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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Betriebsverhaltens
einer mehrgelenkigen Handhabungsmaschine sowie eine solche Handhabungsmaschine.
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Roboter
für Automatisierungszwecke sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift
DE 199 42 738 A1 ein
Verfahren und eine Einrichtung bei der zum Verbessern des dynarnischen
Verhaltens eines Roboters mit einem mehrgliedrigen Arbeitsstrang,
dessen mechanisch verbundene Glieder unabhängig voneinander
ansteuerbare Antriebe aufweisen. Zur Verbesserung des dynarnischen
Verhaltens des Roboters werden Beschleunigungswerte mittels eines
Entkopplungsalgorithmus in den Robotergelenken zuordenbare Beschleunigungswerte
umgerechnet. Hierzu werden die Beschleunigungswerte mittels an geeigneten
Orten angebrachten Beschleunigungssensoren gemessen. Zur Kompensation
von abtriebsseitig auftretenden Schwingungen werden über
eine Gelenkregelung die Direktantriebe für die Gelenke
des Roboters einzeln angesteuert. Zum Durchführen des Verfahrens
ist an mindestens einem Glied eines Antriebsstranges des Roboters
und/oder an dessen Werkzeugaufnahme abtriebsseitig mindestens ein
Beschleunigungssensor angebracht, welchem eine Einheit zum Durchführen
einer Entkopplungsrechnung sowie eine Regelungseinheit zum Ansteuern
des Antriebs des Stranges nachgeordnet ist.
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Diese
Lösung ist sehr Aufwändig, da eine Vielzahl von
Beschleunigungssensoren am Roboter anzubringen und auszuwerten ist.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Optimierung des Betriebsverhaltens
einer mehrgelenkigen Handhabungsmaschine mit einzeln angetriebenen
Gelenken, wie beispielsweise einem Roboter.
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Die
Erfindung geht ebenfalls aus von einer gemäß des
erfindungsgemäßen Verfahrens betriebenen Maschine.
Die Maschine dient zur Handhabung eines Werkzeughalters für
umformtechnische Fügeprozesse, insbesondere Clinchen und
Stanznieten, sowie thermische Fügeprozesse wie Widerstandspunktschweißen, Widerstandspressschweißen,
Handlingprozesse, Prägeprozesse oder Schraub- und Einpressprozesse.
Von dem Werkzeughalter ist ein Messmittel umfasst, dessen Anzahl
von Ausgangssignalen der Anzahl von zu betrachtenden Raumebenen
entspricht und welche Ausgangssignale abhängig von der
räumlichen Lage des Werkzeughalters im mehrdimensionalen
Raum veränderbar sind.
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Erfindungsgemäß wird
die Maschine derart realisiert beziehungsweise das Verfahren derart
ausgelegt, dass während des Betriebes der Handhabungsmaschine
auftretende mechanischen Schwingungen des Werkzeughalters unter
Verwendung der Ausgangssignale des Messmittels zumindest teilweise
kompensiert werden. Einerseits kann somit das allgemeine dynamische
Verhalten der Maschine verbessert werden und andererseits kann die
Anzahl der Sensoren im Vergleich zum Stand der Technik reduziert
werden. Es müssen keine weiteren Beschleunigungssensoren
an die Robotergelenke bzw. an den Werkzeugflansch des Roboters oder
an das Werkzeug selbst angebracht werden. Die Messsignale können
mittels des Motorsteckers direkt an eine Robotersteuerung übertragen
werden. Denkbar wäre auch eine kabellose Signalübertragung.
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Das
Messmittel erfasst während des Betriebs der Maschine abtriebsseitig
auftretende mechanische Schwingungen, welche zum Bahnregelkreis
des Roboters zurückgeführt werden. Insbesondere
die Positioniergenauigkeit und die Positionierdynamik der Maschine
werden dadurch verbessert.
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Roboter
werden aus Gründen der Energie- und Kostenersparnis durch
Reduzierung der Masse tendenziell leichter gebaut. Die Leichtbauweise
begünstigt allerdings die Schwingungsneigung des Roboters.
