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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Maschinendiagnose, wobei eine sich wiederholende Bewegung eines Aggregats einer Bearbeitungsmaschine erfasst wird.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, zur Maschinendiagnose ein Frequenzspektrum, bspw. einer Maschinenschwingung, aufzunehmen und zu bewerten. Anhand der im Spektrum auftretenden Frequenzen bzw. deren Intensität kann der Zustand des betreffenden Aggregats bewertet werden. Die Maschinendiagnose unter Verwendung der Frequenzanalyse wird auch bei sich wiederholenden Bewegungen angewandt.
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Die
DE 10 2007 003 695 B4 beschreibt ein Verfahren, bei dem Istwerte von Achsen mit umdrehungszyklischen Störgrößen erfasst und anhand der Erfassung eine Überwachung durchgeführt wird. Es werden Messwerte in einem Messwertspeicher abgelegt und für eine Hüllkurvenanalyse herangezogen.
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Die
DE 10 2007 026 569 A1 beschreibt die Diagnose von Lagerschäden einer Druckmaschine mittels zusätzlicher Schwingungsaufnehmer.
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Nachteilig an den genannten Lösungen ist insbesondere, dass im Wesentlichen die Umdrehung der Bearbeitungsachse, d. h. die Lastseite des Antriebsstrangs, erfasst wird und damit Diagnosen von Aggregaten innerhalb des Antriebsstrangs, wie z. B. Getrieben, die üblicherweise andere Drehzahlen und Stördrehzahlen als die Last haben, nicht möglich sind. Weiterhin sind zusätzliche Sensoren, d. h. Schwingungsaufnehmer, notwendig.
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Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zur Maschinendiagnose bei sich wiederholenden Bewegungen anzugeben, das die beschriebenen Nachteile nicht oder nur in geringerem Ausmaß zeigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Maschinendiagnose, wobei eine sich wiederholende Bewegung eines Aggregats einer Bearbeitungsmaschine erfasst wird, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Recheneinheit zum Durchführen dieses Verfahrens vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist die Verwendung einer Ordnungsanalyse für sich wiederholende Bewegungen. Diese können konstant, d. h. beispielsweise mit konstanter Drehzahl, oder auch nicht konstant ablaufen. Wesentlich ist lediglich ein zyklischer Ablauf. Die Ordnungsanalyse bedient sich einer Transformation vom Ortsbereich in den Ordnungsbereich, wobei die Erfassung bzw. Messung im Ortsbereich (die Stützstellen der Messung liegen bei vorbestimmten Positionen, bspw. alle 1° einer Bewegung) oder im Zeitbereich (die Stützstellen der Messung liegen bei vorbestimmten Zeitpunkten, bspw. alle 1 ms einer Bewegung) mit anschließendem Resampling in den Ortsbereich erfolgen kann. Zur Auswertung kann ein erstes Ordnungsspektrum mit einem zweiten Ordnungsspektrum verglichen werden.
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Beispielsweise können ordnungsspezifische Amplituden und/oder Integrale (Energien) über eine gewisse Anzahl von Ordnungen verglichen werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet eine Reihe von Vorteilen und erschließt insbesondere neue Anwendungsgebiete für den Bereich der Maschinendiagnose, wie nachfolgend erläutert werden soll.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann üblicherweise während der normalen Produktion durchgeführt werden, da die Produktionsbewegungen mit häufig konstanter Bearbeitungskraft (Lastmoment) für eine ausreichende Anregung sorgen. Eine spezielle Messfahrt ist nicht notwendig.
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Weiterhin kann die Erfindung mit den ohnehin vorhandenen Messmitteln durchgeführt werden. Das Anbringen zusätzlicher Sensoren, wie z. B. Schwingungsaufnehmer ist nicht notwendig, da als Messgrößen insbesondere Größen geeignet sind, die in einer Maschinensteuereinrichtung ohnehin vorhanden sind oder dort leicht berechnet werden können. Als Parameter zur Definition des Ortsbereichs (x-Werte) kann insbesondere ein Ist- und/oder Sollwert der Position des auszuwertenden Zyklus, bspw. eine Leitachsposition oder eine Folgeachsposition einer Kurvenscheibe, dienen. Prinzipiell ist jeder in der Maschine auftretende Zyklus geeignet. Insbesondere bei mechanischen Getrieben bietet es sich an, auf einen der mechanisch vorhandenen Zyklen abzustellen. Hierdurch ergibt sich eine Vereinfachung der Auswertung, da der Grundzyklus dann dem auszuwertenden Mechanikbereich entspricht. Als zu erfassende, die Bewegung charakterisierende Größen (y-Werte) eignen sich insbesondere ein Ist- und/oder Sollwert eines Antriebsmoment, einer Antriebsgeschwindigkeit, eines Schleppabstands und/oder einer Drehzahldifferenz. Wenn Fremdträgheitsmassen bezogen auf den zu diagnostizierenden Motor des Antriebs relativ klein sind, bietet es sich an, eine Achsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Achsposition zu erfassen. Ist die Lastträgheit sehr hoch, ist die Erfassung von Soll- und/oder Istmomenten, Schleppabständen und/oder Geschwindigkeits-Regelabweichungen in Abhängigkeit von der Achsposition zweckmäßig. Eine hohe Lastträgheit führt zu einer nahezu konstanten und glatten Geschwindigkeit, so dass diese wenig Variation und in der Folge nur eine schlechte Auswertbarkeit bietet.
