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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wanddicke eines
Rohres in einem Rohrwalzwerk, die eine Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
aufweist, die einen Messkopf hat, in dem ein Anregungslaser, ein
Beleuchtungslaser, eine Sammeloptik zum Auffangen des von der Rohroberfläche in den
Messkopf zurückgestreuten
Lichts sowie ein Lichtwellenleiter angeordnet ist, wobei der Lichtwellenleiter
mit einem Interferometer verbindbar ist und wobei zwischen Sammeloptik
und Lichtwellenleiter ein Faserkoppler angeordnet ist (WO 00/63641
A1).
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In
vielen Bereichen der Technik werden Rohre aus Stahl benötigt, die
beispielsweise durch ein Verfahren hergestellt werden können, bei
dem zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial in einem Schrägwalzwerk
unter Einsatz eines axial feststehenden Lochdorns zu einem rohrförmigen Hohlblock
umgeformt wird. Zur Umformung des zylindrisch geformten Ausgangsmaterials
zu einem nahtlosen Rohr wird das Ausgangsmaterial über den
Lochdorn gewalzt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
EP 0 940 193 A2 bekannt.
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Beim
Streckreduzierwalzen und beim Reduzier- und Maßwalzen nahtloser Stahlrohre
durchläuft das
zu bearbeitende Rohr eine Walzstraße, in der in Förderrichtung
des Rohres hintereinander eine Anzahl Walzgerüste angeordnet sind. In je dem
Walzgerüst
sind Walzen gelagert, die beim Walzvorgang das Rohr jeweils um einen
definierten Umfangsabschnitt kontaktieren. Insgesamt wirken dabei
in jedem Walzgerüst
mehrere, (beispielsweise drei) Walzen so zusammen, dass das Rohr
im wesentlichen über
seinen gesamten Umfang von den Walzen kontaktiert wird. Das Rohr
wird damit auf einen reduzierten Durchmesser gewalzt und dabei auf
eine genaue Form gebracht.
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Das
Rohr soll nach dem Walzen eine ideale Form haben, d. h. die zylindrische
Kontur des Außenumfangs
und die des Innenumfangs sollen zwei konzentrische Kreise bilden.
Tatsächlich
gibt es indes stets Toleranzen im Fertigrohr, so dass eine gewisse Exzentrizität der Kreiskontur
des Innenumfangs relativ zu derjenigen des Außenumfangs vorliegt.
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Der
entscheidende Qualitätsparameter
bei der Rohrherstellung ist die Rohrwanddicke, die im Produktionsprozess
gemessen und überwacht
wird. Zur Ermittlung der Wanddicke des Rohres sind Ultraschall-Messverfahren
bekannt. Ultraschall-Dicken-Messverfahren
nach der Impuls-Echo-Methode ermitteln über die Laufzeitmessung eines
Ultraschallimpulses die Wanddicke.
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Dabei
wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung,
wie sie beispielsweise in der
US
5,137,361 und in der WO 00/63641 A1 beschrieben ist, ein
Anregungslaser eingesetzt, der in die Oberfläche des Rohres einen Ultraschallimpuls
einleitet; der Impuls breitet sich in Richtung des Rohrinneren aus
und wird an der Innenwand reflektiert. Das an die Außenwand-Oberfläche zurücklaufende
Signal wird dort erfasst, indem ein Beleuchtungslaser auf die Rohroberfläche gerichtet
wird. Das reflektierte Signal wird einem Interferometer zugeleitet,
wobei ein konfokales Fabry-Perot-Interferometer
zum Einsatz kommt. Eine Auswerteelektronik ermittelt den zeitlichen
Abstand zwischen eingeleitetem und reflektiertem Ultraschallsignal,
woraus – bei
bekannter Schallgeschwindigkeit im Rohr – die Wanddicke errechnet werden
kann.
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Für eine präzise und
stabile Messung der Wanddicke unter den relativ rauhen Umgebungsbedingungen
in einem Rohrwalzwerk ist es erforderlich, dass die Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Eine Voraussetzung
dafür ist,
dass das Licht des Anregungslasers und das des Beleuchtungslasers
sich in einer definierten Lage zueinander befinden. Weiterhin ist es
erforderlich, dass das vom Rohr eingestrahlte Licht optimal in den
Lichtwellenleiter eingefädelt
wird, um ein günstiges
Signal/Rausch-Verhältnis
zu erzielen. Ferner muss der Abstand zwischen Messgut (Rohr) und
Messkopf möglichst
genau eingehalten werden.
