DE1548361A1

DE1548361A1 - Einrichtung zum Bestimmen von Abmessungen an Koerpern

Info

Publication number: DE1548361A1
Application number: DE19661548361
Authority: DE
Inventors: Rene Keller
Original assignee: Emhart Zurich SA
Current assignee: Emhart Glass SA
Priority date: 1965-07-30
Filing date: 1966-07-27
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1150080A; CH440734A; AT267207B; DE1548361B2

Description

PATENTANWALT DlPLMMG. HAM3 WIIiMUTH ©DOS SgLD OKf-C'.' ΛΛ',:·ίΙ

BB 9B9Q T-JM¹V

2 6. Juli 19S6

SJU«

Zurioh (Sahweia)

zmi Beatiismen vou Abiaessungen an Körpern

Bei der¹ Heratellmig fester Gegenstänäe müssen ge&r aft "b^atiiüöstt© Äbiaeasxmgen GtsrselliQn awZ ihr© Masalialtiigkei geprüft· liferäöH;. InsTaesonoere dann, ^enn es sieli im clie Prodiitetion grosesr S^ückKaiilen hanöielt, ist es äsKSt &1<3 Sfeesköstrolle "baim Yerlasßen der Q&&V Bsa^eltungamaaeEitiiao olme we&QntäaoliQ gung des latQ2?ta,3:f3,ItBBBS; ctu.rciigÄfob,rt werden, Kanu* Als

BADORlGINAt

Beispiel sei die Hereteilung von Massenprodukten erwähnt, wo es sich darum handelt, aus grossen Stückzahlen selbsttätig, rasch und mit hoher Genauigkeit jene Körper auszuscheiden, die bezüglich einer oder mehrerer Abmessungen den jeweiligen Toleranzbedingungen nicht entsprechen. Zu überwachende Grossen sind beispielsweise der Durohmesser, die Länge, die Plan!tat von Flächen, Fläche nquerschnitte, Abweichungen von der Querschnittsform, die Konizität von Mantelflächen oder deren Winkellagen usw.

Eine mechanische Masskontrolle beispielsweise mittels Tastfühlern, Grenzlehren u.dgl. verträgt sich schlecht mit einer kontinuierlichen Fliesshandproduktion, da die Gegenstände hie'rfür in der Hegel einzeln am Fliessband angehalten und nach der Prüfung wieder beschleunigt werden müssen. Es ist deshalb eine berührungslose Massbestimmung erforderlich, welche den freien Durchlauf der Körper durch die Messstelle in keiner Weise behindert und auch die Prüflinge keiner mechanischen Beanspruchung oder gar Schlägen aussetzt, wobei anderseits auch die Messeinrichtung keinerlei Abnützung unterliegt.

Für gewisse Aufgaben der Produktionsüberwachung, z.B. die üeberwaehung der Breite von Blechbändern· oder des Durchmessers von Kabeln, Drähten o.dgl., sind Messeinrichtungen bekannt, die mit zwei auf die Endbereiche

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der Abmessung gerichteten Strahienbündeln arbeiten» in denen der Körper einen üer Abmessung entsprechenden Teil des Bündelquerschnittee ausblendet} diese Messeinrichtungen sind ausserdem mit einer zweoks Abtastung der beiden Bündel relativ zu diesen bewegten Spaltanordnung mit zugeordneten Detektormitteln zur Erzeugung eines elektrischen Impulssignals sowie mit elektrischen Auswertemitteln für das Impulssignal versehen. Die erforderliche Relativbewegung wird dabei entweder durch Bewegung der Spaltanordnung, der Körper oder der Strahlenbündel bzw. der Strahlenquellen erzeugt. Praktisch in allen Fällen ist hiGrbei eine mechanische Führung der Körper erforderlich, damit, die erwähnte Relativbewegung in einem genau definierten Ausmass bleibt. Eine solche Führung widerspricht aber der genannten Forderung nach ungehindertem Durchlauf der Körper.