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In Ausgestaltung werden beim Vergleich des ersten mit dem zweiten Ordnungsspektrum bestimmte Ordnungen berücksichtigt und/oder bestimmte Ordnungen nicht berücksichtigt. Bei Kenntnis der auftretenden Geschwindigkeiten und somit Ordnungen in der Mechanik können diese speziell herausgefiltert werden. Soll beispielsweise der Alterungszustand eines Motorlagers untersucht werden, welches durch drei bekannte Ordnungen charakterisiert wird, können diese drei Ordnungen ausgefenstert und in Alleinstellung überwacht werden.
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Vorzugsweise wird beim Auswerten eine Kohärenz berücksichtigt. Die Kohärenz einer Messung kennzeichnet die Aussagekraft der jeweiligen Ordnung. Die Kohärenz kann z. B. als ein ordnungsabhängiger Faktor vorliegen, der zwischen 0 und 1 liegt. Eine 0 bedeutet dabei eine schlechte Verlässlichkeit der Ordnungsdaten. Um die Aussagekraft des Spektrums zu erhöhen, kann dieses vor der Bildung bspw. der ordnungsspezifischen Energie mit der Kohärenz multipliziert werden, um Ordnungsanteile mit niedrigerer Kohärenz weniger in die Auswertung einzubeziehen.
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In Ausgestaltung werden Totzeiten in der Messung bei der Auswertung berücksichtigt. Totzeiten in der Messung führen zu einer schlechteren Kohärenz. Ist beispielsweise eine Totzeit zwischen den beiden zu erfassenden Messgrößen vorhanden, so dass z. B. ein Momentensollwert (y-Wert) einer Abtastung zeitlich nicht mit dem Lageistwert (x-Wert) derselben Abtastung korrespondiert, kann diese Totzeit bei Kenntnis ihrer Größe durch eine Verschiebung der Messwerte berücksichtigt werden.
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Die Erfindung kann besonders zweckmäßig zur Diagnose innerhalb von (Serien-)Produktionsprozessen von Maschinenmodulen bzw. Aggregaten. eingesetzt werden, wenn die erste Erfassung an wenigstens einem ersten Aggregat und die zweite Erfassung an einem zweiten, baugleichen Aggregat durchgeführt wird. Hierbei dient das erste Ordnungsspektrum als Referenzmessung bspw. zur Qualitätssicherung des Produktionsprozesses. Die erste Erfassung kann insbesondere auch an mehreren baugleichen Aggregaten durchgeführt werden, wobei eine Verknüpfung, bspw. Mittelung, zu einer Referenzmessung erfolgt. Sind bei der zweiten Erfassung später z. B. spezielle Ordnungen zu stark ausgeprägt, kann dies auf eine Fertigung außerhalb von Toleranzen hinweisen und es können Gegenmaßnahmen, wie z. B. Nachoptimierung oder Lagerwechsel, ergriffen werden. Es bietet sich an, diese Auswertung an separaten Aggregaten unabhängig von einer Gesamtmaschine durchzuführen. Hierdurch können Fehler sehr früh im Fertigungsablauf einer komplexeren Maschine erkannt werden. Dies führt zu einer sehr kostenarmen Erkennung und Behebungsmöglichkeit von Fertigungsfehlern.
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Die Erfindung kann auch besonders zweckmäßig zur (Langzeit-)Diagnose eines Maschinenmoduls verwendet werden, wenn die erste Erfassung und die zweite Erfassung an demselben Aggregat durchgeführt werden. Die erste Erfassung kann wiederum als Einzelmessung oder Mehrfachmessung mit Verknüpfung der Messergebnisse, insbesondere Mittelung, durchgeführt werden, um eine Referenzmessung, d. h. eine sogenannte km0-Messung (Kilometer Null Messung), zu definieren. Zumindest die zweite Erfassung kann während des Normalbetriebs der Bearbeitungsmaschine durchgeführt werden. Auf Grundlage des Vergleichs der Ordnungsspektren, bspw. unter Verwendung von Amplituden, Integralen und/oder einer Hüllkurve, können Alterungs- und Wartungsinformationen abgeleitet werden. Bei Kenntnis des zu erwartenden zeitlichen Verhaltens des Fehlerverlaufs (z. B. auf Grundlage früherer Messungen) ist sogar eine Prädiktion eines zukünftigen Fehlers möglich.
