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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der
Lage eines Werkzeugs oder Maschinenelementes nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
Werkzeugmaschinen kann durch Verschmutzungen an den Werkzeugauflageflächen
eine suboptimale Werkzeugspannung hervorgerufen werden. Verschmutzungen
können insbesondere aus Materialspänen bestehen,
die bei der Bearbeitung eines Werkstücks zwangsläufig
anfallen. Folglich kann es aufgrund einer Schiefstellung bzw. eines
Achsversatzes des Werkzeugs zu einer mangelhaften Bearbeitung kommen.
Dieser Effekt wird noch verstärkt durch den Einsatz von
langen Werkzeugen. Zur Verbesserung der Fertigungsqualität
und Reduktion des Ausschussanteils ist es wünschenswert,
das Auftreten einer fehlerhaften Werkzeugspannung bereits vor Beginn
der Bearbeitung erkennen zu können. Daher wurde bereits
vorgeschlagen, bei Werkzeugmaschinen die Qualität der Werkzeugspannung
durch eine Überwachung der Plananlage des Werkzeugs zu überprüfen.
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Darüber
hinaus besteht bei Werkzeugmaschinen das Bedürfnis, die
Positionen verschiedener Maschinenelemente zu überwachen.
Ein Beispiel hierfür ist der Antrieb zur Betätigung
der Werkzeugspannvorrichtung. Eine Positionsmessung an einem Element
dieses Antriebs ist dazu geeignet, Aufschluss darüber zu
geben, ob Stellbefehle der Maschinensteuerung zum Lösen
bzw. Spannen eines Werkzeugs korrekt zur Ausführung gelangen
oder nicht.
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Die
DE 103 51 347 A1 beschreibt
die Überwachung der an der Spannvorrichtung einer Werkzeugmaschine
auftretenden Kräfte mittels druck-, spannungs- oder kraftsensibler
Sensorik. Das hier verfolgte Ziel liegt in der gleichzeitigen Überwachung der
korrekten Werkzeugspannung und der während der Bearbeitung
auftretenden Kräfte, um Prozessparameter bei der Bearbeitung
optimieren zu können. Hierzu müssen die Sensoren
so in die Spannvorrichtung integriert sein, dass sie in den dort
während der Bearbeitung auftretenden Kraftfluss einbezogen sind.
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Die
DE 199 59 778 A1 lehrt
die Verwendung eines Telemetriesystems mit abstandsmessender Sensorik
zur gleichzeitigen Kontrolle des Spannzustandes und der Plananlage
der Werkzeugaufnahme an der Spindel. Über die Ausgestaltung
der Sensorik und der Telemetrieeinheit enthält die Schrift
jedoch keine näheren Angaben.
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Die
DE 199 03 183 A1 beschreibt
eine Hochfrequenz-Abstandsmesseinrichtung mit einer als Sensor ausgebildeten
Antenne und einem einseitig offenen Hohlleiter, dessen offene Seite
mit einem Dämpfungsglied abgeschlossen ist. Ein reflektierendes
Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, befindet sich nahe
dem Dämpfungsglied. Die Sendefrequenz des Oszillators wird
so geregelt, dass sich die Anordnung in Resonanz befindet. Die Resonanzfrequenz
ist ein Maß für den Abstand des reflektierenden
Objektes von dem Dämpfungsglied. Es werden verschiedene
Anwendungen vorgeschlagen, bei denen der Abstandssensor stets im
Inneren einer mechanischen Vorrichtung, in der eine Abstandsmessung
an einer ihrer Komponenten erfolgen soll, eingebaut ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, zur Überwachung der Lage
eines Werkzeugs oder Maschinenelementes an oder in einer Arbeitsspindel
oder Werkzeugspannvorrichtung, insbesondere in einer Bearbeitungsmaschine,
eine neue und zweckmäßige Lösung zu schaffen,
die einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung sieht eine Erfassung der Lage des interessierenden Werkzeugs
oder Maschinenelementes mittels Einstrahlung elektromagnetischer Wellen
in mindestens einen in der Arbeitsspindel oder Werkzeugspannvorrichtung
angebrachten Kanal und Auswertung des aus diesem Kanal reflektierten
Signals vor. Die Beeinflussung der Reflexionscharakteristik durch
die Lage des Werkzeugs oder Maschinenelementes ergibt sich daraus,
dass der Kanal einen Wellenausbreitungspfad von einer äußeren
Oberfläche der Arbeitsspindel oder Werkzeugspannvorrichtung
zu dem interessierenden Werkzeug oder Maschinenelement definiert,
so dass zumindest in einer möglichen Position desselben
ein Teil seiner Oberfläche als Reflexionsoberfläche
wirkt. Der Abstand dieser Reflexionsoberfläche von der Sendeantenne
ist nach dem Radarprinzip messbar.
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Die
Erfindung ermöglicht im Vergleich zu Transpondersystemen
bekannter Art den völligen Verzicht auf die Anordnung elektronischer
Schaltungskomponenten in einer rotierenden Arbeitsspindel bzw. im
Inneren einer Werkzeugspannvorrichtung, wo zu diesem Zweck kaum
Platz zur Verfügung steht und die Zugangsmöglichkeiten
stark eingeschränkt sind. Die einzige Modifikation, die
zur Verwirklichung der Erfindung an der Arbeitsspindel oder Werkzeugspannvorrichtung
zwingend vorgenommen werden muss, ist die Anbringung mindestens
einer Bohrung zur Schaffung eines für die eingestrahlten und
reflektierten elektromagnetischen Wellen als Hohlleiter wirkenden
Kanals.