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Durch
die
DE 693 10 947
T2 ist es hierzu bekanntgeworden, für den Faserkoppler im Meskopf
ein sich mindestens eine Raumrichtung bewegendes Bewegungsmittel
vorzusehen.
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Dabei
hat es sich herausgestellt, dass die Sicherstellung des optimalen
Betriebs unter den genannten Umweltbedingungen oft nur sehr schwer möglich ist.
Insbesondere ist es in der Walzwerksumgebung sehr schwierig, eine
präzise
Einstellung der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung sicherzustellen, was
nur über
eine regelmäßige Kontrolle
der Anlage zu bewerkstelligen ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
gattungsgemäßen Art derart
weiterzubilden, dass es möglich
ist, in einfacher Weise den besten Betriebspunkt der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
einzustellen und zu überwachen
und damit für
eine stabile und zuverlässige Ermittlung
der Rohrwanddicke zu sorgen:
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
Einrichtmittel vorgesehen ist, das am Messkopf im Bereich der Öffnung für den Austritt
des Lichts des Anregungslasers und des Beleuchtungslasers sowie
für den
Eintritt des von der Rohroberfläche
in den Messkopf zurückgestreuten
Lichts angeordnet ist. Das Einrichtmittel kann dabei einen im wesentlichen
lichtdichten Behälter
aufweisen, der im Zustand, in dem das Einrichtmittel am Messkopf
angebracht ist, nur in Richtung der genannten Öffnung geöffnet ist. Mittels dieser "Probenbox" ist es möglich, die
Einstellung der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung in einem Servicemodus
zu prüfen
und zu optimieren, ohne dass es hierfür großer Umstände bedarf. Hierzu kann vorgesehen
werden, dass das Einrichtmittel über
mindestens einen Schnellspannverschluss mit dem Messkopf fest verbunden
werden kann.
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In
der "Probenbox", also im Einrichtmittel,
ist gemäß einer
Weiterbildung eine metallische Platte, insbesondere eine Stahlplatte,
angeordnet. Die der Sammeloptik zugewandte Oberfläche dieser
metallischen Platte kann bei am Messkopf befestigtem Einrichtmittel
in einem solchen Abstand zum Messkopf angeordnet sein, wie es dem
Abstand des Messkopfes zur Oberfläche des zu messenden Rohrs
im Betrieb der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung entspricht. Dadurch
wird ein "Referenzabstand" definiert, der dem
normalen Einsatz der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung entspricht.
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Um
den Anforderungen an die Sicherheitsvorschriften im Zusammenhang
mit der Anwendung von Lasern zu genügen, kann ein Schutzelement
vorgesehen werden, das bei der Anbringung des Einrichtmittels am
Messkopf aktiviert wird und so eine Betätigung des Anregungslasers
und des Beleuchtungslasers zulässt,
ohne dass hierfür
irgendwelche Sicherheitseinrichtungen manipuliert werden müssen.
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Die
Metallplatte kann im Laufe der Zeit einem Verschleiß unterliegen,
so dass ein Verschieben der Platte bzw. ein Wechseln nötig werden
kann. Daher ist gemäß einer
Weiterbildung vorgesehen, dass das Einrichtmittel eine Türe, vorzugsweise
an einer Seite des Einrichtmittels, aufweist. Ferner kann die metallische
Platte in einer Ebene senkrecht zur Achse der Sammeloptik im Einrichtmittel
verschiebbar angeordnet werden, um zur Einrichtung bzw. Einstellung
einen "unverbrauchten" Teil der Platte
zur Verfügung zu
haben.
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Die
metallische Platte kann auch eine definierte Dicke aufweisen, namentlich
die übliche
Dicke des zu messenden Rohrs, so dass eine Proben-Dickenmessung
mittels der Platte durchgeführt
werden kann.
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Mit
den vorgeschlagenen Maßnahmen
wird eine Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
geschaffen, mit der eine besonders einfache Einstellung der Vorrichtung
auf den optimalen Betriebspunkt bewerkstelligt werden kann, und
zwar insbesondere in rauhen Umgebungsbedingungen, die für ein Rohrwalzwerk typisch
sind. Die Vorrichtung ist einfach aufgebaut und daher preiswert
realisierbar.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt schematisch den Schnitt
durch einen Messkopf einer Laser-Ultraschall-Messvorrichtung mit aufgesetztem Einrichtmittel
("Probenbox").