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Die Erfindung eignet sich besonders zur Diagnose von Druckmaschinenmodulen, bspw. zur Erkennung von globalen und lokalen Dickenänderungen an Gummituchzylindern, welche durch Aufquellen, Schrumpfung oder Hot-Spots hervorgerufen werden können, Durchmesseränderungen an Bahntransportzylindern oder Abnutzungserscheinungen an Bearbeitungswerken, wie z. B. das Stumpfwerden von Querschneidermessern, Längsschneidermessern, Stanzmessern usw. Beispielsweise beim Offsetdruck können in Gummitüchern sog. Hot-Spots (lokale Erwärmung) auftreten. Diese lokale Erwärmung führt zu einer thermischen Ausdehnung, die dann als Mitkopplung eine weitere Erwärmung nach sich zieht. Die Folge davon sind eine höhere Gummituchabnutzung und ein schlechteres Druckergebnis. Bei der Maschinendiagnose wird ein Hot-Spot zu einer weiteren Grundwelle – bezogen auf die Drehzahl des Druckzylinders – führen, wobei die Grundwelle und hauptsächlich die erste Oberwelle verstärkt werden. Werden online, d. h. während des Normalbetriebs, die auftretenden Ordnungen ausgewertet, so kann beim Auftreten weiterer Ordnungen der Grunddrehzahl auf einen Hot-Spot geschlossen werden. Ebenfalls sind Gummitücher gewissen Abnutzungserscheinungen unterworfen. Zur Diagnose kann das erste Ordnungsspektrum bei Druck AB oder bei Druck AN mit sehr geringem Anpressdruck erzeugt werden. Dieses dient als Referenz zum Vergleich mit dem zweiten Ordnungsspektrum, das bei normalem Betrieb, d. h. Druck AN, erzeugt wird. Bei Schneidewerken, wie z. B. Querschneidern, kann mit Hilfe der sich verändernden Ordnungen auf eine Abnutzung des Schneidmessers auf dem Zylinder des Querschneiders geschlossen werden. Auch hier ist als Referenzmessung eine Messung ohne Material zweckmäßig, um Veränderungen des Schnittvorgangs von Veränderungen in der Antriebsmechanik besser trennen zu können.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine für die Erfindung geeignete Offset-Druckmaschine in einer schematischen Seitenansicht.
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2 zeigt ein Prinzip zum Erhalten eines Ordnungsspektrums.
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3 zeigt beispielhaft eine Auftragung einer sich wiederholenden Bewegung im Ortsbereich und ein daraus gewonnenes erstes Ordnungsspektrum.
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4 zeigt beispielhaft ein zu einem späteren Zeitpunkt gewonnenes zweites Ordnungsspektrum.
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In 1 ist eine für die Erfindung geeignete Offset-Druckmaschine 100 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Die Druckmaschine 100 weist eine Wicklereinrichtung 110 auf, die als Rollenwechsler ausgeführt ist. Das auf Rollen 111 aufgerollte Warenbahnmaterial, beispielsweise Papier 112, wird in der Wicklereinrichtung abgewickelt und einem Einzugswerk 120 zugeführt. Das Papier wird anschließend durch vier Druckwerke 130 bis 160 geführt, die jeweils beidseitig bedrucken, sodass das Papier jeweils von einer durch zwei Gummituchzylinder gebildeten Klemmstelle eingeklemmt wird.
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Nach dem Bedruckvorgang wird das Papier 112 durch eine Trocknereinrichtung 170 zu einem Auszugswerk 180 geführt, wobei das Auszugswerk mit Kühlwalzen 181 versehen ist. Nach dem Auszugswerk wird das Papier einer Endverarbeitung 190 zugeführt, um dort beispielsweise geschnitten, gefalzt usw. zu werden.
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Die Aggregate der Druckmaschine 100 sind mit einer Steuerungseinrichtung 200 verbunden, die verschieden Steuer- und Regelaufgaben durchführt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun durchgeführt werden, um die Qualität eines Gummituchs zu überwachen. Ein Gummituch ist elastisch, insbesondere viskoelastisch, und enthält oder besteht aus einem Elastomer und unterliegt somit Abnutzungserscheinungen und neigt zur Bildung von sog. Hot-Spots.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wie ein erfindungsgemäßes Verfahren anhand einer Offset-Druckmaschine 100 gemäß 1 prinzipiell durchgeführt werden kann.