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Ein
weiterer Vorteils besteht darin, dass Komponenten für Radarsysteme
zur Abstandsmessung (24 GHz, 60–61 GHz, 76–77
GHz) aus dem Automobilbereich kostengünstig kommerziell
verfügbar sind. Dies ermöglicht es, auf bewährte
fertige Komponenten als Bausteine des Gesamtsystems zurückzugreifen
und verringert den Entwicklungsaufwand.
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Zur
Kontrolle der Plananlage eines Werkzeugs oder Werkzeugträgers
an einer Arbeitsspindel, einer besonders wichtigen Ausführungsform
der Erfindung, wird eine Vielzahl von Kanälen benötigt,
die jeweils an einer Fläche enden, an welcher sich die Arbeitsspindel
im Betrieb normalerweise mit dem Werkzeug oder Werkzeugträger
in Kontakt befindet, so dass eine Abweichung des Werkzeugs oder
Werkzeugträgers von seiner korrekten Lage eine Verschiebung
und/oder Kippung der Reflexionsflächen zur Folge hat. Die
Signalverarbeitung vereinfacht sich in diesem Fall dadurch, dass
keine Absolutwertmessung der Position des Werkzeugs oder Werkzeugträgers
nötig ist, sondern für die Erkennung der Korrektheit
der Position eine Prüfung der Reflexionscharakteristiken
der verschiedenen Kanäle auf Übereinstimmung ausreicht.
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Äußerst
zweckmäßig ist eine Füllung des Kanals
bzw. der Kanäle mit einem Dielektrikum, um eine Beeinträchtigung
der ausgeübten Hohlleiterfunktion durch das Eindringen
von Schmutz und Spänen zu verhindern. Die einzige Art von
Schadensfall, der in diesem Fall am rotierenden Teil der Sensorik
noch auftreten kann, ist das Einpressen eines Spans in das Dielektrikum.
Die Reparatur eines solchen Schadens ist jedoch im Vergleich zu
einer Reparatur an einer in die Arbeitsspindel integrierten elektronischen Sensorschaltung
einfacher und kostengünstiger. Im Fall eine Positionsmessung
an hydraulischen oder pneumatischen Maschinenelementen kann eine
solche Füllung sogar unerlässlich sein, wenn sich
das interessierende Element in einem Raum befindet, in dem zumindest
zeitweise ein Überdruck herrscht.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
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1 eine
Vorderansicht einer Arbeitsspindel,
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2 eine
schematische Teillängsschnittansicht einer fehlerhaften
Werkzeugspannung,
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3 eine
Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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4 eine
Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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5 ein
elektrisches Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen
Auswerteschaltung,
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6 eine
vergrößerte Längsschnittansicht eines
Ausschnitts aus einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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7 ein
elektrisches Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen
Auswerteschaltung und
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8 eine
Längsschnittansicht einer vierten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
die Vorderansicht einer Arbeitsspindel 1, die Bestandteil
einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer
Werkzeugmaschine ist. Die Arbeitsspindel 1 weist an ihrer Stirnseite
eine oder mehrere ebene Auflageflächen 2 auf,
an denen ein Werkzeug oder ein Werkzeugträger im gespannten
Zustand plan aufliegen soll. Im Falle mehrerer separater Auflageflächen 2 liegen
diese genau planparallel zueinander in einer einzigen Ebene. Zur
Verwendung an der Arbeitsspindel 1 bestimmte Werkzeuge
oder Werkzeugträger, wobei letztere ihrerseits verschiedene
Werkzeuge aufnehmen können, weisen an ihrer Rückseite
ebenfalls entsprechende stirnseitige Auflageflächen auf.
Bei einer planen Anlage der werkzeugseitigen bzw. werkzeugträgerseitigen
Auflageflächen an der spindelseitigen Auflagefläche 2 verläuft
die Längsachse des Werkzeugs bzw. Werkzeugträgers
genau parallel zur Längsachse der Arbeitsspindel 1.
Die Zentrierung des Werkzeugs bzw. Werkzeugträgers bezüglich
der Arbeitsspindel 1 erfolgt durch kegelförmige
Auflageflächen im Inneren der Arbeitsspindel 1.
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Im
Fall einer Verschmutzung einer Auflagefläche 2 ist
keine plane Anlage des Werkzeugs oder Werkzeugträgers an
der Arbeitsspindel 1 mehr möglich. Insbesondere
kann eine solche Verschmutzung durch bei der Bearbeitung eines Werkstücks
anfallende Späne erfolgen. Schematisch ist eine solche Situation
in 2 dargestellt. Auf dem rechten Teil der Auflagefläche 2 liegt
ein Span 3, der beim Spannen des Werkzeugs 4 an
der Arbeitsspindel 1 zwischen dieser und dem Werkzeug 4 eingeklemmt
wird und dafür sorgt, dass ein keilförmiger Spalt
zwischen beiden besteht. Bei der Bearbeitung eines Werkstücks
mit einem solchermaßen schrägstehenden Werkzeug 4 ist
kein maßhaltiges Ergebnis, sondern Ausschuss zu erwarten.