Den Reglern der vom Roboter umfassten Servomotore, welche üblicherweise
unter Verwendung des Motorgebers geregelt werden, liegen üblicherweise
keine Information bezüglich des aktuellen Zustandes (Schwingungen etc.)
der Abtriebseite vor. Der Regler kennt somit das Schwingungsverhalten
der Abtriebseite nicht und kann daher auch auf diese Schwingungen
auch nicht reagieren.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Beschleunigungsrückführung
wird das Schwingungsverhalten der Abtriebsseite an den Ausgang des
Reglers zurück geführt (z. B. in Form einer Störgrößenaufschaltung,
additive Geschwindigkeits- oder Momentenaufschaltung). Dadurch kann
den Schwingungen direkt durch den oder die Regler entgegengewirkt
werden.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Beschleunigungsrückführung
wird die Steifigkeit zwischen Antrieb und Last, welche beim Roboter
unter anderem aus Gründen der Gewichtsreduzierung zur Entlastung
der Antriebe physikalisch gering ist, durch das Verhalten des geschlossenen
Regelkreises erhöht. Daher wird auch die Laststeifigkeit
von am Roboter befestigten Werkzeugen mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens beziehungsweise mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung optimiert. Durch eine Optimierung der Laststeifigkeit
folgt die Last der Motorposition genauer als bei einer weichen Ankopplung,
ohne erfindungsgemäßer Beschleunigungsrückführung.
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Vorzugsweise
erfolgt die Ermittlung der für auftretende Maschinenschwingungen
charakteristischen Bewegungsgrößen anhand der
Ausgangssignale des Messmittels. Diese ermittelten Bewegungsgrößen
werden in für die Gelenke der Handhabungsmaschine charakteristische
Bewegungsgrößen umgerechnet. Die Ansteuerung der
Einzelantriebe für die Gelenke unter Berücksichtigung
der charakteristischen Bewegungsgrößen wird anschließend
derart realisiert, dass den Maschinenschwingungen entgegengewirkt
wird. Vorteilhafterweise können hierdurch die Maschinenschwingungen
entsprechend ihres Ausmaßes während des Betriebes
der Maschine dynamisch reduziert werden.
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Vorzugsweise
werden die Richtungsvektoren der ermittelten Beschleunigungen im
mehrdimensionalen Raum betrachtet, wobei eine Umrechnung der kartesischen
Beschleunigungswerte in eine Gelenkbeschleunigung erfolgt. Diese
Umrechnung erfolgt mittels des anschließend erläuterten
Prinzips. Zur Vereinfachung wird dieses Prinzip anhand eines Roboters
mit zwei Freiheitsgraden (Beweglichkeit in X- und Y-Richtung eines
zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystems) erläutert.
Das Prinzip ist aber auch anwendbar für Roboter mit mehr
als zwei Freiheitsgraden.
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Die
X- und Y-Koordinaten eines an einem Roboterarm angeordneten Werkzeuges
können über folgende geometrische Beziehungen
hergeleitet werden, wobei I1 und I2 für die jeweilige Länge
eines von zwei miteinander gelenkig verbundenen Roboterarmen steht
und θ dem Winkel entspricht, den ein solcher Arm mittels seines
Gelenkes gegenüber der Horizontalen (beispielsweise gekennzeichnet
durch die X-Achse) einnehmen kann. Die sich hieraus ergebenden Gleichungen
werden in eine Matrix (h1, h2) überführt.
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Die
erste Ableitung nach der Zeit liefert den Zusammenhang zwischen
der Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Roboterachsen (z. B. Direktantriebe)
und der Bahngeschwindigkeitskomponenten in X und Y-Richtung innerhalb
des oben erwähnten X-Y-Koordinatensystems. Die Matrix (h1,
h2) wird partiell nach den Drehwinkeln θ abgeleitet und
ergibt: die bekannt Jacobi Matrix J.
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Die
zweite Ableitung nach der Zeit ergibt unter Beachtung der Produktregel
den Zusammenhang zwischen der Drehbeschleunigung und den kartesischen
Beschleunigungskomponenten in X und Y Richtung.
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Mit:
- x ..
- =ax
- y ..
- = ay
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Die
Größen ax und ay sind dabei diejenigen Größen,
welche mittels des Messmittels erfasst werden. Da die Anzahl der
Ausgangssignalen der Anzahl von zu betrachtenden Raumebenen entspricht,
handelt es sich hier um zwei Raumebenen, denn es werden zwei Raumebenen betrachtet.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist selbstverständlich
auch auf drei Raumebenen übertragbar. Die Berechnungen
werden dadurch jedoch komplexer. Im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahren wird die Gleichung nach den Drehbeschleunigungen aufgelöst,
indem eine Multiplikation mit der inversen Jacobi Matrix J–1 erfolgt.
