DE102019134392A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle (10) und einer zweiten Welle (20), welche über ein Getriebe (30) relativ zueinander um eine Drehachse (A) drehbar gekoppelt sind, wobei die erste Welle (10) einen ersten Endbereich (10a), einen zweiten Endbereich (10b) und einen parallel zur Drehachse (A) von dem ersten Endbereich (10a) zu dem zweiten Endbereich (10b) weisenden ersten Richtungsvektor (R1) aufweist, und die zweite Welle (20) einen ersten Endbereich (20a), einen zweiten Endbereich (20b) und einen parallel zur Drehachse (A) von dem ersten Endbereich (20a) zu dem zweiten Endbereich (20b) weisenden zweiten Richtungsvektor (R2) aufweist, wobei die erste Welle (10) als Hohlwelle ausgebildet ist und die zweite Welle (20) koaxial in der ersten Welle (10) angeordnet ist, derart, dass der erste Richtungsvektor (R1) und der zweite Richtungsvektor (R2) gleich ausgerichtet sind, und wobei der erste Endbereich (10a) der ersten Welle (10) eine erste Maßverkörperung (11) und der erste Endbereich (20a) der zweiten Welle (20) eine zweite Maßverkörperung (21) aufweist, wobei die erste Maßverkörperung (11) durch einen ersten Sensor (41) und die zweite Maßverkörperung (21) durch einen zweiten Sensor (42) abgetastet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, welche über ein Getriebe relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gekoppelt sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Bekannt ist es, zur Steuerung eines Motors, beispielsweise eines Servomotors, an einer bewegten Achse wie beispielsweise dem Arm eines Roboters ein Drehwinkelmesssystem zu verwenden, welches die zur Steuerung notwendigen Informationen wie Drehzahl und Drehwinkelposition bestimmt. Der Motor weist üblicherweise eine Antriebswelle auf, welche über ein Getriebe die vom Motor aufgebrachte Kraft an eine Abtriebswelle überträgt. Getriebe sind bekanntermaßen elastisch und nicht linear, was dazu führt, dass sich auch die Drehzahl des Motors nach Über- oder Untersetzung durch das Getriebe nicht linear verhält. Daher bewirkt die Elastizität des Getriebes unter Last einen Drehwinkelversatz zwischen der erwarteten Drehwinkelposition der Abtriebswelle und der tatsächlichen Drehwinkelposition der Abtriebswelle. Bei bekannten Systemen wird zur Vermeidung eines solchen Drehwinkelversatzes ein zweites Drehwinkelmesssystem an der Abtriebswelle angeordnet, welches die Bewegung der Abtriebswelle direkt erfasst. Zur Bestimmung des Drehmoments, welches zwischen den beiden Wellen wirkt, werden zusätzliche Sensoren wie beispielsweise Dehnmessstreifen verwendet. Insgesamt ist eine große Zahl an Sensoren erforderlich, so dass derartige Systeme aufwendig und kostenintensiv sind.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle bereitzustellen, welche einfacher aufgebaut ist und kostengünstiger herstellbar ist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, welche über ein Getriebe relativ zueinander um eine Drehachse drehbar gekoppelt sind, wobei die erste Welle einen ersten Endbereich, einen zweiten Endbereich und einen parallel zur Drehachse von dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich weisenden ersten Richtungsvektor aufweist, und die zweite Welle einen ersten Endbereich, einen zweiten Endbereich und einen parallel zur Drehachse von dem ersten Endbereich zu dem zweiten Endbereich weisenden zweiten Richtungsvektor aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und die zweite Welle koaxial in der ersten Welle angeordnet ist, derart, dass der erste Richtungsvektor und der zweite Richtungsvektor gleich ausgerichtet sind, und dass der erste Endbereich der ersten Welle eine erste Maßverkörperung und der erste Endbereich der zweiten Welle eine zweite Maßverkörperung aufweist, wobei die erste Maßverkörperung durch einen ersten Sensor und die zweite Maßverkörperung durch einen zweiten Sensor abgetastet wird.