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Erfindungsgemäß sind
an der Auflagefläche 2 mehrere, im gezeigten Beispiel
drei in Axialrichtung der Arbeitsspindel 1 verlaufende
Bohrungen 5 vorgesehen, von denen in 1 jeweils
der stirnseitige Austritt aus der Arbeitsspindel 1 sichtbar
ist. In der zugehörigen Längsschnittansicht in 3 ist
erkennbar, dass die obere der axialen Bohrungen 5 im Inneren
der Arbeitsspindel 1 auf eine in Radialrichtung der Arbeitsspindel 1 verlaufende
Bohrung 6 trifft. In gleicher Weise trifft auch jede der
beiden anderen, in 3 nicht sichtbaren Axialbohrungen 5 jeweils
auf eine zugeordnete Radialbohrung 6 in der Arbeitsspindel 1.
In der gezeigten Winkelstellung der Arbeitsspindel 1 fluchtet
die radiale Bohrung 6 in der Arbeitsspindel 1 mit
einer radialen Bohrung 7 in einem Abschlussring 8 eines
Stators 9, in welchem die Arbeitsspindel 1 gelagert
ist. Zwischen den radialen Bohrungen 6 und 7 befindet
sich ein dünner Luftspalt 10, der die rotierende
Arbeitsspindel 1 von dem Stator 9 trennt.
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In
einem sich von außen in den Abschlussring 8 des
Stators 9 erstreckenden Hohlraum ist ein Radarsystem 11,
das einen Sender, einen Empfänger und eine Antenne umfasst,
angeordnet. Die Antenne ist auf die Bohrung 7 in dem Abschlussring 8 ausgerichtet,
um die Einstrahlung eines Radarsignals in die Bohrung 7 und
den Empfang eines Radarsignals aus der Bohrung 7 zu ermöglichen.
Die Bohrung 7 fungiert ebenso wie die Bohrungen 5 und 6 für eine
in sie eingestrahlte elektromagnetische Welle als Hohlleiter. Dies
ist aus der Radartechnik hinreichend bekannt.
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Ein
Hohlleiter ermöglicht die Führung einer elektromagnetischen
Welle unter bestimmten geometrischen Randbedingungen. Eine einfache
Bohrung innerhalb eines Metallkörpers wirkt dann als Hohlleiter,
wenn die Wellenlänge der zu führenden elektromagnetischen
Welle etwas kleiner als der zweifache Durchmesser der Bohrung ist.
Exakt errechnet sich die Grenzwellenlänge λ
C eines runden Hohlleiters mit dem Durchmesser
D zu λ
C = (π·D)/1,841.
Befindet sich im Hohlleiter ein Dielektrikum mit der Permittivität ε
r, so erhöht sich die Grenzwellenlänge λ
C um den Faktor
Folglich beträgt
die Grenzfrequenz eines runden Hohlleiters mit einem Durchmesser
von 5 mm mit Luft als Dielektrikum ca. 35,2 GHz und gefüllt
mit einem Dielektrikum mit ε
R =
4 ca. 17,5 GHz. In einer Arbeitsspindel
1 lassen sich im
Bereich der Werkzeuganlage aufgrund der mechanischen Randbedingungen
Bohrungen mit einem Durchmesser in der Größenordnung
bis zu 5 mm realisieren. Daraus ergibt sich eine Hohlleiter-Grenzfrequenz
in einem Bereich, der durch die als solche bekannte Technologie
des Frequenzmodulierten Dauerstrichradars (FMCW-Radar) abgedeckt
wird.
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In
der in 3 gezeigten Winkelposition besteht insgesamt ein
als Hohlleiter wirksamer Kanal 5, 6, 7 zwischen
dem Radarsystem 11 und der rückwärtigen
Auflagefläche des Werkzeugs 4, mit dem dieses
auf der Auflagefläche 2 der Arbeitsspindel 1 aufliegt.
Ein von dem Radarsystem 11 in die Bohrung 7 eingestrahltes
Radarsignal breitet sich über die Bohrung 7, die
fluchtende Bohrung 6 und die Bohrung 5 bis zu
der rückwärtigen Auflagefläche des Werkzeugs 4 aus,
wobei es an dem Übergang von der Bohrung 6 zu
der Bohrung 5 um 90° umgelenkt wird. Dabei führt
der Kanal 5, 6, 7 die sich in ihm ausbreitende
elektromagnetische Welle im Sinne eines Hohlleiters. An der rückwärtigen
Auflagefläche des Werkzeugs 4 wird das Radarsignal
reflektiert und läuft in dem Kanal 5, 6, 7 in
entgegengesetzter Richtung bis zu dem Radarsystem 11 zurück,
wo es empfangen und als elektrisches Signal zur weiteren Verarbeitung
abgegeben wird.
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Falls
der Kanal 5, 6, 7 mit einem Dielektrikum gefüllt
ist, ändert sich lediglich wie oben erwähnt die Grenzfrequenz,
ab welcher der Kanal 5, 6, 7 als Hohlleiter
wirksam ist. Es ist äußerst zweckmäßig,
den Kanal 5, 6, 7 zumindest im Bereich
der werkzeugseitigen Bohrung 5 mit einem Dielektrikum zu
füllen, um ein Eindringen von Schmutz und Spänen,
welches die Wellenausbreitung offensichtlich stören würde,
zu verhindern. Zur Schaffung homogener Ausbreitungseigenschaften
ist es jedoch bevorzugt, den gesamten Kanal 5, 6, 7 mit
einem Dielektrikum zu füllen. Geeignet ist hierfür
beispielsweise eine Vergussmasse auf Polyurethanbasis.