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Eine
hinreichende numerische Berechnung könnte anstelle der
oben beispielhaft erläuterten analytischen Berechnung ebenfalls
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt
werden. Hierbei werden zeitliche Ableitungen diskret betrachtet
(z. B. aus dx/dt wird x(t1) – x(t0)/ t1 – t0)
und es wird mittels Iterationsschleifen und Abbruchkriterien die
Lösung der Gleichung im Rahmen eines zulässigen
Toleranzbereiches ermittelt.
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Vorzugsweise
werden die Messdaten des Messmittels im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens digitalisiert übertragen. Die Signale werden
hierzu bereits im Messmittel digitalisiert. Das hat den Vorteil, dass
die Übertragung über längere Strecken
weniger störungsanfällig ist als bei analoger Übertragung.
Das Messmittel erkennt selbsttätig einen definierten Zustand
des Werkzeughalters und signalisiert diesen, wobei diese Zustandssignalisierung
bei der Schwingungskompensation im Rahmen der erfindungsgemäßen
Verfahrens berücksichtigt wird.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betrieb eines Roboters, welcher speziell für
die Umsetzung von Fügeprozessen, wie Schweißprozessen,
realisiert ist. Die Erfindung hilft hierbei die Qualität
des Prozesses zu verbessern, da der Roboter präzisere Bewegungen
ausführen kann und auftretende Schwingungen dadurch vermindert
werden können. Dies wirkt sich positiv auf die Qualität
der des Roboters realisierten Arbeiten, insbesondere (Punkt-)Schweißarbeiten
aus.
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Eine
erfindungsgemäße Handhabungsmaschine umfasst vorzugsweise
ein Steuermittel, insbesondere ein Steuermittel mit ausreichender
(Rechenkapazität zur Durchführung komplexer numerischer
Berechnungen, oder ist an ein solches angeschlossen. Das Steuermittel
muss außerdem derart ausgebildet sein, dass die mechanischen
Schwingungen des Werkzeughalters mittels Auswertung der Ausgangssignale
vom Steuermittel erfassbar sind und dass die Ermittlung der Beschleunigungen
aus den Schwingungen im kartesischen Koordinatensystem und die Umrechnung
der Beschleunigungen in Gelenkbeschleunigungen der Gelenke der Handhabungsmaschine
mittels des Steuermittels derart realisierbar ist, dass bei der
Ansteuerung den Schwingungen durch entsprechende Ansteuerung der
Handhabungsmaschine entgegengewirkt werden kann.
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Das
Steuermittel ist demgemäß in der Lage alle bisher
beschriebenen Verfahrensschritte zu realisieren. Eine mögliche
Realisierung der Ansteuerung der Antriebe der Handhabungsmaschine
könnte dadurch erfolgen, dass man die erfassten Beschleunigungen
mit dem Motorlagesignal verrechnet und an einen von der Ansteuerung
umfassten Bahnplaner zurückgeführt. Neben einer
Beschleunigungsrückführung, bei der die Lastbeschleunigung
gemessen wird, wäre auch eine Beschleunigungsrückführung
denkbar, bei der die die Differenz aus der Last- und der Motorgeschwindigkeit
gemessen und mit dem Massenträgheitsmoment und der Systemsteifigkeit
gewichtet wird, welches dem Ruck entspricht. Die Beschleunigungsrückführung
benötigt die Rückführung des Rucks. Der
Ruck könnte auch durch die zeitliche Ableitung der gemessenen
Beschleunigung berechnet werden.
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Nachfolgend
werden anhand einiger Figuren die erfindungsgemäßen
Prinzipien erläutert. Die Figuren sind rein schematisch
und beispielhaft zu betrachten und beschränken die Erfindung
nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen.
Die Offenbarung der Erfindung erstreckt sich auch auf mögliche
Kombinationen von in der Beschreibung erwähnten oder in
den Zeichnungen gezeigten Sachverhalten untereinander oder auch
Kombinationen dieser Merkmale mit Merkmalen der Patentansprüche.
