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Meßsystem und -verfahren
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Meßsysteme und insbesondere
ein System sowie ein Verfahren zum genauen Messen und Aufzeichnen der Abmessungen
wie u.a.
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der Längen, Durchmesser, Radien und Winkelabmessungen von Werkstücken
wie beispielsweise Rohren.
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Es besteht ein fortwährender Bedarf an Systemen und Verfahren zur
genauen Messung der Abmessungen von Werkstükken - beispielsweise der Winkel von
Gewindeflanken, der axialen Lage der Flanken entlang des Gewindes, der Spitzen-
und Wurzeldurchmesser, von konischen Schultern und von Flanschen. Die Aufrechterhaltung
der Maßgenauigkeit ist besonders wichtig für das in der US-PS 3 989 284 offenbarte
neue Blose-Gewinde. Es sind zwar Gewindemeßvorrichtungen bekannt; jedoch weist keines
die ungewöhnlich vorteilhaften baulichen Merkmale, Betriebsweisen und Ergebnisse
auf, die die vorliegende Erfindung bietet.
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Es ist ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Meßsystem und
-verfahren anzugeben, die den erwähnten Bedarf
befriedigen und die
Nachteile der bekannten Anordnungen vermeiden. Im Prinzip handelt es sich bei der
Erfindung um ein System mit (a) einer ersten Einrichtung mit einer an Werkstückoberflächen
anlegbaren Spitze, (b) einer die erste tragenden, in Längs, Seiten- und Drehrichtung
bewegbaren zweiten Einrichtung sowie (c) mit Mitteln, die die Längs-, Seiten- und
Drehbewegungen der Spitze zur Meßwertabgabe erfassen.
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Wie ersichtlich werden wird, ist ein Rechner an die Erfassungseinrichtung
anschließbar, um mindestens eine und vorzugsweise mehrere Basispositionen festzulegen,
von denen aus eine oder mehrere erfaßte Bewegungen gemessen werden.
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Insbesondere ist eine Einfach- oder Mehrfachkontaktspitze bzw. -sbnde
mechanisch sowie auch elektronisch über einen Mikroprozessor, Minicomputer oder
eine andere Recheneinrichtung betätigbar, die elektrische Signale zu relativen Abmessutgswerten
umwandelt. Das System ist derart eingerichtet, daß eine Nullstellung, bezüglich
der sämtlichen Längenmessungen erfolgen, in Beziehung zu einer festen Grundplatte
oder zu einem Punkt auf der Sonde selbst gesetzt wird; die Nullstellung läßt sich-zu
einer nicht festen Position in Beziehung setzen, die durch einen vorbestimmten Punkt
auf der bzw. den Sonden festgelegt wird.
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Diese Position wird dann durch Signalabgabe an den Rechner ideptifiziert,
so daß sämtliche Dimensionsmessungen mit dieser willkürlichen Null-Position identifiziert
werden. Beispielsweise kann man die Sonde auf eine Schulter aufsetzen, nachdem man
den Meßkopf in oder auf das Ende eines Rohrs ein- bzw. aufgesetzt hat, und dann
dem Rechner mitteilen, daß die Erfassung und Identifikation
der
Bewegung der Sonde() von diesem willkürlich gewählten Berührungspunkt auf der Schulter
aus erfolgt.
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Die gleiche Basis zur Festlegung von Sondenbewegungen gilt dann für
axiale, radiale oder Umfangsbewegungen der Sonde(n).
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Weiterhkn kann man die Sonde so aufbauen, daß unter (von Hand oder
automatisiert) auf die Sonde aufgebrachtem Druck der Ort des Berührungspunkts nicht
an den Rechner weitergegeben' wird, bevor nicht ein vorbestimmter Druck erreicht
ist. Der Berührungsdruck der Sonde beeinflußt daher Änderungen der aufgezeichneten
Meßwerte nicht, so daß der die Meßwertaufzeichnung beeinträchtigende menschliche
Einfluß entfällt.
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Das System ist weiterhin in der Lage, den Nullpunkt für die Meßjertaufnahme
willkürlich, nicht als festen Basispunkt auf der Mechanik selbst festzulegen, von
dem aus alle Messungen genommen werden. Weiterhin werden die von der Sonde abzugebenden
Signale durch die Verwendung von Kodierern oder Potentiometern, Differentialtransformatoren
oder Dehnungsmeßstreifen erzeugt; das Meßstreifenprinzip ist dabei bevorzugt in
Fällen, in denen extrem kleine Meßwerte zu erwarten sind. Auch andere Vorrichtungen
mit gleichmäßig dehnungsabhangigem elektrischem Widerstand lassen sich verwenden.
