FR2504671A2 - TEMPERATURE CORRECTION DEVICE FOR MACHINE TOOL MOVEMENT MEASUREMENT SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un système de mesure pour machinesoutils, destiné à relever des mouvements relatifs rectilignes de deux parties de machine, comprenant une règle graduée fixée à une première partie de machine et un dispositif de lecture fixé à une deuxième partie de machine, et dans lequel un barreau de dilatation à coefficient de dilatation thermique élevé est fixé par son bout arrière à la première partie de machine et par son bout avant à la règle et la dilatation thermique du barreau est sensiblement égale à celle de la première partie de machine, selon le brevet principal. The invention relates to a measuring system for machine tools, intended for detecting relative rectilinear movements of two parts of machine, comprising a graduated rule fixed to a first part of machine and a reading device fixed to a second part of machine, and in which an expansion bar with a high coefficient of thermal expansion is fixed by its rear end to the first part of the machine and by its front end to the rule and the thermal expansion of the bar is substantially equal to that of the first part of the machine, according to the main patent.
Sur les parties de machines-outils déplaçables en translation sur des distances relativement grandes, on prévoit généralement des systèmes de mesure qui indiquent - à l'opérateur ou à la commande automatique de la machine - les positions relatives qu'occupent les deux parties à chaque instant et, partant, les distances à couvrir ou couvertes par la partie mobile. On the parts of machine tools movable in translation over relatively large distances, provision is generally made for measurement systems which indicate - to the operator or to the automatic machine control - the relative positions occupied by the two parts at each instant and hence the distances to be covered or covered by the moving part.
Ces systèmes de mesure comprennent une règle graduée, fixée le plus souvent à une partie de machine mobile, et un dispositif d'exploration ou de lecture installé sur une partie de machine fixe. These measurement systems include a graduated ruler, most often attached to a mobile machine part, and an exploration or reading device installed on a fixed machine part.
La dilatation thermique des différentes parties de machine pendant les changements de température, par exemple du début du travail jusque ce que la température de fonctionnement normale ou température de service soit atteinte, représente un phénomène qui influence la précision de mesure donc aussi la précision d'usinage. The thermal expansion of the different parts of the machine during temperature changes, for example from the start of work until the normal operating temperature or operating temperature is reached, represents a phenomenon which influences the measurement accuracy and therefore also the measurement accuracy. machining.
De tels échauffements sont à attribuer dans la majorité des cas au frottement dans les paliers des organes tournant dans les parties de machine concernées, par exemple de la broche et de ses arbres d'entrainement dans le chariot porte-broche d'une fraiseuse. La longueur utile des règles correspond à la course maximale mais comme les parties de machine concernées sont généralement plus longues que cette course, les changements de température entraînent un décalage - fonction de l'allongement de la partie de machine mobile - du point zéro de la règle par rapport au dispositif de lecture fixe.Such overheating is to be attributed in the majority of cases to the friction in the bearings of the bodies rotating in the machine parts concerned, for example of the spindle and its drive shafts in the spindle carriage of a milling machine. The useful length of the rulers corresponds to the maximum stroke but since the machine parts concerned are generally longer than this stroke, temperature changes cause a shift - as a function of the elongation of the mobile machine part - from the zero point of the rule with respect to the fixed reading device.
Les effets nuisibles de ce phénomène sont particulièrement manifestes dans le cas de fraiseuses à commande programmée et à chariot porte-broche mobile horizontalement, où la règle est fixée sur le cté du chariot par exemple et une tête de lecture est fixée sur
le montant. Le dispositif de commande à programme de ces machines est conçu de manière que son circuit de commande de position détecte et compense les mouvements relatifs indésirables entre le chariot porte-broche et la tête de lecture fixe. Cependant, s'il y a des différences de dilatation entre le chariot et la broche montée en lui, la tête de lecture est incapable de la détecter, de sorte que les données transmises au circuit de commande de mise en position comportent des erreurs fonction de ces différences.Il en va de même lors du travail avec une tête de fraisage vertical montée sur la face avant du chariot et dont la dilatation pendant le fonctionnement ne peut pas être mesurée exactement.The harmful effects of this phenomenon are particularly manifest in the case of milling machines with programmed control and a spindle carriage movable horizontally, where the ruler is fixed on the side of the trolley for example and a read head is fixed on
the amount. The program control device of these machines is designed so that its position control circuit detects and compensates for unwanted relative movements between the spindle carriage and the fixed read head. However, if there are differences in expansion between the carriage and the spindle mounted in it, the read head is unable to detect it, so that the data transmitted to the positioning control circuit contains errors depending on The same is true when working with a vertical milling head mounted on the front of the carriage, the expansion of which during operation cannot be measured exactly.
