DE2742817A1 - Tastkopf - Google Patents

Description

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Augsburg, den 20. September 1977 Rolls-Royce Limited, , Buckingham Qate, London SWlE 6AT,

und

Reniehaw Electrical Limited, Gloucester Street, Votton-under-Edge, Gloucestershire GL12 7DN

England

Tastkopf

Die Erfindung betrifft einen Tastkopf nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein Tastkopf dieser Art ist bereits bekannt. Die Anordnung dreier Lagerstellen ist hinsiohtlioh der Herstel-

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71 u:

lung einer stabilen Lagerung vorteilhaft.

Zum Gebrauch wird ein solcher Tastkopf in ein« Koordinatenne&naschine eingebaut und gegen ein eu varmesaendsa Werkstück bewegt. Wenn die Tastspitze des Tasters das Werkstück berührt, so erzeugt die JJinrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung ein Sprungslgnal, das den Eintritt dieser Berührung anzeigt. Dieses Signal tritt jedoch nicht unmittelbar beim Auftreten der Berührung zwischen der Τε-jtspltZb· und dem Werkstück auf. Vielmehr bewegt oich dir Tantkopf noch un eine sehr kleine strecke relativ z\xr Taetspitze des Taatars welter, bevor die Hinrichtung zur Erfassung der Tasteraus lenkung anspricht. Dies läßt »ich dadurch erklären, daß der Tauter sich unter a<ir nur Ut;er-Windung der Rückstellkraft erforderlichen Det3tigum*skraft etwas auebiest. Diese Ausbl^i'.uni; bzw. die QvULq der nach Eintritt der HerÜ'irunr, noch stattfindenden Rolativ'üsw3,iiins zwisohen der Taaterhalterunu und der Tastepltze wird beim ant; berücksiolitigt, indem die Größe dieser Ralativs von der von der Heftmaschine genosfienen Di3tanz \ abgezogen wird.

Dei dem bekannten Tastkopf tritt das Problem auf, dai» die Betatigunt;skraft zur Auslenkung des Tasters nicht für alle Auslenkungarichtungen gleich, sondern Je nach der Richtung der Auslenkung relativ zur Halterung unterschied-

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lieh groß ist und deshalb auch das eben erwähnte, bis sum Ansprechen der Einrichtung zur Erfassung der Tasterauslenkung auftretende Biegespiel des Testers verschieden groß 1st. Es ist jedoch unpraktisch, bei der Messung verschiadane Bles^spiele für verschiedene Auslenkun<i3richtuna;en zu berücksichtigen. Die Ungenauigkeit des 'Fastkopfes entspricht deshalb der Qröße der maximalen Eiegeapleliliffarenz, die zwischen verschiedenen Betätlgungskrüften auftreten kann. Nimmt nan beispielsweise an, daß die Richtung der Berührungskraft rechtwinklig zur Tasterachse vorläuft, so versucht diese Kraft, den Taster Je nnch Anjriffsrichtunj; dieser Kraft um eine oder zwei Lageratellen zu kippen, und aufgrund der Geometrie der Anordnung ist die zum Kippen des Tasters ure zwei La^erstellen erforderliche Kraft nur halb so groß wie die zum Kippen des Tasters um eine Läseratβ11© benötigte Kraft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster nach dem Oberbegriff des Hauptanepruchs so zu verbessern, daß seine Genauigkeit unabhängig von der Auslenkungarichtung bzw. der Richtung der am Taster angreifenden Berührungskraft ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anord-

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nun« gelöst.

Aufgrund der erfindungagemäßen Anordnung erhöht sich die Anzahl derjenigen Stellen, um welche der Taster kipp-· bar ist. Dadurch wird die kleinstraößliche Betätigungakraft nahezu gleioh der größtmöglichen Betäti(rung3kraft. Je großer die Anrahl dieser Stellen, desto geringer wird die Differenz zwischen der grü3tm3gliehen und der kleinstnöglichen BetSti.Jungßkraft und <3e3to größer wird folglich die Genauigkeit des Taetkonfes bei einem gegebenen Biegespiel·

