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Die Erfindung betrifft eine Tasteinrichtung zum Antasten von Oberflächen zur Messung oder Überprüfung der Beschaffenheit und/oder Formgebung derselben oder zur Messung von Abständen und/oder Positionierungen an zu untersuchenden Gegenständen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Tasteinrichtung zum Antasten von Oberflächen zur Messung oder Überprüfung der Beschaffenheit und/oder Formgebung derselben oder zur Messung von Abständen und/oder Positionierungen an zu untersuchenden Gegenständen nach dem Oberbegriff von Anspruch 16.
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Eine Ausführungsform einer solchen Tasteinrichtung ist aus der
DE 39 29 760 A1 bekannt. Bei dieser Tasteinrichtung zur Ermittlung von Bestimmungsgrößen kleiner Innengewinde und -verzahnungen nach dem sogenannten Zweikugelverfahren wird das Messobjekt auf einem Messtisch angeordnet, derart, dass es zwischen den Messflächen einer ebenfalls auf dem Messtisch angeordneten Endmaßkombination oder Rachenlehre liegt. Durch Antasten von Innenflächen der Endmaßkombination oder Rachenlehre und Innengewindeflächen des Messobjekts in mehreren aufeinanderfolgenden Messverfahrensstufen mit an zwei Messbügeln angeordneten Tastelementen, insbesondere Kugeln, werden zu messende Bestimmungsgrößen des Messobjekts ermittelt. Für ein gutes Messergebnis ist bei einer solchen Messanordnung eine exakte Ausrichtung des Messobjekts und auch der Endmaßkombination auf dem Messtisch Voraussetzung.
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Eine solche, vorstehend beschriebene Tasteinrichtung ist auch aus dem „Handbuch der Gewindetechnik und Frästechnik" von EMUGE-FRANKEN, Lauf/Rückersdorf, Ausgabe 2004 bekannt. Dieses Handbuch offenbart aber auch noch eine zweite Ausführungsform einer solchen Tasteinrichtung. Bei dieser wird eine doppelendige, kugelförmige Tasternadel eingesetzt, welche in den zu messenden Innengewindebereich parallel zur Gewindelängsachse eingefahren wird. Durch anschließendes seitliches Bewegen der Tasternadel werden die beiden, mit Antastkugeln versehenen beiden Enden nacheinander an verschiedene Stellen des Innengewindes herangefahren und diese Stellen angetastet und auf diese Weise ausgemessen. So können verschiedene Bestimmungsgrößen des Messobjekts, insbesondere der Flankendurchmesser des Innengewindes ermittelt werden. Die Antastkugeln sind bekanntermaßen unabhängig vom Tasterkörper hergestellt und auf diesem durch Bohren und/oder Kleben fixiert. Eine solche Befestigungsmethode ist jedoch bei der Fixierung von beliebig kleinen Kugeln mit besonders geringen Durchmessern zum Messeinsatz bei sehr kleinen Innengewinden nicht möglich.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Tasteinrichtung zum Abtasten von Oberflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die für die Messung sehr kleiner Innenbereiche von Messobjekten, insbesondere für die Gewindemessung sehr kleiner Innengewinde, einsetzbar ist. Nach einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll noch ein Verfahren zur Herstellung einer Tasteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 angegeben werden.
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Eine Tasteinrichtung zum Antasten von Oberflächen zur Messung oder Überprüfung der Beschaffenheit und/oder der Formgebung dieser Oberflächen oder kompletter Gegenstände oder zur Messung von Abständen und/oder Positionierungen an zu untersuchenden Gegenständen, insbesondere zur taktilen Messung gewindeförmiger Oberflächen, umfasst wenigstens eine Tasternadel oder einen Tastereinsatz, welche(r) wenigstens einen Tasterkörper und ein Antastmittel aufweist. Über dieses Antastmittel erfolgt ein Antasten einer Stelle der Oberfläche des zu überprüfenden Gegenstandes, wobei Positionierungen der Tasternadel bzw. des Tastereinsatzes im Zeitpunkt des Antastens erfasst und an eine Kontrolleinrichtung weitergegeben werden. Anhand dieser nacheinander erfassten Positionierungen ermittelt die Kontrolleinrichtung Bestimmungsgrößen des Messobjektes, also insbesondere Bestimmungsgrößen oder die Beschaffenheit gewindeförmiger Oberflächen. Erfindungsgemäß ist das Antastmittel am Tasterkörper in einer das Antastmittel umfassenden, insbesondere käfigförmigen Aufnahmevorrichtung gehaltert. Unter „umfassend” soll verstanden werden, dass das Antastmittel gegen Ausweichbewegungen in alle Richtungen gesichert ist, jedoch wenigstens ein Teil seiner Oberfläche für seine Aufgabe des Austastens freigespart ist. Eine solche das Antastmittel umfassende Aufnahmevorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass auch Antastmittel mit besonders kleinen Abmessungen damit gehaltert werden können.
