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1. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Steuerung, insbesondere eine Höhensteuerung,
für einen über dem Untergrund
geführten
Arbeitskopf.
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II. Technischer Hintergrund
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In
vielen Anwendungsfällen
wird der Untergrund bearbeitet, beispielsweise der Boden gekehrt oder
der Bewuchs des Bodens gemäht,
mittels eines Arbeitskopfes, der – z. B. an einem Arbeitsfahrzeug befestigt – über dem
Untergrund geführt
wird.
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Wenn
es sich dabei nicht um vollständig künstlich
eingeebneten Untergrund handelt, ist hierfür eine Erkennung der Kontur
des zu bearbeitenden Untergrunds und/oder dessen Bewuchses in Arbeitsrichtung
vor dem Arbeitskopf notwendig und eine entsprechende Steuerung des
Arbeitskopfes hinsichtlich Höhenlage,
Seitenkippung, Schrägstellung
in der Aufsicht und/oder Drehzahl, Drehmoment und Arbeitsgeschwindigkeit
in Arbeitsrichtung notwendig.
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Je
ungleichmäßiger der
Untergrund und/oder der zu beachtende Bewuchs des Untergrundes hinsichtlich
Höhe und
Struktur ist, umso eher erfolgt dies nach wie vor von Hand.
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Ein
typischer Fall für
eine derartige Anwendung ist der am vorderen Ende eines Auslegerarmes von
einem Arbeitsfahrzeug geführte
Mähkopf
eines Auslegermähgerätes, insbesondere
eines Randstreifen-Mähgerätes, mit
dessen Hilfe neben dem Straßenrand
der Bewuchs der Grünflächen gemäht wird, weshalb
im Folgenden an Stelle des Begriffes „Arbeitskopf" die konkrete Bezeichnung „Mähkopf" verwendet wird,
ohne die Erfindung auf diesen Anwendungsfall zu beschränken.
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Bei
einem derartigen Mähkopf
erfolgt im Stand der Technik die Abtastung des Untergrundes dadurch,
dass am Gehäuse
des Mähkopfes,
in Arbeitsrichtung allerdings hinter dem Mähwerk, eine Abtastwalze befestigt
ist, die auf dem Untergrund aufliegt. Auf Grund einer federnden
Aufhängung
der Abtastwalze am Gehäuse
und/oder eines damit verbundenen Kraftsensors oder Drucksensors
wird sichergestellt, dass die Abtastwalze und damit der Mähkopf nicht
zu stark gegen den Boden gepresst wird und in diesem Sinne über die
meist mittels Hydraulikzylinder relativ zueinander verstellten und
in Position gehaltenen Teile des Auslegerarmes der Mähkopf mit
einer vorgegebenen Kraft bzw. Druck auf dem Untergrund aufliegt.
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Kippstellungen
des Mähkopfes
zur Seite um eine in Längsrichtung
verlaufende horizontale Kippachse, Schrägstellungen des Mähkopfes
in der Aufsicht betrachtet, also schräg zur Arbeitsrichtung, müssen ebenso
manuell vom Bediener vorgegeben werden wie ein Anheben des Mähkopfes
vor relativ steil aufragenden Erhebungen, wenn das Ansteigen der
Erhebung so steil ist, dass die hinter dem Mähwerk angeordnete Abtastwalze
ein Hineinfräsen
der Messer des Mähwerkes
in die ansteigende Flanke der Erhebung nicht verhindern könnten.
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Eine
solche über
die Breite des Mähkopfes sich
erstreckende Abtastwalze kann speziell bei einem Mähwerk nicht
vor dem Mähwerk
angeordnet werden, da dies zum Niederdrücken des zu mähenden Grases
führen
würde.
Die Anordnung hinter dem Mähwerk
kann jedoch das Eingraben in eine steil ansteigende Erhebung nicht
zuverlässig
verhindern.