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Eine
alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Arbeitsspindel 1 zeigt 4. Im Gegensatz
zu der Ausführungsform nach 3 ist hier keine
Bohrung 5 in Axialrichtung der Arbeitsspindel 1 vorgesehen,
sondern die in Radialrichtung verlaufende Bohrung 6 erstreckt
sich in der Arbeitsspindel 1 bis zu einem stirnseitigen
hohlkegelförmigen Hohlraum, in den im gespannten Zustand
ein kegelstumpfförmiger Abschnitt des Werkzeugs 4 (oder
ggf. eines Werkzeughalters) passgenau eingreift. Dies ist der einzige
Unterschied gegenüber der ersten, in 3 dargestellten,
Ausführungsform. Gleiche Komponenten sind daher in den 3 und 4 mit
gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
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Die
Neigung der Kegelmantelfläche des Werkzeugs 4 gegenüber
der Axialrichtung der Arbeitsspindel 1 ist üblicherweise
sehr gering und daher in 4 kaum erkennbar. Die geringfügige Schrägstellung
des als Reflexionsfläche wirkenden Oberflächenabschnitts
des Werkzeugs 4 wirkt sich daher kaum auf die Reflexion
der einfallenden Welle aus. Um diese Schrägstellung der
Reflexionsfläche zu vermeiden, kann der in die Arbeitsspindel 1 eingreifende
Abschnitt des Werkzeugs 4 auf der Höhe der Bohrung 6 ein
kurzes Stück lang zylindrisch geformt sein, oder es können
die Bohrungen 6 und 7 unter einem entsprechenden
Neigungswinkel zur Radialrichtung der Arbeitsspindel 1 verlaufen,
so dass die Bohrung 6 senkrecht auf die Kegelmantelfläche des
Werkzeugs 4 trifft. Die letztgenannte Variante hat den
Vorteil, dass keine Modifikation an dem Werkzeug 4 erforderlich
ist. Nötigenfalls kann die Antenne des Radarsystems 11 an
den schrägen Verlauf der Bohrung 7 angepasst,
d. h. ebenfalls etwas schräg ausgerichtet werden.
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Der
Vorteil der zweiten Ausführungsform nach 4 besteht
in der einfacheren Herstellung wegen des Entfallens der axialen
Bohrung 5 und in der Tatsache, dass keine Umlenkung der
Wellenausbreitung um 90° nötig ist. Letztere ist
nämlich mit einer unerwünschten Teilreflexion
der eingestrahlten Welle bereits an der Umlenkstelle verbunden.
Auch ist die geometrische Form der Umlenkstelle nicht frei wählbar,
sondern durch die Spitzenform der zur Herstellung der Bohrungen 5 und 6 verwendeten
Bohrer vorgegeben, so dass keine Optimierung der Umlenkstelle zur
Minimierung der Teilreflexion möglich ist.
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Zur Überwachung
der Werkzeugplanlage müssen Abstandsmessungen an mehreren,
d. h. mindestens drei vorzugsweise gleichmäßig über
die Stirnfläche bzw. den Umfang der Arbeitsspindel 1 verteilt
angeordneten Stellen durchgeführt und die Messwerte miteinander
verglichen werden, um festzustellen, ob das Werkzeug 4 (oder
ein Werkzeughalter) gerade gespannt oder entsprechend 2 verkippt
ist. Letzteres äußert sich in unterschiedlichen
Abständen der Reflexionsflächen von den werkzeugseitigen
Enden der Bohrungen 5 bei der ersten bzw. der Bohrungen 6 bei
der zweiten Ausführungsform.
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Um
Messungen an den verschiedenen Stellen gleichzeitig durchzuführen,
werden entsprechend viele Radarsysteme 11, d. h. mindestens
drei, benötigt. In diesem Fall müssen nicht nur
in der Arbeitsspindel 1 jeweils mehrere Bohrungen 5 und/oder Bohrungen 6 vorgesehen
sein, sondern es müssen auch in dem Abschlussring 8 des
Stators 9 entsprechend viele jeweils mit den Bohrungen 6 fluchtende Bohrungen 7 sowie
Hohlräume zur Anordnung der Radarsysteme 11 vorgesehen
sein. Die Maßgrößen für die
Abstände des Werkzeugs 4 an den einzelnen Messstellen
liegen in diesem Fall alle gleichzeitig vor und können
zur Feststellung der Werkzeugplananlage sofort miteinander verglichen
werden.
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Grundsätzlich
ist es aber auch möglich, nur ein einziges Radarsystem 11 zu
verwenden. In diesem Fall genügt in dem Abschlussring 8 des
Stators 9 eine einzige Bohrung 7, die in verschiedenen
vorbestimmten Winkelpositionen der Arbeitsspindel 1 jeweils
mit einer der in dieser vorhandenen Bohrungen 6 fluchtet.
Die verschiedenen Abstandsmessungen müssen in diesem Fall
sequentiell vorgenommen und Maßgrößen
für die jeweiligen Abstände zwischengespeichert
werden, damit nach der Durchführung der Messungen an allen
einzelnen Messstellen ein Vergleich zur Feststellung der Werkzeugplananlage
vorgenommen werden kann. Ein Vorteil der Verwendung eines einzigen
Radarsystems 11 liegt darin, dass statistische Variationen
der Eigenschaften mehrerer gleichartiger Radarsysteme 11 untereinander
keine Messfehler verursachen können.