- Die grundlegende Idee der Erfindung besteht somit darin, die eine Welle in die als Hohlwelle ausgebildete andere Welle einzuschieben, und am gleichen Ende der beiden Wellen in räumlicher Nähe zueinander die Maßverkörperungen anzuordnen, welche durch zwei ebenfalls in räumlicher Nähe zueinander angeordnete Sensoren abgetastet werden können. Anstelle von zwei örtlich getrennten Drehwinkelmesssystemen können zwei in räumlicher Nähe zueinander angeordnete Maßverkörperungen abgetastet werden, wodurch die Drehwinkelposition jeder der beiden Wellen ermittelt werden kann. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung auch auf einfache Art und Weise die Bestimmung des Drehmoments, welches sich aus einem Drehwinkelversatz zwischen der erwarteten Drehwinkelposition der zweiten Welle, beispielsweise der Abtriebswelle, und der tatsächlichen Drehwinkelposition der zweiten Welle, beispielsweise der Abtriebswelle, ergibt, beispielsweise bei einer vorgegebenen Drehzahl eines mit der ersten Welle verbundenen Motors oder indem die erste Welle fixiert wird und unter Last der sich ergebende Drehwinkel an der zweiten Welle gemessen wird.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Sensoren stirnseitig vor den ersten Endbereichen der beiden Wellen angeordnet, was einen kompakten Aufbau ermöglicht.
- Besonders bevorzugt sind die beiden Sensoren auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet, wodurch die Zahl der erforderlichen Komponenten reduziert werden kann.
- Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoren als optische Abtastelemente und die Maßverkörperungen als reflektive Maßverkörperungen ausgebildet sind. Derartige Winkelmesssysteme sind besonders robust und ermöglichen eine hohe Auflösung des zu erfassenden Drehwinkels.
- Vorzugsweise sind die beiden Maßverkörperungen umlaufend ausgebildet, um auf einfache Art und Weise den Drehwinkel erfassen zu können.
- Besonders bevorzugt sind die erste Maßverkörperung auf einem scheibenringförmigen ersten Element, welches an dem ersten Endbereich der ersten Welle angeordnet ist, und die zweite Maßverkörperung auf einem scheibenringförmigen zweiten Element, welches an dem ersten Endbereich der zweiten Welle angeordnet ist, angeordnet. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau.
- Vorteilhafterweise sind die beiden Maßverkörperungen konzentrisch zueinander angeordnet, was die Auswertung der erfassten Drehwinkel vereinfachen kann.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Maßverkörperungen in der gleichen Ebene angeordnet, was die Auswertung der detektierten Drehwinkel weiter vereinfachen kann.
- Vorzugsweise ist die erste Welle eine Antriebswelle des Getriebes und die zweite Welle eine Abtriebswelle des Getriebes. Dadurch, dass die als Hohlwelle ausgebildete erste Welle die Antriebswelle des Getriebes bildet, kann eine platzsparende Anordnung des Antriebs an der ersten Welle ermöglicht werden. Insbesondere kann dazu vorteilhafterweise die erste Welle mit dem Rotor eines Elektromotors drehfest verbunden sein.
- Vorzugsweise ist das Getriebe ein Spannungswellengetriebe, wodurch hohe Über- oder Untersetzungsverhältnisse auf kleinem Raum ermöglicht werden können.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung wie zuvor beschrieben kommt besonders bevorzugt bei einem Roboter zur Anwendung, da es besonders bei Roboters erforderlich ist, deren Bewegung exakt zu steuern. Ein erfindungsgemäßer Roboter umfasst daher eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der folgenden Figuren detailliert erläutert. Es zeigen
-
1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle und -
2 eine teilweise transparente Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß1 . - Die
