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Die
Erfindung betrifft einen Messaufnehmer zur Erfassung von Vibrationen,
Schwingungen und/oder Körperschallemissionen
von Prüfobjekten.
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Messaufnehmer
zur Erfassung von Körperschallemissionen,
beispielsweise in der Qualitätssicherung
eines Fertigungsablaufs, sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen
bekannt. Üblicherweise
wird zur Messung der Körperschallemissionen
ein Körperschallsensor
mit einem Prüfobjekt
in Kontakt gebracht, wonach dessen Bewegungs- beziehungsweise Funktionsablauf
simuliert wird. Zur Herstellung eines guten Kontaktes zwischen Prüfobjekt
und Sensor wird dieser üblicherweise
aufgeklebt oder verschraubt. Eine solche Fixierung ist bei einer Vielzahl
von aufeinander folgenden Messungen an gleichen oder unterschiedlichen
Messpunkten relativ aufwändig,
so dass mit einer solchen Funktionsprüfung eines Prüfobjekts
relativ hohe Kosten verbunden sind.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, einen möglichst
universell verwendbaren Messaufnehmer zur Erfassung von Vibrationen, Schwingungen
und/oder Körperschallemissionen von
Prüfobjekten
zur Verfügung
zu stellen.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs
erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßer Messaufnehmer
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs weist eine axial innerhalb eines Gehäuses verschiebbare
Stange auf, die an einem aus dem Gehäuse ragenden freien Ende eine
Messspitze zur Kontaktierung eines Prüfobjektes und am anderen Ende
einen mit der Stange verbundenen Körperschallsensor aufweist.
Die Stange ist axial verschiebbar im Gehäuse gelagert und kann gegebenenfalls
eine Verdrehsicherung aufweisen. Zudem weist die Stange eine gedämpfte Mittellage
auf, so dass die Messspitze auf den Prüfobjekt aufgesetzt und leicht
gegen dieses angedrückt
werden kann, wobei jederzeit ein zuverlässiger Kontakt mit dem Prüfobjekt
herstellbar ist. Die axial gegen eine Dämpfung beziehungsweise Federung
aus ihrer Mittellage verschiebbare Stange mit dem daran befes tigten
Körperschallsensor
stellt sicher, dass beim Aufsetzen der Messspitze diese leicht nachgeben
kann, sodass unter allen Bedingungen eine zuverlässige Koppelung des Messaufnehmers
mit dem Prüfobjekt
sichergestellt ist.
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Der
Körperschallsensor,
der mit der Stange verbunden ist, ist im Gehäuse vorzugsweise mittels elastischer
Dämpfungselemente
abgestützt.
Als solche elastische Dämpfungselemente
kommen insbesondere Schaumstoffeinlagen oder dergleichen in Frage,
die für
ein Zurückfedern
der Stange in ihre Mittellage sorgen, wenn die Messspitze nicht
mehr gegen das Prüfobjekt
gedrückt
wird. Zudem sollen die elastischen Dämpfungselemente dafür sorgen,
dass eine Wegbegrenzung der Messspitze ermöglicht ist, so dass der Körperschallsensor
nicht innerhalb des Gehäuses
gegen einen Anschlag gedrückt
werden kann. Die elastischen Dämpfungselemente
weisen eine Eigenfrequenz auf, die um ein Vielfaches unterhalb der
Frequenz der gemessenen Schwingungen liegt, so dass die Kontaktierung
der Messspitze mit dem Prüfobjekt
zu keiner Zeit beeinträchtigt
ist.
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Als
Schaumstoffmaterial kommt insbesondere ein Material mit geschlossenen
Poren in Frage, der über
einen längeren
Zeitraum definierte Federungs- und Dämpfungseigenschaften aufweist.
Ggf. kann eine zusätzliche
Federunterstützung
mittels einer Schraubenfeder o. dgl. vorgesehen sein, so dass auch
bei ermüdendem
Schaumstoffpolster ausreichende Federeigenschaften der Axiallagerung
sichergestellt sind.