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In 2 ist ein beispielhaftes Prinzip zur Erfassung einer sich wiederholenden Bewegung und einer anschließenden Ordnungsanalyse zum Erhalten eines Ordnungsspektrums dargestellt. Die sich wiederholende Bewegung kann unter Bezugnahme auf 1 beispielsweise die Rotation einer der in 1 dargestellten Walzen, insbesondere eines Gummituchzylinders eines der Druckwerke 130 bis 160, hier des Druckwerks 130 sein. Zur Erfassung des Bewegungsablaufs werden in der Steuereinrichtung 200 die Geschwindigkeit v, d. h. die Rotationsgeschwindigkeit, sowie die Position F des Gummituchzylinders in Abhängigkeit von der Zeit t erfasst. Die Geschwindigkeit v ist in einem Diagramm 210, der Winkel F in einem Diagramm 220 dargestellt. Auf Grundlage dieser beiden erfassten Größen wird, zweckmäßigerweise ebenfalls in der Steuereinrichtung 200, die Abhängigkeit der Geschwindigkeit v von dem Winkel F bestimmt und anschließend eine Transformation auf einen Zyklus x durchgeführt, wobei x zwischen 0 und 1 liegt und einen Zyklus beschreibt, beispielsweise eine Umdrehung mit einem Winkel F von 0 bis 360°. Diese Auftragung im Ortsbereich ist in einem Diagramm 230 dargestellt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Übertragung der Erfassung in den Ortsbereich über eine Anzahl von Zyklen gemittelt, um die Qualität des Signals zu verbessern.
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Schließlich wird aus dem Ortsbereich 230 ein Ordnungsbereich 240 erzeugt, in dem die Amplitude der Geschwindigkeit v gegen die Ordnung o aufgetragen ist. Das Ordnungsspektrum wird durch Spektralanalyse der Daten im Ortsbereichs erzeugt.
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Die Ordnungsanalyse weist den besonderen Vorteil auf, dass damit, im Gegensatz zur Frequenzanalyse, Bewegungen untersucht werden können, die nicht konstant, d. h. nicht mit gleichbleibender Geschwindigkeit, ablaufen.
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In 3 ist ein Beispiel der Erfassung einer zyklischen Bewegung, im vorliegenden Fall einer Drehbewegung eines Gummituchzylinders dargestellt. Die Auftragung im Ortsbereich ist in einem Diagramm 330, das Ordnungsspektrum in einem Diagramm 340 abgebildet.
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In dem Ortsbereichsdiagramm 330 sind 10 Erfassungen des sich wiederholenden Bewegungsablaufs dargestellt, über die bevorzugt gemittelt wird, um eine resultierende bzw. effektive Auftragung des Ortsbereichs zu erhalten. Die Mittelung kann vor oder nach der Spektralanalyse stattfinden.
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In dem Ordnungsspektrum 340 ist erkennbar, dass die zwölfte und die sechste Ordnung besonders ausgeprägt sind. Auf Grundlage der Veränderung des Ordnungsspektrums über die Zeit kann die Qualität des Gummituchs bewertet werden. Das im Diagramm 340 dargestellte Spektrum stellt in diesem Sinne ein Referenzspektrum dar, mit dem zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommene bzw. erzeugte Ordnungsspektren verglichen werden. Anhand einer Veränderung des Ordnungsspektrums, beispielsweise einer Verschiebung der Amplituden zueinander oder das Auftreten neuer Ordnungen, können Veränderungen am Gummituch diagnostiziert werden.
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In 4 ist Ordnungsspektrum 440 dargestellt, das an demselben Aggregat wie 3, jedoch zu einem späteren Zeitpunkt aufgenommen worden ist. Ein Vergleich von zwei Ordnungsspektren desselben Aggregats erlaubt eine – insbesondere online durchführbare – Qualitätsüberwachung bzw. Langzeitdiagnose. Beim Vergleich der Ordnungsspektren 440 und 340 ist erkennbar, dass die 18. Ordnung stark angewachsen ist. Dies deutet auf eine Veränderung des überwachten Aggregats hin und kann im vorliegenden Beispiel eine fortschreitende Abnutzung des Gummituchs bedeuten.
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Die Erfindung wurde anhand einer als Druckmaschine ausgebildeten Bearbeitungsmaschine beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung bei allen Arten von Maschinen bzw. Aggregaten durchführbar ist, die eine zyklische Bewegung ausführen. Dazu gehören beispielsweise Palettierer, Etikettiermaschinen, Top- und Sideloader, Kartonaufrichter, Shrinkpackmaschinen, Schlauchbeutelmaschinen, Füll- und Verschließmaschinen, Thermoformmaschinen, Mehrzugketten, Eintaktbänder, Schneidemaschinen usw., um nur einige zu nennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007003695 B4 [0003]
- DE 102007026569 A1 [0004]