Eine besondere Schwierigkeit ergibt sichy wenn die zu messenden Körper unregelmäßige und unkontrollierbare Querbewegungen ausführen oder wenn sie in der Richtung der zu bestimmenden Abmessung selbst, z.B. auf einem Förderband quer zu den Strahienbündeln durch die Messeinrichtung transportiert werden« In diesen Fällen verengen die bekannten "Anordnungen vollständig_s- weil die Elfrenbewsfjuiig der Körper sieli'iti unbestimmter Veise der definierten 'Relativbewegung'überlagert mad das Meßsergebnis stark verfälscht.

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Uit der verlierenden Erfindung¹, -Ή'? von einer Anordnung der vorgenannten Art ausgeht, werden Messungen an Körpern ermöglicht, die Eigenbewegmigen in Richtung äei? zu. ■bestimmenden Abmessung ausführen, und es wird gleichzeitig die Forderung nach völlig ungehindertem Durchlauf der Körper erfüllt.

Die erfindungsgemässe Messeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltanordnung mindestens ein Paar von einander zugeordneten und synchron bewegten Spalten aufweist und dass die Bewegung der boicion Spalte jedes Paares relativ zu den Strahlenbimdeln gegensinnig, d.h.» bei beiden Bündeln gleichzeitig vom verbleibenden Teil nach dem ausgeblendeten Teil des E'Jvidelquerschnittes oder umgekehrt j gerichtet ist.

V/ie weiter unten erläutert, werden bei dieser erfindungsgemässen Anordnung die r?ev/egungen 5er Körper während dor Abtastung durch die Spaltanordnung sum gross ten !Teil oder sogar vollständig auekompeneiert,- so dass sie die Messung nicht beeinflussen. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsforr-i, bei welcher die beiden Strahlenbündel den Körper aus entgegengehetsten Richtungen beaufschlagen, Vanr; ferner erreiο1".ΐ -χβνύεη., ilast dae- Necsergeonis auch unebhängig ist -ron der Lage der Körper in RicJitung der St..'rillen, also quer zur vorerwähnten EeivögungsricLtung.

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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung evläutert.

-Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Anordnung in schematischer

Fig. 2 ist eine Ansicht der Spaltanordnung mifc den beiden BündelQuerschnitten,

jj'ig. 3 seigt einen Teilschnitt durch ein lichtleitendes 'Faserbündel in stark vergrösserteu MasSötab, und

3¹Ig 4 ist ein I.vßUlBäiagra:;iKi aur Erläuterung des "Prinzips der iK

In Fig, 1 ist der Prüfling mit IO bezeichnet, beispielß-■v/eise ein Zylinder, dessen Durchmesser bestimmt werden r?f:ll. Auf die Endberelclie des m bestimmenden Durchmessörs Bind Kw.ei Strahlenbündel 14-a, 14b gerichtet^ vorziigsvieise ■parallele lichtstrahlen aus den Strahlenquellen 12a, 12bj in v/elohen GiUhlanpe .und Bundeluhgsoptik angedeutet sind. ⁵'e'p;T vorliegenclän Beispiöl '-/ird der Körper 10 durch die najfien B.ndel 14a, 14b aus ontgegengesetzteii Richtungen ι -■;- lArrichlagt. Enoöprechsnü der j;u bsötii.anenden Abiiiessung bli.;niot cl#ir Prüfling 10 in ,jedem Strahlenbündel einen Teil des BündelquerBöhnittes aus ("Schattenbildung'¹ durch

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Reflexion und Absorption), und anhand der verbleibenden Teile 15a, 15b der Bündelquerschnitte wird mittels einer Spaltanordnung 20 und zugeordneten Strahlenctetektoren 32 in weiter unten erläuterter V.'eiee der %rchmesser des Körpers 10 ermittelt. Vorzügs\tf6ise werden die Strahlenbündel in nicht näher dargestellter Weise in Richtung der Zylinderachse (senkrecht zur Zeichnungsebene) auf eine geringe Ausdehnung begrenzt, um den Durchmesser auf einer definierten Höhenlage abzutasten.