Sofern es in der Praxis schwierig int, sowohl en den Lagerstellen als auch zwischen den zusätzlichen Stütz- und Geisenflflchen eine genaue Berührung sicherzustellen, 1st genSß der Erfindung ein Spielmum zwischen den zusätzlichen StUtB- und Gegenflächen zwischen Null und einem bestimmten Orenzwert vorgesehen. Dieser Grenzwert sollte so kloin gewählt werden, daß die dadurch herbeigeführte Gensuiekeita-Terrlngerung wesentlich kleiner als die Genauigkeitsvergrößerung ist, die man durch die Erhöhung dor Anzahl der als BtOgliche Kippzentren dienenden Stellen über drei hinaus erhült. Auf diese Welse erhält man trotx des genannten Spielraums einen Nettogewinn an Genauigkeit. Jedoch ist es auch möglich, den Spielraum auf den Vert Null zu verringern, d.h. es lilßt eich eine gleichzeitige Berührung

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zwischen sämtlichen Lagereleinenten und den zugehörigen konrergenten Flächen und auch zwischen sömtliohen zusatzliehen StCtz- und GegenflCchen erzielen« wie nachstehend noch in eineeinen erlüutert wird.

Einige AusfQhrunssbeisplele der Erfindung werden nachstehend mit Bezu£ auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtι

Pig. 1 einen Sohnitt durch einen Tastkopf

nach der Erfindung,

Pig. 2 einen Schnitt lfings der Linie II-II

in Pig. I,

Pig. 3 einen Schnitt in der Ebene IH-III in

. 1,

Pig. 4 «in Blockschaltbild der elektrischen

Schaltung des in Pig. I gezeigten Tastkopfes, _:

Pig. 5 einen Schnitt dureh eine weitere TastkopfauefOhrungsform,

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Pig. 6 einen Schnitt länge der Linie VI-VI

in Fig. 5, und

Pig. 7 einen Schnitt in der Eben· VII-VII

in Pig. 5.

Die Pig. 1 bis 3 zeigen einen Tastkopf mit einen Gehäuse 50, dessen Achse mit 51 bezeichnet und mittels eines Zapfens 53 an einem Tastkopfhalter 52 einer Meüraaachine befesti^bar ist. Dao Qehiluee 50 la^urt einen Tasterhalter 5t, dessen Achse mit 55 bezeiclmet Int. Lin am Tasterhalter 5*> befestigter Taster 56 trügt an seinem freien Ende eine kugelige TaetspitEe 57» mittels wolchor eine Fläche 58 einea V/erkstUckes 59 antastbar 1st. In der dargestellten Position des Tasterhalters 5Ί» bei welcher es sich um seine Ruhelage handelt, fallen die Achsen und 55 zusammen. Der Tasterhalter 5% ist im Gehäuse 50 an drei Lagerstellen A, B und C gelagert, die auf einem gemeinsamen Kreis um die Qeluluseachoe 51 herum liegen.

An Jeder Lageretelle A, B und C sind zwei Lagerelemente in Porm gehorteter und polierter Stehlkugeln 57 angeordnet, die an bezüglich de3 geneinsamen Kreises in tangentialer Richtung auseinanderliegenden Stellen am Gehäuse befestigt sind. Jedes Kugelpaar bildet zwei zueinander konvergierende Flüchen 58. Außerdem trägt der

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Tasterhalter 51 drei radial von seiner Achse 55 wegragende Auflageeler.ente in Form geh&rteter und polierter Stahlsyllnder 59, die Jeweils mit einer der Lagerstellen A, B und C zusammenwirken.