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Punktuell
bzw. in Fahrtrichtung linienförmig vor
dem Mähwerk
anzuordnende kontaktierende Abtastelemente wie Gleitkufen, Tasträder etc.,
die das Mähgut
nicht auf der gesamten Breite niederdrücken, haben sich in der Praxis
nicht bewährt,
da sie auf Grund der hohen Fahrgeschwindigkeit solcher Mähköpfe von
ca. 5 km/h häufig
nach hinten umgebogen und abgerissen werden, sobald sie an einem
steil aufragenden Hindernis hängen
bleiben.
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Weiterhin
wurde in der Vergangenheit bereits vorgeschlagen, eine Höhenabtastung
mittels berührungslos
arbeitender Sensoren durchzuführen,
jedoch fehlt es bisher an in der Praxis anwendbaren Gesamtkonzepten
und Detaillösungen
einer solchen kontaktlosen Bodenabtastung.
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III. Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
mit bewährten,
kostengünstigen,
mittels Kontakt arbeitenden, Sensoren die Krafteinwirkung des Untergrundes
zu messen, bevor sich der Arbeitskopf mit seinem vorderen Bereich
in einer Erhebung des Untergrundes eingräbt.
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Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Indem
die vom Untergrund in Gegenrichtung zur Fahrtrichtung auf dem Arbeitskopf
einwirkende Gegenkraft gemessen wird, die ja besonders bei einem
unerwartet auftretenden Hindernis wie einer Erhebung des Untergrundes
oder einem Pfosten schnell und drastisch zunimmt, wird die Annäherung bereits
der Vorderkante des Arbeitskopfes gegen ein solches Hindernis bemerkt.
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Bei
den Lösungen,
bei denen die Höhenbewegung
der hinter dem Gehäuse
angeordneten Abtastwalze erst ein Steuersignal auslöst, sind
häufig zuvor
schon Beschädigungen
am Arbeitskopf oder am Auslegerarm erfolgt.
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Dabei
stehen mehrere Möglichkeiten
einzeln oder in Kombination miteinander zur Verfügung, an welcher Stelle und
mittels welchen Messprinzips diese Gegenkraft gemessen werden kann,
die ja auch im Normalbetrieb immer vorhanden ist allein durch den
vom Bewuchs dargestellten Widerstand gegen das Vorwärtsbewegen
des Arbeitskopfes in Fahrtrichtung.
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Eine
Möglichkeit
besteht darin, das Einwirken dieser Gegenkraft auf den Auslegerarm
zu messen, und zwar möglichst
nah am Befestigungspunkt des Arbeitskopfes am Auslegerarm, also
bei einem mehrteiligen Auslegerarm insbesondere an dem dem Arbeitskopf
nächstliegenden
Teil des Auslegerarmes.
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Vorzugsweise
wird dabei die Gegenkraft gemessen in Form einer Spannungsänderung
im Material des Auslegerarmes oder in Form einer Druckänderung
in den mit dem Auslegerarm verbundenen und die einzelnen Armteile
des Auslegerarmes bewegenden Hydraulikzylindern.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, am Drehturm, mittels dessen der Auslegerarm auf dem Trägerfahrzeug
um eine vertikale Achse gelagert ist, die durch die Gegenkraft bewirkte
Winkeländerung bzw.
Wegänderung
in Umfangsrichtung zu messen.
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Gemessen
wird dabei mittels eines Wegsensors oder Positionssensors die Positionsänderung des
Auslegerarmes relativ zum Trägerfahrzeug,
wobei Weg- und Positionsänderungen
insbesondere durch entsprechende Sensoren in den Hydraulikzylindern,
die diese Bewegungen bewirken, gemessen werden können.
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Dabei
kann als Notmaßnahme
insbesondere eine Umsteuerung von Hydraulikmedium erfolgen, um Beschädigungen
am Arbeitskopf und Auslegerarm zu vermeiden:
Wenn durch Anlauf
an einem Hindernis der Druck in demjenigen Hydraulikzylinder, der
die Drehbewegung des Auslegerarmes und damit des Drehturmes relativ
zum Trägerfahrzeug
bewirkt, ansteigt, kann sich ein spezielles Ventil automatisch öffnen und
aus diesem Zylinderhydraulikmedium abfließen lassen in demjenigen Hydraulikzylinder,
der das Anheben des Arbeitskopfes bewirkt, so dass zumindest bei
Hindernissen mit endlicher Höhe
die Chance besteht, das Hindernis automatisch und ohne Beschädigung am Arbeitskopf
zu überfahren.