Les défauts d'usinage qui sont la conséquence de ce phénomène peuvent devenir plus grands encore en cas de travail (commande automatique) avec cumul de cotes puisque les erreurs s'additionnent dans ce cas. The machining faults which are the consequence of this phenomenon can become even greater when working (automatic control) with cumulative dimensions since the errors add up in this case.
L'objet du brevet principal est un système de mesure avec lequel les manques de précision provoqués par les dilatations thermiques mentionnées dans la mesure et l'usinage sont pratiquement évités par le fait qu'un barreau de dilatation en matériau à coefficient de dilatation thermique aD élevé est fixé par son bout arrière à la première partie de machine et par son bout avant à la règle, de telle manière que la dilatation thermique a 1D du barreau est sensiblement égale à la dilatation thermique a 1M de la première partie de machine. The subject of the main patent is a measurement system with which the lack of precision caused by the thermal expansions mentioned in the measurement and the machining are practically avoided by the fact that an expansion bar made of material with coefficient of thermal expansion aD high is fixed by its rear end to the first part of the machine and by its front end to the ruler, in such a way that the thermal expansion a 1D of the bar is substantially equal to the thermal expansion a 1M of the first part of the machine.
Lorsque le matériau du barreau et plus spécialement son coefficient de dilatation et la longueur libre utile du barreau sont convenablement choisis, l'extrémité avant de la règle, c'est -dire son point zéro, se déplace - dans une plage de température prédéterminée, c'est-à-dire entre la température de début de travail et la température de service - exactement dans la mesure correspondant à la dilatation thermique de toute la longueur de la partie de machine à laquelle elle est fixée, longueur qui est généralement bien supérieure à celle de la règle. When the material of the bar and more particularly its coefficient of expansion and the useful free length of the bar are suitably chosen, the front end of the rule, that is to say its zero point, moves - within a predetermined temperature range, that is to say between the start of work temperature and the service temperature - exactly to the extent corresponding to the thermal expansion of the entire length of the part of the machine to which it is attached, which length is generally much greater to that of the rule.
La pratique a montré que ce système de mesure peut fonctionner parfaitement et que les erreurs de mesure dont il a été question dans ce qui précède sont réduites à une valeur pratiquement négligeable. Il a toutefois été constaté que le système réagit avec un certain retard. La cause de cette réponse lente réside dans la conduction de chaleur insuffisante entre les zones et portions de la première partie de machine où la chaleur est produite et le barreau de dilatation. Dans l'exemple des fraiseuses, il s'agit en particulier des zones du chariot porte-broche où sont montés les roulements de la broche. Practice has shown that this measurement system can function perfectly and that the measurement errors mentioned in the foregoing are reduced to a practically negligible value. However, it was found that the system reacts with a certain delay. The cause of this slow response lies in the insufficient heat conduction between the zones and portions of the first part of the machine where the heat is produced and the expansion bar. In the example of milling machines, these are in particular the areas of the spindle carriage where the spindle bearings are mounted.
L'invention vise à améliorer la rapidité de réaction aux changements de température d'un système de mesure du type indiqué. The invention aims to improve the speed of reaction to temperature changes of a measurement system of the indicated type.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le barreau de dilatation est tenu, de manière que le barreau puisse encore coulisser axialement, par au moins une cheville conductrice de chaleur faite d'un matériau à haute conductivité thermique et qui relie le barreau à une portion particulièrement exposée à l'échauffement de la première partie de machine. According to an essential characteristic of the invention, the expansion bar is held, so that the bar can still slide axially, by at least one heat conducting pin made of a material with high thermal conductivity and which connects the bar to a portion particularly exposed to the heating of the first part of the machine.