Jeder Zylinder 59 befindet sich also in Dereich eines Kugelpnars und kann auf den Kugeln 57 gleiten, um sich zwischen die beiden konvertierenden FlUchnn 58 zu lrgen. Wegen der Jeweils zueinander konvexen Oberflächen Jsd;s Zylinders 59 und der danit zusammenwirkenden Kugeln 57 kann der Ta3terhalter 54 in eine seine Ruhelage bildende

Position gleiten, In welcher Jeder Zylinder 59 an beiden konvergenten Flächen 58 anlieft, also Jeweils an swei Punkten 61 mit dem betreffenden Kugelpaar 57 Berührung hat. Ein« zwischen dem Gehäuse 50 und dem Tasterhaitor ρ4 angeordnete Feder 60 drängt den Tasterhalter in sein« Ruhelage. Die Zylinder 59 und die konvergierenden Flächen 53 bilden eine stabile Lapiarung des Tasterhaltor3 gegen Klppbewcgungen um die Lagerstellen A, B und C und gegen Querverschiebungen oder Drehbewegungen bezüglich dor Achse

Das Oehiiuse 50 weist ferner drei angeformt· oder auf andere Waise angebrachte zusätzliche Stützflächen In form dreier ebener Flächen 62 auf, die zwischen den Ln^jrstoll^n A, B und C In einer die Punkte 61 schneidenden Kbene liegen.

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Ebenso sind am Tasterhalter 5Ί drei zusätzliche, angefornte oder auf andere Weise hergestellte Qef.enf lachen 63 in Form von gekrü.tmten, kantenartigen Flächen angeordnet, die konzentrisch zur Qehäuseachse 51 und zwischen den Zylindern 59 auf einem Kreis liegen, dessen Durchmesser etwa gleich demjenigen des geneinsaaen Kreises der drei Lagersteilen ist. Zwischen den zusätzlichen Stützflächen 62 und den zusätzlichen Qegenflüchen 63 ist jeweils ein kleiner Spielraum 6Ί vorgesehen, um sicherzustellen, daß die Ruhestellung des Tasterhalters 54 noch stabil durch die Kugeln 57 festgelegt wird.

Der Taaterhalter 5²I kann aus seiner Ruhestellung durch eine Kraft Pl ausgelenkt werden, die nach einer Auslenkung χ der Tastspitze 57 in Sinne einer Kippbewegung des Tasterhalters um die Achse BC auf den Taster 56 wirkt. Eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft F2 bewirkt eine Kippbewegung um die Leerstelle A, deren Abstand von der Aohse 51 doppelt so groß wie derjenige der Achse BC ist, so daß die Auslenkung der Tasterspitze 2x beträgt.

Wenn nach der Auslenkung χ aufgrund der Kraft Fl der Taster weiter ausgelenkt wird, so beginnt sich die Fläche 63 der Stützfläche 62 zu nähern, bis der Spielraum 6Ί verschwunden 1st. Sodann steigt die Kraft Fl an und wird gleich der Kraft 92 und die Auslenkung wird gleich 2x.

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Wegen den Spielraums 64 beträgt jedoch die Cesantauslenkung dar Testspitze 57 des Tasters 2x ♦ xc, wobei xc die Auslenkung aufgrund des Spielraums ist. Die Genauigkeitstoleranz des Tastkopfes entspricht dann xc gegenüber der ohne die zusätzlichen Flächen 62 und 63 erzielbaren Genaulgkeitstolerans x. Solange der Spielraum 64 so klein ist, daß xc< χ ist, wird die Genauigkeit des Testkopfes durch die Flüchen 62 und 63 verbessert.

Jede Auslenkung über die genannte Teetspitsenauslenkung hinaus, d.h. jede Kippbewegung des Tasterhalters 54, wird dadurch festgestellt, daß die Kugeln 57 in an sich bekannter Weise als elektrische Kontakte in einen Stromkreis 67 geschaltet werden, wobei die Zylinder 59 die durch die Kugelpaare gebildeten Kontakte überbrücken. Alternativ dazu kann die Auslenkung mittels eines Wandlers 68 erfaßt werden, der in den Fig. 1 und 4 gezeigt ist und einen beweglichen Kern 69 besitzt, der leicht gegen die Mitte des Tasterhalters 54 gedrängt wird. Der Wandler 68 iat in «ine InduktionsmeßbrUcke 70 geschaltet, die über einen Gleichrichter 71» einen Verstärker 72 und einen Trigger 73 ein Sprungsignal 74 liefert, wenn die Xippbewegung des Tasterhalters einen gegebenen Schwellenwert übersteigt.

