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Feinmeßtaster, insbesondere als Wegaufnehmer
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Die Erfindung betrifft einen Feinmeßtaster, insbesondere als Wegaufnehmer
für Längenmeßgeräte, mit einem oder mehreren Tastfühlern an einem Haltestück, z.B.
einem Meßdorn, und mit Mitteln zur Umwandlung der Bewegung des Taststücks in ein
elektrisches Signal. Dieses Signal wird einem Meßverstärker zugeleitet, von dem
es in weitergehende Auswertegeräte geleitet werden kann.
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Feinmeßtaster sollen Präzisionsmessungen bis zu Tausendsteln von Millimetern
auf engem Raum, z.B. in Bohrungen von Werstücken o.dgl., möglich machen. DaFiir
bisher bekannte tnduktivtaster haben relativ große Abmessungen. Das verwerthare
elektrische Signal entsteht dabei aus einer Verschiebung zwischen einem magnetischen
Kern und einem Spulensystem. Für diese Führung ist es erforderlich, dir zu verschiebenden
Bauteile mit iiilfe sehr genauer Cleit- oder Kugelführungen zu führen.
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Diese mit hoher Präzision zu fertigenden Bauteile müssen außerdem
gegen Verunreinigungen, wie Staub uiid Feuchtigkeit, abdedichtet werden. Es
ist
weiterhin bekannt, die Führung zwischen Kern und Spule mit Federparallelogrammen
zu erreichen. Dafür ist zwar nicht so hohe Fertigungspräzision erforderlich. Diese
Führungen besitzen aber große Abmessungen, die ihren Einsatz in beengtem Raum unm;iglich
machten. Ein wesentlicher Nachteil der Indukcivtaster ist, daß die Tastbewegung
von der Meßstelle über Umlenkhebel, Schwingen, Verlängerungsstücke o.dgl. auf die
außerhalb des enger Raumes anzuordnenden Induktivtaster tibertragen werden muß.
Auch die hierfür erforderlichen Bauteile erfordern viel Raum und müssen aufgrund
der erforderlichen kleinen Toleranzen mit großer Präzision gefertigt sein und sind
daher aufwendig.
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Als Feinmeßtaster sind weiterhin elektrisch-pneumatisch arbeitende
einmeßtaster, die die Abmessungen des Werkstücks mit pneumatischen düsen erfassen,
bekannt. Zwar können diese Apparate relativ klein gebaut werden. Deren Einsatz ist
aher deshalb sehr aufwendig, weil für jede Meßstelle ein eigener, pneumatisch-elektriscber
Wandler erforderlich ist, um die auf die Messung folgende Auswertung der Meßergebnisse
zu ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen wenig aufwendigen, auf engstem
Raum einsetzbaren Feinmeßtaster zu schaffen, der weitgehend unempfindlich gegen
Verunreinigungen, z.B. durch Staub und Feuchtigkeit, ist und der insbesondere bewegliche
Teile, wie Umlenkhebel, Schwingen o.dgl. und Führungen mit hoher Fertigungspräzision
vermeidet. Die elektrischen Signale sollen von einem Meßverstärker an Meßstellen
an einer Auswerteeinheit weitergegeben werden können. Insbesondere soll es möglich
werden, mehrere Tastfiihler dicht beieinander in beengten Räumen, wie z.B. Bohrungen
o.dgl., unterzubringen.
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Aufgahe der Erfindung ist es weiterhin, ctinc st(irungsfreie Übertragung
der Bewegung des Tastkopfes auf die Biegefeder ohne störende seitliche Kräfte und
ohne störende Dreh- oder Biegemomente sicherzustellen. Ferner sollen störende Einflüsse
vom Gehäuse auf die Biegefeder vermieden werden und es soll die Abdichtung verbessert
werden und schließ0ich soll auch die Biegefeder selbst so sicher eingespannt sein
und so günstig mit Dehnungsmeßstreifen auqgeriistet sein, daß keine Verfälschung
der Messung eintreten kann.
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Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Feinmeßtaster
dadurch gel(ist, daß das Taststtjck des Tastfühlers sich am freien Ende einer Biegefeder
befindet, die mit ihrem anderen ilndc mit Abstand von einer Außenfläche des llaltestücks
am ilaltestück befestigt ist, und auf der an einer oder an zwei Stellen je ein oder
mehrere Dehnmeßstreifen als Mittel zur Umwandlung der Bewegung des Taststücks in
ein elektrisches Signal angeordnet ist bzw. sind.
