DE3148609A1 - Lunkerdetektor fuer kugelfoermige werkstuecke - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c - D 7000 STUTTGART 1

Ά 44 942 b . Anmelder: The Barden Corporation

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7. Dezember 1981 Danbury, Connecticut 06810 i

USA I

Lunkerdetektor für kugelförmige Werkstücke

Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Erfassen von Lunkern, Rissen und dergleichen in einem kugelförmigen Werkstück, insbesondere einer Kugellagerkugel, mit einem angrenzend an die Werkstückoberfläche angeordneten Tastkopf, insbesondere einem Wirbelstromtastkopf.

Geräte, mit denen Lunker, Risse, Sprünge und dergleichen in leitfähigen Materialien entdeckt werden können, indem man in diesen Wirbelströme erzeugt und erfasst, sind bekannt, beispielsweise aus den US-PSen 2 877 406, 3 089 084 und 4 123 708. Während es bei vielen dieser Geräte bequem möglich ist, zylindrische Werkstücke, wie z.B. Metallstäbe oder -rohre zu prüfen, sind die bekannten Geräte andererseits nicht ohne weiteres für die Prüfung von Werkstücken mit im wesentlichen kugelförmiger Oberfläche, beispielsweise für die Prüfung von Kugellagerkugeln geeignet.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Lunkerdetektor anzugeben, der speziell für die Prüfung kugelförmiger Werkstücke geeignet ist, und mit dessen Hilfe die Oberfläche einer Kugel relativ gleichmäßig abgetastet werden kann.

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Diese Aufgabe wird bei einem Detektor der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß erste Antriebseinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Werkstück zu einer Drehbewegung um eine erste Drehachse antreibbar ist, und daß zweite Antriebseinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Tastkopf zu einer Drehbewegung um eine die erste Drehachse schneidende zweite Drehachse drehbar ist.

Der Tastkopf bzw. die Tastkopfspitze lässt sich also erfindungsgemäß längs einer Kreisbahn bewegen, welche vorzugsweise in einer die erste Drehachse enthaltenden Ebene liegt. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, die bei feststehendem Tastkopf und sich drehendem Werkstück erfasst kreisförmige Spur entsprechend der Dreh- bzw. Schwenkbewegung des Tastkopfes zu verlagern und so ein relativ breites Band der Kugeloberfläche abzutasten, wobei das Werkstück gegebenenfalls um eine zur ersten Drehachse senkrechte Drehachse verdrehbar sein kann, so daß letztlich die gesamte Kugeloberfläche erfasst werden kann.

Ein besonderer Vorteil des Detektor gemäß der Erfindung besteht darin, daß dieser relativ unempfindlich gegenüber Änderungen in den Materialeigenschaften des geprüften Werkstücks ist, sofern diese Änderungen keine Folge von Lunkern, Rissen oder dergleichen sind.

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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Detektors besteht darin, daß dieser in Anbetracht der damit erreichbaren vorteilhaften Ergebnisse relativ einfach und billig aufgebaut ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Ausgangssignale des Tastkopfs, die bei aufeinanderfolgenden Umdrehungen des Werkstücks erhalten werden, miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung geschieht vorzugsweise, indem man den Tastkopf entweder mit dem Horizontal-Eingang oder mit dem Vertikal-Eingang einer Anzeigeeinheit verbindet und indem man den anderen Eingang der Anzeigeeinheit synchron mit der Drehung des Werkstücks mit einem Kippsignal ansteuert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er-· findung wird das zu prüfende Werkstück mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben, während der Ausgang des Tastkopfes mit einem Filter verbunden ist, welches eine untere Grenzfrequenz besitzt, die wesentlich höher ist als die Drehzahl des zu einer Drehbewegung angetriebenen Gegenstandes.