Die Spaltanordnung 20 weist eine rotierende Scheibe 22 auf, die auf einer Achse 26 sitzt; und von einem Motor 24 mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Die Scheibe 22 weist eine Anzahl radialer Spalte 20, 30 auf, die paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sindj gemäss Fig. 2 sind hier -also zwei um 90° gegeneinander versetzte Spaltpaare 23, JO vorhanden.

In bestimmter, weiter unten beschri©bener t/eiee werden die beiden Bündel 14a, 14b bzw. die verbleibenden, nichb ausgeblendeten Teile 15a» 15b der JJündelquer&canitfce auf der Spaltseheibo 22 abgebildet, und awar im Radialbereich der Spalte 28, 30 an fesfcotehenden, diametral gegenüberliegenden Stellen» An diesen Steller., jedoch hinter der Scheibe 22 sind auch zwei Strahlendetektoron 32, im vorliegenden Fall zwei photoalektrißohe Wandler,

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angeordnet (Fig. 2). Beim Vorbeilauf eines Spaltes, z.B. 28, an einer dieser Stellen tritt Licht aus dem verbleibenden Querschnittsteil des betreffenden Bündels, z.B. 15a, auf den zugeordneten Detektor 32, welcher dadurch ein elektrisches Impulösignal abgibt. Die Dauer dieses Impulses entspricht bei vorgegebener Durchlaufgeschwindigkeit des Spaltes der Breite des betreffenden Teils 15a.

Bezeichnet man die Impulsdauer entsprechend dem einen Teil 15a mit p, die Impulsdauer entsprechend dem andern Teil 15b mit q. und die Zeitdauer, welche der Gesamtbreite D (Fig. l) über beide Strahlenbündel entspricht, mit T., so ergibt sicli gemäes dem Diagramm nach Fig. 4 der gesuchte, der Abmessung d entsprechende Wert t aus der Beziehung ΐ = T - (p + q) + K; der konstante Wert K berücksichtigt dabei den Umstand, dass die Abtastung sich räumlich und zeitlich nicht über die gesamte Lange der Abmessung erstreckt, sondern nur über deren Endbereiche. Die Summierung der Impulssignale ρ und q und die weitere Auswertung gemäss der obigen Beziehung erfolgt in einer elektrischen Auswerteschaltung 34. Die Berücksichtigung der Abtastgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl der Spaltscheibe 22 ist in Fig. 1 durch die punktierte Linie 36 angedeutet.

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Je nach Bedarf kann das MesBergebnia direkt in Längeneinheiten in einer Anzeigeeinrichtung 38 wiedergegeben werden. Bs kann aber auch weiter verarbeitet werden, etwa in einer logischen Auswerteechaltung 40, welche auf Grund wählbarer Toleranzeingaben über "Gut" oder "Ausschuss" entscheidet und entsprechende Steuervorgänge beim V7eitertransport des Prüflings auslöst.

Ausser sichtbarem Licht sind grundsätzlich auch andnre Strahlenarten anwendbar, wie z.B. elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlänge, Partikelstrahlen ubw„, wobei selbstverständlich die Art der Detektoren 32 sich nach der gewählten Strahlenart zu richten hat.

Bei bekannten Binriohtungen ähnlicher Art erfolgt die Abtastung der beiden Enöfcareiche der Abmessung hintereinander und gleichsinnig, d.h, von der einen Hellzone in die ausgeblendete Dunkelzone und aus dieser heraus in die andere Hellzone, Dieser Umstand bewirkt die eingangs erwähnte Verfälschung der Meosungj wenn der Prüfling während der Abtastung eine Eigenbewegung quer zu den Strahlenbündeln ausführt, also in Richtung des Pfojles A in Fig. 1. Die vorliegende erfinäungageinäßr-e Messeinrichtung behebt nun diesen HoGfs-fehler äailr. äcr bu.i30.1-deren Gestaltung der Abtastanordnung, bei der dl ο Abt der beiden Strahlenbündel jeweils paarweise gleichen ti{