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Um
die Werkzeugplananlage auch während der Bearbeitung eines
Werkstücks überwachen zu können, ist
es zweckmäßig, die Winkelposition der Arbeitsspindel 1 zu
erfassen, um bei bestimmten Winkelpositionen, nämlich genau
dann, wenn die Radialbohrungen 6 in der Arbeitsspindel 1 annähernd mit
den Radialbohrungen 5 in dem Abschlussring 8 des
Stators 9 fluchten, bzw. im Fall der Verwendung nur eines
einzigen Radarsystems 11 jeweils eine der Radialbohrungen 6 in
der Arbeitsspindel 1 annähernd mit der einzigen
Radialbohrung 5 in dem Abschlussring 8 des Stators 9 fluchtet,
kurzzeitig eine Abstandsmessung durchzuführen. Es versteht
sich, dass das für eine Messung verfügbare Zeitfenster umso
kürzer ist, je höher die Drehgeschwindigkeit der
Arbeitsspindel 1 ist.
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Bei
sehr hohen Drehgeschwindigkeiten der Arbeitsspindel 1 kann
sich das verfügbare Zeitfenster so sehr verkürzen,
dass die Abstandsmessung unmöglich wird. In diesem Fall
kann die Plananlagenüberwachung nach einem Werkzeugwechsel
vor dem Anfahren der Arbeitsspindel 1 erfolgen, indem die
Arbeitsspindel 1 von der Anlagensteuerung zunächst
in die zur Messung erforderliche Winkelposition gefahren und in
dieser für die Messung angehalten wird. Falls nur ein einziges
Radarsystem 11 verwendet wird, muss die Arbeitsspindel 1 nacheinander
in mehrere Winkelpositionen gefahren werden, in denen jeweils eine
Abstandsmessung durchgeführt wird. Es versteht sich, dass
für eine solche Plananlagenüberwachung bei stehender
Arbeitsspindel eine Absolutwertmessung der Winkelposition der Arbeitsspindel 1 unerlässlich
ist.
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Bei
der elektrischen Auswertung der Messsignale kommt es für
die Plananlagenüberwachung nur auf die Gleichheit der an
den verschiedenen Messstellen gemessenen Abstände des Werkzeugs 4 oder
Werkzeugträgers von den werkzeugseitigen Enden der Bohrungen 5 bzw. 6 an.
Es bedarf folglich nicht der exakten Bestimmung der Absolutwerte
der Abstände. Eine Realisierungsmöglichkeit für
eine vergleichende Messung der hier interessierenden Art zeigt 5 in
Form eines Blockschaltbildes, wobei hier eine Variante zur gleichzeitigen
Abstandsmessung mit drei verschiedenen Radarsystemen 11A, 11B und 11C zugrunde
gelegt wurde.
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Das
Radarsystem 11A weist eine kombinierte Sende- und Empfangsantenne 12 auf,
die an einen Zirkulator 13 angeschlossen ist. Der Zirkulator 13 ist mit
einem Eingang eines Mischers 14 verbunden. Der Ausgang
des Mischers 14 ist mit dem Eingang eines einstellbaren
Verzögerungsgliedes 15 verbunden. Dessen Ausgang
ist mit dem Eingang eines Tiefpassfilters 16 verbunden.
Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 16 ist zugleich
das Ausgangssignal des Radarsystems 11A. Ein dritter Anschluss
des Zirkulators 13 sowie ein zweiter Eingang des Mischers 14 sind
gemeinsam mit dem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators
(VCO = Voltage Controlled Oscillator) 17 verbunden, dem
zur Variation seiner Frequenz eine sägezahnförmige
Steuerspannung VC zugeführt wird.
Die drei Radarsysteme 11A, 11B und 11C sind
identisch aufgebaut, weshalb ihre Komponenten hier nur anhand eines
Systems 11A erläutert werden. An den VCO 17 sind
parallel zu dem Zirkulator 13 und dem Mischer 14 des
Systems 11A auch die Zirkulatoren und Mischer der beiden anderen
Systeme 11B und 11C angeschlossen.
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Durch
den Zirkulator 13 wird das von dem VCO 17 abgegebene
Signal als Sendesignal in die Antenne 12 eingespeist und
das von der Antenne empfangene Reflexionssignal dem Mischer 14 zugeführt.
Durch die dortige Multiplikation mit dem Sendesignal des VCO 17 und
die Filterung durch das Tiefpassfilter 16 wird das empfangene
Reflexionssignal demoduliert, wobei die Information über
den interessierenden Abstand der Reflexionsfläche von der
Antenne 12 in der Phasenlage des demodulierten Signals
enthalten ist. Dies bedeutet, dass bei gleichem Abstand aller drei
Reflexionsflächen von der jeweiligen Antenne alle drei
Radarsysteme 11A, 11B und 11C an ihrem
Ausgang identische Signale liefern würden.
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Durch
unvermeidliche Abweichungen wie insbesondere Laufzeitunterschiede
zwischen den drei Systemen 11A, 11B und 11C untereinander
sowie den drei ebenfalls gleichartigen, aber separaten Hohlleiterkanälen 5, 6, 7 bzw. 6, 7 untereinander
wären die Phasenlagen der Ausgangssignale der drei Systeme 11A, 11B und 11C jedoch
in der Praxis auch bei perfekter Plananlage des Werkzeugs 4 an
der Arbeitsspindel 1 nicht gleich. Um diese Abweichungen ausgleichen
zu können, ist bei dem System 11A das Verzögerungsglied 15 vorgesehen,
dessen Verzögerungszeit einstellbar ist. Insgesamt drei
einstellbare Verzögerungsglieder, d. h. eines in jedem
der Systeme 11A, 11B und 11C, wie in 5 dargestellt,
bieten mehr Freiheitsgrade, als es zum Ausgleich der Laufzeitunterschiede
zwischen den Systemen 11A, 11B und 11C nötig
ist. Es genügt daher, bei zwei der drei Verzögerungsglieder
eine Verzögerungszeit einzustellen. Die Verzögerungszeit
des dritten kann zu Null gewählt werden bzw. es könnte
in einem der Radarsysteme 11A, 11B und 11C auf
ein Verzögerungsglied verzichtet werden.