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Zunächst soll
kurz auf das Prinzip der Messung der Wanddicke eines Rohres mittels
des Laser-Ultraschall-Verfahrens unter Verwendung eines Interferometers – bevorzugt
kommt hier ein Fabry-Perot-Interferometer zum Einsatz – eingegangen werden.
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Die
Wanddicke D eines gewalzten Rohres 1 – in der Figur gestrichelt
dargestellt –,
das sich in Pfeilrichtung bewegt, soll gemessen werden. Es kommt
eine Laser-Ultraschall-Wanddicken-Messvorrichtung
zum Einsatz, die auf das klassische Prinzip der Ultraschall-Laufzeitmessung
abstellt. Aus der Zeit für
das – zweimalige – Durchlaufen
eines Ultraschallimpulses durch die Wand des Rohres 1 ergibt sich
bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Material des Rohres 1 die
gesuchte Wanddicke D. Die Ankopplung des Ultraschalls bei der Heißwanddickenmessung
mit Temperaturen im Bereich von ca. 1.000 °C erfordert sowohl auf der Anregungs-
als auch auf der Detektionsseite berührungslose, optische Methoden,
bei denen der Messkopf 2 selber in einem thermisch sicheren
Abstand zum Rohr 1 verbleiben kann. Der typische Abstand
im Betrieb beträgt
dabei etwa 160 mm.
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Hochenergetische
Licht-Pulse im Infrarotbereich werden in der Rohroberfläche absorbiert.
Sie werden von einem auf die Rohrwand ausgerichteten, blitzlampen gepumpten
Nd:YAG-Laser 3 (Anregungslaser) erzeugt, der eine Wellenlänge von
1.064 nm bei einer Pulsdauer von weniger als 10 ns haben kann. Die
vom Laser 3 auf die Rohroberfläche aufgebrachte Energie, die
von der Rohrwand absorbiert wird, führt teilweise zur Verdampfung
einer sehr dünnen
Oberflächenschicht
(Materialablation im nm-Bereich). Durch den Verdampfungs-Impuls
entsteht – wegen
der Impulserhaltung – im
Rohr 1 ein Ultraschall-Impuls, der senkrecht zur Rohroberfläche in die
Rohrwand läuft.
Der Ultraschall-Impuls wird an der Rohr-Innenoberfläche reflektiert, läuft zurück zur Rohr-Außenoberfläche, wird
erneut reflektiert usw., so dass in der Rohrwand eine Ultraschall-Echofolge abnehmender
Amplitude entsteht.
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Der
reflektierte Ultraschallimpuls erzeugt auf der Rohr-Außenoberfläche Schwingungen
(im Sub-Miniaturbereich), die mittels eines zweiten Lasers 4 (Beleuchtungslaser)
berührungslos
unter Nutzung des Doppler-Effekts erfasst werden. Dieser Laser 4 kann
ein CW-Laser sein (Continuous Wave Laser), namentlich ein in der
Frequenz verdoppelter, diodengepumpter Nd:YAG-Laser, der mit einer
Wellenlänge
von 532 nm arbeitet und auf den Punkt der Anregung ausgerichtet
ist. Die im Vergleich zur Lichtfrequenz niederfrequente Ultraschallschwingung
führt zu
einer Frequenz-Modulation des an der Materialoberfläche reflektierten
Lichts.
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Der
reflektierte Lichtkegel, der jetzt "Träger" des Ultraschallsignales
ist, wird über
eine lichtstarke Sammeloptik 5 (Linse, Objektiv) und einen
Lichtwellenleiter 6 einem optischer Analysator, d. h. einem Demodulator,
zugeführt,
wobei insbesondere ein konfokales Fabry-Perot-Interferometer (FPI,
nicht dargestellt) zum Einsatz kommt; dessen Ausgangssignal beinhaltet
bereits die Ultraschall-Echofolge.
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Die
weitere Verstärkung,
Filterung und Signalauswertung der Ultraschall-Echofolge kann mit einer üblichen
elektronischen Ultraschall-Auswerteeinheit erfolgen. Das Ausgangssignal
der Auswerteeinheit ist die Wanddicke D des Rohres 1, die
aus dem Produkt von Schallgeschwindigkeit und gemessenem Zeitintervall
bestimmt wird.