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Der erfindungsgemäße Feinmeßtaster besteht somit im einfachsten Fall
nur aus einem mechanischen Teil, nämlich einer Blattfeder, die an einem Ende befestigt,
z.B. angeschraubt ist und die am anderen Ende das zu messende Werkstiick berührt.
Dadurch wird bei unterschiedlichen Werkstückabmessungen die das Werkstück abtastende
Biegefeder unterschiedlich auf Biegung beansprucht, so daß der oder die auf ihr
aufgeklebten oder auf ihr aufgedampften Dehnmeßstreifen den Grad der Biegung als
elektrisches Signal an den Meßverstärker weiterlcitet.
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Die als Taststück dienende Blattfederspitze kann mit verschleißfestem
Werkstoff, z.B. Hartmetall, verstärkt sein. Die Blattfeder gibt dem Taststiick in
zwei um 900 gegeneinander versetzten Ebenen eine spielfreie Führung, sie erzeugt
die erforderliche Meßkraft und trägt den oder die Dehnmeßstreifen. Sie ist auch
bei dauerndem Einsatz verschleißfrei und unempfindlich gegen Verunreinigungen. Als
besonders zuverlässig erweist sich der Meßtaster, wenn erfindungsgemäß das Taststück
ein in das ggf.
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verstärkte, freie Ende der Biegefeder eiiigelegtes, eingeklemmtes,
angeklebtes oder angelötetes verschleißfestes Teil, z.l3. eine Hartmetallkugel,
ist. Dadurch ergibt sich eine nur punktförmige, verschleißfreie Anlage des Taststficks
am Werkstück.
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Die Mdglichkeit der Verwendung einer über die ganze Lange gleich starken
Biegefeder ergibt sich z.B. dadurch, daß einerseits das Taststück in einer Öffnung
eines mit dem freien Ende der Biegefeder, z.B.
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mittels einer Schraube, verbundenen Tasteinsatzes gehalten ist und
andererseits das am Haltestück zu befestigende Ende der Biegefeder zwischen Kiemmstü.cken
eingeklemmt und mit diesen am ilal testTick befestigt ist.
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Ein oder beide Klemmstücke erübrigen sich, wenn die Biegefeder an
ihrem festzulegenden Ende eine ggf. beidseitige Verstärkung mit einem Loch zur Durchführung
eines Verbindungsmittels mit dem Haltestück, z.B.
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einer Schraube aufweist.
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Um den Dehnmeßstreifen vor Verschmutzung oder auch vor mechanischer
Beschädigung zu schützen, wird ein Sciutzgehäuse um die Biegefeder vorgesehen. Da
die Meßtasteranordnung vorzugsweise in eine Vertiefung des Haltestücks eingelassen
wird, bilden die Wände dieser Vertiefung bereits einen Teil des Schutzgehäuses,
so daß zusätzlich nur eine Deckplatte über der Biegefeder anzuordnen ist.
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Ein einfacherer Aufbau der Anordnung ergibt sich erfindungsgemä,n
dadurch, daß das obere Klemmstück als Teil des Schutzgehäuses, insbesondere der
Deckplatte, ausgebildet ist.
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Zum Schutz des oder der Dehnmeßstreifen wird eine Dichtung vorzugsweise
aus Weichplastik oder Gummi zwischen dem Schutzgehäuse und dem Tasteinsatz oder
dem Taststück oder bei einer anderen Ausführungsform zwischen Schutzgehäuse und
Biegefeder vorgesehen.
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Die Anschlußleitungen für den oder die Dehnmeßstreifen können nach
unten oder seitlich durch das HaltestWick geführt sein. Vorzugsweise werden sie
durch Durchlässe zwischen den Klemmstiicken und dem Schutzgehäuse, also raumsparend,
geleitet.
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Beim Einsatz eines Meßdorns in einer Bohrung, in der er längsverschoben
und gedreht wird, wird die Übertragung von Querkräften undZoder Momenten auf die
Biegefeder erfindungsgemäß dadurch besonders gut vermieden, daß der das Taststück
haltende Tasteinsatz als zylindrischer Bolzen, gegen axiale Drehung gesichert, in
einer Durchbrechung des vorzugsweise als Deckplatte ausgeführten Schutzgehäuses
oder eines darin gehaltenen Führungskiirpers in Achsrichtung des Tas tei Tasteinsatzes
zwischen zwei Anschlagflächen gleitbar geffihrt ist und eine Ausnehmung aufweist,
deren obere Schrägwand mit ihrer gewlli>ttrn Außenkante punktförmig auf den freien
Ende der Biegefeder aufliegt.