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Als
Körperschallsensor
kommt insbesondere ein elektromechanischer Wandler in Frage, der
das Schwingungssignal in ein elektrisches Signal wandelt. Als derartige
Körperschallsensoren
eignen sich insbesondere relativ kostengünstige elektroakustische Messaufnehmer
in Frage, wie sie beispielsweise als Gitarrentonabnehmer (sog. Pick-Up)
verwendet werden. Diese Körperschallsensoren
weisen einen relativ breiten Frequenzumfang bei kompakten äußeren Abmessungen
sowie eine kostengünstige Herstellbarkeit
auf. Ggf. eignen sich auch piezoelektrische Wandler o. dgl.
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Die
Messspitze des Messaufnehmers kann auswechselbar ausgebildet sein.
Gegebenenfalls kann an der Messspitze ein Innen- oder Außergewinde
vorgesehen sein, so dass unterschiedliche Kontaktierungseinrichtungen
mit der Messspitze verbunden werden können. Als solche kommen beispielsweise
Kugeln, spitze Stifte oder Konturen in Frage, die an eine Außenkontur
des Prüfobjektes
angepasst sind.
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Weiterhin
kann der Messaufnehmer an einem der Messspitze gegenüber liegenden
Ende des Gehäuses
eine Anschlussplatte zu lösbaren
Fixierung an einer Messvorrichtung oder dergleichen aufweisen. Die
Anschlussplatte kann beispielsweise als lösbarer Gehäusedeckel ausgebildet sein,
der über ein
oder mehrere Innengewinde verfügen
kann, sodass die Anschlussplatte mit der Messvorrichtung verbunden
werden kann. Darüber
hinaus sind die unterschiedlichsten Befestigungsmöglichkeiten
für den Messaufnehmer
denkbar, sodass dieser beispielsweise auch mit einem schwenkbaren
Roboterarm oder dergleichen verbindbar ist.
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Die
Axiallagerung der Stange im Gehäuse kann
mittels leicht laufender Axiallager erfolgen. Darüber hinaus
kann die Stange innerhalb eines Rohres axial gelagert sein, das über zusätzliche
Dämpfungselemente
in Gehäuse
abgestützt
ist. Das Rohr kann insbesondere schwimmend im Gehäuse gelagert sein.
Eine solche schwimmende Lagerung läst sich auf einfache und kostengünstige Weise
mittels zweier Simmerringe herstellen, in denen die beiden äußeren Enden
des Rohres unter leichter Spannung eingeschoben und gelagert sind.
Solche Simmerringe weisen eine ausreichende Formsteifigkeit auf
und sorgen dennoch für
eine axiale und radiale Dämpfung
des darin gelagerten Rohres.
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Elektrische
Zuleitungen zu Sensor können wahlweise
aus dem Gehäuse
geführt
sein oder in einer Anschlussbuchse münden, die für einen elektrischen Signalabgriff
vorgesehen ist. In diese Buchse kann ein Stecker für eine Zuleitung
geschoben werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nun folgenden Figurenbeschreibung, in der:
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1 einen
erfindungsgemäßen Messaufnehmer
in schematischer Seitenansicht,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung des Messaufnehmers,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung einer alternativen Variante des
Messaufnehmers,
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4 eine
Draufsicht auf ein Gehäuse
des Messaufnehmers,
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5 eine
Detaildarstellung einer Variante des Messaufnehmers,
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6 eine
Draufsicht auf einen Gehäusedeckel
des Messaufnehmers und
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7 eine
Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers zeigt.
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1 verdeutlicht
eine mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 10,
der zur Erfassung von Vibrationen und Körperschallemissionen von Prüfobjekten
geeignet ist.
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Der
Messaufnehmer 10 weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse 12 auf,
das einen hohlzylindrischen oberen Gehäuseabschnitt 14 sowie
einen hohlzylindrischen unteren Gehäuseabschnitt 16 aufweist.
Der untere Gehäuseabschnitt 16 weist
einen kleineren Durchmesser auf als der obere Gehäuseabschnitt 14.
Das Verhältnis
der beiden Durchmesser beträgt
im dargestellten Ausführungsbeispiel
ca. 1:3. Beide Gehäuseabschnitte
sind verbunden durch einen kegelstumpfförmigen Verbindungsabschnitt 18, der
einen Übergang
zwischen den beiden Durchmessern bildet. Eine obere Stirnfläche 20 des
oberen Gehäuseabschnitts 14 wird
durch einen Gehäusedeckel 22 abgeschlossen.