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Neben
diesen indirekten Detektionsmethoden stehen auch direkte Möglichkeiten,
also direkt gemessen am Gehäuse
des Arbeitskopfes, zur Verfügung:
Indem
ein oder mehrere Tastelemente neben und insbesondere auch vor dem
Arbeitskopf an dessen Gehäuse
befestigt sind, beispielsweise in Fahrtrichtung verlaufende Sensorleisten,
kann die Wirkung der Gegenkraft auf diese Sensorleisten gemessen werden.
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Die
Messung kann erfolgen durch Spannungsmessung im Material der Sensorleiste
oder durch Messung der Positionsveränderung der Sensorleiste relativ
zum Gehäuse.
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Das
Anordnen der Tastelemente, insbesondere der Sensorleisten, vor dem
Gehäuse
des Arbeitskopfes ermöglicht
es, vor Kollision des Arbeitskopfes mit dem Hindernis dessen Bewegung
zu ändern
oder zu stoppen.
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Um
zu vermeiden, dass das vor dem Mähkopf
in der Regel hoch aufragende Mähgut
niedergedrückt
wird und damit schlechter gemäht
werden kann, sollten diese Tastelemente eine möglichst geringe Breite in Querrichtung
gemessen besitzen und im Falle von Sensorleisten nur in Fahrtrichtung
verlaufen, beispielswei se von vorn nach hinten sich kufenförmig vom
Gehäuse
zum Untergrund absenken und dabei insbesondere über die Vorderkante des Gehäuses vorstehen.
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Um
nicht mit dem Mähwerk
zu kollidieren, können
innerhalb der Mähbreite
vor dem Gehäuse angeordnete
Tastelemente sich nicht allzu weit nach hinten in Richtung Mähwerk erstrecken,
seitlich neben dem Gehäuse
angeordnete Sensorleisten können
sich jedoch entlang des Gehäuses
bis zu dessen Hinterkante und darüber hinaus erstrecken, und
dort auch mit der an sich bekannten, über die gesamte Breite des
Arbeitskopfes sich erstreckenden Abtastwalze verbunden sein.
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Je
nach Messmethode an dem Tastelement, insbesondere der Sensorleiste,
also Spannungsmessung einerseits oder Positionsveränderung
zum Gehäuse
andererseits, sind diese Sensorleisten elastisch verbiegbar ausgelegt
(für das
Messen einer Positionsveränderung)
oder so stabil, dass eine Lageveränderung relativ zum Gehäuse nicht
zu erwarten ist (für
Spannungsmessung im Material der Sensorleiste).
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Derartige
Sensorleisten können – sofern
sie mit der Abtastwalze nicht verbunden sind – auch zusätzlich zur üblichen Anordnung und auch
Messung der Relativbewegung der Abtastwalze zum Gehäuse vorhanden
sein, um besonders an der Vorderkante des Gehäuses auftretende Belastungen
zu detektieren und damit zeitlich vor der entsprechenden Auslösung der
Abtastwalze.
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Zusätzlich empfiehlt
es sich, die Neigung bezüglich
der Querrichtung mit zu detektieren, also Bergauffahrt oder Bergabfahrt,
denn dadurch ändert sich
die schwerkraftbedingte Krafteinwirkung auch auf den Mähkopf, was
von der Steuerung berücksichtigt
werden muss, um den tatsächlichen,
durch Hindernisse und Mähgut
bewirkten, Widerstand errechnen zu können.
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1: Den Arbeitskopf in der Seitenansicht und
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2:
Die gesamte Vorrichtung in der Aufsicht.
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1a zeigt
einen Arbeitskopf 2 in der Seitenansicht, der am vorderen
Ende eines Ausleger-Armteiles 1a befestigt ist und dabei
sowohl schwenkbar ist um eine in Fahrtrichtung 10 verlaufende
Kippachse 8 als auch um eine vertikale Achse.