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Das Taststück mit dem Tasteinsatz weist somit eine eigene Parallelführung
auf, so daß es eine Bewegun; nur senkrecllt von der zu messenden Fläche ausführen
kann. Dadurch, daß die Ausnehmung des Tasteinsatzes eine obere Schrägwand aufweist,
ergibt sich eine gewblbte Außenkante, die somit jeweils nur punktförmig auf der
Biegefeder aufliegen kann.
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Es werden somit die Kräfte zwischen Tastkopf und Werkstück durch die
genannte Führung aufgenommen, während eine drehmoment- und biegemomentfreie Einleitung
der Bewegung sowie eine seitenkraftfreie Einleitung auf die Biegefeder durch diese
punktförmige Berührung gewährleistet ist. Es ist also nur eine lineare Bewegung
der Biegefeder in einer Richtung und in einer definierten Art möglich.
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Die Drehsicherung des Tasteinsatzes sowie seine Begrenzung zwischen
zwei Anschlagflächen erfolgt dadurch, daß er einen in einer Ausnehmung des Führungskörpers
eingreifenden Stift aufweist, der als Drehsicherung dient, wobei die Berührungswand
der Ausnehmung mit dem Stift die eine Anschlagfläche der axialen Bewegung des Tasteinsatzes
bildet, während die andere Anschlagfläche der Boden der nutartigen Vertiefung des
Meßdorns ist.
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Eine sichere Dichtung gegen aggressive tTmwelteinflüsse wie Bohr-
und Schneidöle zwischen Schutzgehäuse und Seitenwand der nutartigen Vertiefung wird
durch eine rings um den Rand des Sdiutzgehäuses geführtc Ringdichtung erreicht.
Die Dichtung zwischen Schutzgehäuse und Tasteinsatz wird dadurch bewirkt, daß sie
als Membran ausgebildet ist, die mit einem Innenrand in eine Rille zwischen Taststück
und Tasteinsatz und mit einem äußeren Wulst in eine Rille am Tasteinsatz eingreift
und die durch einen in eine Ausnehmung des Wulstes mit einem Ansatz eingreifenden
Haltering gehalten ist. Bei der Montage wird diese Membran auseinandergezogen, so
daß nach Aufschieben auS den Führungskörper der innere Rand und der äußere Wulst
federartig sicii zusammenziehen und in die Rillen einrasten. Anclererseits hintergreift
der Haltering eine Ausnehmung im Wulst mit einem Ansatz und sichert somit die Membran
gegen Herausfallen.
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Die Übertragung von störenden Einfliissen vom Schutzgehäuse im Bereich
des Tasteinsatzes wird dadurch vermieden, daß das Schutzgehäuse in diesem Bereich
auf dem Hoden der nutarti g('.n Vertiefung befestigt ist,vorzugsweise durch eine
Schraube, die im Bereich des freien Endes der Biege-
feder durch
eine Durchbrechung der Biegefeder mit Abstand von der Wand der Durchbrechung geführt
ist. Am anderen Ende der Biegefeder werden störende Einflüsse vom Schutzgehäuse
dadurch vermieden, daß das Schutzgehäuse die Klemmstücke und Bestigungsschrauben
der Biegefeder mit Abstand übergreift und ggf. über eine Zwischenhülse o.dgl. mit
anderen Schrauben in der nutartigen Vertiefung befestigt ist.
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Um die Biegefeder an ihrem Befestigungsende absolut schwingungsfrei
zu lagern, kann das in der nutartigen Vertiefung befestigte Ende der Biegefeder
durch zwei in Längsrichtung hintereinander liegende Schrauben zwischen Klemmstücken
befestigt sein. Um die Ansprechempfindlichkeit der Biegefeder zu steigern, kann
diese im Bereich der aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen eine seitliche Schwächung
aufweisen. Dadurch wird ihre Biegekraft in diesem Bereich reduziert. Dadurch ergibt
sich an dieser Stelle eine weichere Charakteristik, während an sich die Feder möglichst
steif sein soll an den übrigen Stellen.
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Ein Schutzgehäuse erübrigt sich erfindungsgemäß bei Verwendung von
zwei umnittelbar übereinander liegenden Biegefedern, auf deren einander zugewandten
Flächen je ein Dehnmeßstreifen aufgebracht ist.
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Die Zeichnung zeigt Ausfiihrungsformen des neuen Meßtasters.
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In Figur 1 bis 7 sind jeweils Schnitte durch einen in ein Haltestück
eingebauten Meßtaster dargestellt. Die Figuren 1a und 3a zeigen jeweils senkrechte
Schnitte durch die Ausführungsformen nach Figur 1 und 3 im Bereich der Befestigung
der Biegefeder am Haltestück.