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Die
Signalverarbeitung zum Vergleich der drei gewonnenen Abstandsmesssignale
besteht nach 5 in einer Digitalisierung jedes
dieser Signale durch ein jeweiliges D-Flipflop 18, einer
Verknüpfung der so digitalisierten Signale in einem EXOR-Gatter 19 und
in einem abschließenden Vergleich der Ausgangsspannung
der EXOR-Gatters mit einer einstellbaren Spannungsschwelle VR in einer Komparatorschaltung 20,
deren Ausgangssignal schließlich anzeigt, ob die Plananlage
des Werkzeugs 4 an der Arbeitsspindel 1 korrekt
ist oder nicht. Während die Einstellung der Verzögerungsglieder auch
im offenen Zustand, d. h. ohne eingespanntes Werkzeug erfolgen könnte,
wird die Schwellenspannung VR in jedem Fall
mit eingespanntem Werkzeug bei perfekt planer Anlage desselben an
der Arbeitsspindel 1 eingestellt.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung, die von einer anderen
Art der Abstandsmessung als über die Phasenlage eines reflektierten
Radarsignals Gebrauch macht, zeigt 6, wobei
die dortige Darstellung einem Ausschnitt aus dem linken oberen Bereich
von 3 entspricht. Gleiche Komponenten sind daher in 6 mit
gleichen Bezugszahlen wie in 3 bezeichnet.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform nach 3 wird
in diesem Fall die Leistungsabgabe durch das Radarsystem 11 in
den als Hohlleiter wirksamen Kanal 5, 6, 7 bzw.
der Reflexionskoeffizient als Maß für den Abstand
der Reflexionsfläche herangezogen.
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Zur
Vergrößerung der Empfindlichkeit ist es hierbei
zweckmäßig, die Bohrung 5 so zu gestalten, dass
eine möglichst ausgeprägte Resonanz auftritt, was
in 6 durch die Erweiterung der Bohrung 5 an ihrem
werkzeugseitigen Ende zu einer Kammer 5A schematisch dargestellt
ist. Hierdurch kann ein Schwingkreis hoher Güte realisiert
werden, dessen Resonanzfrequenz von der Lage der rückwärtigen Auflagefläche
des Werkzeugs 4 bezüglich der Arbeitsspindel 1 abhängt.
Es versteht sich, dass beim Entwurf dieses Schwingkreises außer
den Bohrungen 5, 6, 7 und der Kammer 5A auch
der Einfluss des zwischen dem Abschlussring 8 des Stators
und der rotierenden Arbeitsspindel 1 vorhandenen Luftspalts 10,
an dem die Bohrungen 6 und 7 miteinander fluchtend
enden, berücksichtigt werden muss. Ein solcher Schwingkreis
wird bereits bei einer geringfügigen Abweichung der Lage
des Werkzeugs 4 von einer perfekten Plananlage an der Auflagefläche 2 der
Arbeitsspindel 1 verstimmt, was leicht detektierbar ist.
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Eine
hierzu geeignete Schaltungsanordnung zeigt 7. Zur Bestimmung
des Reflexionskoeffizienten muss das Verhältnis der Leistung
des reflektierten Signals zu derjenigen des abgestrahlten Signals
gebildet werden. Ein definierter Anteil des von einem Oszillator 21 abgegebenen
Signals wird durch einen ersten Richtkoppler 22 ausgekoppelt
und einem ersten Detektor 23 zugeführt. Der restliche
Teil A des von dem Oszillator abgegebenen Signals wird über
eine in 7 nicht dargestellte Antenne
in den als Hohlleiter wirksamen Kanal 5, 6, 7 eingestrahlt und
an dessen Ende, d. h. am Ende der Kammer 5A, die den Abschluss
der Bohrung 5 bildet, von dem Werkzeug 4 reflektiert.
Ein definierter Teil des reflektierten Signals B wird durch einen
zweiten Richtkoppler 24 ausgekoppelt und einem zweiten
Detektor 25 zugeführt.
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Die
Detektoren 23 und 25 geben Messsignale ab, welche
jeweilige Maße für die Leistungen des in den Kanal 5, 6, 7 eingestrahlten
und des aus dem Kanal 5, 6, 7 reflektierten
Signals darstellen. In einer Auswertungseinheit 26 wird
das Verhältnis der beiden Messsignale gebildet, welches
bei Resonanz einen Extremwert annimmt. Wie bei der zuvor beschriebenen
Schaltung nach 5 muss auch hier eine Kalibrierung
vorgenommen werden. In diesem Fall wird die Frequenz des Oszillators 21 bei
perfekter Plananlage des Werkzeugs 4 an der Auflagefläche 2 der
Arbeitsspindel 1 so eingestellt, dass Resonanz herrscht.
Bei einer Lageabweichung des Werkzeugs 4 erfolgt eine starke Änderung
des Verhältnisses der beiden Messsignale. Dieses Verhältnis
wird durch einen in der Auswertungseinheit 26 enthaltenen
Komparator mit einem einstellbaren Schwellwert verglichen. Die Über-
bzw. Unterschreitung dieses Schwellwertes zeigt schließlich
an, ob die Plananlage des Werkzeugs 4 an der Arbeitsspindel 1 korrekt ist
oder nicht.