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Bekannt
ist dabei bereits die Befestigung einer in Fahrtrichtung 10 hinter
dem Arbeitskopf 2 quer verlaufenden Abtastwalze 14 am
Gehäuse 2a mittels Federstahl-Stäben 16.
Dabei wird schon bisher die Relativbewegung in vertikaler Richtung
der Abtastwalze 14 gegenüber dem Gehäuse 2a detektiert,
beispielsweise durch einen am Federstahl 16 angeordneten
Sensor 3f, der die Spannung im Federstahl misst oder auch
den Abstand zum Gehäuse 2a.
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Dabei
wird klar, dass sich von vorne gegen das Gehäuse 2a an die Hindernisse
H wie etwa eine steile Erhebung des Untergrundes 9, dabei
zunächst von
der Abtastwalze 14 nicht detektiert werden können, und
somit der Arbeitskopf 2 mit der Vorderkante seines Gehäuses 2a und/oder
auch mit dem in Gehäuse 2a rotierenden
Mähwerk
in Kontakt mit dem Hindernis H gerät und dadurch beschädigt werden kann.
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1a zeigt,
wie dies verhindert werden kann:
Im vorderen Bereich ist am
Gehäuse 2a eine
Sensorleiste 13 befestigt, die bogenförmig gekrümmt oder auch geknickt vom
Gehäuse 2a aus
nach vorne unten verläuft
und damit über
die Vorderkante des Gehäuses 2a nach
vorne vorsteht, und sich von ihrem vordersten Punkt aus wieder entgegen
der Fahrtrichtung ziehend nach hinten erstreckt und dabei nach unten
gegen den Untergrund 9 absinkt und diesen vorzugsweise
auch erreicht. Dieser Teil ist vorzugsweise als kufenförmig gebogene,
also sich dem Untergrund 9 asymptotisch annähernde,
Form ausgebildet.
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Eine
solche Sensorleiste 13 gemäß 1a ist
vorzugsweise aus einem federnden Material, etwa aus Federstahl,
gebildet, und an ihrem oberen Ende fest am Gehäuse 2a verbunden.
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Beim
Annähern
von Hindernissen egal ob von vorne, gegen den vordersten Punkt der
Sensorleiste 13, oder von unten durch Ansteigen des Untergrundes
wird die Sensorleiste 13 verformt, was durch daran angeordnete
Sensoren, die insbesondere als separate Sensoren 3d im
oberen Bereich und 3e im unteren Bereich vorhanden sein
können,
detektiert. Es handelt sich dabei vorzugsweise um Spannungssensoren,
die die innere Spannung im Material der Sensorleiste 13 messen,
beispielsweise im simpelsten Fall um Dehnmessstreifen. Auch Weg-
oder Positionssensoren zum Detektieren der Position bzw. Verlagerung
gegenüber
dem Gehäuse 2a wären möglich.
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Derartige
Sensorleisten 13, die – wie 2a in der Aufsicht von oben zeigt – hinsichtlich
ihrer Breite sehr schmal ausgebildet sind und nicht bis unter das
Mähwerk
nach hinten laufen, können über die Breite
des Arbeitskopfes 2 verteilt mehrfach angeordnet sein oder
auch nur seitlich außerhalb
des Gehäuses 2a.
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1b zeigt
eine hiervon abweichende Lösung,
indem die Sensorleiste 13 nicht elastisch federnd, sondern
sehr stabil ausgebildet ist und bei Belastung durch eine Gegenkraft 12 entgegen
der Fahrtrichtung oder von unten her sich nicht relativ zum Gehäuse 2a verlagern
oder verformen soll, sondern starr bleiben soll.
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Mangels
erwünschter
Verformung und Verlagerung kommen hierfür nur Sensoren 3d,
e an der Sensorleiste 13 in Frage, die deren innere Spannung detektieren.