Il s'établit ainsi un ou plusieurs ponts thermiques entre les zones ou portions - situées le plus souvent au coeur de la première partie de machine - qui sont chauffées fortement très vite après la mise en marche et le barreau de dilatation, ce qui accélère ltéchauffement et l'allongement correspondant du barreau. One or more thermal bridges are thus established between the zones or portions - most often located at the heart of the first part of the machine - which are heated strongly very quickly after switching on and the expansion bar, which accelerates heating. and the corresponding lengthening of the bar.
En cas d'application de l'invention au chariot portebroche d'une fraiseuse, par exemple avec utilisation d'une ou de deux chevilles conductrices de chaleur s'étendant à travers des cloisons transversales du chariot directement jusque contre les roulements ou autres paliers de la broche d'usinage, le laps de temps qu'il faut au barreau de dilatation pour s'échauffer à la mise en marche de la température ambiante jusqu'à la température de service, et pour s'allonger en conséquence, peut être ramené d'environ 20-30 min à 5-10 min. If the invention is applied to the spindle carriage carriage of a milling machine, for example with the use of one or two heat conductive dowels extending through transverse partitions of the carriage directly against the bearings or other bearings of the machining spindle, the time it takes for the expansion bar to warm up from room temperature to service temperature, and to lengthen accordingly, can be reduced from about 20-30 min to 5-10 min.
Pour améliorer plus encore la transmission de chaleur, la cheville peut présenter un alésage borgne central de diamètre et longueur adéquats dans son tronçon situé dans la partie de machine et avoir un diamètre extérieur qui correspond à la largeur du barreau. Il est recommandé de prévoir un usinage fin de la face extreme de la cheville et de la surface d'appui du barreau afin que la transmission de chaleur à ces surfaces de contact soit optimale. To further improve the heat transmission, the dowel may have a central blind bore of adequate diameter and length in its section located in the machine part and have an outside diameter which corresponds to the width of the bar. It is recommended to plan a fine machining of the extreme face of the dowel and of the support surface of the bar so that the heat transmission to these contact surfaces is optimal.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention pour raccourcir le temps de réponse, le barreau de dilatation est disposé dans une rainure longitudinale de la première partie de machine, d'un chariot porte-broche par exemple, avec ajustement mais de manière que des mouvements longitudinaux entre le bout avant du barreau et la première partie de machine soient encore possibles. According to yet another characteristic of the invention, in order to shorten the response time, the expansion bar is arranged in a longitudinal groove of the first part of the machine, of a spindle carriage for example, with adjustment but in such a way that Longitudinal movements between the front end of the bar and the first part of the machine are still possible.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de rdalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est une coupe horizontale longitudinale montrant schématiquement un dispositif selon l'invention installé sur le chariot porte-broche d'une fraiseuse universelle;
- la figure 2 est une coupe verticale de ce dispositif, prise suivant la ligne Il-Il de la figure 3 mais à plus grande échelle; et
- la figure 3 est une coupe longitudinale partielle nnis à plus grande échelle et plus détaillée de ce meme dispositif.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows of an exemplary embodiment without limitation, as well as from the appended drawings, in which
- Figure 1 is a longitudinal horizontal section schematically showing a device according to the invention installed on the spindle carriage of a universal milling machine;
- Figure 2 is a vertical section of this device, taken along the line Il-Il of Figure 3 but on a larger scale; and
- Figure 3 is a partial longitudinal section nnis on a larger scale and more detailed of this same device.
Les dessins représentent un chariot porte-broche 1 sur lequel est montée, par une plaque intermédiaire 2, une tete de fraisage vertical 3, dont la broche tourne autour de l'axe 4. Sur l'une des faces latérales du chariot 1 est installé un barreau de dilatation 5 d'un matériau à coefficient de dilatation thermique élevé, d'aluminium ou de zinc par exemple. A son bout arrière représenté à droite sur la figure 1, le barreau 5 présente plusieurs trous 6 par lesquels il est fixé au chariot au moyen d'au moins une vis 7. Par sa portion extrême avant, le barreau 5 est maintenu axialement coulissant sur le chariot 1 par des éléments de support et de fixation qui seront décrits en détail dans ce qui va suivre. The drawings represent a spindle carriage 1 on which is mounted, by an intermediate plate 2, a vertical milling head 3, the spindle of which rotates about the axis 4. On one of the lateral faces of the carriage 1 is installed an expansion bar 5 of a material with a high coefficient of thermal expansion, of aluminum or zinc for example. At its rear end represented on the right in FIG. 1, the bar 5 has several holes 6 by which it is fixed to the carriage by means of at least one screw 7. By its extreme front portion, the bar 5 is held axially sliding on the carriage 1 by support and fixing elements which will be described in detail in what follows.