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Obgleich
in diesem Fall die Übereinstimmung der absoluten Position
des Werkzeugs 4 mit einer Sollposition gemessen wird und
daher eine einzige Messstelle bereits eine Aussage über
die Korrektheit der Lage des Werkzeugs liefert, können
zur Erhöhung der Zuverlässigkeit mehrere Messstellen
vorgesehen werden. Dies bedeutet eine entsprechende Vervielfachung
der kompletten in 7 dargestellten Schaltung sowie
die zusätzliche Bereitstellung einer gemeinsamen Auswertungseinheit,
welche die Ausgangssignale der einzelnen Auswertungseinheiten 26 empfängt
und gemeinsam bewertet.
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Die
Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung beschränkt sich
jedoch keineswegs auf die Überwachung der Werkzeugplananlage.
Vielmehr können mit der Erfindung funktionsrelevante Positionen
verschiedener Maschinenelemente einer Bearbeitungsmaschine gemessen
und überwacht werden. Ein Beispiel hierfür zeigt 8.
Dort ist ein Teil einer Werkzeugspannvorrichtung 27 zum
Spannen eines Werkzeugs oder Werkzeugträgers an oder in einer
Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine in der Spannstellung dargestellt.
In dieser Stellung übt ein nicht gezeigtes Tellerfedernpaket
eine Kraft F auf eine verschiebbar gelagerte Zugstange 28,
von der in 8 nur das der ebenfalls nicht
gezeigten Werkzeugaufnahme abgewandte, hintere Ende zu sehen ist,
aus und hält die Zugstange 28 in der in 8 gezeigten
Position. Eine mechanische Kopplung zwischen der Zugstange 28 und
den Spannzangensegmenten der Werkzeugaufnahme sorgt in dieser Stellung
für die Spannung eines Werkzeugs oder Werkzeugträgers
in der Werkzeugaufnahme.
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Axial
benachbart zu dem Ende der Zugstange 28 ist ein Hydraulikzylinder 29 mit
einem ringförmigen Innenraum angeordnet, in dem ein ringförmiger Kolben 30,
der sogenannte Werkzeuglösekolben 30, verschiebbar
gelagert ist. Der Werkzeuglösekolben 30 befindet
sich in der Spannstellung nach 8 am hinteren
Ende seines Bewegungsbereiches und liegt mit seiner hinteren Stirnseite
an einem Anschlag 31 an. Eine vordere Kammer 32 in
dem Hydraulikzylinder 29 ist in diesem Fall mit einer unter
Druck stehenden Flüssigkeit gefüllt und drückt
den Werkzeuglösekolben 30 gegen den Anschlag 31.
Der Werkzeuglösekolben 30 weist einen sich in
Richtung der Zugstange 28 erstreckenden hohlzylinderförmigen
Abschnitt 33 auf, der jedoch in dieser Stellung des Werkzeuglösekolbens 30 einen
Abstand von dem hinteren Ende der Zugstange 28 hat.
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Zum
Lösen des Werkzeugs oder Werkzeugträgers wird
der Werkzeuglösekolben 30 gegenüber der
Spannstellung von 8 durch Füllung einer
hinteren Kammer 34 in dem Hydraulikzylinder 29 mit
einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in axialer Richtung
gegen die Zugstange 28 verschoben, so dass sich das vordere
Ende des hohlzylindrischen Abschnitts 33 des Werkzeuglösekolbens 30 in
Kontakt mit dem hinteren Ende der Zugstange 28 befindet und
eine gegen die Kraft F des Tellerfedernpaketes gerichtete Gegenkraft
auf die Zugstange 28 ausübt. Diese Bewegung des
hohlzylindrischen Abschnitts 33 ist in 8 durch
gestrichelte Linien angedeutet. Die Zugstange 28 wird hierdurch
gegenüber der Spannstellung von 8 in axialer
Richtung, und zwar in der Darstellung von 8 nach links
in Richtung der Werkzeugaufnahme verschoben, wodurch die Spannzangensegmente
das Werkzeug bzw. den Werkzeugträger freigeben und ein
Werkzeugwechsel ermöglicht wird.
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Da
sich die Zugstange 28 im Betrieb der Arbeitsspindel dreht,
der Werkzeuglösekolben 30 jedoch stillsteht, ist
es von Interesse, die Position des Werkzeuglösekolbens 30 zu überwachen,
insbesondere festzustellen, ob er sich in der Endposition nach 8 und
somit in einem Abstand von der Zugstange 28 befindet oder
nicht. Das Erreichen besagter Endposition durch den Werkzeuglösekolben 30 ist ein
sicheres Indiz für das Vorliegen des Spannzustandes, in
dem die Arbeitsspindel nach einem Werkzeugwechsel wieder angefahren
werden kann.
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Erfindungsgemäß ist
in dem Hydraulikzylinder 29 ein Kanal vorgesehen, der sich
aus einer in axialer Richtung verlaufenden Bohrung 35 und
einer in radialer Richtung verlaufenden Bohrung 36 zusammensetzt.
Die Bohrung 36 endet in einem Hohlraum, der an der Außenseite
des Hydraulikzylinders 29 ausgebildet ist. Die Bohrungen 35 und 36 entsprechen
in Ihrer Funktion den Bohrungen 5 und 6 der in den 3 und 4 gezeigten
Ausführungsbeispiele, d. h. sie wirken als Hohlleiter für
ein Radarsignal, das von einem in dem Hohlraum an der Außenseite des
Hydraulikzylinders 29 eingebauten Radarsystem 37 eingestrahlt
und an der Rückseite des Werkzeuglösekolbens 30 reflektiert
wird. Um einen Druckaufbau in der Kammer 34 zu ermöglichen,
ist der Kanal 35, 36 zumindest im Bereich der
Bohrung 35, vorzugsweise aber vollständig mit
einem Dielektrikum gefüllt.