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Außer durch eine Kippbewegung kann der Taster 56 auch durch eine geradlinige Vorschiebung nach oben in Richtung der Achse 51 oder durch eine Drehbev.P£un<- un diene Achae herum ausgelenkt werden. Zur Ernöglichung dar letzteren Auslenkbarkeit müßte der Taster eine seitlich wegra_r;ende Tastspitze 56A haben. Im Qehüuse 50 können AnscnlagflUchen 65 vorgesehen sein, die mit einem Zylinder 59 zusammenwirken und verhindern, daß der Taster durch eine Drehbewegung so weit aus seiner Ruhestellung ausdenkt wird, daß er danach nicht mehr von eelbst in seine Ruhestellung zwischen den Ku^elpaaren zurückkehrt.

Bei dem in den tfig. 5 bis 7 gezeigten Tastkopf eiithilt ein Gehäuse 10 mit einer Achse 10a einen Ring 12, der eine nach eben offene, zur Achse 10a konzentrische Nut 13 mit V-Querschnitt besitzt. In dieser Nut befindet ' •ich eine ringförmige Anordnung von gehorteten und polierten Stahlkugeln 14. An einem Tasterhalter 16, dessen Achse mit I6a bezeichnet ist, ist ein Taster 15 befestigt. Außerdem ist am Tasterhalter Io eine nach unten offene Nut 17 mit V-Querschnitt, welche der Nut 13 gegenüberliegt und ebenfalls eine ringförmige Anordnung gehärteter und polierter Stahlkugeln 18 enthält. Jede der Kugeln l8 ^: befindet sich zwischen zwei benachbarten Kugeln I¹I. Jeweils zwei benachbarte Kugeln 14 bilden zusammen zwei zueinander

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konvergierende PlÄchen 19 (Fig. 3). Jede Kugel 10 bildet eine QegenflUche 20, die sich an die beiden konvergierenden Flüchen 19 zweier benachbarter Kugeln l4 anlegen kann, üine Feder 21 dr«'in£t dan Tasterhalter 16 zum Hin« 12 hin, und die Kugeln 14 und 13 berühren bich aufgrund der von der Feder ausgeübten Vorspannkraft mit ihren Flüchen 19 und an Punkten 22.

Um elohersustellen, daß zwischen jeder Kugel iß und zwei benachbarten Kugeln 14 die gewünschte Berührung stattfindet, 1/UJt man die Kugeln 14 und 18 anfänglich frei in ihren iiuten 13» 17 rollen, di« eich dann aufgrund der Federkraft und der Konvergenz der Plitchen 19 in Positionen einstellen, in welchen alle Kugeln 14 alle Kugeln 18 berühren. Die von zwei benachbarten Kugeln 10 gebildeten Flachen 20 sind natürlich in der ijleichen Weise zueinander konvergent wie die Flächen 19 zweier benachbarter Kugeln l4, und beide Kugelgruppon 14 und 10 verhalten »ich, was die Einnahme der gegenseitigen Poaitlonen in den Nuten betrifft, in der gleichen Weise« Um ein vollständige* und schnelles Ausrichten der Kugeln zu erzielen, kann eine verhältnismäßig starke Feder 21 verwendet und der Tastkopf vibriex't werden, wobei der Taster 15 mittels einer Vorrichtung in der Achse 10a gehalten wird.

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Man läßt die Kugeln 14 und 18 sich in der beschriebenen Weise einstellen und ausrichten, während vorher in die Hüten eingebrachtes Epoxyharz 1^a, 18a noch weich 1st, und lü&t dann das als Klebstoff dienende Harz aushürten, wilhrend die relative Lage des Gehäuses 10 und des Tasters 15 unverändert beibehalten werden.

Wenn alle Kugeln Ik und l8 in der beschriebenen Weise miteinander in Berührung stehen, besitzt der Tasterhalter 16 eine genau bestimmte stabile Ruhestellung in Gehäuse 10. Wenn im Gebrauch eine Kraft auf den Tester wirkt, beispielsweise durch Berührung des Tasters nit einem Werkstück, wird der Taster 15 aus seiner Ruhestellung ausgelenkt, d.h. der Tasterhalter 16 wird angehoben oder gekippt. Kört die auf den Taster wirkende Kraft auf, so gleiten die Kugeln aufgrund der Federkraft und der von ihnen gebildeten konvergierenden Flüchen aufeinander, bis si· ■ich wieder an den Punkten 22 berühren und die genannte stabile Ruhestellung wieder eingenommen ist.