Le bout avant du barreau 5, représenté à gauche sur la figure 1, présente un trou 8 traversé par une vis de serrage 9 au moyen de laquelle une entretoise 10 et une règle 11 sont reliées de façon fixe au bout avant du barreau 5. A l'entretoise 10 est fixée une plaque 12 en matériau d'isolation thermique, de préférence en mousse de polyuréthanne, qui est disposée parallèlement au barreau 5 et à la règle 11 entre et à faible distance de ceux-ci. La plaque isolante il peut être en forme de capot en section droite et entourer le barreau de dilatation également sur les cOtés. La plaque isolante 12 est fixée par son extrémité arrière au chariot porte-broche 1 à l'aide d'une autre entretoise 13 et d'une vis 14.L'extrémité arrière de la règle 11 porte un embout 15 qui traverse avec jeu un trou 16 d'une équerre de support 17 et soutient ainsi la règle 11 avec possibilité de coulissement axial. The front end of the bar 5, shown on the left in FIG. 1, has a hole 8 crossed by a clamping screw 9 by means of which a spacer 10 and a rule 11 are fixedly connected to the front end of the bar 5. A the spacer 10 is fixed a plate 12 of thermal insulation material, preferably of polyurethane foam, which is arranged parallel to the bar 5 and the rule 11 between and at a short distance therefrom. The insulating plate can be in the form of a hood in cross section and surround the expansion bar also on the sides. The insulating plate 12 is fixed at its rear end to the spindle-carrying carriage 1 by means of another spacer 13 and a screw 14. The rear end of the rule 11 carries an end piece 15 which crosses with play a hole 16 of a support bracket 17 and thus supports the rule 11 with the possibility of axial sliding.
Une tâte de lecture 18 qui est seulement indiquée schématiquement en traits mixtes sur la figure 1 est fixée sur le montant - non représenté figure 1 - sous la règle ll et aussi sous le chariot 1, en vue de la lecture, lors des mouvements du chariot porte-broche, des graduations ou autres repères portés par un barreau de verre 19 cimenté dans la règle 11. A reading head 18 which is only indicated diagrammatically in dashed lines in FIG. 1 is fixed to the upright - not shown in FIG. 1 - under the rule ll and also under the carriage 1, for reading, during movements of the carriage spindle holder, graduations or other marks carried by a glass rod 19 cemented in rule 11.
La figure 1 montre en pointillé la position de la broche d'usinage horizontale respectivement la position de l'arbre d'entrainement de la broche verticale. L'un ou l'autre de ces organes est monté rotatif dans le chariot porte-broche par des roulements ou d'autres paliers 20, 21 supportés dans des cloisons transversales massives 22,23. Figure 1 shows in dotted line the position of the horizontal machining spindle respectively the position of the drive shaft of the vertical spindle. One or the other of these members is rotatably mounted in the spindle carriage by bearings or other bearings 20, 21 supported in massive transverse partitions 22,23.
Chacune de ces cloisons présente un creux 24 ou 25 dans lequel est ajustée une cheville conductrice de chaleur 26 ou 27 en cuivre.Each of these partitions has a recess 24 or 25 in which a heat conductive dowel 26 or 27 made of copper is fitted.
L'extrémité intérieure de chaque cheville est en contact ou presque avec le roulement 20 ou 21 considéré, tandis que l'extrémité extérieure de la cheville est à fleur de la surface extérieure du chariot.The inner end of each pin is in contact or almost with the bearing 20 or 21 considered, while the outer end of the pin is flush with the outer surface of the carriage.
