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Optisches Meßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Meßgerät nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchsl bzw. 7.
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Bekannte Meßgeräte dieser Art, wie sie zur berlhrungsfreien Vermessung
geometrischer Qualitätsmerkmale von bewegten Werkstücken Verwendung finden, arbeiten
entweder nach der Reflex-oder der Schattenbildmethode in der Weise, daß die empfangene
Lichtintensität an Hand einer Meßkennlinie zu einer analogen, werkstückbezogenen
Maßangabe verarbeitet wird. So ist es bekannt, die Ablage von Strichmarkierungen
oder Hell/Dunkelgrenzen an optisch reflektierenden Prüflingsoberflächen bezüglich
einer gerätefesten Meßachse oder aber die OberflächenrauMgkeit mit Hilfe von optischen
Reflexsensoren zu ermitteln, jedoch haben derartige Reflexsensoren einen sehr engen,
nutzbaren Meßbereich und sind zur Bestimmung der Abxssungen von Höhensprüngen ungeeignet.
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Gleiches gilt für Schattenbildsensoren bekannter Bauart mit einer
tangential zur Oberflächenerstreckung des Prüflinge verlaufenden Schatten-Lichtschranke,
die zwar die momentane Eintauhtiefe der Prüflingsoberfläche und dadurch z.B. die
maximale Durchmesserschwankung eines ro,tierenden Werkstücks sehr genau erfassen
können, aber keine exakte Lagebestimmung einer schattenerzeugenden Höhensprungkante
in Richtung der optischen Achse des Lichtstrahls ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das optische Meßgerät der beanspruchten
Art so auszubilden, daß auf baulich
einfache Weise eine hochgenaue
Lagebestimmung von Höhensprungkanten an relativ zum Meßgerät bewegten Prüflingsoberflächen
erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Meßgerät
gelöst, bei dem durch die spezielle bauliche und funktionelle Verschmelzung von
Reflex-und Schattenbildsensor eine exakte Zuordnung des Schattenbild-Meßsignals
zu einer durch die Lage der Reflex-Lichtschranke fest vorgegebenen Position der
Hönensprungkante in Richtung des Sdw*ten-Lichtstrahls und dab2r.ch eine präzise
Bestütrnung der Lage und A=essuna 8er tohenssrungkante in einem gerätefesten Koordinatensystem
gewährleistet und zugleich mit Hilfe des Schattenbildsensors eine problemlose, berührungsfreie
Einsteuerung des Reflexsensors auf dessen engen, den Durchgang der Höh«Bprungkante
mit hoher Anspreehempfindlichkeit erfassenden Meßbereich ermöglicht wird, wobei
eine unter dem Gesichtspunkt baulicher Vereinfachung und hoher Meßgenauigkeit weitere
3esonderheit darin besteht, daß der Reflexsensor einschließlich des zugeordneten
Teils der Auswerteschaltung als reiner Impulsgeber ausgebildet ist, der ein binäres
Ausgangssignal liefert, das den Durchgang der Höhensprungkante durch eine gerätefeste,
durch die Reflex-Lichtschranke definierte und zur Schatten-Lichtschranke senkrechte
Bezugsebene anzeigt, eine wesentlich aufwendigere Messung der jeweiligen Ablage
der Höhensprungkante von diese Bezugsebene also entfällt.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Meßgerät
gemäß Anspruch 2 vorzugsweise zur Kantenlagenbestimmung von Prüflingen mit zentraler
Drehachse und insbesondere zur Schneidkantenmessung von Fräswerkzeugen eingesetzt,
wobei der Reflex-und der
Schattenbildsensor aus Gründen einer weiteren,
gerätetechnischen Vereinfachung jeweils einen festen Strahlengang, d.h.keinerlei
bewegte optische Elemente aufweisen und als Einheit radial zur Drehachse des Prüflings
verstellbar angeordnet sind. In diesem Fall wird durch den binären Meßimpuls des
Reflexsensors einerseits der Schattenbildsensor und andererseits ein mit dem ro-tierenden
Prüfling gekoppelter Winkelkodierer angesteuert, so daß als Meßergebnis die Winkellage
der Höhensprungkante, also bei Fräswerkzeugen letztlich die Schneidkanten-Teilung,
und der Radialabstand der Höhensprungkante von der Drehachse und somit bei Fräswerkzeugen
für jede einzelne Schneidkante deren Durchmesserabweichung vom Nenn-Durchmesser
erhalten werden. In besonders zweckmäßger Weise ist in diesem Fall gemäß Anspruch
3 die Reflexregion des Reflexsensors geringfügig von einer senkrecht zur Schatten-Lichtschranke
durch die Drehachse des Prüflings verlaufenden Ebene beabstandet, qo flaB der den
Durchgang der Föhensprungkante anzeigende, binäre Meßimpuls des Reflexsensors bei
Rotations des Prüflings zeitlich etwa vor dem Signalmaximum der Schatten-Lichtschranke
auftritt.