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Unabhängig davon,
ob die Sensorleiste 13 mehr oder weniger elastisch ausgebildet
wird, können
die beiden außerhalb
der Breite des Gehäuses 2a verlaufenden
Sensorleisten 13 sich bis hinter die Hinterkante des Gehäuses 2a nach
hinten erstrecken, und dort durch die an sich bekannte, hinter dem Gehäuse quer
verlaufende Abtastwalze 14 miteinander verbunden sein,
wodurch ein Abtastgebilde entsteht, welches Hindernisse sowohl vor
als auch hinter dem Gehäuse 2a gleichzeitig
detektieren kann.
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Zu
bevorzugen ist jedoch die Befestigung der Abtastwalze am Gehäuse unabhängig von
den Sensorleisten, um unterscheiden zu können, ob ein momentan auf den
Arbeitskopf einwirkendes Hindernis derzeit auf den vorderen Bereich,
den hinteren Bereich oder beide Bereiche des Arbeitskopfes gleichzeitig
einwirkt.
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Neben
diesen Messungen direkt am Arbeitskopf 2 zeigt 2 die
Anordnung von Sensoren 3a, b, ... zur indirekten Messung
der Gegenkraft 12 am Auslegerarm 1:
So kann
ein Sensor 3a an dem den Arbeitskopf 2 tragenden äußersten
Armteil 1a, insbesondere nahe am Befestigungspunkt des
Arbeitskopfes 2, angeordnet sein, oder auch weiter hinten
am Armteil 1a, nahe der Verbindungsstelle zum anderen Armteil 1b und
damit weiter entfernt von der Verschmutzung und herumfliegende Gegenstände auslösenden Arbeitsvorrichtung
im Arbeitskopf 2, beispielsweise einem Mähwerk.
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Ein
Sensor 3c kann nahe am oder im Drehturm 7 angeordnet
sein und die Position bzw. Bewegung des am Drehturm 7 befestigten
Armteiles 1a um die vertikale Achse 15 herum messen.
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Zusätzlich oder
insbesondere stattdessen können
anstelle der Sensoren 3a, b, die primär Spannungen messen oder des
Sensors 3c, die eine Position bzw. Verlagerung messen,
auch Sensoren 3g, 3h in den Hydraulikzylindern 5a,
b angeordnet sein, die beispielsweise die Drehbewegung des Drehturmes 7 um
die vertikale Achse 15 bewirken oder die Hubbewegung des äußeren Armteiles 1a,
relativ zum inneren Armteil 1b und damit das durch eine
Gegenkraft 12 ausgelöste
zusätzliche
Aus- oder Einfahren eines der betroffenen Hydraulikzylindern.
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In
allen Fällen
werden die von den Sensoren 3a, b ... gelieferten Signale 4a,
b, ... an die Steuerung 20 der Vorrichtung übertragen,
die weiterhin Impulse von dem manuell bedienten Bedienteil 22 erhält und gegebenenfalls
auch von einer bereits vorhandenen Separat-Steuerung 23,
die schon bisher vorhanden war für
die Verarbeitung der durch die Bewegung der Abtastwalze gelieferten
Signale, welche durch die übrigen
Sensoren und Sensorleisten nachgerüstet werden soll.
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Die
Steuerung 20 verarbeitet alle eingehenden Signale automatisch
zu notwendigen Reaktionen, die in Steuerbefehlen für die an
die Steuerung 20 angeschlossenen Hydraulikfunktionen 21 enden.
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- 1
- Auslegerarm
- 1a,
b
- Armteil
- 2
- Arbeitskopf
- 2a
- Gehäuse
- 3a,
b...
- Sensor
- 4a,
b...
- Signal
- 5a,
b...
- Hydraulik-Zylinder
- 6
- Trägerfahrzeug
- 7
- Drehturm
- 8
- Kippachse
- 9
- Untergrund
- 10
- Fahrtrichtung
- 11
- Querrichtung
- 12
- Gegenkraft
- 13
- Sensorleiste
- 14
- Abtastwalze
- 15
- Vertikale
Achse
- 16
- Federstahl
- 17
-
- 18
-
- 19
-
- 20
- Steuerung
- 21
- Hydraulik-Funktionen
- 22
- Bedienteil
- 23
- Abtastwalzen-Bewegung
- H
- Hindernis