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Die
Erfindung betrifft eine Kabelschutzvorrichtung für Energiezuführungen
von Robotern, mit einem Kabelschutzschlauch, der zumindest eine
flexible Außenhülle aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Roboters
mit einem Kabelschutzschlauch, der zumindest eine flexible Außenhülle aufweist.
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Aus
der
EP 0 979 709 B1 ist
eine Kabelschutzvorrichtung mit einem Kabelschutzschlauch bekannt,
der eine flexible Außenhülle aufweist
und Kabel entlang eines Roboterarms führt. An der flexiblen Außenhülle sind
an kritischen, stark belasteten Stellen Verschleißringe angeordnet,
die den Kabelschutzschlauch vor einem Durchscheuern im Betrieb schützen. Die
Verschleißringe
bestehen aus mehreren, übereinander
liegenden Schichten aus verschiedenfarbigem Kunststoffmaterial.
Wenn der Verschleiß einen
kritischen Wert erreicht, wird eine untere, in einer Signalfarbe
gehaltene Schicht sichtbar, so dass das drohende Durchscheuern des
Kabelschutzschlauchs bei einer visuellen Kontrolle durch einen Bediener
erkennbar wird.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kabelschutzvorrichtung
bereitzustellen, durch welche durch das Durchscheuern der Außenhülle bedingte
Schäden
an in dem Kabelschutzschlauch geführten Kabeln und/oder an der
die Kabelschutzvorrichtung umfassenden Maschine sicher vermieden
werden können, und
zwar insbesondere auch ohne eine visuelle Verschleißkontrolle
durch einen Bediener.
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Zur
Lösung
der Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren schlägt die Erfindung
vor, die Kabelschutzvorrichtung mit wenigstens einem Detektionsmittel
zum Ermöglichen
einer automatischen Erkennung eines Schadens der Außenhülle auszustatten.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird die
maschinelle Erkennung des Schadens der Außenhülle ermöglicht, und geeignete Maßnahmen
zur Verhinderung weitergehender Schäden können unmittelbar ergriffen
werden, ohne dass eine visuelle Kontrolle durch einen Bediener notwendig
ist. Geeignete Maßnahmen
können
insbesondere in der Erzeugung eines optischen oder akustischen Warnsignals
oder in der Einleitung einer Notabschaltung einer die Kabelschutzvorrichtung
umfassenden Maschine bestehen.
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Nach
der erfindungsgemäßen Weiterbildung des
Verfahrens zum Steuern eines Roboters mit einem Kabelschutzschlauch,
der zumindest eine flexible Außenhülle aufweist,
wird zur Verbesserung vorgeschlagen, dass die Außenhülle regelmäßig mit Hilfe eines Detektionsmittels
auf einen Schaden der Außenhülle hin überprüft wird,
und dass beim Vorliegen eines Schadens ein Schadenssignal generiert
wird.
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Als
zu erkennende Schäden
kommen insbesondere Risse, Löcher
und/oder das Erreichen einer kritischen Materialstärke der
Außenhülle des
Kabelschutzschlauchs in Betracht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Detektionsmittel zumindest einen leitfähigen Draht aufweist, der im Schadensfall
unterbrochen wird, sei es durch Durchscheuern, bei Verschleiß des Schlauchmaterials,
sei es durch Reißen
zusammen mit einem Reißen
der Außenhülle. Dadurch
kann erreicht werden, dass der Zustand der Außenhülle an den Zustand des Drahts gekoppelt
ist, so dass der Schaden einfach anhand der durch das Reißen weggefallenen
Leitfähigkeit des
Drahts erkannt werden kann.
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In
einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung
ist der Draht mittig zusammen mit den zu schützenden Kabeln in dem Kabelschutzschlauch
geführt
und ist geringfügig
kürzer als
die Kabel, aber lang genug, um bei intakter Außenhülle nicht gespannt zu sein.