Dabei ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, daß eine Verknüpfung der bei aufeinanderfolgenden Umläufen des Werkstücks erhaltenen Ausgangssignale und der Einsatz eines Filters mit im Vergleich zur Drehzahl des Werkstücks relativ hoher unterer Grenzfrequenz ebenso wie die Synchronisation der Kippvorgänge mit dem

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Tastkopfausgangssignal auch bei solchen Detektoren sehr vorteilhaft sein können, bei denen ein zu prüfendes Werkstück, wie z.B. ein Metallrohr, gegenüber dem Detektor zu einer Drehbewegung angetrieben wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von UnteranSprüchen. Es'zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Lunkerdetektors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch den Detektor gemäß Fig. 1 zur Verdeutlichung von Einzelheiten der Positioniereinrichtungen für den Tastkopf des Detektors;

Fig. 3 eine Teildraufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform eines Lunkerdetektors gemäß der Erfindung, bei dem die Drehbewegung des Tastkopfes mittels eines eigenen Antriebsmotors herbeiführbar ist und

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch einen weiteren abgewandelten Lunkerdetektor gemäß der Erfindung, bei dem zusätzlich zu den Einrichtungen, die bei dem Lunkerdetektor gemäß Fig.1 vorgesehen sind, Einrichtungen zum Herbeiführen einer Drehung des Werkstücks um eine

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dritte, zu den beiden anderen Drehachsen senkrechte Drehachse vorgesehen sind.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 der Zeichnung einen erfindungsgemäßen Lunkerdetektor 10 mit einer im Betrieb horizontal angeordneten Hohlwelle 12, die mittels Lagern 14 und 16 drehbar an einer Basis 18 gelagert ist. Die Spindel 12 besitzt an ihrem einen - in Fig. 1 unteren - Ende eine lösbar befestigte Unterdruckspannvorrichtung 20 geeigneter Größe zum Erfassen einer Kugel 22, deren Oberfläche auf das Vorhandensein von Lunkern, Rissen und anderen Gießfehlern zu prüfen ist. Die Spannvorrichtung 20 besteht vorzugsweise aus einem relativ weichen Material, damit die Oberfläche der zu prüfenden Kugel 22 nicht zerkratzt wird. Eine Drehkupplung 24 am anderen Ende der Hohlwelle 12 verbindet deren Inneres mit einem Unterdruckschlauch 26, der mit einer geeigneten Unterdruckquelle (nicht dargestellt) verbunden ist.

Auf der Hohlwelle 12 sitzt ein Kettenrad 28, welches mittels einer Antriebskette 30 mit einem weiteren Kettenrad 32 verbunden ist, das auf der Welle eines drehzahlregelbaren Motors 34 sitzt. Der Motor 34 wird aus einer von Hand einstellbaren Geschwindigkeitsregeleinrichtung 70 geeigneter und bekannter Bauart gespeist. Der Motor 34 liefert ein Wechselstrom-Tachometer-Ausgangssignal auf einer Leitung 36. Dieses Signal ist in seiner Amplitude zur Drehzahl des Motors 34 proportional und besitzt eine fest mit dem Drehwinkel

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der Motorwelle verknüpfte Phasenlage. Vorzugsweise haben die Kettenräder 28 und 32 ein Übersetzungsverhältnis von 1:1, so daß das Signal auf der Leitung 36 außerdem die Winkelstellung der Hohlwelle 12 anzeigt.

Erfindungsgemäß ist eine zweite Welle 46 an der Basis 18 mittels Lagern 48 und 50 derart gelagert, daß ihre Drehachse die Drehachse der Hohlwelle 12 unter einem " rechten Winkel im Mittelpunkt der Kugel 22 schneidet. An dem der Kugel 22 zugewandten Ende der zweiten Welle 46 ist eine Scheibe 44 montiert, an welcher eine Halterung 42 mit zwei parallelen biegsamen Armen befestigt ist, an deren von der Scheibe 44 abgewandten Ende die Mantelfläche eines Wirbelstrom-Tastkopfes 38 befestigt ist.

Der Tastkopf 38 kann von bekannter und für den Anwendungszweck geeigneter Bauart sein. Insbesondere kann der Tastkopf 38 entweder eine Induktions/Detektor-Spulenkombination (nicht dargestellt) aufweisen, durch die ein Wechselstrom hindurchfließt, um in dem zu prüfenden Bereich Wirbelströme zu indizieren, oder eine getrennte Induktionsspule und eine getrennte Detektorspule (nicht dargestellt).