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1 zeigt
eine Abstraktion eines erfindungsgemäßen Schweißroboters
mit Einzelantrieben (1, 2, 3, 4)
zur Bewegung zumindest eines Roboterarmes bzw. eine Roboterschwinge 5 um
die Achsen X, Y, Z eines fiktiven Koordinatensystems (siehe Pfeile).
Der Roboter dient zur Handhabung einer Widerstandsschweißzange 7,
welche einen Ausgleichsantrieb 8 und einen Haupthubantrieb 10 umfasst.
Die Widerstandsschweißzange 7 ist mittels eines
Flansches 6 an einem Roboterarm bzw. einer Roboterschwinge 5 angeordnet.
Die Widerstandsschweißzange 7 beziehungsweise
der Ausgleichsantrieb 8 umfassen ein Messmittel 9,
insbesondere ein Messmittel 9 in Form eines Beschleunigungssensors.
Die Anzahl der Ausgangssignale des Messmittels 9 entspricht
der Anzahl der zu betrachtenden Raumebenen. Von dem Sensor wird
ein der Beschleunigung proportionales Ausgangssignal für
jede Raumebene erzeugt, sensorintern digitalisiert und mittels einer
SPI- oder I2C-Schnittstelle seriell ausgegeben.
Alternativ kann ein Sensor verwendet werden, der ein rein analoges
Ausgangssignal liefert. Der Sensor kann mikromechanisch aufgebaut
sein und mit einem Kondensator arbeiten, dessen Plattenabstände
sich aufgrund der Beschleunigung ändern können.
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In
diesem Beispiel liegt ein dreidimensionaler Raum vor, dementsprechend
liefert das Messmittel drei voneinander unabhängige Signale,
welche jeweils eine der Raumebenen repräsentieren. Die
Ansteuerung der Einzelantriebe (1, 2, 3, 4)
für die Gelenke des Schweißroboters ist unter
Verwendung dieser Ausgangssignale derart realisiert, dass während
des Betriebes des Roboters auftretende mechanische Schwingungen
an der Widerstandsschweißzange 7 unter Verwendung
der Ausgangssignale des Messmittels 9 zumindest teilweise kompensiert
werden.
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Es
sind zur einfachen Darstellung hier nur 4 Antriebe (1, 2, 3, 4)
für die Bewegung der Robotergelenke dargestellt. Es könnten
beispielsweise noch weitere Einzelantriebe zur Realisierung einer
additiven Bewegung um die X-Achse und eine weitere additive Bewegung
um die Z-Achse vorgesehen sein.
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2 zeigt
dieselbe Abstraktion wie 1, demgemäß gelten
auch hier die bei 1 gemachten Aussagen. Zusätzlich
zeigt 1 ein Ausgleichkabel 11, umfassend eine
Leistungsversorgung für den Ausgleichsantrieb (8),
ein Geberkabel für den Ausgleichsantrieb, einen Beschleunigungssensorausgang
für die x-y-z Beschleunigung und einen binären
Ausgang zum Direkten Ansteuern einer Einrichtung für die
Abhandlung einer Ausnahmesituation (z. B. Überschreitung
eines vorgegebenen Beschleunigungswertes bzw. Ruckgrenzwertes).
Weiter ist umfasst ein Kabelflansch 12 für Datenverbindungen
zum Roboter, ein Roboteranschlusskabel Kabel 13, umfassend
ein Leistungskabel für die Antriebe 1, 2 3, 4,
ein Geberkabel für jeden Antrieb 1, 2, 3, 4,
ein Leistungskabel für den Haupthubantrieb 10 und
den Ausgleichsantrieb 9 der Widerstandsschweißzange 7,
Geberkabel für den Haupthubantrieb 10 und den
Ausgleichsantrieb 9 und einen Beschleunigungssensorausgang
(x-y-z Beschleunigung). Zusätzlich ist eine Robotersteuerung 14 mit
zumindest einer der folgenden Funktionen vorgesehen:
- – Berechnung von Sollwerten (Lage, Geschwindigkeit,
Beschleunigung und Ruck) auf Basis der Bahnkurve und der durch die
Widerstandsschweißzange 7 bewirkten Belastung
der Anordnung;
- – Regelung der Antriebe 1, 2 3, 4 unter
Berücksichtigung der Beschleunigungssensorsignale;
- – Haupthubregelung und/oder Ausgleichantriebsregelung;
- – Umrechnung der kartesischen Beschleunigungen (Signale
vom Beschleunigungssensor) in Gelenkwinkelbeschleunigungen, wie
bereits beschrieben, und Weiterleitung der Berechnungsergebnisse
an von der Anlage umfasste Regeleinheiten für die Antriebe 1, 2, 3, 4,
vorzugsweise an den Kaskadenregelkreis der Antriebe 1, 2, 3, 4.