Wenn die Außenhülle reißt, werden
daher zunächst
aufgrund der Längenverhältnisse
alle auf das Bündel
aus geführten Kabeln
und den Draht wirkenden Zugkräfte
durch den Draht abgefangen, so dass dieser reißt, bevor die Kabel der Zugbelastung
ausgesetzt sind. Das Reißen
des Drahts kann durch den sprunghaften Anstieg seines Widerstands
ins Unendliche leicht erkannt werden, und es kann ein Notstopp veranlasst werden,
bevor die nicht oder nur unzureichend geschützten Kabel Schaden nehmen
oder Schaden verursachen können.
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Dabei
ist die Reißfestigkeit
des Drahts zur Vermeidung von Schäden durch den Draht selbst
am besten gering, so dass er bei einer maximalen Zuglast von insbesondere
weniger als 10kg reißt.
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Eine
unmittelbare Kopplung des Drahts an die Außenhülle kann erreicht werden, wenn
der Draht in ein Material der flexiblen Außenhülle eingearbeitet ist.
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Wenn überdies
das Material der flexiblen Außenhülle ein
Kunststoff ist, wobei der Draht mit dem Material umspritzt ist,
kann eine Lage des Drahts innerhalb der Materialstärke der
Außenhülle präzise so bestimmt
werden, dass der Draht reißt
oder durchgescheuert wird, wenn die Materialstärke einen kritischen Minimalwert
unterschreitet. Prinzipiell könnte der
Draht auch zwischen zwei separat gefertigten Schichten des Materials
angeordnet sein.
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Wenn
der Draht Teil eines in die Außenhülle eingearbeiteten
Drahtgeflechts ist, kann eine großflächige, feinmaschige Überwachung
der Unversehrtheit der Außenhülle erreicht
werden, wobei das Reißen
und/oder Durchscheuern einzelner Drähte maschinell durch den dadurch
ansteigenden elektrischen Widerstand des Drahtgeflechts erkennbar
ist. Ein ähnlicher
Effekt wäre
auch mit einer Vielzahl von dicht nebeneinander angeordneten, parallelen
Drähten
erreichbar.
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Eine
in einem Arbeitsvorgang vollständig
aus Kunststoff hergestellte Außenhülle kann
erreicht werden und auf Draht kann verzichtet werden, wenn die Außenhülle wenigstens
einen aus einem leitfähigen Kunststoff
ausgebildeten Teil umfasst, der das Detektionsmittel bildet. Dabei
können
insbesondere auch aus einem Gesamtwiderstand des entsprechenden Teils
Rückschlüsse auf
eine nach einem teilweisen Durchscheuern verbleibende Materialstärke des
aus leitfähigem
Kunststoff ausgebildeten Teils gezogen werden, der entweder eine
Schicht oder eine Lage der Außenhülle bilden
oder auch die gesamte Außenhülle ausmachen
kann.
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Wenn
das Detektionsmittel wenigstens eine, insbesondere auf eine Innenseite
der Außenhülle aufgebrachte
leitfähige
Schicht aufweist, kann durch das Ansteigen des Widerstands der leitfähigen Schicht
aufgrund von Schäden
einfach ein Durchscheuern der Schicht bzw. der Außenhülle in dem entsprechenden
Bereich detektiert werden. Die Schicht kann in vorteilhaften Ausgestaltungen
dieser Weiterbildung der Erfindung beispielsweise durch Aufspritzen,
Aufdampfen oder Aufkleben von innen oder von außen auf die Außenhülle aufgebracht
sein.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass das Detektionsmittel wenigstens einen,
an einem ersten Ende des Kabelschutzschlauchs angeordneten Zugschalter
und ein innerhalb des Kabelschutzschlauchs verlegtes Zugseil aufweist,
das einerseits mit dem Zugschalter und andererseits einem zweiten
Ende des Kabelschutzschlauchs verbunden ist. Dadurch kann in sicherer
Weise mechanisch ein Schaltvorgang ausgelöst werden, wenn die Außenhülle reißt und infolgedessen
das Zugseil einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Diese Ausgestaltung
der Erfindung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil kein Abfragezyklus
einer Abfrageelektronik abgewartet wird, sondern das Notsignal sofort, "InTime", unmittelbar bei
dem Auftreten der Zugbelastung ausgelöst wird.