Aus einer unteren Stirnfläche 24 des
unteren Gehäuseabschnitts 16 ragt
eine axial in Richtung entlang einer Gehäuselängsachse 26 verschiebbare
Stange 28, die zumindest im unteren Gehäuseabschnitt 16 axial
verschiebbar gelagert ist.
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Das
untere freie Ende der Stange 28 bildet eine Messspitze 30,
die zur Kontaktierung des Prüfobjekts
dient, dessen Vibrationen bzw. Körperschallemissionen
auf die Stange 28 übertragen
werden sollen. An dem im oberen Gehäuseabschnitt 14 befindlichen
anderen Ende der Stange 28 ist ein Körperschallsensor angebracht,
der die von der Messspitze aufgenommenen Vibrationen erfasst und
in elektrische Signale wandelt.
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Das
Gehäuse 12 kann
insbesondere aus Metall, bspw. aus einer Aluminiumlegierung oder
aus Edelstahl, oder auch aus einem geeigneten Kunststoffmaterial
bestehen. Das Gehäuse 12 lässt sich
in kleineren Stückzahlen
mittels spanabhebender Bearbeitung aus einem runden Vollmaterial
herstellen, insbesondere durch Drehen. Bei größeren Stückzahlen kann es rationeller
sein, wenn das Gehäuse 12 gegossen,
spritzgegossen oder mittels eines geeigneten Umformverfahrens hergestellt
wird. So kann das Gehäuse 12 auch
problemlos aus einer Blechplatine mittels eines Tiefzieh verfahrens
hergestellt werden. Der Verbindungsabschnitt 18 kann prinzipiell jede
denkbare Kontur aufweisen, bspw. eine Stufenform. Die Kegelstumpfform
des dargestellten Ausführungsbeispiels
dient u.a. dazu, die äußere Gehäusegestaltung
gefällig
erscheinen zu lassen.
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2 zeigt
in einer schematischen Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau
einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 10. Erkennbar
ist hier die bis zum oberen Gehäuseabschnitt 14 reichende
Stange 28, die an ihrem oberen Ende eine Anschlussplatte 36 aufweist,
auf welcher der Körperschallsensor 38 befestigt
ist.
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Die
axiale Verschiebbarkeit der Stange 28 kann insbesondere
mittels axialer Gleitlager 40 gewährleistet sein, die im unteren
Gehäuseabschnitt 16 angeordnet
sind. Das untere Gleitlager 40 kann von der unteren Stirnfläche 24 her
eingesetzt werden. Das obere Gleitlager 40 kann von oben
her, in der Innenseite des oberen Gehäuseabschnittes 14 eingesetzt
werden. Als derartige axiale Gleitlager 40 eignen sich
insbesondere Metall- oder Kunststoffbuchsen, die ggf. eine gleitfähige Beschichtung
aufweisen können.
Solche Buchsen sind als sog. Glykobuchsen im Handel. Der obere Gehäuseabschnitt 14 ist
so voluminös
ausgestaltet, dass der Körperschallsensor 38 sowie
elastische Dämpfungselemente 42 und 44 darin
ausreichend Platz finden.
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Ein
erstes Dämpfungselement 42 ist
oberhalb des Körperschallsensors 38 angeordnet
und begrenzt dessen Weg in obere Richtung zum Gehäusedeckel 22.
Ein zweites elastisches Dämpfungselement 44 weist
eine mittige Durchführung 46 für die Stange 28 auf
und stellt eine Wegbegrenzung nach unten für den Körperschallsensor 38 bzw.
die Anschlussplatte 36 dar. Beide Dämpfungselemente 42 und 44 weisen
im eingebauten Zustand eine zylindrische Kontur auf. Die Dämpfungselemente 42, 44 können insbesondere
aus einem geeigneten Schaumstoffmaterial bestehen, das vorzugsweise geschlossene
Poren aufweist und daher konstante Dämpfungs- und Federungseigenschaften
aufweist, die auch über
einen längeren
Einsatzzeitraum beibehalten werden können.