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Vorteilhafterweise ist das Antastmittel in der Aufnahmevorrichtung fest fixiert, so dass eine vollkommen starre Zuordnung des Antastmittels zum Tasterkörper hergestellt ist. Das Antastmittel kann somit zum Beispiel auch keine Eigenrotationen ausführen und koppelt an ein und dieselbe anzutastende Oberfläche immer mit ein und derselben Stelle seiner eigenen Oberfläche an. Messungen sind somit noch genauer reproduzierbar.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Halterung oder Fixierung des Antastmittels durch eine Federkraft und/oder eine Klemmwirkung hergestellt ist. Die Aufnahmevorrichtung oder der Tasterkörper kann demnach ein Federelement, das auf das Antastmittel wirkt, umfassen oder selbst federelastisch ausgestaltet sein.
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Das Antastmittel kann grundsätzlich jede beliebige Gestalt annehmen, sofern seine Geometrie, insbesondere bestimmte Abmessungen, bekannt oder berechenbar ist. Vorteilhafterweise ist das Antastmittel jedoch halbkugelförmig oder kugelförmig ausgebildet oder kann zumindest einen kugelförmigen Oberflächenteilbereich aufweisen, welcher als Antastfläche fungiert. Ein solcher kugelförmiger Bereich weist geringe Verschleißeigenschaften auf, so dass ein solches Antastmittel eine Vielzahl von Antastvorgängen ausüben kann. Vorzugsweise ist eine Antastkugel eingesetzt.
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Um den Verschleiß des Antastmittels ganz besonders niedrig zu halten, wird für dieses ein besonders hartes Material verwendet. Das härteste bekannte Material ist Diamant und kann auch zur Herstellung des Antastmittels genommen werden. Allerdings ist dieses Material für die Herstellung besonders kleiner Antastmittel nicht geeignet. Für solche Einsatzzwecke hat sich die Verwendung von Rubin als günstig erwiesen. Rubin ist ein extrem hartes keramisches Material mit besonders geringer Abnutzungsneigung, mit welchem sich also eine Vielzahl von Messungen durchführen lassen.
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Um ein trotz der vorgenannten Maßnahmen dennoch verbrauchtes oder verschlissenes Antastmittel warten oder ersetzen zu können, kann die Aufnahmevorrichtung so ausgestaltet sein, dass das Antastmittel entnehmbar und ein neues einsetzbar ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht an der Aufnahmevorrichtung zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten oder Halteflächen vor. Diese Halteplatten oder Halteflächen können dann das Antastmittel zwischen sich aufnehmen und halten. Bei der Verwendung von kugelförmigen Antastmitteln ist es günstig, in den Halteplatten oder Halteflächen konkave Vertiefungen oder Bohrungen zum Einbringen von einander gegenüberliegenden Kugelsegmenten vorzusehen.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind an der Tasternadel oder am Tastereinsatz wenigstes zwei Antastenden vorgesehen, wobei an jedem der Antastenden jeweils ein Antastmittel angeordnet ist. Mit Hilfe einer zweiendigen Tasteinrichtung ist eine besonders schnelle Messung oder Überprüfung des zu untersuchenden Gegenstandes möglich, da gegenüberliegende Antastbereiche, insbesondere bei einer Durchmesserprüfung, schneller nacheinander angefahren werden können als bei nur einem Antastende. Natürlich muss in diesem Fall die Geometrie der Tasternadel bekannt sein und bei der Berechnung der Messergebnisse entsprechend berücksichtigt werden. Eine derartige doppelendige Tasternadel kann T- oder Y-förmig ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise weist der Tasterkörper einen Längsschlitz auf und das Antastmittel kann unter Vorspannung im geschlitzten Tasterkörper gehalten sein. Auf diese Weise bildet die Aufnahmevorrichtung eine Fortsetzung des Tasterkörpers bzw. ist an diesem angeformt. Günstigerweise weist der Tasterkörper ausreichend Flexibilität auf um das Antastmittel einzubringen.