Die gleichförmige Berührung zwischen den Kugeln Ii und 18 kann noch verbessert werden, indem der Tasterhalter unter gleichzeitigem Einführen eines feinen Schleifmittels zwischen die Kugeln vibriert wird.

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Die kleinetnßßliehe Anzahl von Kugeln in jeder Kugelgruppe ist vier, Jedoch ist eine minimale Kucelonzahl von sechs zu bevorzugen, was den dargestellten Ausführuncsbeispiel entspricht, so daß sechs riiunlioh auseinanderliegende Leerstellen zur Lagerung des Tasterhalters in Geh.1uee gebildet sind. Wenn eine Lagerung; nur en drei La^erstellen gewünscht wird, kann jede zweite der Kugeln nach dem Aushärten des Harzes einzeln poliert werden, um ihren Kontaktdruck rait den beiden benachbarten Kugeln Ik abauschwilchen oder so,<ar einen kleinen Spielraun 22a herzustellen. Dadurch erhalt man zusätzlich zu den drei den Tasterhalter 16 tatsächlich lagernden Layersteilen drei

StUtzntellen. Die oben unter Bezugnahme auf die Hg. S bis angestellten Betrachtungen hinsichtlich der Genauigkeit des Tastkopfes gelten auch für den in den Fig. 5 bis 7 _; dargestellten Tastkopf.

Die Auslenkung des Tasterhaltere 16 kann wiederum dadurch festgestellt werden, daß die Kugeln 14 und 18 als elektrische Kontaktstück« benutzt werden. In diesem Pille werden der Tasterhalter 16 und der Hing 12 aus hartem Kunststoff hergestellt, um eine gute Isolation und trots-, den ein leichtes Rollen der Kugeln in den Nuten 13, 17 während der anfanglichen Kugelausrichtung sicherzustellen* Vorzugsweise sind die Kugeln einer Kugelgruppe, beispiels-

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weise die Kugeln 18, an «inen ^erceInsamen Leiter 23 angeschlossen, während die Kuseln der anderen Ku₁Je lgruppe, beispielsweise die -Cu^eIn 1Ί, über Jeweils gosonderte Leiter 21 mit einem NOR-UIie.i 25 verbunden sind, so daß ein in der Ruhestellung vorhandenes Aus^an^esignal 26 aufhört, sobald die Berührung an einen dar Punkte 22 unterbrochen wird. Falls nur drei Kugeln 18 zur Lagerung des Tasterhalter· verwendet werden, beschränkt sich die elektrische Schaltung auf dieae drei Kugeln 13 und die ihnen zugeordneten Kugelpaare Ik,

Es kann Jede beliebige Anzahl von Xugoln IH und 13 Anwendung finden. Oberhalb einer sewiaaen Ku^el.saiil erhält man Jedoch keine wesentliche Varbosaeruntf dor G«>riaui^k«iitatoleranz des T^atkopfes mehr, üin«» Anaaiil von iMufzijiin Kugeln hat eich an sich als aweckirlßifi eriileaiin und oano Notwendigkeit des Poli^r^ns einseiner Kujeln in d-jr oben er* Ihnton Weine zu guten I^r^ebniajien iröfülirt. Di? AUjrsln können relativ klein sein, bei:}pielsueiet» einen Curchireaser von 1 nun bis 2 ram haben, und die Anordnung der Kugeln 14 und 13 in Nuten 13, 17 eignet sich für die wirtschaftliche Herstellung von Tastköpfen mit sehr kleinem Gesairtdurchmeaser, beispielsweise von 15 ram und darunter. Findet eine große Anzahl kleiner Kugeln Anwendung, ao erfolgt di^ Peststellun? einer Auslenkung des Tasterhalters

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mittels eines Wandlers 26 ähnlich der in den Piß· 1 und n Art.

Qem'lß einer nicht dargestellten Abwandlung ist ein· Kugelgruppe durch Ke^elrollen ersetzt.