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Auch
kleine und kleinste Löcher
in der Außenhülle können vorteilhaft
erkennbar sein, wenn das Detektionsmittel einen Drucksensor zum
Detektieren eines Innendrucks des Kabelschutzschlauchs umfasst.
Der Innendruck muss dazu im schadensfreien Betrieb innerhalb des
Kabelschutzschlauchs erkennbar vom Atmosphärendruck abweichen. Der entsprechende
Unter- oder Überdruck
kann dabei einfach erzeugt werden, wenn die Kabelschutzvorrichtung
eine dazu vorgesehene Pumpe aufweist.
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Wenn
das Detektionsmittel eine Photodiode zum Detektieren von durch einen
Bruch bzw. Materialschaden in der Außenhülle in das Innere des Kabelschutzschlauchs
eindringendem Licht aufweist, kann eine weitere alternative Detektionsmöglichkeit
bereitgestellt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung kann eine einzige Photodiode einen ganzen Längenbereich
des Kabelschutzschlauchs überwachen,
wenn ein innerhalb des Kabelschutzschlauchs verlaufender Lichtwellenleiter zum Übertragen
des Lichts zu der Photodiode vorhanden ist.
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Wegen
der hier verstärkt
auftretenden Verschleißproblematik
und wegen des insbesondere in einer vollautomatisierten Umgebung
oftmals fehlenden Personals zur Sichtkontrolle kommen die erfindungsgemäßen Vorteile
insbesondere dann voll zum Tragen, wenn der Kabelschutzschlauch
dazu vorgesehen, Kabel zur Applikationsversorgung entlang eines
Roboterarms zu führen.
Ferner kann in diesem Zusammenhang eine Symbiose verschiedener Sicherheitssysteme
durch die Ausnutzung einer in Robotersteuerungen ohnehin vorhandenen Notaus-Funktion
erreicht werden.
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Wenn
der Kabelschutzschlauch eine Schnittstelle zum Verbinden des Detektionsmittels
mit einer Steuereinheit eines den Kabelschutzschlauch umfassenden
Roboters aufweist, kann die Steuereinheit den Kabelschutzschlauch überwachen,
und auf eine separate Überwachungselektronik
kann verzichtet werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die
Figuren zeigen Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann auch einzeln
betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen
wird.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Roboter mit einem Roboterarm, einem Kabelschutzschlauch und einer
schematisch dargestellten Überwachungsschaltung;
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2 eine
Außenansicht
des Kabelschutzschlauchs nach den vier Ausgestaltungen der Erfindung
aus 1;
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3 die
Außenhülle des
Kabelschutzschlauchs aus den 1 und 2 in
einer Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung;
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3a einen
Ausschnitt der Schnittdarstellung aus 3;
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3b einen
dem Ausschnitt aus 3a entsprechenden Ausschnitt
nach einer alternativen Ausgestaltung der Außenhülle;
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4 eine
Schnittdarstellung eines Kabelschutzschlauchs mit einer Außenhülle nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung mit einem mittig im Kabelschutzschlauch
verlaufenden Draht;
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5 eine
Schnittdarstellung eines Kabelschutzschlauchs mit einer Außenhülle nach
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Zugschalter;
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6 einen
Ausschnitt eines Kabelschutzschlauchs nach einer vierten Ausgestaltung
der Erfindung mit einer Bohrung zum Anschluss eines Drucksensors;
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6a den
Ausschnitt aus 6 in einer Schnittdarstellung
mit einem an die Bohrung angeschlossenen Drucksensor; und
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7 eine
Schnittdarstellung eines Kabelschutzschlauchs mit einer Außenhülle nach
einer fünften
Ausgestaltung der Erfindung mit einer Photodiode und mit einem Lichtwellenleiter.
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1 zeigt
einen Roboter, der einen Roboterarm 10 mit einer Kabelschutzvorrichtung
hat. Die Kabelschutzvorrichtung weist einen Kabelschutzschlauch 12 auf,
der zumindest eine flexible Außenhülle 14 hat.