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durch sv/el einander zugeordnete, synchron bewegte Spalte 28 bzw. 30 erfolgt, und wobei die Bewegung der Spalte relativ zu den Strahlenbündeln gegensinnig, d.h. bei beiden Bündeln z.B. vom verbleibenden Teil 15a, 15b . (Hellzone) nach dem ausgeblendeten Teil (Dunkelzone) des Bündelquerschnittes gerichtet ist. Diese Anordnung geht aus der Fig. 2 klar hervorj Beim angegebenen Drehsinn treffen beide Spalte eines Paares, z.B. 28, gleichzeitig am äusseren Rand der Hellzone 15a bzw. 15b ein. Sie durchlaufen hierauf die Hellaone und anschliessend die ausgeblendete Dunkelzone.

F.3 sei nun angenommen, dass während dieses Abtastvorganges der Prüfling 10 sich in Richtung des"Pfeiles A in ]?lg« 1 von oben nach unten bewegt. Dabei wird die Hellaone 15a breiter, d.h. in Fig. 2 gesehen verschiebt sich die Grenze der Zone 15a (rechts) nach oben. Gleichseitig wird die Hellsone 15b um den gleichen Betrag schmaler, und in Fig. 2 verschiebt sich die Grenze der Zone 15b ^lin&s) entsprechend ebenfalls nach oben» Die erwähnte Verschiebung der Grenze nach oben läuft aber im Falle der Zone 15a im gleichen Sinne wie die Bewegung djss Spaltes 28 (rechts), während sie bei der Zone 15b der .Bewegung des Spaltes 28 (links) entgegen läuft. Dies bedeutet, class bei der beschriebenen Anordnung die Eigenbewegung des Prüflings 10 kompensiert wirdj die Kompensation ist vollständig,wenn beide Spalte des Paares die betreffende Zonengrenze gleichzeitig überschreiten, d.h.

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-ίο,-'

wenn der Prüfling in diesem Augenblick gleiche Teile in beiden 'Bündeln ausblendet „ Die analoge ΐ/irkung ergibt sich natürlich, wenn der Körper sich in Figo 1 von unten nach oben bewegt, oder wenn der Drehsinn der Scheibe 22 gegenüber Fig, 2 umgekehrt ist, wenn also beide Spalte von der Dunkelzone in die Hallzone des betreffenden Bündels übertreten. '

Die beschriebene, wirksame Kompensation schafft erst die Möglichkeit, die Messung bei freiem Durchlauf des Prüflings quer zu den Strahlenbündel!! in Richtung des Pfeiles A vorzunehmen, oder bei Durchlauf z<,B„ eines Kabels senkrecht zur Zeichnungsebene, welches unkontrollierbare Querschwingungen ausführt.

Würde der Prüfling, entgegen der Darstellung in Fig. 1, in herkömmlicher Weise mit beiden Strahlenbündeln von der gleichen Seite her angestrahlt, so ergäbe sich ein weiterer FehlereinfIuas bei unbestimmter Lage des Prüflings in Richtung der Strahlen, d.h, in Richtung des Pfeiles B, Fig. I₀ Der Grund liegt darin, dass mit üblichen Mitteln erzeugte Strahlenbündel nicht ideal parallel sind, sondern immer eine gewisse Divergent' aufweisen. Die MesBunsicherheit lässt sich allenfalls durch Anwendung der Lasertechnik mit entsprechendem Aufwand klein genug halten.

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Die dargestellte Anordnung bietet jedoch eine sehr vorteilhafte Möglichkeit j ura bei geringeren Anforderungen an die Parallelität der Strahlenbündel den zuletät genannten Fehler praktisch auszuschalten. Ee sind zu diesem Zweck die Strahlenquellen ISa, 12b so aufgestellt, dass ihre Strahlenbündel 14a, 14b aus entgegengesetzten Richtungen auf den Körper 10 gerichtet sind. Unter der Voraussetzung, dass die Achsen der beiden Bündel parallel liegen,, wird nun die Messung unabhängig von der Lage des Prüflings in beaug auf öl=* Strahlenquellen, Eine weitere Möglichkeit ergibt eich, indem man, wie in Fig. schematiscli angedeutet_c. in beide Strahlengänge Abbildungs· optiken 16a, 16b einfügt. Auf die Parallelität der Strahlenbündel kann dann überhaupt verzichtet werden, da bei Verschiebung des Körpers 10 in Richtung B die Summe der Bildgrößsen konstant bleibt.