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Dies ermöglicht in weiterer baulicher Vereinfachung der Auswerteschaltung
eine zeitversetzte Ansteuerung von Reflex-und Schattenbildsensor und beschränkt
den Meßzyklus des Reflexsensors auf den Flankenbereich des Höhensprungs bzw. der
Fräser-Schneidkante, so daß mögliche Oberflächenfehler in den dazwischenliegenden
Bereichen ohne Einfluß auf das Meßergebnis sind.
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Um neben den Durchmesserschwankungen und der Schneidkantenteilung
auch die Spiralsteigung von Fräswerkzeugen bestimmen zu können, ist gemäß Anspruch
4 die aus Reflex-und Schattenbildsensor bestehende Einheit in Richtung der Drehachse
des Fräsers verschieblich angeordnet und ein die jeweilige Axiallage erfassendes
Meßlineal
vorgesehen, wodurch es möglich wird, den räumlichen Verlauf
der Höhensprung- bzw. Schneidkante Punkt für Punkt nachzumessen.
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Um störende Umwelteinflüsse zu unterdrücken und mit geringer Baugröße
des Licht senders auch an ungünstigen Meßorten, z.B. bei einer Im-Prozeß-Messung
arbeiten zu können, sind die Lichtschranken gemäß Anspruch 5 vorzugsweise jeweils
als Infrarot-Lichtschranken mit Halbleiterelementen ausgebildet, und zur Erhöhung
der Meßempfindlichkeit und -genauigkeit bei zugtich einfacher Ausbildung des Schattenbildsensors
empfiehlt es sich, für diesen gemäß Anspruch 6 eine Doppel-Fotodiode als Lichtempfänger
vorzusehen. Durch die Merkmale der Ansprüche 7 bis 9 wird eine noch günstigere und
genauereMeßsignalauswertung ermöglicht.
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Im Anspruch 10 ist eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe gekennzeichnet, die unabhängig von, vorzugsweise aber in Verbindung
mit der ersten Variante der Erfindung anwendbar rost. Das Meßgerät gemäß Anspruch
10 arbeitet mit einem fokussierten Reflexsensor, dessen Pokus,region mit Hilfe eines
in Abhängigkeit von der Prüflingskontur gesteuerten Stellantriebs auf die Höhensprungkante
eingestellt und dessen Meßsignal einem Schwellwertdetektor zugeführt wird, der bei
überschreiten einer vorgegebenen Meßsignaländerung die jeweilige Lagekoordinate
aus einem dem Prüfling zugeordneten Koordinatengeber, also bei dem Meßgerät gemäß
Anspruch 2 die jeweilige Winkellage des Prüflings, abruft. Dabei ist der Reflexsensor
gemeinsam mit dem Schwellwertdetektor wiederum unter Verzicht auf eine komplizierte,
lichtoptische Ablagemessung als rein binärer, beim Durchgang der Höhensprungkante
ansprechender Impulsgeber ausgebildet, mit der Besonderheit, daß die sich aus der
Fokussierung ergebende, extreme Flankensteilheit des Reflexsensor-Meßimpulses für
eine ganz erhebliche Genauigkeitssteigerung
der Kantenpositionsbestimmung
des Höhensprungs ausgenutzt wird. Auf diese Weise lassen sich Höhensprünge an unterschiedlichst
konturierten Prüflingsoberflächen mit einem baulich sehr einfachen Meßgerät erkennen
und hinsichtlich ihrer Kantenlage mit äußester PrEzision vermessen.
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Die fokussierte Reflex-Lichtschranke kann durch eine einzige Lichtquelle
mit einem zugeordneten, optischen Linsensystem erzeugt werden, im Hinblick auf eine
weitere GrauigkeitsstelGmNng sind jedoch zu diesem Zweck gemäß Anspruch 11 mehrere,
mit ihren optischen Achsen auf die Fokusegion ausgerichtete Lichtsender vorgesehen,
die jeweils einen eng gebündelten, afokalen Lichtstrahl emittieren.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 a ein opto-elektronisches
Meßgerät mit fokussiertem Reflexsensor in schematischer Darstellung; Fig. 1 b dem
Verlauf des Reflexsensor-Meßsignals in ebenfalls schematischer Darstellung; Fig.
