahl in sich abgebildet wird. Anhand der Einstellungen der Drehverstellvorrichtungen6c ,6c' kann dann auf den Winkel α zwischen den Wirkrichtungen1 ,1' der Arbeitsmittel geschlossen werden, da die Wirkrichtungen1 ,1' relativ zu dem Winkelmesssystem6 bekannt sind. - Zur Winkelsynchronisation der Wirkrichtungen
1 ,1' werden die Wirkrichtungen1 ,1' mit Einrichtungen8 dargestellt, welche an den Arbeitsmitteln2 ,2' festgelegt sind. Dazu weist jede Einrichtung8 zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Strahlen mit flächiger Ausdehnung auf, deren Lichtebenen sich überschneiden. Die Schnittlinie bzw. Schnittgerade dieser beiden Lichtebenen wird mittels der Einrichtung8 in Übereinstimmung mit der Wirkrichtung1 ,1' des Bauteils2 ,2' eingerichtet, so dass die Wirkrichtung1 ,1' jeweils sichtbar ist und in Form eines Kreuzes auf die Oberfläche des Bauteils5 projiziert wird. Über die Kamera7 werden die aktuellen Positionen der durch die Projektion10 ,10' der Wirkrichtungen1 ,1' auf dem Bauteil5 erzeugten Kreuze erfasst und in der beschrieben Weise zur Winkelsynchronisation in dem Wirkpunkt4 zusammengeführt. Weil die Wirkrichtungen1 ,1' mit den Einrichtungen8 kontinuierlich dargestellt werden, ist eine kontinuierliche Synchronisation der Arbeitsmittel2 ,2' auf diese Weise einfach handhabbar. - Dadurch wird der Aufbau schneller, wartungsfreundlicher Produktions- und Messanlagen mit einer hochgenauen Winkelsynchronisation möglich, die deutlich flexibler sind als konventionell aufgebaute Anlagen mit festen Linear- und Drehachsen, die bisher zur Erreichung einer hohen Synchronisationsgenauigkeit notwendig waren.
-
- 1, 1'
- Wirkrichtung
- 2, 2'
- Arbeitsmittel
- 3
- Wirkebene
- 4
- Wirkpunkt
- 5
- Bauteil
- 6
- Winkelmesssystem
- 6a, a'
- Spiegel
- 6b
- Autokollimationsfernrohr
- 6c, c'
- Drehverstellvorrichtung
- 7
- Kamera
- 8
- Einrichtung zur Darstellung der Wirkrichtung
- 9
- Strahlführung
- 10, 10'
- Projektion
- 11, 11'
- Roboter
- α
- Winkel zwischen den Wirkrichtungen
Claims (11)
- Verfahren zur Winkelsynchronisation mindestens zweier bewegbarer Arbeitsmittel (
2 ,2' ) in Form robotergeführter Werkzeuge oder robotergeführter Strahlungssender bzw. -empfänger, in einem vorgegebenen Wirkpunkt (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkrichtungen (1 ,1' ) der Arbeitsmittel (2 ,2' ) kontinuierlich dargestellt, erfasst und in einem vorgegebenen Wirkpunkt (4 ) zusammengeführt werden, wobei der Winkel (α) zwischen den Wirkrichtungen (1 ,1' ) der Arbeitsmittel (2 ,2' ) durch eine optische Winkelmessung bestimmt und auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessung in einer Ebene (
3 ) durchgeführt wird, welche für jedes Arbeitsmittel (2 ,2' ) in Bezug auf seine Wirkrichtung (1 ,1' ) genau definiert ist. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessung durch Erfassen eines von dem einem Arbeitsmittel (
2 ) zu dem anderen Arbeitsmittel (2' ) gesendeten und zurück reflektierten Lichtstrahls erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des reflektierten Lichtstrahls mit einem Autokollimationsfernrohr (
6b' ) und/oder mindestens einem Interferometer mit Retroreflektor erfolgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung der Wirkrichtung (
1 ,1' ) eines Arbeitsmittels (2 ,2' ) ein erster und ein zweiter flächiger Strahl aus sichtbarem Licht gebildet werden, die sich in der Wirkrichtung (1 ,1' ) des Arbeitsmittels (2 ,2' ) überschneiden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkpunkt (
4 ) auf einem Bauteil (5 ) durch ein Kreuz gekennzeichnet wird. - System zur Winkelsynchronisation mindestens zweier bewegbarer Arbeitsmittel (
2 ,2' ) in Form robotergeführter Werkzeuge oder robotergeführter Strahlungssender bzw. -empfänger, in einem Wirkpunkt (4 ), dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Arbeitsmittel (2 ,2' ) eine Einrichtung (8 ) zur Darstellung seiner Wirkrichtung (1 ,1' ) aufweist, dass ein optisches Winkelmesssystem (6 ) zur Messung des Winkels (α) zwischen den Wirkrichtungen (1 ,1' ) des ersten Arbeitsmittels (2 ) und des zweiten Arbeitsmittels (2' ) vorgesehen ist und dass eine Einrichtung zum Zusammenführen der Wirkrichtungen (1 ,1' ) des ersten Arbeitsmittels (2 ) und des zweiten Arbeitsmittels (2' ) im Wirkpunkt (4 ) und zur Überprüfung des Winkels (α) zwischen den Wirkrichtungen (1 ,1' ) vorgesehen ist. - System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmesssystem (
6 ) eine Strahlführung (9 ) von einem Arbeitsmittel (2 ) zu dem anderen Arbeitsmittel (2' ) aufweist, wobei die Wirkrichtung (1 ,1' ) jedes Arbeitsmittels (2 ,2' ) in der durch die Strahlführung (9 ) und den Wirkpunkt (4 ) aufgespannten Ebene (3 ) oder einer dazu parallelen Ebene verläuft. - System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelmesssystem (
6 ) an mindestens einem Arbeitsmittel (2 ,2' ) einen auf einer Drehverstellvorrichtung (6c ,6c' ) angeordneten Spiegel (6a ,6a' ) oder eine spiegelnde Fläche aufweist. - System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Arbeitsmittel (
2' ) ein Autokollimationsfernrohr (6b' ) und/oder ein Interferometer mit Retroreflektor vorgesehen ist. - System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (
8 ) zur Darstellung der Wirkrichtung (1 ,1' ) des Arbeitsmittels (2 ,2' ) zwei Lichtquellen zur Erzeugung von Strahlen mit flächiger Aufweitung, welche sich in Wirkrichtung (1 ,1' ) des Arbeitsmittels (2 ,2' ) schneiden, sowie ein Kamerasystem (7 ) zur Aufnahme der Projektion (10 ,10' ) der Strahlen und des Wirkpunkts (4 ) aufweist.
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