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Der Tasterkörper kann aus einem Keramikwerkstoff, aus einem Kohlefasermaterial oder aus Hartmetall sein. Als besonders geeignet hat sich die Verwendung von Stahl, insbesondere nicht-magnetischer rostfreier Stahl oder gehärteter Lehrenstahl, erwiesen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine auswechselbare Tasternadel bzw. einen auswechselbaren Tastereinsatz vor. Aufgrund der Auswechselbarkeit kann beispielsweise die Tasteinrichtung für den jeweiligen Einsatzbereich mit der entsprechenden Tasternadel oder dem Tastereinsatz ausgerüstet werden. So könnten mit der gleichen Tasteinrichtung zum Beispiel zunächst M0,7-Innengewinde und anschließend M3-Innengewinde abgetastet werden. Zur Ankopplung der Tasternadel oder des Tastereinsatzes an einen Grundkörper der Tasteinrichtung sind geeignete Verbindungsmittel vorgesehen.
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Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung einer Tasteinrichtung zum Antasten von Oberflächen zur Messung oder Überprüfung der Beschaffenheit und/oder Formgebung derselben oder zur Messung von Abständen und/oder Positionierungen an zu untersuchenden Gegenständen vor. Bei diesem Herstellverfahren wird ein Antastmittel in eine an einem Tastkörper angeordnete, das Antastmittel umfassende, insbesondere käfigförmige Aufnahmevorrichtung eingesetzt. Mit diesem Einsetzen des Antastmittels wird dieses auch gleichzeitig festgesetzt. Zusätzliche Befestigungsmaßnahmen wie zum Beispiel Verkleben sind nicht erforderlich.
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Vorzugsweise wird während des Einsetzvorganges einer rückstellenden Feder- oder Klemmkraft entgegengewirkt. Der Einsetzvorgang wird dadurch abgeschlossen, dass die aufgebaute Federspannung wenigstens teilweise abgebaut wird. Lediglich eine Restspannung kann nach dem Festsetzen des Antastmittels bestehen bleiben, die ausreichend bemessen ist, um das Antastmittel über die ganze Lebensdauer der Tasteinrichtung sicher zu halten.
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Das Verfahren kann so weitergebildet sein, dass das Antastmittel zwischen zwei parallel zueinander angeordnete Halteplatten oder -flächen eingeklemmt wird. Vorzugsweise wird das Antastmittel in an die Kontur des Antastmittels angepasste Vertiefungen, Bohrungen oder Durchbrüche der Halteplatten oder -flächen eingesetzt und auf das Antastmittel eine Feder- oder Klemmkraft aufgebracht. Als Antastmittel besonders geeignet hat sich eine Antastkugel erwiesen, wobei dann zwei einander gegenüberliegende Segmente dieser Antastkugel von zugeordneten konkaven Vertiefungen, Bohrungen oder Durchbrüchen der Halteplatten oder -flächen aufgenommen und gehalten werden.
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Ein besonders vorteilhaftes Herstellverfahren sieht vor, dass der Tasterkörper aus einem federelastischen Material hergestellt und teilweise entlang seiner Längsachse, ausgehend von einem Tasterkörperende, geschlitzt wird.
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Vorzugsweise werden zum Einsetzen des Antastmittels die beiden durch den Längsschlitz voneinander getrennten Tasterkörperteile, insbesondere Tasterkörperhälften, unter Verbreiterung des Schlitzes innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Tasterkörpermaterials aufgebogen. Die Aufbiegung erfolgt wenigstens so weit, dass das Antastmittel zwischen die beiden Tasterkörperteile in den Bereich der Aufnahmevorrichtung eingebracht werden kann. Abschließend werden die aufgebogenen Tasterkörperteile entspannt, bis sie am Antastmittel zum Anliegen kommen. Im Anliegezustand ist noch ausreichend Federspannung in den Tasterkörperteilen vorhanden, wodurch auf das Antastmittel eine Klemmwirkung ausgeübt wird, so dass es von den Tasterkörperteilen nicht nur käfigförmig umschlossen, sondern auch umklammert und auf diese Weise fixierend eingespannt wird.