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Figur 1 zeigt die einfachste Form der Biegefeder als glatte Blattfeder,
die in der Praxis nur eine Länge von I bis 2 cm und eine Breite von 3 bis 5 mm besitzen
kann. Auf der Biegefeder 2 befinden sich die Dehnmeßstreifen 4. Die Biegefeder ist
einendig mittels der Klemmstücke 9 und der Schraube 8 in einer Aussparung des Haltestiicks
3 mit diesem llaltestiiek verbunden. An ihrem freien Fnde ist ein Tasteinsatz 5
mit der Mutter 6 mit der Biege feder 2 verbunden. In seiner oberen Öffnung ist das
Taststtick 1, z.B. eine Hartmetallkugel, eingelegt. Das Taststiick 1 liegt an der
[1ä(1e 15 des zu messenden Werkstücks ari. Das Schutzgehäuse 10 ist in diesem Falle
eine Deckplatte, die auch von der
Schraube 8 gehalten wird. Zwischen
ihrem anderen Ende und dem Tasteinsatz 5 befindet sich eine Dichtung 11, die den
Bewegungen der Biegefeder 2 beim Meßvorgang nachgeben kann. Der maximale Hub der
Biegefeder beim Meßvorgang ist durch die Außenfläche 3a des lial testücks 3 und
die Unterkante der Mutter 6 begrenzt.
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In Figur la sind zusätzlich die Durchlässe 12 für die Anschlußleitungen
13 der Dehnmeßstreifen 4 erkennbar.
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Die Ausführungsform nach Figur 2 unterscheidet sich von der nach Figur
1 im wesentlichen dadurch, daß hier die Biegefeder selbst an einem Ende durch die
Verstärkung 2a ein Klemmstück 9 ersetzt und am anderen Ende durch die Verstärkung
2b als Lager für das Taststück 1 dient, das an der Fläche 15 des zu messenden Werkstücks
anliegt. Die Dichtung 11 liegt hier zwischen Schutzgehäuse 10 und Taststück 1. Das
Schutzgehäuse ist hier einteilig mit dem Klemmstück 9a. Die Hubbegrenzung der Biegefeder
liegt hier zwischen der UnterEläche der Verstärkung 2b und der Außenfläche 3a. Mit
14 ist der Klebstoff o.dgl. angedeutet, mit dem das Taststück I in der Verstärkung
2b befestigt ist. Durch die Öffnung 7 ist die Schraube zum Anklemmen der Teile 9a
und 2a an das Haltestück 3 zu führen. Mit 16 sind Öffnungen zum Herausführen der
Anschlußleitungen der Dehnungsmeßstreifen durch das Haltestück 3 bezeichnet.
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Figur 3 zeigt die Anordnung der Dichtung 11 zwischen dem hier auch
unterhalb der Biegefeder 2 angeordneten Cehäuse 10 und der Biegefeder 2.
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In diesem Falle ist das freie Ende der Biegefeder mit dem Taststück
I nicht in ein Cehäuse eingekleidet.
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Figur 3a zeigt die Durchlässe 12 für dns Herausführen der Anschlußkahel
der Dehnmeßstreifen durch den Zwischenraum zwischen K1emmstücken 9 und Gehäuse 10,
das hier aucli seitlich in die Ausnehmung des Haltestücks 3 hinuntergezogen ist.
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Figur 4 zeigt die Dehmeßstreifen 4 zwischen zwei iil)crcinallderliegenden
Biegefedern 2, die mittels der Schraube 8 nur über ein Klemmstück 9 am Haltestück
3 befestigt sind. Das Taststück 1 ist hier direkt in eine Bohrung der Biegefeder
2 eingelegt und durch einen aus Klebstoff o.dgl.
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gebildeten Tasteinsatz 5 gehalten. Bei dieser Ausführungsform erübrigt
sich ein Schutzgehäuse, da die Dehnmeßstreifen geschützt zwischen den Biegefedern
liegen.
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Der Meßtaster nach Figur 5 liegt in der nutartigen Vertiefung 26 eines
Meßdorns. Das Taststück 1 ist mittels Schraubgewinde im Tasteinsatz 5 befestigt.