1 und2 zeigen zwei Ansichten einer Vorrichtung1 zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle10 und einer zweiten Welle20 , welche über ein Getriebe30 relativ zueinander um eine DrehachseA drehbar gekoppelt sind. Die erste Welle10 weist einen ersten Endbereich10a , einen zweiten Endbereich10b und einen ersten RichtungsvektorR1 auf, welcher parallel zur DrehachseA verläuft und von dem ersten Endbereich10a zum zweiten Endbereich10b weist. Die zweite Welle20 weist einen ersten Endbereich20a , einen zweiten Endbereich20b und einen zweiten RichtungsvektorR2 auf, welcher parallel zur DrehachseA verläuft und von dem ersten Endbereich20a zum zweiten Endbereich20b weist. Die erste Welle10 ist als Hohlwelle ausgebildet, in welcher die zweite Welle20 koaxial angeordnet ist. Die Anordnung erfolgt derart, dass der erste RichtungsvektorR1 und der zweite RichtungsvektorR2 gleich ausgerichtet sind, oder mit anderen Worten, dass der erste Endbereich10a der ersten Welle und der erste Endbereich20a der zweiten Welle zur gleichen Seite weisen. Dabei kann der erste Endbereich20a der zweiten Welle20 innerhalb des ersten Endbereichs10a der ersten Welle10 liegen, insbesondere bündig mit diesem abschließen, oder geringfügig über diesen hinausragen. - Der erste Endbereich
10a der ersten Welle10 weist eine erste Maßverkörperung11 auf, während der erste Endbereich20a der zweiten Welle20 eine zweite Maßverkörperung21 aufweist. Die Maßverkörperungen11 ,21 können umlaufend ausgebildet sein. Dazu können die Maßverkörperungen11 ,21 beispielsweise auf der Außenfläche der Wellen10 ,20 angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an dem ersten Endbereich10a der ersten Welle10 ein scheibenringförmiges erstes Element12 angeordnet, an oder auf welchem die erste Maßverkörperung11 insbesondere umlaufend angeordnet ist, während an dem ersten Endbereich20a der zweiten Welle20 ein scheibenringförmiges zweites Element22 angeordnet ist, an oder auf welchem die zweite Maßverkörperung21 insbesondere umlaufend angeordnet ist. Die Maßverkörperungen11 ,21 sind insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet. Die scheibenringförmigen Elemente12 ,22 weisen jeweils eine Ebene auf, welche insbesondere senkrecht zur DrehachseA angeordnet ist, wobei insbesondere die beiden scheibenringförmigen Elemente12 ,22 und/oder die beiden Maßverkörperungen11 ,21 in der gleichen Ebene angeordnet sind. Dazu kann das scheibenringförmige erste Element21 abgestuft ausgebildet sein, so dass ein äußerer Bereich12a des scheibenringförmigen ersten Elements12 radial außerhalb des scheibenringförmigen zweiten Elements22 und mit diesem in der gleichen Ebene angeordnet ist, während ein innerer Bereich12b des scheibenringförmigen ersten Elements12 axial hinter dem scheibenringförmigen zweiten Element22 angeordnet ist. - Die Maßverkörperungen
11 ,21 lassen zumindest eine relative Winkelbestimmung über eine Umdrehung zu. Vorzugsweise handelt es sich bei den Maßverkörperungen11 ,21 um absolute Maßverkörperungen, welche eine Winkelbestimmung über eine Vielzahl von Umdrehungen ermöglichen. - Die erste Maßverkörperung
11 wird durch einen ersten Sensor41 abgetastet, während die zweite Maßverkörperung21 durch einen zweiten Sensor42 abgetastet wird. Die Abtastung kann insbesondere optisch erfolgen. Dazu sind die Maßverkörperungen11 ,21 reflektiv ausgebildet, während die Sensoren41 ,42 als optische Abtastelemente ausgebildet sind. - Die Sensoren
41 ,42 sind beispielsweise stirnseitig vor den ersten Endbereichen10a ,20a der beiden Wellen10 ,20 angeordnet, so dass eine Abtastung der Maßverkörperungen11 ,21 in wesentlichen parallel zur DrehachseA erfolgt. Alternativ kann auch eine Abtastung in radialer Richtung zu den Wellen10 ,20 erfolgen. - Die Sensoren