2 eine Modifikation des Reflexsensor-Meßkopfes; Fig. 3 a eine teilweise geschnittene,
schematische Ansicht eines opto-elektrOnischen Meßgeräts mit kombiniertem Schattenbild-und
fokussiertem Reflexsensor zur Schneidkantenmessung von Fräswerkzeugen; und Fign.3
b,c die entsprechenden Meßsignal-Diagramme des Revlexsensors (Fig. 3 b) bzw. des
Schattenbildsensors
(Fig. 3 c).
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Das opto-elektronische Meßgerät gemäß Fig. 1 dient zum Erkennen und
zur Kantenlagenbestimmung von Höhensprüngen an Prüflingsoberflächen, also etwa zur
Positionsmessung einer Bohrung 2 oder einer Ausnehmung 4 eines Werkstücks 6, das
in einem vorhergehenden Arbeitsvorgang auf dem Werkstück gupport 8 einer z.B. numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschine einer maschinellen Bearbeitung unterzogen wurde.
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Das Meßgerät enthält einen Reflexsensor-MeßkopS 1O, der an einer
bezüglich des Supports 8 und der bearbeiteten Werkstückoberfläche 12 höhenverstellbaren
Spindel 14 der Werkzeugmaschine befestigt ist wnd aus einer infrarotaLttierenden
Halbleiter-Dioda 16 als Lichtsender sowie einer infrarotempfindlichen Foto diode
18 als Lichtempfänger besteht, die jeweils mit Hilfe einer Sammellinse 20 bzw.
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22 auf eine meßkopffeste Fokus region F optisch ausgerichtet sind,
d.h. der Reflexsensor 10 bildet eine punktförmig fokussierte Reflex-Lichtschranke
für die das Empfangssignal dann den Höchstwert erreicht , wenn das emStierte Licht
im Pokus~plankt F auf die WerkstUckoberfläche auftrifft und von dort über die Linse
22 auf die Empfangsdiode 18 reflektiert wird, wie dies bei der in Fig. 1 a mit zugehörigem
Strahlengang gezeigten Relativlage von fokussiertem Reflexsensor 10 und WerkstUckoberfläche
12 der Fall ist.
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Das Empfangssignal der Foto- Diode 18 wird in Form eines elektrischen
Meßsignals V einer Auswerteschaltung 24 zugeführt, die ei ruf eine Meßsignaländerung
vorgegebener Größe und Flankensteilheit ansprechenden Schwellwertdetektor 26 enthält
und der ein die jeweilige Relativlage von Reflexsensor 10 und Werkstück 6 in Richtung
der
Flächenerstreckung der Werkstückoberfläche 12 erfassender,
mit dem Werkstücksupport 8 gekoppelter toordinatengeber 28 zugeordnet ist.
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Das beschriebene Meßgerät arbeitet wie folgt: Das zuvor bearbeitete,
auf dem Support 8 montierte Werkstück 6 wird unter den Reflexsensor 10 gefahren
und die Spindel 14 entsprechend der in der zugeordneten Werkzeugmaschine gespeicherten
Werkstück-Sollkontur in Richtung des Doppelpfeils A so eingestellt, daß die Fokusegion
F nominell auf der Werkstückoberfläche 12 liegt. Wird der Support 8 mit dem Werkstück
6 anschließend in Richtung relativ zum ReflexsensorlO verschoben, so ergibt sich
der in Fig. 1 b schematisch angedeutete Meßsignal-Verlauf, doch, beim Durchgang
der Höhensprungkanten a ... f der Werkstückoberfläche 12 tritt eine Meßsignaländerung
großer Flansenhöhe und-steilheit auf, bei der der Schwellwertdetektor 26 anspricht,
während die Meßsignaländerungen in den dazwischenliegenden Oberflächenbereichen
wegen zu geringer Flankenhöhe und/oder-steilheit unterhalb der Ansprechschwelle
des Detektors 26 liegen. Bei jedem das Yberwandern einer Höhensprungkante anzeigenden
AuRgangsimpuls des Schwellwertdetektors 26 werden die zugeordneten Lagekoordinaten
aus dem Koordinatengeber 28 abgerufen, und auf diese Weise werden die Höhensprungkanten
des Werkstücks 6 erkannt und deren Ist-Lage auf dem Werkstück in Form von Längenmeßwerten
x1...