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Im
Fabry-Perot-Interferometer wird das durch den Lichtwellenleiter 6 zugeleitete
Licht analysiert. Über
der Frequenz des Lichts ergibt sich – infolge von Resonanzen – eine Intensitätsverteilung
bekannter Art, die die für
ein Fabry-Perot-Interferometer typischen
Peaks aufweist.
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Der
Lichtwellenleiter 6 weist eine begrenzte numerische Apertur
auf. Damit dennoch ein hinreichen großes Lichtsignal von der Sammeloptik 5 in den
Lichtwellenleiter 6 eingekoppelt werden kann, ist es erforderlich,
den zur Einkopplung notwendigen Fasenkoppler 7 möglichst
exakt zur Sammeloptik 5 auszurichten, so dass die Einkoppelstelle
des Faserkopplers 7 genau im Brennpunkt der Sammeloptik liegt.
Der Faserkoppler 7 ist daher relativ zum Messkopf 2 in
diesem in den drei Raumrichtungen x, y und z translatorisch bewegbar.
Hierfür
dienen die drei Bewegungsmittel 8 (für die x-Achse), 9 (für die y-Achse) und 10 (für die z-Achse).
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Bei
den Bewegungsmitteln 8, 9, 10 handelt es
sich um Linearaktuatoren, die über
einen Elektromotor betätigt
werden können.
Der Elektromotor ist als Schrittmotor ausgeführt, so dass sehr kleine translatorische
Verstellbewegungen ausgeführt
werden können.
Es ist daher möglich,
den Faserkoppler 7 relativ zur Sammeloptik 5 mit
einer Genauigkeit von wenigen Hundertstel Millimetern zu positionieren. Dadurch
ist sichergestellt, dass das Signal/Rausch-Verhältnis des von der Sammeloptik 5 in den
Lichtwellenleiter 6 eingekoppelten Signals maximal ist.
Die Betätigung
der Elektromotoren der Bewegungsmittel 8, 9, 10 erfolgt über ein
Betätigungselement 11,
das sich in einigem Abstand vom Messkopf 2 befinden kann.
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Um
eine optimale Einstellung der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
vornehmen zu können, wird
der Messkopf 2 zunächst
in eine Serviceposition verfahren. Dies ist durch den Doppelpfeil
rechts unterhalb des Messkopfs 2 schematisch ange deutet.
In der Serviceposition wird im Bereich der Öffnung 13 für das Licht
der Laser 3 und 4 sowie des vom Rohr 1 reflektierten
Lichts ein Einrichtmittel 12 – eine "Probenbox" – positioniert
und mittels zweier Schnellspannverschlüsse 14 fest mit dem
Messkopf 2 verbunden. Im Einrichtmittel 12 befindet
sich eine metallische Platte 15 (Stahlplatte), deren eine
Oberfläche 16 der
Sammeloptik 5 zugewandt ist. Bei aufgebrachtem Einrichtmittel 12 ist
die Normale auf die metallische Platte 15 identisch mit
der Achse 19 der Sammeloptik 5.
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Wie
ferner in der Figur angedeutet ist, beträgt der Abstand a zwischen der
Oberfläche 16 der metallischen
Platte 15 dem üblichen
Betriebsabstand zwischen Messkopf 2 und Oberfläche des
Rohres 1. Bei am Messkopf 2 angeordnetem Einrichtmittel 12 kann
daher in besonders genauer Weise sowohl für eine Ausrichtung der Laser 3 und 4 als
auch für
eine exakte Positionierung des Faserkopplers 7 im Messkopf 2 gesorgt
werden.
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Zunächst wird
hierfür
mit dem Anregungslaser 3 (Pulslaser) auf die metallische
Platte 15 „geschossen". Bei korrekter Strahlführung muss
auf dieser „Einschussstelle" auch der sichtbare
Punkt des Beleuchtungslasers 4 liegen. Die richtige Justage
der beiden Laser 3 und 4 kann anhand der „Probenbox" 12 in einfacher
Weise geprüft
werden.
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Genauso
ist es möglich,
die optimale Position des Faserkopplers 7 zu finden. Hierfür wird das
Signal betrachtet, das dem Fabry-Perot-Interferometer (nicht dargestellt) über den
Lichtwellenleiter 6 zugeführt wird. Zur Beurteilung des
Signal/Rausch-Verhältnisses
des in den Faserkoppler 7 eingeleiteten Lichts wird das
Signal der Referenzdiode des Fabry-Perot-Interferometers betrachtet.