41 ,42 sind besonders bevorzugt auf einer einzigen Leiterplatte40 angeordnet. Die durch die Sensoren41 ,42 detektierten Abtastsignale werden an eine Auswerteeinheit weitergegeben zur Bestimmung der Drehwinkelpositionen der ersten bzw. zweiten Welle10 ,20 und gegebenenfalls auch zur wie nachfolgend beschriebenen Bestimmung des zwischen den Wellen10 ,20 wirkenden Drehmoments. Die Drehwinkelpositionen können unabhängig voneinander bestimmt werden, d.h. die Drehwinkelposition der ersten Welle10 durch Abtasten der ersten Maßverkörperung11 mittels des ersten Sensors41 und die Drehwinkelposition der zweiten Welle20 durch abtasten der zweiten Maßverkörperung21 mittels des zweiten Sensors42 . Die Bestimmung des Drehmoments kann bei bekannter Elastizität des Getriebes30 , d.h. bei Kenntnis, welche Winkeldifferenz ohne Last im Betrieb bei einer vorgegebenen Drehzahl des Motors50 zwischen den beiden Wellen10 ,20 vorliegt, auf der Winkeldifferenz mit Last im Betrieb zwischen den beiden Wellen10 ,20 ermittelt werden. - Die Vorrichtung
1 kann ein Gehäuse50 aufweisen, welches beispielsweise durch einen Deckel52 abgeschlossen ist. Dabei kann die Leiterplatte40 in dem Deckel52 angeordnet sein, wodurch die Sensorik einfach zugänglich ist. - Die erste Welle
10 kann die Antriebswelle des Getriebes30 sein, während die zweite Welle20 die Abtriebswelle des Getriebes30 sein kann. Die erste Welle10 ist insbesondere die Motorwelle eines Motors50 , der vorzugsweise als Elektromotor, insbesondere als Servomotor, ausgebildet ist. Der Motor50 weist einen Rotor55a und einen Stator55b auf, wobei der Rotor55a drehfest mit der ersten Welle10 gekoppelt ist. - Das Getriebe
30 koppelt den zweiten Endbereich20a der ersten Welle10 mit dem zweiten Endbereich20b der zweiten Welle20 . Das Getriebe kann beispielsweise als Spannungswellengetriebe ausgebildet sein. Dazu kann an dem zweiten Endbereich10b der ersten Welle10 ein radialer Vorsprung31 , der einen elliptischem Querschnitt senkrecht zur DrehachseA aufweist, angeordnet sein, auf dessen Außenumfang ein Kugellager32 , welches beispielsweise als Wälzlager ausgebildet ist, angeordnet ist. - Am Außenumfang des Kugellagers
32 ist eine flexible, dünnwandige Hülse33 angeordnet, die über einen umlaufenden Kragen33a in dem Gehäuse50 feststehend gelagert angeordnet ist. Die Außenseite der Hülse33 weist eine Außenverzahnung34 auf. An dem zweiten Endbereich20b der zweiten Welle ist ein radialer Vorsprung20c angeordnet, welcher an seiner in Richtung auf den ersten Endbereich20a zugewandten Fläche einen umlaufenden Vorsprung20d aufweist, so dass sich eine umlaufende Nut20e bildet, welche in Richtung auf den ersten Endbereich20a offen ist. In der Nut20e ist eine Innenverzahnung35 angeordnet, in welche die Außenverzahnung34 der Hülse33 eingreift. Dabei besteht eine Differenz in der Zahl der Zähne zwischen der Außenverzahnung34 und der Innenverzahnung35 , beispielsweise um ein oder zwei Zähne. Bei Drehung der ersten Welle10 um die DrehachseA verformt der elliptische Vorsprung31 die Hülse33 , und aufgrund der Zähnedifferenz wird eine Rotation der zweiten Welle20 gegenüber der ersten Welle10 erreicht. Bei großen Zähnezahlen kann dabei eine hohe Über- oder Untersetzung erreicht werden. - Die Vorrichtung
1 kommt insbesondere bei einem Roboter, beispielsweise bei einem bewegten Gelenk eines Roboters, zum Einsatz. - Die Vorrichtung
1 ermöglicht auf einfache Art und Weise die Bestimmung der Drehwinkelpositionen der ersten Welle10 und der zweiten Welle20 , da jeweils mit den Sensoren41 ,42 die Drehwinkelpositionen der Wellen10 ,20 , insbesondere die Drehwinkelposition des Motors50 und die Drehwinkelposition der Abtriebswelle20 und somit des Ausgangs des Getriebes30 , unabhängig voneinander bestimmt werden können. Die Vorrichtung1 ermöglicht beispielsweise auf die im folgenden beschriebene Weise weiterhin aber auch insbesondere ohne zusätzliche mechanische Komponenten eine Bestimmung des zwischen den beiden Wellen10 ,20 wirkenden Drehmoments. Wird die erste Welle10 in ihrer Position fixiert und wirkt ein zu bestimmendes Drehmoment auf die zweite Welle20 , stellt sich eine Winkeldifferenz zwischen der zweiten Welle20 und der ersten Welle10 ein, da das Getriebe30 eine Elastizität aufweist und bei Einwirkung des Drehmoments ähnlich wie ein Torsionsstab wirkt. Aus der Größe der Winkeldifferenz kann bei bekannter Elastizität des Getriebes das Drehmoment bestimmt werden. Die bekannte Elastizität des Getriebes kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass einmal über den gesamten Verfahrbereich ohne ein zusätzlich wirkendes Drehmoment die Winkeldifferenz zwischen der ersten Welle10 , also der Motorwelle oder der Antriebswelle, und der zweiten Welle20 , also der Abtriebswelle, bestimmt wird. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 10