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Um
eine Reflexionsfläche möglichst nahe am Ende der
Bohrung 35 zu schaffen, erstreckt sich von der Rückseite
des Werkzeuglösekolbens 30 aus in dem der Bohrung 35 gegenüberliegenden
Bereich ein Vorsprung 38 in Richtung der Bohrung 35.
Dieser Vorsprung 38 überdeckt die Bohrung 35 mit
einer senkrecht zur Achse der Bohrung 35 liegenden Oberfläche,
die in der gezeigten Stellung des Werkzeuglösekolbens 30 nur
einen sehr geringen Abstand vom Ende der Bohrung 35 hat
oder unmittelbar auf dem Hydraulikzylinder aufliegt. Im letztgenannten
Fall begrenzt der Kontakt des Vorsprungs 38 mit dem Hydraulikzylinder 29 die
Bewegung des Werkzeuglösekolbens 30 nach hinten
und ersetzt den Anschlag 31, der dann nicht mehr benötigt
wird. Der Vorsprung 38 sollte dann allerdings in Bezug
auf die Achse des Werkzeuglösekolbens 30 eine
radialsymmetrische Form haben, um bei der rückseitigen
Abstützung des Werkzeuglösekolbens 30 eine
radialsymmetrische Kraftverteilung zu gewährleisten.
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Es
leuchtet ein, dass mittels Einstrahlung eines Radarsignals in den
Kanal 35, 36 und Messung des an dem Vorsprung 38 reflektierten
Signals die Position des Werkzeuglösekolbens 30 gemessen und
insbesondere festgestellt werden kann, ob er sich in der in 8 gezeigten
hinteren Endposition, die der Spannstellung der Werkzeugspannvorrichtung
entspricht, befindet, oder nicht. In dieser Anwendung der Erfindung
ist der Unterschied zwischen den Positionen der Reflexionsfläche
in den beiden Endpositionen des Werkzeuglösekolbens 30,
d. h. in der in 8 gezeigten hinteren Endposition
und in der vorderen Endposition, die der Lösestellung der
Werkzeugspannvorrichtung entspricht, wesentlich größer als
bei der zuvor beschriebenen Überwachung der Werkzeugplananlage,
bei der eine minimale Verkippung des Werkzeugs erkannt werden muss.
Die Genauigkeitsanforderungen an die Radar-Abstandsmessung sind
daher in diesem Anwendungsfall wesentlich geringer.
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Als
Messmethode kommt auch hier sowohl eine Phasenmessung, wie sie der
Schaltung nach 5 zugrunde liegt, als auch eine
Messung des Reflexionskoeffizienten entsprechend der Schaltung nach 7 in
Frage. Gegenüber der Schaltung nach 5 entfällt
allerdings der dort vorgesehene Vergleich zwischen den Signalen
mehrerer Messstellen. Für die Messung des Reflexionskoeffizienten
kann auch hier analog zu der Ausführungsform nach 6 das
Ende der Bohrung 35 zu einer Kammer geeigneter Form erweitert
sein, um einen Hohlleiter-Resonator auszubilden und einen in Resonanz
betriebenen Schwingkreis zu schaffen, der bei einer Entfernung des
Werkzeuglösekolbens 30 von seiner hinteren Endposition
verstimmt wird.
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Aus
der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für einen
Fachmann verschiedene Möglichkeiten für Abwandlungen
der Erfindung. So ist der Werkzeuglösekolben 30 nicht
das einzige Maschinenelement im Umfeld einer Arbeitsspindel 1 oder
einer Werkzeugspannvorrichtung 27, dessen Position unter
Anwendung der vorliegenden Erfindung überwacht werden kann.
Beispielsweise könnte auch die Position der Spannstange 28 überwacht
werden, wozu ein als Hohlleiter wirksamer Kanal und ein Radarsystem
an einer geeigneten anderen Stelle vorgesehen werden könnte.
Auch muss nicht unbedingt eine der Bohrungen in radialer Richtung
bezüglich der Achse der Arbeitsspindel 1 bzw.
der Werkzeugspannvorrichtung 27 verlaufen, sondern es könnte
je nach den durch die mechanischen Funktionen gegebenen Formen der
Elemente, durch die das Radarsignal hindurchgeführt werden
muss, unter Umständen auch eine Bohrung in rein axialer
Richtung ausreichen. Auch spielt es für die Anwendung der
Erfindung zur Überwachung der Werkzeugplananlage keine
Rolle, ob das Objekt, dessen Position gemessen wird, das Werkzeug
selbst oder ein seinerseits zur Aufnahme eines Werkzeugs bestimmter
Werkzeughalter ist. Ebenso spielt es für die Anwendung
der Erfindung zur Überwachung des Spannzustandes des Werkzeugs
keine Rolle, ob die Bewegung der Spannstange 28 wie in 8 gezeigt
hydraulisch oder etwa pneumatisch oder elektromotorisch angetrieben
wird. Solche und vergleichbare Modifikationen der Erfindung sollen
vom Schutz der Ansprüche umfasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10351347
A1 [0004]
- - DE 19959778 A1 [0005]
- - DE 19903183 A1 [0006]