Durch langsames Verfahren der drei Achsen x, y und z nacheinander
kann der maximal mögliche
Pegel des Signals der Referenzdiode bestimmt und damit die optimale Einfädelposition
des von der Sammeloptik 5 in den Faserkoppler 7 eingeleiteten
Lichts bestimmt werden. Bevorzugt erfolgt diese Einstellung bei
angeordnetem Einrichtmittel 12, wenngleich prinzipiell
die Einstellung auch am Rohr 1 selber erfolgen kann. Dabei
hat es sich bewährt,
dass zur optimalen Einstellung des Faserkopplers 7 bei
aufgesetzter „Probenbox" nur eine geringe
Leistung des Beleuchtungslasers 4 eingestellt wird.
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Ist
die metallische Platte 15 häufig vom Anregungslaser 3 „beschossen" worden, kann es
zu Störungen
an der Oberfläche
der Platte 15 kommen. Daher ist am Einrichtmittel 12 seitlich
eine Türe 18 angeordnet, über die
in die Einrichtmittel 12 gefasst und die Platte 15 verschoben
werden kann, damit für
das Einrichten eine „neue" (unversehrte) Stelle
der Oberfläche
der Platte 15 zur Verfügung
steht. Die Platte 15 kann auch eine definierte Dicke D
haben, die direkt herangezogen werden kann, um eine Probe-Dickenmessung
vorzunehmen und damit die Funktionstüchtigkeit der Laser-Ultraschall-Messvorrichtung
zu testen.
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Mit
dem Schließen
der lichtdichten „Probenbox" (Aufsetzen des Einrichtmittels 12 auf
den Messkopf 2) wird ein Schutzelement 17 zum
Laserschutz automatisch betätigt
(z. B. Sicherheitsendschalter). Damit ist ein Überbrücken bzw. Manipulieren von
Sicherheitseinrichtungen nicht notwendig.
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Die
Metallplatte 15 kann als flache oder runde Materialprobe
ausgebildet sein.
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Die
Einrichtmittel 12 ermöglichen
eine schnelle und effiziente Systemüberprüfung. Sie können auch zur generellen Funktionskontrolle
des Geräts
verwendet werden. z. B. um nach einem Blitzlampenwechsel im Pulslaser
(Anregungslaser 3) die Funktionstüchtigkeit zu prüfen.
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Die
Bedienung der Bewegungsmittel 8, 9, 10 über die
Betätigungsmittel 11 kann – wie bereits
gesagt – fernbedient über ein
Servicepanel erfolgen.
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Die
oben beschriebene Vorgehensweise zur Findung der optimalen Position
des Faserkopplers 7 kann automatisiert über ein entsprechendes Programm
erfolgen. Die Signaloptimierung kann also entweder manuell durch
das Wartungspersonal oder automatisch mittels systematischer Suche
unter Einsatz eines Rechners erfolgen. Der Rechner veranlasst dabei,
dass die einzelnen Achsen x, y und z der Bewegung durchfahren und
dabei das Signal der Referenzdiode aufgenommen wird. Das Maximum
des Signals wird ermittelt und die entsprechenden Positionen (x-,
y- bzw. z-Position) des Faserkopplers 7 eingestellt. Damit
befindet sich der Faserkoppler 7 in seiner optimalen Position,
so dass das vom Rohr 1 zurückgestreute Licht über die
Sammeloptik 5 bestmöglich
in den Lichtwellenleiter 6 eingekoppelt werden kann.
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- 1
- Rohr
- 2
- Messkopf
- 3
- Anregungslaser
- 4
- Beleuchtungslaser
- 5
- Sammeloptik
(Linse, Objektiv)
- 6
- Lichtwellenleiter
- 7
- Faserkoppler
- 8
- Bewegungsmittel
(x-Achse)
- 9
- Bewegungsmittel
(y-Achse)
- 10
- Bewegungsmittel
(z-Achse)
- 11
- Betätigungselement
- 12
- Einrichtmittel
- 13
- Öffnung
- 14
- Schnellspannverschluss
- 15
- metallische
Platte
- 16
- Oberfläche
- 17
- Schutzelement
- 18
- Türe
- 19
- Achse
- D
- Wanddicke
des Rohrs
- a
- Abstand
- x,
y, z
- Raumachsen