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Für die Herstellung des Tasterkörpers können zerspanende Verfahren wie Drehen oder Fräsen eingesetzt werden. Wenigstens für klein dimensionierte Teilbereiche des Tasterkörpers hat sich jedoch eine Mikroerosionsbearbeitung als günstig erwiesen, da durch ein solches Verfahren Formelemente mit höchster Genauigkeit wirtschaftlich herstellbar sind.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Tasternadel einer nicht näher dargestellten Tasteinrichtung während eines Antastvorganges von einem Innengewinde einer Gewindemutter;
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2 eine vergrößerte Darstellung einer Tasternadelspitze der Tasternadel und der Gewindemutter gemäß 1;
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3 eine weiter vergrößerte Darstellung des Endbereiches der Tasternadelspitze gemäß 2 in perspektivischer Ansicht;
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4 eine Seitenansicht des Endbereiches der Tasternadelspitze gemäß 3; und
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5 eine mittige Schnittdarstellung von 2.
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Eine nicht näher dargestellte Tasteinrichtung zum Antasten von Gewindeoberflächen, insbesondere Innengewindeoberflächen, weist eine Tasternadel 1 auf. Hit Hilfe einer solchen Tasternadel 1 werden Oberflächenbereiche eines Gewindes, beispielsweise eines Innengewindes 3 einer Gewindemutter 5, zum Zwecke der Überprüfung der Einhaltung von Gewindeparametern, z. B. des Flankendurchmessers, angetastet.
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Die Tasternadel 1 umfasst neben einem zylindrisch ausgebildeten Schaft 7, der ein an eine nicht dargestellte Bewegungsvorrichtung für die Tasternadel 1 zugewandtes erstes Ende bildet, ein vierkantförmiges zweites Ende, welches eine Tasternadelspitze 9 darstellt. Den Übergangsbereich von zylindrischem Schaft 7 zu vierkantförmiger Tasternadelspitze 9 bildet eine pyramidenförmige Zuspitzung 11 mit Übergangsbereich 13 zur Anpassung der Zylinder- an die Vierkantform. Die pyramidenförmige Zuspitzung 11 und die daran angekoppelte Tasternadelspitze 9 sind so ausgelegt, dass jede der Kantenlängen einer Querschnittsfläche der Tasternadelspitze 9 deutlich geringer ist als der Durchmesser des Schafts 7.
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Wie insbesondere in 2 erkennbar, ist die Tasternadelspitze 9 lediglich in ihren äußeren Abmessungen vierkantförmig. Tatsächlich weist sie einen Längsschlitz 15 auf, der sich von ihrem vom Schaft 7 abgewandten Endbereich 17 bis annähernd zur pyramidenförmigen Zuspitzung 11 erstreckt. Der Endbereich 17 ist offen, so dass die Tasternadel 1 im Prinzip die Form einer Stimmgabel annimmt.
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Die beiden Hälften 9a, 9b der Tasternadelspitze 9 sind wegen der Verwendung von Lehrenstahl als Material für die Tasternadel 1 federelastisch, so dass sie insbesondere – innerhalb einer materialabhängigen Elastizitätsgrenze – am offenen Endbereich 17 der Tasternadelspitze 9 aufgebogen werden können, so dass sich der Längsschlitz 15 leicht V-förmig aufweitet.
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Wie insbesondere in 3 erkennbar, weist der Endbereich 17 der Tasternadelspitze 9 ösenförmige seitliche Fortsätze 19 auf, und zwar derart, dass jede Hälfte 9a, 9b der Tasternadelspitze 9 in etwa eine T-Form ausbildet. Insgesamt ergeben sich somit vier von diesen ösenförmigen seitlichen Fortsätzen 19, wobei sich jeweils zwei davon paarweise gegenüberliegen. Jede dieser seitlichen Fortsätze 19 hat mittig einen kreisförmigen Durchbruch 21, so dass sich für jede der seitlichen Fortsätze 19 über einen weiten Umfangsbereich eine Ringform einstellt. Die Mittelachsen der Durchbrüche 21 der einander paarweise gegenüberliegenden seitlichen Fortsätze 19 liegen aufeinander.
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Zwischen die beiden Paare der einander gegenüberliegenden seitlichen Fortsätze 19 ist jeweils eine aus Rubin hergestellte Antastkugel 23 eingesetzt, und zwar derart, dass einander gegenüberliegende Segmente der Antastkugel 23 in die Durchbrüche 21 der seitlichen Fortsätze 19 eintauchen. Die seitlichen Fortsätze 19 und ihre Durchbrüche 21 bilden somit eine käfigförmige Aufnahmevorrichtung für die zugeordnete Antastkugel 23. Die Antastkugel 23 wird dabei fest umschlossen und hat keine Bewegungsfreiheit. Die Ringform der seitlichen Fortsätze 19 ist jedoch so ausgestaltet, dass ihr Außendurchmesser deutlich geringer ist als der Durchmesser der Antastkugel 23, so dass diese in einem weiten, nach außen zeigenden Umfangsbereich die seitlichen Fortsätze 19 überragt.
