DE2741413A1

DE2741413A1 - Zweiachsige fuehlervorrichtung zur steuerung von einrichtungen zum kopieren von schablonen fuer werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2741413A1
Application number: DE19772741413
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: SGTC SOC GENERAL INT
Current assignee: SGTC SOC GENERAL INT
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DD132058A5; BE858948A; CH611196A5; AT355393B; FR2365408A1; NL7710496A; ES462609A1; BR7706411A; ATA689477A; JPS5352882A; GB1589777A; US4158768A; IT1094801B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine zweiachsige Fühlervorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie den Konturen einer Schablone oder dergl. folgt und mittels elektrischen Signalen die Einrichtungen steuert, die zur Betätigung der einzelnen Antriebswellen der Werkzeuge der Vorrichtung vorgesehen sind.

Es sind verschiedene Fühlervorrichtungen für Kopiersysteme bekannt, die im wesentlichen elektromechanisch oder hydraulisch in einer Ebene längs zweier orthogonaler Achsen arbeiten. Diese bekannten Vorrichtungen sind kompliziert aufgebaut und zeigen wesentliche Nachteile, und zwar beispielsweise:

a) Die inneren beweglichen Teile sind erheblicher Reibung unterworfen, was zu Hysterisisfehlern führt. Diese Fehler werden normalerweise durch Erhöhen der Kräfte des Spiels nur teilweise verringert und mit dem Ergebnis, daß mit beträchtlicher Kraft gegen die Konturen der Schablone gedrückt wird;

b) die bekannten elektromechanischen oder hydraulischen Vorrichtungen sind sehr kompliziert aufgebaut und erfordern eine kostspielige Präzisionsherstellung;

c) die bekannten Vorrichtungen zeigen aufgrund der erheblichen in Spiel befindlichen Massen eine beträchtliehe Gesamtwiedergabezeit;

d) bei elektromechanischen Fühlern leiden die erhaltenen Signale von der Begrenzung der Frequenz der verwendeten Umsetzer;

e) bei hydraulischen Fühlern muß die hydraulische BeIastung, um eine gute Regulierung zu erreichen, begrenzt werden, was eine Begrenzung der Leistung zur Folge hat; und

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f) bei den bekannten Vorrichtungen sind die Abmessungen und das Gewicht immer beträchtlich, was insbesondere bei deren Anwendung auf beweglichen Spindelstöcken zu Schwierigkeiten führt.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Fühlervorrichtung, bei der die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden werden, und die sich ferner durch einfache Konstruktion ohne Verringerung der Präzision und Erhöhung der Sensibilität auszeichnet.

Die zweiachsige Fühlervorrichtung zur Steuerung von Einrichtungen zum Kopieren von Schablonen für Werkzeugmaschinen umfaßt einen Stift, der elastisch in einem Zwischenpunkt mittels einer Blattfeder gestützt ist, der an einem Ende einen Fühler aufweist, der so ausgebildet ist, daß er einer Schablone mit ebenem Profil folgt, und der am anderen Ende damit fest verbundene Einrichtungen aufweist, die mit einem kalibrierten Lichtbündel und einem Photodetektorelement in funktioneller Verbindung stehen, wobei das Lichtbündel verschoben wird und auf das in fixierter Lage befindliche Photodetektorelement geführt wird oder das Lichtbündel in seiner Lage fixiert ist und das Photodetektorelement verschiebbar angeordnet ist, und wobei das Verschieben durch die Einrichtungen, die mit dem Fühler fest verbunden sind, bewirkt wird, ausgehend von einer mittleren Nullstellung und in Abhängigkeit von der eingenommenen Lage der Fühlerspitze durch den Konakt mit der Schablone, und die Verschiebung von dem Photodetektorelement abgetastet und zu Verstärkern und dann zu den Steuereinrichtungen der Werkzeuge der Arbeitsmaschine geführt wird.

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Vorzugsweise ist der Fühler mit dem beweglichen Stift in der Mitte einer ebenen scheibenförmigen Feder abgestützt, die längs ihres kreisförmigen Umfangs fixiert ist. Der Stift hat an einem Ende eine Fühlkugel, Spitze oder dergl. und am anderen Ende ein Prisma oder dergl. mit zwei in 45° geneigten Flächen, wobei das Prisma so angeordnet ist, daß eine Fläche in dem Weg eines kalibrierten Lichtbündels, das im wesentlichen parallel zur Achse des Fühlers ist, wenn sich dieser in mittlerer Ruhestellung befindet, liegt, und die andere Fläche so angeordnet ist, daß das Lichtbündel auf einen irgendwie ausgebildeten Photodetektor zurückgeworfen wird, der in vier Segmente unterteilt ist, die den vier Teilungsquadranten der ebenen Kreisfläche entsprechen, die vom Ende des Fühlers bei maximaler erlaubter Ablenkung aus der mittleren Ruhestellung durchlaufen wird.