Les détails de la construction du dispositif selon l'invention seront décrits ci-après en référence aux figures 2 et 3. The details of the construction of the device according to the invention will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
La figure 2 montre que le chariot porte-broche 1 peut coulisser longitudinalement dans des glissières en queue d'aronde latérales 30. Le creux 24 ménagé dans la cloison transversale du chariot 1 contenant le roulement de broche avant 20 peut avoir une section droite circulaire ou rectangulaire et s'étend du roulement 20 jusqutà la surface latérale extérieure du chariot. La cheville conductrice de chaleur 26 est ajustée dans ce creux 24 par ses extrémités axiales, séparées par un amincissement 31 sur la partie médiane. La cheville 26 peut avoir une section droite circulaire ou rectangulaire, suivant la section du creux 24. Dans son tronçon situé du côté du roulement de broche 207 la cheville 26 présente un trou borgne 32 de diamètre adéquat, qui est prolongé dans la portion extérieure de la cheville par un trou taraudé 33.Ce dernier sert à la réception d'une vis 34 par laquelle le barreau de dilatation 5 est tenu sur la cheville 26, donc sur le chariot porte-broche 1, avec interposition d'une douille à collet 35. Comme cela ressort également des figures 2 et 3, le barreau 5 est ainsi directement en contact avec la cheville conductrice de chaleur 26. La figure 3 en particulier montre que la vis 34 et la douille 35 traversent un trou oblong 36 du barreau 5 et que le collet annulaire 37 de la douille 35 est en appui sur le côté extérieur du barreau autour de ce trou; le barieau 5 est ainsi convenablement tenu mais la portion considérée du barreau peut néanmoins coulisser longitudinalement par rapport à la cheville 26 donc aussi par rapport au carter du chariot porte-broche 1. FIG. 2 shows that the spindle-carrying carriage 1 can slide longitudinally in lateral dovetail slides 30. The recess 24 formed in the transverse partition of the carriage 1 containing the front spindle bearing 20 may have a circular cross section or rectangular and extends from the bearing 20 to the outer lateral surface of the carriage. The heat conductive plug 26 is adjusted in this hollow 24 by its axial ends, separated by a thinning 31 on the middle part. The pin 26 may have a circular or rectangular cross section, depending on the section of the hollow 24. In its section located on the side of the spindle bearing 207 the pin 26 has a blind hole 32 of adequate diameter, which is extended in the outer portion of the dowel by a tapped hole 33. The latter is used to receive a screw 34 by which the expansion bar 5 is held on the dowel 26, therefore on the spindle-carrying carriage 1, with the interposition of a collar sleeve 35. As can also be seen in FIGS. 2 and 3, the bar 5 is thus directly in contact with the heat conducting pin 26. FIG. 3 in particular shows that the screw 34 and the sleeve 35 pass through an oblong hole 36 in the bar 5 and that the annular collar 37 of the sleeve 35 is in abutment on the outside of the bar around this hole; the bar 5 is thus suitably held but the considered portion of the bar can nevertheless slide longitudinally relative to the pin 26 therefore also relative to the housing of the spindle-carrying carriage 1.
Le barreau 5, la plaque isolante 12 et la règle 11 sont entourés d'un capot protecteur 38. The bar 5, the insulating plate 12 and the rule 11 are surrounded by a protective cover 38.
La figure 3 montre qu'une autre cheville conductrice de chaleur 27 est prévue au droit du roulement de broche arrière et est reliée au barreau de dilatation 5 par une liaison vissée semblable à celle qui vient d'etre décrite. FIG. 3 shows that another heat conductive dowel 27 is provided in line with the rear spindle bearing and is connected to the expansion bar 5 by a screw connection similar to that which has just been described.