- – Einstellung der Motordrehmomente derart, dass sie
der abriebsseitigen Schwingung entgegen wirken.
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Der
Roboter wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahrens mittels der Antriebe 1, 2, 3, 4 derart
betrieben, dass die von der Robotersteuerung berechnete Bahn vom
Werkzeug abgefahren wird. Der im Ausgleichantrieb 8 integrierte
Beschleunigungssensor 9 erfasst sowohl die Lage der Widerstandsschweißzange 7,
als auch die Beschleunigung der Widerstandsschweißzange 7.
Die Beschleunigungssignale des Beschleunigungssensors werden unter
Anwendung des Prinzips der inversen Kinematik, wie zuvor bereits
beschrieben, auf die Gelenkbeschleunigungen zurückgerechnet.
Diese Beschleunigungen werden jeweils zu den Antriebsregeleinrichtungen,
die Bestandteil der Robotersteuerung sind, zurückgeführt.
Die Rückführung erfolgt beispielsweise in Form
einer Störgrößenaufschaltung und wird
dazu benutzt, den abtriebseitigen Schwingungen der Widerstandsschweißzange 7 entgegenzuwirken.
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Zusätzlich
ist umfasst eine Einrichtung 15 oder eine Funktion zur
Reaktion auf eine Ausnahmesituation wie oben bereits angedeutet
gezeigt und umfasst.
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Der
Sensor 9 erkennt selbsttätig eine Ausnahmesituation
(z. B. Überschreitung eines vorgegebenen Beschleunigungswertes
bzw. Ruckgrenzwertes) und aktiviert die Einrichtung 15.
Der Sensor kann unter anderem folgende Funktionen bereitstellen.
Die Funktion „fall detection” oder „any
movement detection”. Die Funktion „fall detection” könnte
beispielsweise dafür genutzt werden, um eine plötzliche
Beschleunigungserhöhung zu detektieren. Grundsätzlich
könnte auch eine dem Sensor zugeschaltete Intelligenz (bspw.
ein Mikrocontroller) eine solche „Ausnahmesituationen” erkennen
und selbständig (bspw. durch schalten von digitalen I/Os) eine
schnellere Reaktion hervorrufen, als wenn die Signale bspw. mittels
eines Feldbusses zunächst an eine Zentralsteuerung übertragen
und dort ausgewertet werden müssten. Man erreicht hierdurch
eine schnelle Reaktion was hilft Folgeschäden, die mit
einer langsameren Reaktion einhergehen könnten, zu verhindern
oder abzumildern. Die Einrichtung könnte beispielsweise
auch die Funktion eines Sicherheitsrelais realisieren, welches die
Roboterarmbewegung bei Auftreten der Ausnahmesituation sofort stoppt.
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3 zeigt
beispielhaft drei vom Messmittel gelieferte und voneinander unabhängige
Beschleunigungssignale Xa, Va, Za, welche jeweils die Beschleunigung
a in einer der der Raumebenen X, Y, Z repräsentieren. Im
Bereich t0–t1 wird das vom Roboter geführte Werkzeug
nur in Y-Richtung beschleunigt und anschließend die Bewegung
verzögert. Im Bereich t1–t2 wird das Werkzeug
in X und Y-Richtung beschleunigt. Im Bereich t2–t3 wird
die Bewegung des Werkzeuges in X und Y-Richtung verzögert.
Im Bereich t3–t4 wird das Werkzeug nur in Z-Richtung beschleunigt
und anschließend die Bewegung verzögert.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Beschleunigungsrückführung
wird eine höhere Dämpfung erzielt, da Resonanzen
unterdrückt werden. Dadurch können die Proportionalanteile
der Regeleinrichtung der Antriebsregler (KV Lageregler, KP Geschwindigkeitsregler)
erhöht werden, wodurch es. möglich wird hohe Beschleunigungen
und Geschwindigkeiten zu fahren, ohne dass das System instabil wird.
Dies verbessert die Positionierdynamik erheblich gegenüber
den bekannten Lösungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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