Dieses kalibrierte Lichtbündel kann in irgendeiner bekannten Art und Weise gebildet werden, wie durch Fadenlampe und Projektor, Feststoffleuchtquelle, Laser oder dergl. Der Photodetektor kann Photozellen, eine Photodiodenmatrix, lichtempfindliche Röhren oder dergl. umfassen. Dieser Photodetektor wird auf einem in einer Ebene orientierbaren Träger befestigt, um den Fühler vor dem Arbeitsbeginn in Nullstellung bringen zu können. Der Photodetektor wird mit dem Zentrum der Quadranten in exakte Übereinstimmung mit dem Zentrum des Lichtbündels gebracht, wenn sich der Stift in Ruhestellung befindet. Eine Verschiebung des Fühlers aus seinem zentralen Punkt führt zu einer korrespondierenden Bewegung des Prismas oder dergl., das mit dem Stift des Fühlers fest verbunden ist, und zu einer proportionalen

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Abweichung des Lichtbündels, das deshalb den Photodetektorumwandler in einem anderen Punkt als dem Mittelpunkt trifft. Vorzugsweise wird diese Abweichung abgetastet und mit bekannten elektronischen Mitteln zu einem Verstärker für die Signale geführt und dann zur Steuerung der Antriebsachsen. Wie aus vorstehenden Ausführungen und dem nachstehenden Beispiel ersichtlich ist, weist die Fühlervorrichtung gemäß der Erfindung einen auf das Minimum verkleinerten mechanischen Teil auf und umfaßt nur den Stift und die elastische Abstützung. Die bei bekannten Vorrichtungen auftretende Reibung wird vermieden und die Bewegung der Messung erfolgt mittels eines Lichtbündels. Eine solche Anordnung führt zu wesentlichen Vorteilen, wie der Verhinderung von Hysterisisfehlern und eine schnelle Wiedergabe aufgrund der begrenzten im Spiel befindlichen Masse, einer äußerst geringen Kraft, die den Fühler auf die Schablone drückt, und im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen verringertem Gewicht, verringerten Abmessungen und Kosten. Alternativ ist es auch möglieh, den abzulenkenden Lichtstrahl direkt auf dem Stift des Fühlers anzuordnen, wobei ein Kanal aus optischen Fasern oder eine fixierte Lichtquelle verwendet werden, oder das Lichtbündel auf geeignete Weise festzuhalten und das lichtempfindliche Element zu bewegen, wobei dieses in fester Verbindung mit dem Fühlerstift angebracht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der 'Zeichnung, die beispielshafte Ausführungsformen wiedergibt, näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt längs der Symmetrieachse

der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

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Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der ebenen Oberfläche des Photodetektorelements längs der Linie II der Fig. 1,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Mittelzone der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung mit Anbringung des lichtempfindlichen Elements auf dem Fühler, und

Fig. 4 eine weitere Alternative des Mittelteils,

wobei ein Leiter aus optischen Fasern für das Lichtbündel, der sich mit dem Stift bewegt, vorgesehen ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Vorrichtung aus einem zylindrischen Gehäuse 1 besteht, in dessen Längsachse der Stift 2 des Fühlers angeordnet ist, der sich in der Mitte einer kreisförmigen Blattfeder 3 abstützt und am freien Ende eine Fühlerspitze 4 aufweist.

Dieser Stift 2 besteht aus verschiedenen fest verbundenen Teilen und umfaßt ein mit einem Gewinde versehenes Ende 2a, auf dem die Fühlerspitze 4 vorgesehen ist. Ferner ist der Teil 2a' des Stiftes derart in den Abmessungen verringert, daß er eine Sollbruchstelle bildet. Der Zwischenteil weist ein Gewinde 2b auf und der obere Teil ist als Gabelstück 2c ausgebildet, mit dem das Prisma 5 in fester Verbindung steht.

Die Blattfeder 3 wird in einem ringförmig ausgebildeten Anschlag des Gehäuses 1 längs deren gesamten Kreisumfang mittels zwei gegenüberliegenden Dichtungsgehäusen

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6a und 6b gehalten, wobei ein Gewindering 7 in dem Gehäuse 1 derart aufgeschraubt ist, daß die kreisförmige Feder längs ihres Kreisumfangs gleichförmig festgehalten wird.