Zur Abtastung der beiden Strahlenbündel bzw. fieren Hellzonen könnten diese mit Hilfe von reflektierenden ■Fla-' ohen, z.B. von Spiegeln oder Prismen auf die gemeinsame Spaltanordnung gelenkt werden. Hie Fig* I veranschaulicht eine andere, sehr elegante Möglichkeit hierfür. Eswerden hier zwei lichtlei'tende Faserbündel 18a» 18b verwendet, deren eine Und— oder Stirnfläche js von einem Strahlenbündßl 14a b^v."14b■beaufschlagt wird und die mit ihrer andern Stj/;nfltlche der SprltsolieiUe 22 gegenüberliegeno

Fig. 3 zeigt schematisch in stark vorgröBsertem Massstab einen Ausschnitt aus einer sol «hen Stirnfläche. Die "lichtleiter" liia_¥ 18b S^ 1 aus einer grossen Zahl von feinen, ps^allel ausgeri ^Uteten, durchgehenden Glasfasern aufgebaut, die je an den beiden Stirnflächen eines Faserbündels an einander entsprechenden Stellen des Bündelquerschnittes liegen. Durch DJot&lreflexion innerhalb der einzelnen Fasern wird bei dieser Anordnung die Lichtyerteilung am Eingang det Bli¹· "el weitgohend unverändert auf den Ausgang übei'tragen_P' -.ti die auf diese V/eise mit unveränderter Breite übertragenen Hellzonen lassen sich durch die Spaltanordnung abtasten. Die Anwendung solcher lichtleitender Faserbündel macht dde Aufstellung der Spaltanordnung praktisch unabhängig von der Lage der Strahlenquellen und vom Durchlauf dor Körper 10. In jedem Fall ist natürlich darauf zu achten, dass der eine Bündelquerschnitt -bezogen auf äio Drehrichtung der Spaltsoheibe, gegenüber dem andern Querschnitt um 180° verdreht auf dez' !Scheibe abgebildet v/ird, damit die Abtastung gegensinnig entsprechend Fig. 2 erfolgt.

Für die elektrische SignalEUSwertung kann eine örtliche oder zeitliche Hasterurig ckr fcsiden den Prüfling streifenden StrehlenMLndel IAa₅ .Iac· vorteilhaft &ein. Die .Tmpulssignale der Detektoren 52 bestehen dann aus Impulsfolgen mit bestimmter Y/i&derliOlungsfrequenz und variabler

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und das Mossräsultat ergibt sick durch Aussählen der Impulszahlen "bsw* der "Rasterelemente".

Eine örtliche Rasterung kann man z.B.' erreichen, indem an geeigneter Stelle eine St- -cUplabte (Gitter) in den Strahlengang eingefügt wird» 'Bsi Verwendung von Iiichtleitern ISa, 18b können eieren" einzelne Fasern direkt die Easterelemente bilden, falls sie mit regelmässiger Teilung innerhalb des BUnüelcjuer-schnittes angeordnet sind.' Im Falle dieser örtlichen Rasterung ist die Auszählung dex· Rasterelemente nicht an einen bestimmten zeitlichen Ablauf .gebunden-, .es erübrigt sich somit die durch die Linie 36 in'Flg. 1 angedeutete Beeinflussung der Auswerten! ttel in .Abhängigkeit --von der Spaltbewegung»

2ur seitlichen -Rastsrung., die ebienfalls Impulsfolgen entsprechend der Breite der Hellsemen 15a, 15b ergibt, _;

- ■ ■ ■ !■

können"' imp"ulßmodulier'te. Liohtc|U0llen verv;endet werden, j oder es können die Strahlengang©-periodisch', z.B. durch j rotierende Blendenscheiben_? unterbrochen werden. In -