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Wenn
der Messaufnehmer 10 in Richtung zu einem Prüfobjekt 48 bewegt
wird, befindet sich die Stange 28 mit dem daran befestigten
Körperschallsensor 38 in
einer Mittellage. Sobald die aus dem Gehäuse 12 ragende Messspitze 30 auf
das Prüfobjekt 48 aufgesetzt
wird und leichter Druck auf den Messaufnehmer 10 ausgeübt wird,
be wegt sich die Stange 28 in Richtung nach oben zum oberen
Gehäusedeckel 22,
was durch das erste Dämpfungselement 42 begrenzt
wird. Das Dämpfungselement 42 wird
hierbei verformt und zusammengedrückt und stellt somit eine Wegbegrenzung
für die
Messspitze 30 dar. Das zweite Dämpfungselement 44 sorgt
dafür,
dass bei unbelasteter Messspitze 30 die Stange 28 und
der Körperschallsensor 38 nicht
frei nach unten fallen, sondern dass insgesamt im unbelasteten Zustand die
Mittellage eingehalten wird.
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3 zeigt
eine alternative Variante des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 10 in
schematischer Schnittdarstellung. Im Unterschied zu der in 2 gezeigten
Variante sind hier zusätzliche Schraubenfedern 74 und 76 vorgesehen,
welche die Stange 28 in ihrer entspannten Mittellage halten,
so lange die Messspitze 30 unbelastet ist. Je nach Einsatzzweck
des Messaufnehmers 10 kann es auch vorteilhaft sein, wenn
die Stange 28 mit dem darauf befestigten Körperschallsensor 38 von
oben durch die erste Schraubenfeder 74 mit konstantem Druck nach
unten gedrückt
wird. Das erste Dämpfungselement 42 weist
eine mittige muldenförmige
Aussparung 78 auf, in welche die erste Schraubenfeder 74 eingelegt
werden kann. Zwischen Körperschallsensor 38 und
erster Schraubenfeder 74 befindet sich vorzugsweise noch
eine dünne
Schaumstofflage, so dass der Körperschallsensor 38 nicht
in direkten Kontakt mit der Schraubenfeder 74 kommt. Die
zweite Schraubenfeder 76 drückt von unten gegen die Anschlussplatte 36,
so dass die Stange 28 im entspannten Zustand in eine Gleichgewichtslage
gedrückt wird.
Die Durchführung 46 im
zweiten Dämpfungselement 44 weist
bei dieser Variante einen ausreichend großen Durchmesser auf, um die
zweite Schraubenfeder 76 aufnehmen zu können. Der übrige Aufbau des Messaufnehmers 10 entspricht
der in 2 gezeigten ersten Variante. Der Vorteil dieser zweiten
Variante kann insbesondere darin bestehen, dass die Federn 74, 76 bei
einer alterungsbedingten Ermüdung
der Schaumstoffelemente 42, 44 für die gewünschten
Rückstellkräfte der
Stange 28 sorgen.
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4 zeigt
eine Draufsicht von oben auf das Gehäuse 12. Erkennbar
sind vier in der oberen Stirnseite 20 angeordnete Gewindebohrungen 50,
die zur Verschraubung des Gehäusedeckels 22 mittels
Innensechskantschrauben 52 (vgl. 2) dienen.
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5 zeigt
eine alternative Ausgestaltung der Axiallagerung der Stange 28,
bei der diese innerhalb eines zusätzlichen Rohres 54 axial
verschieblich gelagert ist. Das Rohr 54 selbst wird über elastische Dämpfungsbuchsen 56 schwimmend
im unte ren Gehäuseabschnitt 16 gelagert.
Als derartige elastische Dämpfungsbuchsen 56 kommen
bspw. handelsübliche
Wellendichtringe bzw. sog. Simmerringe o. dgl. in Frage. Diese weisen
eine ausreichende Steifigkeit in axialer und radialer Richtung auf
und sorgen gleichzeitig für
eine gut gedämpfte
Lagerung der Rohres 54, so dass eine weitgehend vollständige Entkoppelung
des Gehäuses 12 des
Messaufnehmers 10 von allen Körperschallsignalen und Vibrationen
ermöglicht
ist, welche über
die Messspitze 30 zum Körperschallsensor
geleitet werden sollen. Wie weiterhin anhand der 5 verdeutlicht
wird, kann die Messspitze 30 ein Innengewinde 58 aufweisen,
so dass daran auswechselbare Kontakteinrichtungen angebracht werden
können,
bspw. in Form von Spitzen, Kugeln o. dgl.