An einem vorderen Ende 16 des Roboterarms 10 können Applikationen
bzw. Werkzeuge befestigt werden, die über Kabel, die innerhalb der Außenhülle 14 der
Kabelschutzvorrichtung verlegt werden können, entlang eines Roboterarms 10 zu dem
vorderen Ende 16 des Roboterarms 10 hin geführt werden
können.
Der Kabelschutzschlauch 12 endet an beiden Seiten in Steckverbindungselementen 18, 20 zum
Kontaktieren der Kabel. Das erste Steckverbindungselement 18 ist
zur Verbindung mit einer Applikation vorgesehen und das zweite Steckverbindungselement 20 ist
zur Verbindung mit einer hier nur schematisch dargestellten Steuereinheit 22 zum
Steuern der Applikation vorgesehen.
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2 zeigt
den Kabelschutzschlauch 12 in einer verkürzten Form
in einer Außenansicht.
Erkennbar sind Verbindungsflansche 24, 26, in
welchen die Steckverbindungselemente 18, 20 angeordnet sind
und die in einer quer zur Längsrichtung
des Kabelschutzschlauchs 12 verlaufenden Richtung Abflachungen
mit hier nicht dargestellten Gewindebohrungen aufweisen, über welche
die Verbindungsflansche 24, 26 mit verschiedenen
Teilen des Roboters, insbesondere wie in 1 dargestellt
mit dem vorderen Ende 16 des Roboterarms 10, und
mit einem Sockel 32 des Roboters verbunden sind.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung des Kabelschutzschlauchs 12 aus
den 2 und 3. Die Außenhülle 14 hat eine ziehharmonikaartige
Struktur aus die Außenhülle 14 in
Umfangsrichtung umschließenden,
sich periodisch abwechselnd über
die Länge der
Außenhülle 14 erstreckenden
Rippen und Nuten.
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Die
Außenhülle 14 ist
aus Kunststoff extrudiert, wobei bei der Extrusion ein vorgefertigtes Drahtgeflecht 28 (3a)
umspritzt wurde. Das Drahtgeflecht 28 umfasst eine Vielzahl
von leitfähigen
Drähten 34 aus
Metall, die, wie das gesamte Drahtgeflecht 28, ein Detektionsmittel 30 zum
Ermöglichen
einer automatischen Erkennung eines Schadens der Außenhülle 14 bilden,
dessen Funktionsweise im Folgenden näher beschrieben wird. Die Drähte 34 sind
durch dieses Herstellungsverfahren in ein Material der flexiblen
Außenhülle 14 eingearbeitet.
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Die
Drähte 34 des
Drahtgeflechts 28 sind mit Kontakten der Steckverbindungselemente 18, 20 verbunden, über welche
sie in einen Überwachungsstromkreis
mit einer Widerstandsmessanordnung 36 (1)
integriert werden können.
Die Steckverbindungselemente 18, 20 bilden daher
jeweils eine Schnittstelle 38, 40 zum Verbinden
des Detektionsmittels 30 mit einer Steuereinheit 22 eines
den Kabelschutzschlauch 12 umfassenden Roboters.
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Falls
die Außenhülle 14 im
Betrieb reißt, bricht
oder durchscheuert, so gilt das Gleiche für zumindest einen Teil der
Drähte 34.
Um dies zu gewährleisten,
ist die Stärke
der Dräh te 34 so
gewählt,
dass das Drahtgeflecht 28 gleichzeitig mit dem Kunststoffmaterial
reißt.
Wegen der geringeren Zahl von Leitern sinkt durch das Reißen der
Drähte 34 die
Leitfähigkeit
des Drahtgeflechts 28, womit gleichzeitig der Widerstand
des Drahtgeflechts 28 steigt.