Die Feder 3 ist im Zentrum mit dem Stift 2 mittels einer Mutter 8, die auf den mit einem Gewinde versehenen Teil 2b des Stiftes 2 aufgeschraubt ist, fest verbunden.

Der Teil des Stiftes 2, der im Inneren des Gehäuses 1 liegt, wird von einer elastischen Hülle 9 geschützt, die in der Mitte den Stift 2 berührt und am Rand mit einem Falz 10 festgehalten ist. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ferner in axialer Anordnung,jedoch mit paraleller Achse zu der des Gehäuses ein Projektor angeordnet, der in dem Komplex schematisch mit 11 bezeichnet ist. Es ist eine Lichtquelle 11a und ein Konzentrator oder dergl. 11b vorgesehen, die so ausgebildet sind, daß ein Lichtbündel 12 gegen das Prisma 5 geführt wird. Dieses Lichtbündel kann in bekannter Weise erzeugt werden und wird vorzugsweise im Durchmesser, beispielsweise auf etwa 1 mm verkleinert und mit bekannten nicht wiedergegebenen Einrichtungen kalibriert.

In dem Gehäuse 1 ist auf einer kreisförmigen Auflage auch eine Platte 13 angeordnet, die mittels einer Reihe von Schrauben 14 oder dergl. positioniert werden kann. Sie trägt ein lichtempfindliches Element 15, beispielsweise mit einem Photozellenumsetzer 15a mit vier Quadranten oder anderen lichtempfindlichen Elementen, wie Photodiodenmatrizen, lichtempfindliche Röhren oder dergl. Die Zellen sind mittels Leitungen 15b mit einem oder mehreren schematisch mit 16 bezeichneten Verstärkern verbunden.

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Die vom Verstärker abgehenden Leitungen werden zum Ausgangsverbinder 17 geführt und dann zum Antrieb der Achsen der Vorrichtung bekannter Art, die nicht wiedergegeben sind. In Abhängigkeit vom lichtempfindlichen EIement 15 ist im Gehäuse 1 eine Durchgangsbohrung 18 für den Durchtritt des Lichtbündels 12 vorgesehen.

Das genannte Prisma 5 weist zwei symmetrische Flächen 5a und 5b auf, die gegenüber der Fühlerachse 2 um 45° geneigt sind, so daß der vom Projektor 11 kommende Lichtstrahl 12 von der Fläche 5a zur Fläche 5b reflektiert wird und von dieser zum lichtempfindlichen Element 15. Die Ausrichtung der Achsen der Photozelle 15 mit den Achsen des Fühlers wird durch Drehen des ganzen lichtempfindlichen Elements gegenüber der Platte 13 erreicht.

In Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab und schematisch der Kreis des lichtempfindlichen Elements 15a wiedergegeben, der in vier Quadranten 1°, 11°, 111° und IV° unterteilt ist, und das kreisförmige Bild des Lichtbündels 12.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt folgendermaßen:

Zuerst wird die Vorrichtung auf Nullstellung gebracht, wobei der Stift des Fühlers freigelassen wird und die Schrauben 14 bewegt werden, um die Platte 13 zu verschieben, bis das Lichtbündel 12 in der Mitte des Kreises 15a des lichtempfindlichen Elements 15 liegt und/oder wird das Element durch Drehen ausgerichtet. Diese Einstellung kann in bekannter Weise erfolgen, beispielsweise durch

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die Reaktion der vom Lichtbündel getroffenen Photozellen und mittels zweier jeweils zu zweien mit dem Differentialverstärker und mit den Zellen von zwei gegenüberliegenden Quadranten verbundenen Voltmetern.
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Nach der Einstellung der Vorrichtung wird die Fühlerspitze 4 in Verbindung mit dem Profil der zu kopierenden Schablone gebracht, durch die der Stift mehr oder weniger deutlichen Abweichungen unterworfen wird.

Diese Abweichungen verschieben das Prisma 5 aus seiner anfänglichen Position und folglich wird auch das Bündel 12 aus seiner Position abgelenkt und trifft auf verschiedene Bereiche der Quadranten des lichtempfindlichen EIementes 15. über die Leitungen 15b und den Relativverstärker 16 werden die Antriebe der beiden mit den Arbeitswerkzeugen verbundenen Achsen gesteuert.

Die Scheibenfeder 3 zeigt im beschriebenen Fall, aufgrund ihrer scheibenförmigen Form und ihrer Fixierung im Gehäuse 1 längs des gesamten äußeren Umfangs unter Fixierung des beweglichen Stiftes 2 im Mittelteil eine gleichförmige Reaktion in allen Richtungen mit der Tendenz, sich in die ebene Anfangsstellung zu bewegen, die der NuIlstellung entspricht. Es können auch andere Arten von Federn für diesen Zweck verwendet werden, die gleichförmige Reaktionen bezüglich aller Abweichungsrichtungen des Stiftes aufweisen.