Der Tasteinsatz 5 ist gleitbar in dem Führungskörper 18 geführt. Aus dem Tasteinsatz
5 ragt der Stift 20 heraus, der in einer Ausnehmung des Führungskörpers bewegbar
ist und der an der Stelle 18a als Anschlagfläche an einer Wand der Ausnehmung anliegen
kann. Die andere Anschlagfläche des Tasteinsatzes 5 wird von dessen dem Taststück
gegenüberliegender Begrenzungswand gebildet, die an den Boden a 26a der nutartigen
Vertiefung 26 zur Anlage kommen kann. Im Tasteinsatz befindet sich die Ausnehmuig
21 mit einer schrägen Oberwand 21a, die mit ihrer gebogetien Kante 22 auf der Oberfläche
der Biegefeder 2 aufliegt.
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Der Führungskörper 18 ist in dem als Deckplatte ausgebildeten Schutzgehäuse
10 festgehalten. Rings uni den Rand dieses Schutzgehäuses verläuft die Ringdichtung
19. Zwischen dem Schutzgehäuse 10 und dem Führungskörper 18 liegt die Dichtung 11
als Membran,die mit ihren inneren Rand 24 und mit ihrem äußeren Wulst 25 jeweils
in eine Rinne zwischen Taststück und Tasteinsatz bzw. im Tasteinsatz eingreift.
Um die Dichtung 11 herum liegt ein Haltering 23, z.B. aus Metall, der mit einem
Ansatz 23a in eine Ausnehmung im Wulst 25 eingreift. Die Biegefeder 2 ist am anderen
Ende zwischen den Klenimstücken 9 mittels der Schraube 8 eingeklemmt und am Boden
26a der nutartigen Vertiefung 26 befestigt. Die Schraube 8 klemmt zugleich das Schutzgehäuse
10 fest.
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Nehen der Schraube 8 ist eine weitere Schraube 8a mit umgekehrter
Schraubrichtung eingesetzt, die die Klenimstücke mit der dazwischen liegenden Biegefeder
fest am Schutzgehäuse 10 anklemmt.
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Dic Figuren 6 und 7 zeiten leicht abgewandelte Ausführungsformen gegenüber
Figur 5, wobei der Tastkopf und der ihn umgebende Bereich, die identisch mit Figur
5 sind, nicht mit dargestellt sind. Der llnterschied nach Figur 6 uiid 7 zu figur
5 liegt im wesentlirhen darin, daß der Führungskörper 18 bis auf den Boden 26a der
nutartigen Vertiefung 26 heruntergezogen ist und mit der durch die Biegefeder 2
geführten Schraube 27 an ihm befestigt ist. Außerdem ist die Ausnehmung 21 im Tasteinsatz
bis nach uiiten hin offen, wodurch sich eine Montage er-
leichtert.
Schließlich zeigt Figur 6 die voneinander unabhängige Befestigung der Biegefeder
mit den Klemmstücken durch die Schraube 8 am Boden 26, während das Schutzgehäuse
10 mit Abstand über der Schraube 8 liegt und durch die Schraube 8b über eine Hülse
28 ebenfalls am Boden 26 befestigt ist.
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Die Figur 7 zeigt ebenfalls diese voneinander getrennte Befestigung
von Kleiumstücken mit Biegefeder und Sciiutzgehäuse. Dort sind jedoch die Klemmstücke
von zwei hintereinander liegenden Schrauben 8 durchdrungen.
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Die Anbringung der Dehnmeßstreifen bei den Ausfiihrungsformen nach
Figur 5 bis 7 entspricht der nach Figur 1 bis 3 sowie auch die Durchführung der
Leitungen durch die Klemmstücke. Die seitliche Schwächung der Biegefeder, die ohne
weiteres vorstellbar ist, ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste 1 Taststück, z.B. Hartmetallkugel 2 Biegefeder
2a, 2b Verstärkung der Biegefeder 3 Haltestück 3a Außenfläche des Haltestücks 4
Dehmeßstreifen 5 Tasteinsatz 6 Mutter 7 Befestigungsloch 8 Schraube 8a, 8b Schraube
9 Klemmstück 10 Schutzgehäuse 11 Dichtung 12 Durchlaß 13 Anschlußleitungen 14 Klebstoff,
Lotzinn o.dgl.
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15 zu messendes Werkstück 16 Kabelausgang 17 untere Fläche der Biegefeder
18 Führungskörper für Tasteinsatz 18a Anschlagfläche 19 Ringdichtung am Schutzgehäuse
10 20 Stift 21 Ausnehmung im Tasteinsatz 5 21a obere Schrägwand 22 gewölbte Kante
23 Haltering für Dichtmembran 11 24 innerer Rand 25 äußerer Wulst 26 nutartige Vertiefung
des Meßdorns 26a Boden der nutartigen Vertiefung 27 Schraube 28 Zwischenhülse