Der Tastkopf 38 ist an der Scheibe 44 so montiert, daß er in einer vertikalen Ebene drehbar ist, welche den Mittelpunkt der Kugel 22 und die Drehachse der Hohlwelle 12 enthält. Ferner hält die flexible Halterung 42 die Spitze 40 des Tastkopfes 38 mit Vorspannung

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in Kontakt mit der Kugeloberfläche, so daß bei der Dreh- bzw. Schwenkbewegung des Tastkopfes 38 stets eine auf den Mittelpunkt der Kugel 22 gerichtete Vorspannung des Tastkopfes 38 vorhanden ist. Dadurch, daß erfindungsgemäß die Spitze 40 des Tastkopfes 38 in Kontakt mit der Kugel 22 gehalten wird, lassen sich Schwankungen des Ausgangssignals aufgrund von Änderungen des Abstandes zwischen der Tastkopfspitze 40 und der Kugel 22 vermeiden. Vorzugsweise besteht die Spitze 40 des Tastkopfes 38 aus einem Material mit geringer Schleifwirkung, um zu vermeiden, daß die Oberfläche der zu prüfenden Kugel 22 beschädigt wird. Die zweite Welle 46 kann entweder von Hand mittels eines Handrades 52 gedreht werden, welches an dem von der Kugel 22 abgewandten Ende der Welle vorgesehen ist, oder automatisch mit Hilfe eines relativ langsam laufenden Motors 54 mit Drehmomentbegrenzung, wie dies bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 3 gezeigt ist. Anschläge 56 und 58, welche in Umfangsrichtung verstellbar am Umfang der Scheibe .44 angeordnet sind, definieren winkelmäßig die Endstellung für die Schwenkbewegungen der zweiten Welle 46.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine Drehung der Hohlwelle 12 dazu führt, daß die Tastkopfspitze 40 eine kreisförmige Bahn an der Oberfläche der Kugel 22 abtastet, während eine Drehung der zweiten Welle 46 die Lage der abgetasteten Bahn in Querrichtung bezüglich der Achse der Hohlwelle 12

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verändert. Der Ausgang des Tastkopfes 38 ist mit einem elektronischen Wirbelstrom-Auswertesystem 60 geeigneter und bekannter Bauart verbunden, beispielsweise mit einem Auswertesystem, wie es von der Firma Automation Industries unter der Typenbezeichnung EM 3300 vertrieben wird.

Wirbelströme, die in die Kugel 22 durch die Induktionsspule (nicht dargestellt) des Tastkopfes 38 induziert werden, haben einen Anstieg der quadratischen Komponente der in der Detektorwicklung erzeugten Spannung zur Folge, die in Phase mit dem Strom in der Induktionsspule liegt. Während die gewünschte quadratische Komponente der Detektorspulenspannung in der Praxis nicht exakt phasengleich mit dem Induktionsspulenstrom ist, kann sie ohne weiteres erhalten werden, indem man die Detektorspulenspannung in eine sogenannte "lift-off"-Komponente bzw. eine Abstandskomponente, die von der Annäherung des Tastkopfes 38 an die Kugel 22 abhängig ist und in eine "Sprung"- oder "Wirbelstrom"-Komponente aufspaltet, die unabhängig von der Tastkopfposition ist. Eine solche Auflösung wird bei dem elektronischen Wirbelstrom-Auswertesystem 60,beispielsweise vom Typ EM 3300, durchgeführt. Der Tastkopf 38 wird dabei mit einer Frequenz angesteuert, die so gewählt ist, daß sich die gewünschte Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes in der Kugel 22 ergibt.

Erfindungsgemäß wird die "Sprung"-Komponente vom Ausgang des Auswertesystems 60 dem Ejngang eines Band-

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passfliters 62 zugeführt, dessen Durchlassbereich zwischen etwa 400 und 1000 Hz liegt. Spannungskomponenten niedrigerer Frequenz im Ausgangssignal des Auswertesystems 60,die auf Störfaktoren, wie z.B. Strömungslinienköpfe, ursprüngliche Stab- oder Leitungsströmungslinien oder dergleichen, zurückzuführen sind, werden von dem Filter 62 nicht durchgelassen, wodurch die Empfindlichkeit des Detektors 10 für Lunker, Risse und dergleichen erhöht.wird. Vorzugsweise ist die Drehzahl der Spindel 12 nicht größer als etwa 1/10 der niedrigsten Durchlassfrequenz des Bandpassfilters 62 und liegt folglich bei etwa 40 Upm.

Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 62 wird dem Vertikal-Eingang eines Kathodenstrahl-Oszilloskops 64 mit oder ohne speichernden Schirm zugeführt, wobei das Oszilloskop 64 von dem Tachometerteil· des Motors 34 ein Trigger signal T über die Leitung 36 empfängt. Durch Triggern des Oszilloskops 64 synchron mit der Drehung der Hohlwelle 12 wird eine wiederholte Darstellung des Stromsignals bei aufeinanderfolgenden Kippvorgängen des Oszilloskops 64 erzeugt, wodurch die Fähigkeit des Systems zur Unterscheidung der Sprungsignale von Rauschsignalen verbessert wird. Wenn es erwünscht ist, kann das Oszilloskop 34 auch mit einer Subharmonischen der Drehzahl der Kugel 22 getriggert werden. Das Aus gangs signal· d.e.s Filters 62 kann weiterhin einem SchWe^Wertdetektor 66 zugeführt werden, der eine Aiarir^ue^e 68, wie z.B. eine Glocke,

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ein Blinklicht oder dergleichen auslöst, wenn sein Eingangssignal einen vorgegebenen Pegel übersteigt. Der Schwellwert bzw. Pegel kann dabei in geeigneter Weise geeicht werden, indem man entweder eine Kugel mit bekannten Rissen bzw. Sprüngen verwendet oder eine Eich-Kugel mit einem maschinell hergestellten Fehler.

Beim Arbeiten mit dem erfindungsgemäßen Lunkerdetektor 10 wird zunächst die Kugel 22 mit Hilfe einer Unterdruckspannvorrichtung 20 mit geeigneten Abmessungen eingespannt, und der Motor 34 wird eingeschaltet, um die Kugel mit einer geeigneten Drehzahl anzutreiben. Weiterhin wird der Tastkopf 38 über die Kugel 22 bewegt, indem man die zweite Welle 46 dreht, um so eine Bahn der Kugel abzutasten, welche vorzugsweise etwas breiter als 90° ist. Vorzugsweise wird die Drehzahlregelung 70 so eingestellt, daß die Kugel 22 mit einer vorgegebenen Umfangs- bzw. Oberflächengeschwindigkeit gedreht wird, um auf diese Weise die Breite und damit das FrequenzSpektrum der an das Filter 62 angelegten Impulse zu standardisieren, so daß ein Filter mit festen Bandgrenzen verwendet werden kann. Nach der Abtastung des ausgewählten Segments wird die Kugel 22 von der Spannvorrichtung 20 freigegeben und von Hand um einen Winkel von etwa 90° um eine vertikale Achse gedreht. Anschließend wird die Kugel 22 wieder in der Spannvorrichtung 20 festgespannt,· um eine weitere Abtastung durchzuführen. Auf diese Weise wird die gesamte Oberfläche der Kugel 22 abgetastet. Dadurch, daß jeweils ein Segment von etwas mehr als 90° abgetastet

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wird, wenn die Kugel 22 einmal eingespannt ist, hat man die Gewähr, daß die gesamte Kugeloberfläche von dem Tastkopf 38 abgetastet werden kann, da aus Sicherheitsgründen eine gewisse Überlappung der Abtastbereiche vorhanden ist.

Wenn man die Kugel nicht von Hand, sondern automatisch um die vertikale Achse und um 90° drehen will, kann man eine zusätzliche Welle. 72 mit einer Spannvorrichtung 74 vorsehen und die Wellenachse vertikal und so ausrichten, daß sie gemäß Fig. 4 den Kugelmittelpunkt durchstößt. Bei dieser abgewandelten Ausführungsform eines Lunkerdetektors gemäß der Erfindung wird die Kugel 22 zunächst auf einem Segment abgetastet, welches etwas größer als 90° ist, wobei sie durch die Spannvorrichtung 20 eingespannt ist. Nach dieser ersten Abtastung erfolgt ein "Öffnen"der Spannvorrichtung 20 und ein Anschließen einer Unterdruckquelle (nicht dargestellt) an die Spannvorrichtung 74, so daß die Kugel 22 anschließend "um eine vertikale Achse gedreht wird.

Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Lunkerdetektors können ohne weiteres offene Lunker bzw. Risse oder geschlossene Lunker erfasst werden, die länger als einige Tausendstel Zoll und tiefer als einige wenige MikroZoll sind, ohne daß dabei eine erfassbare .OberflächenbeSchädigung der Kugeln nach deren hochwertiger Endbearbeitung eintreten würde. Weiterhin wird aus der Beschreibung deutlich, daß der zu prüfende Gegenstand

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keine vollständige Kugel sein muß. Beispielsweise kann man mit dem erfindungsgemäßen Detektor 10 auch eine Kugel prüfen, an der zur Prüfung der Härte, zur Prüfung des restlichen Austenits bzw. zur Prüfung der metallurgischen Struktur eine bearbeitete Fläche vorgesehen ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird und daß der erfindungsgemäße Lunkerdetektor 10 besonders zur Prüfung von zumindest im wesentlichen runden Gegenständen geeignet ist und die gesamte Oberfläche einer Kugel relativ gleichmäßig erfassen kann. Dabei ist der Lunkerdetektor relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen der Materialeigenschaften des zu prüfenden Gegenstandes, soweit damit keine Rissoder Lunkerbildung verbunden ist. Außerdem ist der Detektor im Hinblick auf die damit erzielbaren Ergebnisse relativ einfach und billig.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird schließlich auch deutlich, daß gewisse Einzelheiten und Unterkombinationen der erfindungsgemäßen Anordnung auch für sich gesehen nützlich sein können und daß dem Fachmann, ausgehend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   Detektor zum Erfassen von Lunkern, Rissen und dergleichen in einem kugelförmigen Werkstück, insbesondere einer Kugellagerkugel, mit einem angrenzend an die Werkstückoberfläche angeordneten Tastkopf, insbesondere einem Wirbelstromtastkopf, dadurch gekennzeichnet, daß erste Antriebseinrichtungen (12, 28 bis 34) vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Werkstück (22) zu einer Drehbewegung um eine erste Drehachse antreibbar ist, und daß zweite Antriebseinrich- ,

   tungen (42, 44, 46, 52) vorgesehen sind, mit de- j

   ren Hilfe der Tastkopf (38) zu einer Drehbewegung um eine die erste Drehachse schneidende zweite Drehachse drehbar ist.

   2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dritte Antriebseinrichtungen (72) vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Werkstück (22) um eine dritte, die erste Drehachse schneidende Drehachse drehbar ist, und daß die ersten Antriebseinrichtungen (12, 28 bis 34) und die dritten Antriebseinrichtungen (72) selektiv zur Herbeiführung einer Drehbewegung des Werkstücks (22) um die betreffende Drehachse betätigbar sind.

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   3. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Positioniereinrichtungen (42, 44) zum Positionieren des Tastkopfes (38) angrenzend an die Werkstückoberfläche vorgesehen sind und daß die Positioniereinrichtungen (42, 44) um die zweite Drehachse drehbar bzw. schwenkbar sind.

   4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Tastkopfes (38) ein Ausgangssignal erzeugbar ist, daß Anzeigeeinrichtungen (64) mit einem Horizontal-Eingang und einem Vertikal-Eingang (v) vorgesehen sind, daß Verbindungseinrichtungen (60, 62) vorgesehen sind, über die das Ausgangssignal des Tastkopfes (38) einem dieser Eingänge zuführbar ist, und daß Triggereinrichtungen (34, 36) vorgesehen sind, mit deren Hilfe ein Durchlauf (Kippvorgang) des anderen Ein-, gangssignals synchron mit der Drehung des Werkstücks (22) herbeiführbar ist.

   5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Tastkopfes (38) ein Ausgangssignal erzeugbar ist,und daß Korreliereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe bei aufeinanderfolgenden Umdrehungen des Werkstücks (22) erhaltene Ausgangssignale des Tastkopfs (38) miteinander verknüpfbar sind.

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   6. Detektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtungen
   (42/ 44) Federeinrichtungen (42) aufweisen, durch
   die der Tastkopf (38) federnd mit einer Vorspannung an die Werkstückoberfläche anlegbar ist.

   7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Drehachse zumindest im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet sind.

   8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Tastkopfes (38) ein Filter (62) verbunden ist, dessen untere
   Grenzfrequenz erheblich höher ist als die Drehzahl des zu einer Drehbewegung angetriebenen Werkstücks (22).