Die Dichtungsgehäuse 6a und 6b, die am äußeren Umfang die Feder 3 umschliessen, zeigen in der Mitte Bohrungen 6a¹ und 6b¹ mit etwas größerem Durchmesser als die Teile 2c und 8,

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die mit dem Stift 2 fest verbunden sind. Das leichte verbleibende Spiel ist so eingestellt, daß, wenn der Stift 2 übermäßig aus der Mittelstellung oder über die durch die Ausrichtung des Lichtbündels 12 auf das EIement 15 erlaubte Grenze gebracht wird, die Oberflächen der Teile 2c und 8 mit den Bohrungen 6a' und 6b¹ in Berührung kommen und eine weitere Bewegung des Stiftes 2 verhindern. Wird der Stift weiter abgelenkt, beispielsweise durch einen zufälligen Stoß oder eine andere starke Beanspruchung, kann sich der Stift nicht weiter neigen und dann bricht die Sollbruchstelle 2a', ohne daß eine Beschädigung der Vorrichtung eintritt.

In Fig. 3 ist die gleiche Vorrichtung wie in Fig. 1 gezeigt, wobei anstelle des Prismas 5, das mit dem Ende 2c des Stiftes 2 des Fühlers verbunden ist, ein lichtempfindliches Element 15', das mit dem Element 15 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung identisch ist, vorgesehen ist, das mit Leitungen 15b¹ zur Verbindung mit dem Verstärker 16 versehen ist.

Ein gleich ausgebildeter Projektor 11' mit Lichtquelle 11a¹ und Konzentrator 11b' erlaubt es, ein kalibriertes Lichtbündel 12' zu erzeugen, das von dem lichtempfindlichen Element 15' aufgefangen wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Lichtbündel 12' in einer mittleren Nullstellung fixiert, während das lichtempfindliche Element 15' von der Fühlerspitze, die mit der Schablone in Verbindung steht, in seiner Lage verschoben wird, so daß das Lichtbündel auf verschiedene Punkte der Quadranten der Zelle 15a¹ fällt und von dieser abgetastet wird. Um das Lichtbündel 12 in Bezug auf die

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Mitte des lichtempfindlichen Elements in Nullstellung zu bringen, ist analog wie bei der Vorrichtung in Fig. 1 eine Scheibe 13' vorgesehen, die in ihrer Lage mittels Schrauben 14' bezüglich des Gehäuses 1 der Vorrichtung in ihrer Stellung veränderbar ist. Um die Achsen der Photozelle 15a¹ des lichtempfindlichen Elements 15' mit den Achsen des Fühlers oder der Vorrichtung in Übereinstimmung zu bringen, wird das Element 15' wie bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gedreht. Die Wirkungsweise ist identisch mit jener, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde, außer daß das Lichtbündel fixiert ist, während die lichtempfindliche Zelle mit dem Fühler bewegt wird.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform bezüglich der Anwendung von Einrichtungen zur Bildung des Lichtbündels gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist am Ende 2b des Stiftes 2 des Fühlers ein Träger 20 vorgesehen, der das freie Ende eines optischen Faserleiters 21 trägt, der ein Lichtbündel von der fixierten Lichtquelle 11a" eines Projektors 11" erhält und dieses längs des Pfeiles 12" in axialer Ausrichtung mit dem Stift 2 des Fühlers aussendet. Dieses Lichtbündel 12" trifft auf das lichtempfindliche Element 15", das mit dem lichtempfd.ndliehen Element 15 identisch ist, und mit dem Gehäuse 1 fest verbunden und in Achse mit dem Fühler 2 angeordnet ist. Die Wirkungsweise ist in diesem Fall identisch mit jener der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung, da das Lichtbündel 12" direkt von dem Stift 2 des Fühlers in seiner Lage verschoben wird und auf die fixierte Photozelle 15" trifft. Durch die Photozelle wird die Veränderung der Lage des Lichtbündels 12"

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abgetastet, die durch die Berührung der Spitze des Fühlers mit der Leitschablone bezüglich der Nullstellung hervorgerufen wird. Die Nullstellung wird wie bei der bezüglich Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung mittels der Scheibe 13" erreicht, die durch Schrauben 14" verstellt wird, und durch Drehung des lichtempfindlichen Elements 15".