- erste Welle
- 10a
- erster Endbereich
- 10b
- zweiter Endbereich
- 11
- erste Maßverkörperung
- 12
- scheibenringförmiges erstes Element
- 12a
- äußerer Bereich
- 12b
- innerer Bereich
- 20
- zweite Welle
- 20a
- erster Endbereich
- 20b
- zweiter Endbereich
- 20c
- radialer Vorsprung
- 20d
- umlaufender Vorsprung
- 20e
- Nut
- 21
- zweite Maßverkörperung
- 22
- scheibenringförmiges zweites Element
- 30
- Getriebe
- 31
- Vorsprung
- 32
- Kugellager
- 33
- Hülse
- 33a
- Kragen
- 34
- Außenverzahnung
- 35
- Innenverzahnung
- 40
- Leiterplatte
- 41
- Sensor
- 42
- Sensor
- 50
- Gehäuse
- 52
- Deckel
- 55
- Motor
- 55a
- Rotor
- 55b
- Stator
- A
- Drehachse
- R1
- erster Richtungsvektor
- R2
- zweiter Richtungsvektor
Claims (12)
- Vorrichtung (1) zur Bestimmung des Drehmoments und/oder des Drehwinkels zwischen einer ersten Welle (10) und einer zweiten Welle (20), welche über ein Getriebe (30) relativ zueinander um eine Drehachse (A) drehbar gekoppelt sind, wobei die erste Welle (10) einen ersten Endbereich (10a), einen zweiten Endbereich (10b) und einen parallel zur Drehachse (A) von dem ersten Endbereich (10a) zu dem zweiten Endbereich (10b) weisenden ersten Richtungsvektor (R1) aufweist, und die zweite Welle (20) einen ersten Endbereich (20a), einen zweiten Endbereich (20b) und einen parallel zur Drehachse (A) von dem ersten Endbereich (20a) zu dem zweiten Endbereich (20b) weisenden zweiten Richtungsvektor (R2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (10) als Hohlwelle ausgebildet ist und die zweite Welle (20) koaxial in der ersten Welle (10) angeordnet ist, derart, dass der erste Richtungsvektor (R1) und der zweite Richtungsvektor (R2) gleich ausgerichtet sind, und dass der erste Endbereich (10a) der ersten Welle (10) eine erste Maßverkörperung (11) und der erste Endbereich (20a) der zweiten Welle (20) eine zweite Maßverkörperung (21) aufweist, wobei die erste Maßverkörperung (11) durch einen ersten Sensor (41) und die zweite Maßverkörperung (21) durch einen zweiten Sensor (42) abgetastet wird.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensoren (41, 42) stirnseitig vor den ersten Endbereichen (10a, 20a) der beiden Wellen (10, 20) angeordnet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensoren (41, 42) auf einer einzigen Leiterplatte (40) angeordnet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (41, 42) als optische Abtastelemente und die Maßverkörperungen (11, 21) als reflektive Maßverkörperungen (11, 21) ausgebildet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maßverkörperungen (11, 21) umlaufend ausgebildet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maßverkörperung (11) auf einem scheibenringförmigen ersten Element (12), welches an dem ersten Endbereich (10a) der ersten Welle (10) angeordnet ist, und die zweite Maßverkörperung (21) auf einem scheibenringförmigen zweiten Element (22), welches an dem ersten Endbereich (20a) der zweiten Welle (20) angeordnet ist, angeordnet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maßverkörperungen (11, 21) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maßverkörperungen (11, 21) in der gleichen Ebene angeordnet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (10) eine Antriebswelle des Getriebes (30) und die zweite Welle (20) eine Abtriebswelle des Getriebes (30) ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (10) mit einem Rotor (55a) eines Elektromotors (55) drehfest verbunden ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (30) ein Spannungswellengetriebe ist.
- Roboter mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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