Le système de mesure fonctionne comme suit
Pendant les déplacements du chariot 1, la tête de lecture 11 mesure chaque fois les distances parcourues et transmet ces informations à la commande à programme de la fraiseuse universelle. En cas de changement de température pendant le fonctionnement, la longueur effective de l'ensemble du chariot porte-broche y compris les pièces 2 et 3 change également, de la quantité a 1M. Si la règle 11 était fixée directement au chariot par les deux extrémités, sa longueur se modifierait d'une quantité a 1DO qui est nettement inférieure à la variation de longueur du chariot 1 avec les pièces 2 et 3 montées sur lui, puisque la règle 11 est plus courte que la longueur utile du chariot.The measurement system works as follows
During the movements of the carriage 1, the read head 11 measures the distances traveled each time and transmits this information to the program control of the universal milling machine. In the event of a change in temperature during operation, the effective length of the entire spindle carriage including parts 2 and 3 also changes, from the quantity to 1M. If the rule 11 was fixed directly to the carriage by the two ends, its length would change by an amount to 1DO which is much less than the variation in length of the carriage 1 with the parts 2 and 3 mounted on it, since rule 11 is shorter than the useful length of the carriage.
La longueur et le matériau du barreau de dilatation 5, qui est seulement relié de façon fixe au chariot porte-broche par son bout arrière, ont été choisis de telle manière que le barreau s'allonge ou se raccourcit, en cas de changements de la température, à peu près de la même quantité que la longueur utile totale du chariot porte-broche 1, y compris les pièces 2 et 3 montées sur lui. Du fait que la règle 11 est isolée thermiquement par rapport au chariot 1 qui s'échauffe pendant le fonctionnement et par rapport au barreau 5 et du fait que la règle est seulement reliée de façon fixe au bout avant du barreau 5, la règle est emportée par cette partie de barreau, effectuant les dilatations thermiques, si bien que la tête de lecture 18 lit des valeurs qui correspondent aux positions modifiées par échauffement de l'axe 4 de la tête de fraisage vertical.Le dispositif de commande à programme peut ainsi réagir aux dilatations thermiques et compenser les erreurs de positionnement de la broche verticale. Les chevilles conductrices de chaleur en cuivre - ou un autre métal de haute conductivité thermique - ont pour fonction de transmettre la chaleur produite, par le frottement dans les roulements de broche 20, 21 par exemple, aussi directement et rapidement que possible au barreau de dilatation 5, de sorte que la variation de température du barreau correspond à peu près et seulement avec un faible retard à celle des roulements de broche, ou d'autres pièces où se produit un développement de chaleur. The length and material of the expansion bar 5, which is only fixedly connected to the spindle carriage by its rear end, have been chosen in such a way that the bar lengthens or shortens, in the event of changes in the temperature, roughly the same amount as the total useful length of the spindle carriage 1, including parts 2 and 3 mounted on it. Because the rule 11 is thermally insulated from the carriage 1 which heats up during operation and from the bar 5 and from the fact that the rule is only fixedly connected to the front end of the bar 5, the rule is carried by this part of the bar, carrying out thermal expansions, so that the read head 18 reads values which correspond to the positions modified by heating of the axis 4 of the vertical milling head. The program control device can thus react thermal expansion and compensate for errors in positioning the vertical spindle. The function of the heat conductive plugs of copper - or another metal of high thermal conductivity - is to transmit the heat produced, by friction in the spindle bearings 20, 21 for example, as directly and quickly as possible to the expansion bar 5, so that the temperature variation of the bar corresponds roughly and only with a slight delay to that of the spindle bearings, or other parts where heat development occurs.
L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation représentée. Elle est applicable aussi à d'autres parties de machine, notamment à des montants, des bancs, des tables et des organes analogues effectuant des mouvements horizontaux ou verticaux par rapport à d'autres parties de machine. The invention is not limited to the embodiment shown. It is also applicable to other parts of the machine, in particular to uprights, benches, tables and the like making horizontal or vertical movements with respect to other parts of the machine.
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| DE897163C (en) * | 1941-04-13 | 1953-11-19 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Measuring device for recording temperature-related dimensional deviations of components, in particular aircraft components, which have a different thermal expansion capacity than the material of the construction devices |
| US3816002A (en) * | 1972-10-10 | 1974-06-11 | H Wieg | Apparatus for measuring displacement between two relatively movable members |
| FR2300991A1 (en) * | 1975-02-11 | 1976-09-10 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | DEVICE FOR MEASURING OR ADJUSTING THE RELATIVE POSITION OF TWO OBJECTS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3116827A1 (en) | 1983-02-03 |
| DE3116827C2 (en) | 1983-10-20 |
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