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Xn mit hoher Genauigkeit bestimmt.
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Durch zusätzliche Verschiebbarkeit des Werkstücksupports 8 senkrecht
zur Zeichnungsebene, also auch in y-Richtung, und einen entsprechenden Koordinatengeber
können in analoger Weise auch die y-Lagekoordinaten der Höhensprungkanten gemessen
werden.
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Fig. 2 zeigt eine Modifikation oes Reflexsensors 10 2' zwei getrennten
Lichtsendern 30, 32, deren eng gebunaelte Lichtstrahlen sich in der Fokus,region
F kreuzen, sowie zwei den Lichtsendern 30, 32 jeweils zugeordne-ten, achssymmetrisch
zu diesen angeordneten, lichtempfindeichen Fotodioden 34 bzw. 36, deren Meßsignale
summiert und dann als Eingangssignal dem Schwellwertdetektor 26 gemäß Fig. 1 zugeführt
werden. Im übrigen ist die Bau-und Funktionsweise des Meßgerätes die gleiche wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Das in Fig. 3 gezeigte Meßgerät, bei dem die dem ersten Ausführungsbeispiel
entsprechenden Bauelemente durch um 100 erhöhte Bezugszeichen gekennzeichnet sind,
dient zur Schneidkantenmessung eines in Pfeilrichtung um seine Drehachse B ro ierenden
Fräswerkzeugs 38 und enthält einen gabelförmigen, symmetrisch zur Drehachse B angeordneten
Meßkopf 40, der in Richtung der Drehachse B radialbeweglich geführt ist (Doppelpfeil
A) und als Sensoranordnung den an Hand der Fig. 1 beschriebenen, fokussierten Reflexsensor
110 in Eombination mit einem Schattenbildsensor 42 aufweist, welcher aus einer infrarotemttierenden
1iöde44und einer nachgeschalteten Optik 46 als Lichtsender sowie einer Doppelfotodiode
48, 50 als Lichtempfänger besteht, die derart zueinander angeordnet sind, daß die
aus Parallellicht gebildete, zu der durch die Fräser-Drehachse B verlaufenden Symmetrieebene
S senkrechte Schatten-Lichtschranke im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse
des Reflexsensors 110 gerichtet ist und die Fokusregion F kreuzt, und zwar so daß
die Fokusregion F in etwa auf der Null-Meßgrenze des Schattenbildsensors 42 liegt,
d.h. das von der Doppelfotodiode 48, 50 erzeugte Meßsignal nahezu Null wird, wenn
ein schattenerzeugender Gegenstand bis zur Höhe der Fokusregion F in die Schatten-Lichtschranke
eintaucht. Aus den weiter unten erläuterten Grunde liegt
die Fokusregion
F in Fräserdrehrichtung geringfügig vor der Syrnnetrieebene S, die durch die Lage
der Schneidkante festgelegt ist, bei der der Schattenbildsensor 42 ein maximales
Signal liefert, wobei der entsprechende, van Fräserdurchmesser und der aus der Signalverarbeitung
in der Auswerteschaltung 124 resultierenden Verzögerungszeit abhängige Versatzninkel
tf in der Zeichnung der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellt ist.
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Kompletiert wird das Meßgerät durch einen Koordinatengeber 128 in
Form eines die jeweilige Winkellage des Fräsers 38 erfassenden Winkelkodierers und
einen der Auswerteschaltung 124 zugeordneten Rechner 52, der die Meßsignale in entsprechenae
Längen-oder Maßangaben umsetzt, also bei einem Fräser die Zahnteilung und die Durchmesse-schwankungen
der einzelnen Schneidkanten a...e angibt.
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Das in Fig. 3 gezeigte Meßgerät arbeitet wie folgt: Zunächst wird
der Meßkopf 40 in Richtung A derart positioniert, daß die bei einem Umlauf des Fräsers
38 vom Schattenbild-Sensor 42 empfangenen, jeweils beim Durchgang eines einzelnen
Fräserzahns erzeugten Meßsignal-Höchstwerte im Durchschnitt auf der Null-Meßgrenze
des Schattenbild-Sensors 42 liegen, was bedeutet, daß die Schneidkanten a...e das
Meßgerät im Mittel in der Fokus -region F durchlaufen. Diese Meßkopfosition wird
durch ein inkrementales Meßlineal (nicht gezeigt) erfaßt.