Aufgrund der Flexibilität des optischen Faserleiters wird der Bewegung des Fühlerstiftes 2 kein Hindernis entgegengesetzt und die Lichtquelle 11a" kann auch ohne Schwierigkeiten außerhalb der Vorrichtung angeordnet werden.

Es ist festzuhalten, daß Änderungen, insbesondere der bekannten Teile, wie der Ablenkeinrichtungen für das Lichtbündel, das lichtempfindliche Element, die Aufhänge- und Abstützeinrichtungen und dergl., der beschriebenen Ausführungsformen im Rahmen vorliegender Erfindung liegen.

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Claims

PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KLUNKER

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S.G.T.C. Societe General International de Recherches Techniques et de Consulence S.a.

BALZER

P.O.Box 34621
Liechtenstein

Zweiachsige Fühlervorrichtung zur Steuerung von Einrichtungen zum Kopieren von Schablonen für Werkzeugmaschinen

Patentansprüche

Zweiachsige Fühlervorrichtung zur Steuerung von Einrichtungen zum Kopieren von Schablonen für Werkzeugmaschinen, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt einen Stift \2), der elastisch in einem Zwischenpunkt mittels einer Blattfeder (3) gestützt ist, der an einem Ende einen Fühler (4) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er einer Schablone mit ebenem Profil folgt, und der am anderen Ende damit fest verbundene Einrichtungen (5, 15', 21) aufweist, die mit einem kalibrierten Lichtbündel (12, 12', 12") und einem Photodetektorelement (15, 15', 15") in funktioneller Verbindung stehen, wobei das Lichtbündel verschoben wird und auf das in fixierter Lage befindliche Photodetektorelement geführt wird oder das Lichtbündel in seiner Lage fixiert ist und das Photodetektorelement verschiebbar angeordnet ist, und wobei das Verschieben durch die Einrichtungen (5, 15', 21), die mit dem Fühler (2) fest verbunden sind, bewirkt wird,

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ORIGINAL INSPECTED

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ausgehend von einer mittleren Nullstellung und in Abhängigkeit von der eingenommenen Lage der Fühlerspitze (4) durch den Kontakt mit der Schablone, und die Verschiebung von dem Photodetektorelement (15, 15', 15") abgetastet und zu Verstärkern (16) und dann zu den Steuereinrichtungen der Werkzeuge der Arbeitsmaschine geführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zur Ablenkung des Lichtbündels, die mit dem Fühlerstift (2) fest verbunden ist, aus einem Prisma (5) besteht, das ohne Änderung der Dimension das Lichtbündel aus einer mittleren Position in andere Positionen in Abhängigkeit von der eingenommenen Lage des Stiftes (2) aufgrund des Kontaktes der Fühlerspitze (4) mit der Schablone ablenkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Photodetektorelement zur Bestimmung der Abweichung des Lichtbündels aus einem Photozellenumwandler (15, 15', 15") besteht, der in vier Segmente unterteilt ist, die den vier Quadranten des ebenen Kreises der Bewegung der Fühlerspitze (4) entsprechen, odör der Photodetektor aus Photodioden oder lichtempfindlichen Röhren besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die ebene Blattfeder (3), die den elastischen Stützpunkt für den Stift (2) darstellt, die Form einer kreisförmigen Scheibe aufweist und in dem festen Gehäuse (1) längs des Umfanges von zwei Dichtungsgehäusen (6a, 6b) festgehalten wird, die

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im Inneren Bohrungen (6a¹, 6b¹) aufweisen, die nur eine begrenzte Ablenkung des Stiftes (2) von dessen axialer Stellung entsprechend dem Abtastkreis der Fühlerspitze (4) erlauben.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Nullstellung durch Verschiebung der beweglichen Platte (13, 13', 13") mittels Schrauben (14, 14', 14"), auf der das lichtempfindliehe Element (15, 15', 15") befestigt ist, und Drehen desselben um die Eigenachse, um die Achsen der Photozelle mit jener des Fühlers oder der Vorrichtung in Übereinstimmung zu bringen, erreicht wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel (12") bewegbar ist und in einem Leiter aus optischen Fasern (21) geführt wird, der mit dem Ende des Fühlerstiftes (2) in Achse mit diesem fest verbunden ist und mit einer internen oder externen Lichtquelle (11a") eines Projektors (11") gespeist wird,und auf das lichtempfindliche Element (15") auftrifft, das mit Einrichtungen (13", 14") in Nullstellung fixiert ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Fühlerstift (2) sich nur innerhalb der durch die Bohrungen (6a¹, 6b¹) der Dichtungsgehäuse (6a, 6b) bewegen kann und eine Sollbruchstelle (2a¹) aufweist, die über einer Grenzbelastung bricht.

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