Gemäß siner anderen, nicht gezeigten Abwandlung ist der Taeterhalter 16 mit kleinerem Durclinesser ale beim dargestellten Ausf'Jhruncateispiel ausgebildet und die Kugeln 18 sind durch radiale Arne mit jeweils kroiarundew Querschnitt ersetzt, die von Tasterhalter we^ra^en und zwischen den Kugeln l'l liegen.

einer noch weiteren, nicht dargestellten Abwandlung sitzen die Kugeln ein*r Ürui>ie, beiepiolswfise die Kugeln lk_t anstatt in einer Hut in Sackbohrun.^en des Uehämes 50, v/oLei die Tief»? der oackboiirun^en c*^iW^ⁿ»cittenfalla zur iler:iteilung von r.;)ielr.'iunien 22A gsnaxi featofjt wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Tastkopf rait einem Taster, der durch eine Rückstellkraft in eine seine Nullstellung bestimmende, drei räumlich versetzte Lagerstellen aufweisende Lagerung gedr'ingt wird, aus welcher heraus er relativ zu soiner Halterung in einer Richtung verschiebbor und allseitig kippbar ist, wobei an Jeder Lageratelle ein an einen der Bauteile Ta3ter oder Halterung angeordnetes Lagerelement mit zwei am jeweils anderen Bauteil angeordneten, zueinander konvergierenden Pliichen zusammenwirkt, und mit einer Einrichtung zur Erfassung von TaaterausJenkungen, dadurch gekennzeichnet, daß am Taster (15, 16; 5*», 56) zusätzliche Stützflächen (18; 63) und an seiner Halterung (10, 12; 50) damit zusammerwirkende zusätzliche Gegenflüchen (IU; 62) angeordnet sind, die an bezüglich der Lagerstellen (A, B, C) versetzten Stellen gelegen sind, und daß zwischen den zusätzlichen Stützflächen und den zusätzlichen Uegenflächen ein Spielraum (22A; 64) zwischen Null und einem bestimmten Grenzwert vorgesehen ist.

   2. Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen (A, B, C) symmetrisch um ein· Achse (10a; 51) herum angeordnet sind, und daß die zu-

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   •ätzlichen Stütz- und Qegenflächen (62, 63) durch an einem der Bauteile Taster (56) oder Halterung (50) gebildete ebene Flächen (62), die im wesentlichen in der Kbene der Lagerstellen gelegen sind, und am Jeweils anderen ünuteil angeordnete, konzentrisch zu der genannten Achse verlaufende Kantenflachen (63) gebildet sind.

   3· Tastkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Leerstellen (A, Il, C) und auf einam gemeinsamen Kreta rclt diesen zusätzliche Leerstellen gebildet sind, an denen jeweils ein an einen der Bauteile Taster (15, 16) oder Halterung (10) angeordnetes zusätzliches Lagerelement (10) mit zwei an Jeweils anderen bauteil angeordneten, zueinander konvergierenden Flächen (14) zueammsnwirkt.

   1. Tastkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laßereler.ente der Lagerstelien und der zusätzlichen Lagerstellen durch eine rlnr.fUrinlg angeordnete Gruppe von an einem der Bauteile Taster (15, 16) oder Halterung (10) befestigten Kugeln (10) und die zueinarder iconvergierenden Flächen der Ladestellen und der zusätzlichen Lagerstellen durch eine weitere Qruppe von ringförmig angeordneten, am Jeweils anderen Bauteil befestigten Kugeln (ίΊ) gebildet sind, die jeweils zwischen den Kugeln (18) der

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   erster«n Gruppe gelegen sind.

   5. Tastkopf nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (14, 18) beider Kugelgruppen in im Taster (15* 16) und in der Halterung (10, 12) gebildeten, zueinander konzentrischen Ringnuten (13, 17) angeordnet und mittels eines aushärtbaren Kunstharzes befestigt sind.

   6. Tastkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zusätzlichen Lagersteilen mindestens drei beträgt.

   7. Tastkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Anzahl der an jedem Bauteil befestigten Kugeln vier betrugt.

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