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Eine Überwachungseinheit 42 (1),
die auch in die Steuereinheit 22 des Roboters integriert sein
kann, überprüft periodisch
den Widerstand des Drahtgeflechts 28. Dadurch wird die
Außenhülle 14 regelmäßig mit
Hilfe des Detektionsmittels 30 auf einen Schaden hin überprüft. Die Überwachungseinheit 42 generiert
beim Vorliegen eines Schadens bzw. dann, wenn der gemessene Widerstand
einen voreingestellten Schwellenwert übertrifft, ein Schadenssignal,
und zwar einerseits ein Warnsignal an das Bedienpersonal und andererseits
ein Signal zum Einleiten einer Notabschaltung des Roboters.
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In
einer alternativen, in 3b dargestellten Ausgestaltung
der Erfindung besteht das Detektionsmittel 30 unter anderem
aus einer insbesondere auf eine Innenseite der Außenhülle 14 aufgebrachten leitfähigen Schicht 58,
welche das Drahtgeflecht 28 ersetzt. Die leitfähige Schicht 58 kann
in einer dem Fachmann als geeignet erscheinenden Weise auf die Innenseite
aufgespritzt, aufgedampft oder aufgeklebt sein.
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Es
wäre auch
denkbar, den Kabelschutzschlauch 12 mit einer zwischen
zwei Kunststoffschichten angeordneten, leitfähigen Zwischenschicht auszustatten,
die besonders vorteilhaft aus leitfähigem Kunststoff gebildet sein
kann, so dass die Außenhülle 14 durch
eine Extrusion in einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren herstellbar wäre. In einer
fertigungstechnisch besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung
könnte
die Außenhülle 14 auch
vollständig
aus einem leitfähigen
Kunststoffmaterial bestehen.
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Die 4–7 zeigen
alternative Ausgestaltungen der Erfindung. In der nachfolgenden
Beschreibung wird im Wesentlichen auf Unterschiede zu dem in den 1–3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
eingegangen, während
im Hinblick auf gleich bleibende Merkmale auf die Beschreibung zu den 1–3 verwiesen
wird. Analoge Merkmale sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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4 zeigt
eine alternative Ausgestaltung der Erfindung, in der ein leitfähiger Draht 44 mittig
in dem entsprechenden alternativen Kabelschutzschlauch 12 nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung geführt ist. Die Reißfestigkeit
des Drahts 44 ist gering, so dass er bei einer maximalen
Zuglast von etwa 2–5
kg reißt.
Reißt
eine Außenhülle 14 des Kabelschutzschlauchs 12,
so greift eine von außen wirkende
Zugbelastung unmittelbar am Draht 44 an, so dass dieser
sofort reißt
und damit ein Überwachungsstromkreis
unterbrochen ist, in welchen der Draht 44 eingegliedert
war. Durch den sprunghaften Anstieg des Widerstands erkennt die
Steuereinheit 22 bzw. die Überwachungseinheit 42 sofort,
dass der Draht 44 gerissen ist und daher die Außenhülle 14 durchgescheuert
bzw. defekt sein muss.
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5 zeigt
einen Kabelschutzschlauch 12 nach einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung. Das Detektionsmittel 30 hat einen federbelasteten
Zugschalter 46, der an einem ersten Ende des Kabelschutzschlauchs 12 angeordnet
ist. Ein innerhalb des Kabelschutzschlauchs 12 verlegtes
Zugseil 48 des Kabelschutzschlauchs 12 ist einerseits
mit dem Zugschalter 46 und andererseits einem zweiten Ende des
Kabelschutzschlauchs 12 verbunden. Wenn eine Außenhülle 14 des
Kabelschutzschlauchs 12 aufgrund einer durch Durchscheuern
bedingten Materialschwächung
in Zusammenhang mit einer Zugbelastung reißt, wird die zuvor über die
Außenhülle 14 übertragene
Zugbelastung über
das Zugseil 48 übertragen,
so dass das Zugseil 48 den Zugschalter 46 betätigt. Durch
das Betätigen
des Zugschalters 46 wird sofort eine Notabschaltung der
den Kabelschutzschlauch 12 umfassenden Maschine eingeleitet
und ein Warnsignal an einen Bediener wird erzeugt.