¹ · I

diesen.lallen ist der Einheitswert der Rasterelemente · ' bzw. der ausgezählten Impulse durch eine eindeutige zeitliche'Abhängigkeit sxvlsehen der Modulationsfrequenz und-der Spaltbewegung bestimmt, d.h. es ist eine gegen-'

soitige Synchronis.iörung-erforderlich«'

Die Scheibe 22 kann natürlich auch eine andere Zahl von '

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Spaltpaaren aufweisen. Auch wäre eine Abtastung mit gleichförmig geradlinig bewegten Spaltpaaren anstatt mit der rotierenden Scheibe dankbar. Im übrigen kommt es nur auf eine Relativbewegung zwischen den Hellzonen und der Spaltanordnung an, te können also auch die Zonen gegenüber einem still stellenden Spaltpaar bewegt werden.

I)Ie beschriebene, berührungslos arbeitende Messeinrichtung lässt sich in vielfältiger l/eise und insbesondere auch bei der ProäuktionaUbeia-achuns¹ in Pliesobandanlagen anwenden. An sylindrisehen Xorpern könnsn durch mehrfache BeStimmung der Durchmesser bei rotierendem xrlifling auch Abweichungen vom Kr^isquersolmitt festgestellt werden. Es können im gleichen Durchlauf amsh ävei odor mehrere Abmessungen in verschiedener -Höhenlage bestirnt werden, gleichgültig ob mit gleichem oder unterschiedlichem Hollwert.

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung aur Bestimmung von Abmessungen an Körpern, mit zwei auf die Endbereiche der Abmessung gerichteten Strahlenbündeln (14a,b), in denen eier Körper (10) einen der Abmessung entsprechenden Teil dee Bündelquerschnittes ausblendet, mit einer zwecks Abtastung der beiden Bündel relativ su diesen bewegten Spaltanordnung (20) mit angeordneten Detektormitteln (32) zur Erzeugung eines elektrischen Impulssignals, und mit elektrischen Auswertemitte.ln (34, 33, 40) für das Impulssignal, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltanordnung mindestens ein Paar (28, 30) von einander zugeordneten und synchron bewegten'Spalten aufweist und dass die Bewegung der beiden Spalte jedes Paares relativ zu den Strahlenbündeln (I4a,b) gegeneinnig, d.h. bei beiden Bündeln gleichzeitig vom verbleibenden Teil. 15a, b) nach dem ausgeblendeten Teil des BÜndelquerschnittes oder umgekehrt, gerichtet ist.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltpaare (20, 30) durch diametral gegen-'überliegeriTte-, radiale Schlitze in einer an sich bekßTniten., rotierenden.Abtastseheibe (22) gebildet sind, nuf welche Scheibe die Bünuelqueröchnitte an diametralen Stellen derart abgebildet sind, dass der eine Querschnitt, bezogen auf die Umlaufrichtung der

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Scheibe, gegenüber dem andern Querschnitt um 100° gedreht ist.

Einrichtung nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strahlenbündel (I4a,b) den Körper (10) aus entgegengesetzten Richtungen beaufschlagen.

Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der Bündelquersohnitte auf der Spaltanordnung (20) lichtleitende Faserbündel (18a..b) verwendet sind.

Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur örtlichen .oder seitlichen Rasterung der beiden Strahlenbündel, v/obei die Breite des verbleibenden !Teils des Bündelcjuerschnittes durch Auszählen der Raeterelemente ermittelt vvird.

Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitenden Faserbündel (I8a,b) als Rasiermittel verwendet Dind.

Einrichtung nach Anspruch 5,- dadurch gekemirjerlohnat, dass Strichplatten als Rasterraittel verv/ende b Binö:.

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Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass impulsmodulierte Strahlenquellen zur Erzeugung zeitlich, gerasteter Strahlenbündel verwendet sind.

Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenbündel durch Laserstrahlen gebildet sind.

21.7.I960
Kiä/gr

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