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Der Herstellprozess der Tasternadel 1 ist wie folgt: zuerst erfolgt in einem Mikroerodierverfahren die Herstellung der unbestückten Tasternadel, also des Tasterkörpers 7, 9, 11, 13, wobei Ausgangspunkt ein auf die endgültige Länge des Tasterkörpers 7, 9, 11, 13 bereits abgelängtes Zylinderstück, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Schaftes 7 entspricht, ist. Das Mikroerodierverfahren wird also nur für das Herstellen der Zuspitzung 11 und seines Übergangsbereiches 13 sowie der Tasternadelspitze 9 und seines Längsschlitzes 15 angewandt. Im Anschluss daran werden die Antastkugeln 23 in den Tasterkörper 7, 9, 11, 13 eingesetzt, wobei hierzu die beiden Hälften 9a, 9b der Tasternadelspitze 9 soweit aufgebogen werden, dass der Längsschlitz 15 im Bereich der seitlichen Fortsätze 19 etwas größer als der Durchmesser der Antastkugel 23 ist. Nach Einbringen der Antastkugeln 23 in die ihnen zugeordneten Durchbrüche 21 der seitlichen Fortsätze 19 werden die aufgebogenen Hälften 9a, 9b entspannt, so dass sie die Antastkugeln fest umschließen.
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Die Schnittdarstellung gemäß 5 verdeutlicht die Arbeitsweise dieser Tasternadel 1 bei der Prüfung des Flankendurchmessers eines Innengewindes 3 einer Gewindemutter 5. Die nicht dargestellte Bewegungsvorrichtung der Tasteinrichtung bewegt die Tasternadelspitze 9 in den Bereich des Innengewindes 3 auf Höhe eines zu messenden Gewindeganges. Mittels einer Seitwärtsbewegung wird die Tasternadel 1 mit einer ersten ihrer Antastkugeln 23 auf den Gewindegang zubewegt, bis diese Antastkugel 23 in der Gewindesenke an den Gewindeflanken 25 zum Anliegen kommt. Das Andocken der Antastkugel 23 wird von der Steuereinrichtung der Tasteinrichtung erkannt und die Bewegung der Tasternadel 1 gestoppt. Die aktuelle Position der Tasternadel 1 wird gespeichert. Anschließend erfolgt ein annähernd horizontales Verfahren der Tasternadel 1, und zwar entlang der Durchmesserlinie des Innengewindes 3 bis zum Andocken der zweiten Antastkugel 23 an den Gewindeflanken 25 der gegenüberliegenden Gewindesenke. Der vertikale Versatz der gegenüberliegenden Gewindesenke um einen halben Gewindegang ist beim horizontalen Verfahren der Tasternadel 1 zu berücksichtigen. Nach dem Andocken der zweiten Antastkugel 23 wird wieder die Bewegung der Tasternadel 1 gestoppt und erneut die aktuelle Position der Tasternadel 1 gespeichert. Aus den beiden gespeicherten Positionen und der Geometrie der Tasternadel 1 lässt sich nun der tatsächliche Flankendurchmesser des Innengewindes 3 bestimmen und ggf. mit einem Solldurchmesser vergleichen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf das vorgenannte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann die Erfindung auch bei der einleitend beschriebenen anderen bekannten Ausführungsform der Tasteinrichtung, wie sie in
DE 39 29 760 A1 ist, eingesetzt werden. Auch bei dieser Ausführungsform können die beiden Antastkugeln an die beiden Messbügel mittels entsprechender käfigförmiger Aufnahmevorrichtungen angekoppelt sein. Insbesondere sind dann die Messbügel in geschlitzter Ausführung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tasternadel
- 3
- Innengewinde
- 5
- Gewindemutter
- 7
- Schaft
- 9
- Tasternadelspitze
- 9a, 9b
- Hälften
- 11
- Zuspitzung
- 13
- Übergangsbereich
- 15
- Längsschlitz
- 17
- Endbereich
- 19
- seitlicher Fortsatz
- 21
- Durchbruch
- 23
- Antastkugel
- 25
- Gewindeflanken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3929760 A1 [0002, 0036]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Handbuch der Gewindetechnik und Frästechnik” von EMUGE-FRANKEN, Lauf/Rückersdorf, Ausgabe 2004 [0003]