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6 zeigt
einen Kabelschutzschlauch 12 nach einer vierten Ausgestaltung
der Erfindung. Das Detektionsmittel 30 hat einen Drucksensor 50 zum Detektieren
eines Innendrucks des Kabelschutzschlauchs 12. Der Drucksensor 50 ist
an einem der Verbindungsflansche 24, 26 angeordnet
und über eine
Bohrung 52 mit dem Innenraum der Außenhülle 14 verbunden.
Der von dem Drucksensor 50 erfasste Wert kann zyklisch
von der Steuereinheit 22 abgefragt werden. Im fehlerfreien
Betrieb herrscht im Inneren des Kabelschutzschlauchs 12 ein
von einer hier nicht explizit dargestellten Pumpe erzeugter Unterdruck.
Tritt ein Leck in der Außenhülle 14 auf
oder reißt
die Außenhülle 14 vollständig, so
nähert
sich der Innendruck dem Atmosphärendruck.
Liegt der Innendruck über
einem vorgegebenen Schwellenwert, so erkennt die Steuereinheit 22 den
Schaden der Außenhülle 14 und
leitet eine Notabschaltung ein.
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In
einer alternativen Verwendung des erfindungsgemäßen Kabelschutzschlauchs 12 nach
der vierten Ausgestaltung der Erfindung kann der Drucksensor 50 mit
einem Display oder mit einer Warnleuchte ausgestattet sein, so dass
für das
Bedienpersonal der Zustand der Außenhülle 14 durch die entsprechende
Anzeige unmittelbar erkennbar ist.
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7 zeigt
einen Kabelschutzschlauch 12 nach einer fünften Ausgestaltung
der Erfindung. Das Detektionsmittel 30 hat eine Photodiode 54 zum
Detektieren von durch einen Bruch, Riss oder durch ein Loch in der
Außenhülle 14 in
das Innere des Kabelschutzschlauchs 12 eindringendem Licht.
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Durch
den Bruch bzw. Schaden in den Innenraum des Kabelschutzschlauchs 12 eindringendes Licht
wird zumindest teilweise in einen innerhalb des Kabelschutzschlauchs 12 verlaufenden
Lichtwellenleiter 56 zum Übertragen des Lichts zu der
Photodiode 54 eingekoppelt und zu der Photodiode 54 geführt, die
einen Strom erzeugt, der von einer Strommessanordnung 60 erfassbar
ist. Die Photodiode 54 kann bereits vor dem vollständigen Durchscheuern der
Außenhülle 14 durch
geschwächte
Bereiche hindurch scheinendes Licht detektieren und damit einen Schaden
antizipieren.
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Die
oben beschriebenen Kabelschutzschläuche können jeweils zur Realisierung
eines Verfahrens zum Steuern eines Roboters mit einem Kabelschutzschlauch 12,
der zumindest eine flexible Außenhülle 14 aufweist,
genutzt werden.
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Zur
Verbesserung eines solchen Verfahrens durch eine automatische Schadenserkennung
trägt der
erfindungsgemäße Kabelschutzschlauch 12 dadurch
bei, dass die Außenhülle 14 regelmäßig mit
Hilfe eines Detektionsmittels 30 auf einen Schaden der Außenhülle 14 hin überprüft werden
kann, und dass beim Vorliegen eines Schadens ein Schadenssignal generiert
werden kann.
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- 10
- Roboterarm
- 12
- Kabelschutzschlauch
- 14
- Außenhülle
- 16
- Ende
- 18
- Steckverbindungselement
- 20
- Steckverbindungselement
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Verbindungsflansch
- 26
- Verbindungsflansch
- 28
- Drahtgeflecht
- 30
- Detektionsmittel
- 32
- Sockel
- 34
- Draht
- 36
- Widerstandsmessanordnung
- 38
- Schnittstelle
- 40
- Schnittstelle
- 42
- Überwachungseinheit
- 44
- Draht
- 46
- Zugschalter
- 48
- Zugseil
- 50
- Drucksensor
- 52
- Bohrung
- 54
- Photodiode
- 56
- Lichtwellenleiter
- 58
- Schicht
- 60
- Strommessanordnung