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Beim weiteren Umlauf des Fräsers 38 steigt daher das -in Fig. 3 b
für zwei Fräserzähne gezeigte- Reflexsensor-Meßsignal an jedem einzelnen Zahn -ausgehend
von einem Null-Wert am Zahngrund- längs der Zahnflanke steil an, erreicht beim Durchgang
der Schneidkante ein Maximum und fällt dann längs des ZannrYckens -eventuell mit
weiteren Zwischenmaxima- weder auf iiull ab, während das Meßsignal
des
Schattenbild-Sensors 42 (Fig. 3 c) um die tNull-Megrenze schwankt, die dabei beim
Durchgang jedes Zahns durch die Symmetrieebene S erreichten Meßsignal-Maxima jedoch
so stark abgeflacht sind, daß sie keine exakte Aussage über die Winkellage bzw.
die Teilung der einzelnen Schneidkanten gestatten.
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Anders als bei dem Meßgerät gemäß Fig. 1 spricht der Schwellwertdetektor
126 jedes Mal an, wenn das Empfangssignal des Reflexsensors 110 von Null aus einen
vorgegebenen Schwellwert überschreitet, woraufhin der zuO=e ordnete Drehwinkel des
Fräsers 38 aus dem Winke.kodierer 128 abgerufen wird, der die Winkellage #a ...
#e der einzelnen Schneidzähne bzw. die Zahnteilung des Fräsers angibt. Zugleich
unterbricht der Ansprechimpul: des Schwellwertdetektors 126 den Meßzyklus des flefL!exsensors
110 uiid das Gerät schaltet auf den Schattenbild-Sensor 42 um, um den Meßwert Vc
bzw. Vd (Fig. 3 c) der Doppelfotodiode 48, 50 in einem durch den Winkelversatz vorgegebenen
Abstand zum Ansprechimpuls des Schwellwertdetektors 126, also den Momentanwert des
Schattenbildsignals exakt beim Durchgang der Schneidkante durch die Ebene S festzustellen.
Aus den so ermittelten Momentanwerten Va ...Ve werden dann im Rechner 52 an Hand
der Meßkennlinie des Schattenbild-Sensors 42 die Schneidkanten-Durchmesserschwankungen
des Fräsers bzw. - unter Berücksichtigung der von dem inkrementalen Meßsignal angezeigten
Höhenlage des Meßkopfes 40 - der Radialabstand jeder einzelnen Schneidkante von
der Fräserdrehachse B errechnet. Nach dieser Ermittlung des Meßsignal-Momentanwertes
des Schattenbild-Sensors 42 wird wiederum der Reflexsensor 110 und der diesem zugeordnete
Schwellwertdetektor 126 angesteuert, woraufhin sich der Meßvorgang am nächsten
Fräserzahn
wiederholt.
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Diese durch den Winkelversatz jq erreichte, wechselweise Signalverarbeitung
und Ansteuerung von Reflex-und Schattenbild-Sensor bringt den Vorteil, daß die Auswerteschaltung
124 und der nachgeschaltete Rechner 52 nach einer Art Time-sharing ohne synchrone
Meßsignalverarbeitung und-auswertung beider Sensoren 42, 110 und ohne aufwendige
Datenspeicherung arbeiten können.
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Soll auch die Spiralsteigung der einzelnen Bräs46-Schneidkanten bestimmt
werden, so wird der Meßkopf zusätzlich parallel zur Drehachse B relativ zum Fräser
38 verschoben und die jeweilige Axiallage durch ein weiteres, nicht gezeigtes inkrementales
Meßlineal ermittelt, so daß jede Schneidkante Punkt für Punkt in zur Zeichenebene
parallelen Ebenen vermessen und aus dem über das inkrementale Meßlineal ermittelten
Abstand der einzelnen Meßpunkte und der Differenz der zugeDrdneten y -Werte die
jeweilige Schneidkanten-Spiralsteigung errechnet werden kann.
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Abschließend sei darau fingewiesen, daß bei dem Meßgerät gemäß Fig.
3 noch ein zweiter, diametral entgegengesetzt zum Meßkopf 40 auf der unteren Seite
des Fräsers angeordneter Meßkopf vorgesehen sein kann, wodurch erreicht wird, daß
die Lage der Drehachse B nicht in die Schneidkanten-Durchmesserbestimmung eingeht.
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Außerdem kann für Anwendungsfälle geringerer Genauigkeitsanforderungen
der fokussierte durch einen üblichen, nicht-fokussierten Reflexsensor ersetzt werden.
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