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Der
obere Gehäusedeckel 22 kann
als Anschlussplatte ausgebildet sein und kann ggf. über ein oder
mehrere Gewindeabschnitte o. dgl. verfügen, so dass der Messaufnehmer 10 mit
einer Messvorrichtung, bspw. einen Roboterarm oder einen Hydraulikstempel
o. dgl., lösbar
verbunden werden kann. Die 6 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung des Gehäusedeckels 22,
der ein mittiges Innengewinde 60 sowie vier weitere, jeweils
um 90 Grad versetzt angeordnete Innengewinde 62 aufweist,
so dass der Messaufnehmer 10 mit Hilfe dieser universellen
Anschlussplatte in vielen verschiedenen Montagepositionen befestigt
werden kann. Jeweils um 45 Grad versetzt zu den Innengewinden 62 sind
die Durchsteckbohrungen 64 zur Montage des Deckels 22 mittels der
Innensechskantschrauben 52 auf dem Gehäuse 12.
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7 zeigt
in einer Explosionsdarstellung die wesentlichen Bestandteile des
erfindungsgemäßen Messaufnehmers 10.
In das Gehäuse 12 werden die
axialen Gleitlager 40 eingesetzt. Durch die Durchführung 46 des
zweiten Dämpfungselements 44 wird die
Stange 28 mit dem auf deren Anschlussplatte 36 montierten
Körperschallsensor 38 geschoben.
Die Stange 28 wird anschließend in die Buchsen 40 im unteren
Gehäuseabschnitt 16 eingeschoben.
Das erste Dämpfungselement 42 wird
in den oberen Gehäuseabschnitt 14 eingesetzt,
wonach der Gehäusedeckel 22 mit
dem Gehäuse 12 verschraubt
werden kann. Hierzu dienen die vier Innensechskantschrauben 52,
die in 7 erkennbar sind.
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In
der 7 ist darüber
hinaus eine vorteilhafte Ausgestaltung des Messaufnehmers 10 verdeutlicht,
der über
einen zusätzlichen
Anschlussflansch 66 in Form einer scheibenförmigen Platte
verfügt.
Dieser Anschlussflansch 66 kann in etwa die gleichen Abmessungen
aufweisen wie der Gehäusedeckel 22.
Er dient zur zusätzli chen
Entkoppelung des Messaufnehmers 10 von einer Handhabungsmechanik,
an der er beweglich montiert ist. Die Verschrauben des Anschlussflansches 66 am
Gehäusedeckel 22 erfolgt
mittels sog. Gummirundlager 68, die jeweils ein Außen- sowie
ein Innengewinde aufweisen. Mit dem Außengewinde sind die Gummirundlager 68 jeweils
in die Innengewinde 62 des Gehäusedeckels 22 eingeschraubt,
so dass ein zylindrischer Abschnitt von dessen Außenseite
abragt. In den Stirnseiten dieser zylindrischen Abschnitt befinden sich
die Innengewinde der Lager 68, so dass der Anschlussflansch 66 daran
mittels Gewindeschrauben 70 verschraubt werden kann. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
sind jeweils vier Gummirundlager 68 zur entkoppelten Verbindung
des Anschlussflansches 66 mit dem Gehäusedeckel 22 vorgesehen. Der
Anschlussflansch 66 kann ebenso wie der Gehäusedeckel 22 ein
mittiges Innengewinde 72 zur lösbaren Verbindung mit einer
Messvorrichtung, bspw. einen Roboterarm oder einen Hydraulikstempel
o. dgl.
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Eine
vorteilhafte Einsatzmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 10 stellt
bspw. eine Qualitätsüberwachung
in einer Fertigungsstraße dar,
bei der solche Messaufnehmer 10 auf ein Prüfobjekt 48 aufgesetzt
und dessen Funktionen simuliert und getestet werden können. Die
hierbei emittierten Schwingungen und Körperschallemissionen lassen sich
auf einfache und sehr schnelle Weise erfassen und weiter verarbeiten,
so dass eine Qualitätsprüfung in
sehr kurzer Zeit und mit äußerst geringem Kostenaufwand
durchführbar
ist. Der Messaufnehmer 10 eignet sich u. a. für die Automobilfertigung, bspw.
bei der Funktionsprüfung
von beweglichen Fahrzeugteilen wie Schiebedächern o. dgl.