Auf diese Weise erhalt man kontinuierlich, nicht schrittweise sich verändernde Spannungs-
oder Stromwerte. Ein weiteres anwendbares System würde induktiv nach dem Prinzip
der Wirbelstrominterferenz arbeiten. Die Absicht ist dabei, eine Basis für ein sich
gleichmäßig änderndes elektrisches Signal festzulegen, so daß sich sehr kleine Signaländerungen
verstärken und zu extrem kleinen Meßwertänderungen in Beziehung setzen lassen. Kodierer
sind genau genug für lineare
MessungEn auf Zehntausendstel und
für die meisten linearen odir Winkelabmessungen bei rohrförmigen Produkten zufriednstellend.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung
zur Messung des Krümmungsverlaufs von Oberflächen wie Rohrinnenflächen oder zylindrischen
Außenflächen zu messen und die dabei erfaßten Durchmesser und Radialabmessungen
sichtbar darzustellen. Derartige Durchmesser lassen sich für Krümmungen an unterschiedlichen
Punkten um eine Rohrachse bestimmen und mit dem Rechner mitteln, um einen durchschnittlichen
Rohrdurchmesser abzuleiten.
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Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung sowie die Einzelheiten
einer beispielhaften Ausführungsform sollen anhand der beigefügten Zeichnung'erläutert
werden.
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Fig. 1 ist ein.Blockschaltbild; Fig. 2 ist eine schaubildliche Darstellung
einer die vorliegende Erfindung enthaltenden Anordnung; Fig. 3 ist ein Blockschaltbild;
Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung von Durchmessern und Krümmungen; Fig.
5a - 5c sind Schaltbilder; Fig. 6 ist ein Blockdiagramm; Fig. 7 zeigt ein Verfahren
zur Bestimmung des beim Ansetzen der Meßvorrichtung an ein Rohr auftretenden Winkelfehlers;
Fig. 8 zeigt den Effekt des Winkelfehlers bei angesetzter Meßvorrichtung während
der Messung; Fig. 9 zeigt vergrößert die Lage einer Meßspitze zwischen Gewindeflanken;
Fig.
10 zeigt einen modifizierten Rohrgewindeabschnitt; Fig. 11 zeigt schaubildlich eine
Einrichtung, mit der sich ein Signal abgeben läßt, nachdem Druck auf die Meßspitze
aufgebracht worden ist.
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Allgemein gesagt, weist das Meßsystem nach der vorliegenden Erfindung
eine erste Einrichtung mit einer Meßspitze, die an eine Werkstückoberfläche anlegbar
ist, eine die erste längs, seitlich und drehbeweglich tragende zweite Einrichtung
sowie Mittel auf, die diese Bewegungen zwecks Meßwertausgabe erfassen. Als Beispiel
einer ersten Einrichtung mit einer Meßspitze zeigt die Fig. 2 einen Schaft 10 an
einem Schlitten bzw. einem Linearlager 12 zwecks Längsbewegung der Spitze und einem
Schlitten bzw. einem Linearlager 13 zur seitlichen bzw. Querbewegung der Spitze.
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Dabei kann der Schlitten 13 vom Schlitten 12 getragen sein, wie gezeigt,
und der Schlitten kann in der mit den Pfeilen 14 gezeigten axialen Richtung laufen,
während der Schlitten 13 sich in der mit den Pfeilen 15 gezeigten radialen Richtung
bewegt. Diese Richtungen gelten typischerweise für die Axial- und Radialabmessungen
von Körpern wie Rohren, Schraubgewinden, Flanschen und dergleichen, deren Abmessubgen
gemessen werden sollen. Die Schlitten können von Hana oder mechanisch bewegt werden.
Als Beispiel ist gezeigt, wie die Spitze 11 sich an eine Innenfläche 16 anlegt und
an eine Schulter 17 angelegt werden kann, die zylindrtsch, oder konisch umlaufen
oder auch eine Gewindeflanke sein kann.
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Die die erste Einrichtung tragende Einrichtung weist weiterhin einen
Rotor 18 auf, mit dem die Spitze 11 sich
drehen läßt. Der Rotor
ist relativ zu einem festen Teil 19 drehbar beispielsweise auf Kugeln 20 gelagert
undträgt die Längsschienen 21 für den Schlitten 12. Geeignete Linearlager 22 können
zwischen dem Schlitten 12 und den Schienen 21 vorgesehen sein. Der Rotor 18 ist
(von Hand oder mechanisch) um eine beispielsweise zur Längsrichtung 14 parallele
Achse 23 drehbar. Bei 24 ist schaubildlich eine Einrichtung gezeigt, mit der der
feste Teil 19 an ein Rohr oder einen anderen abzumessenden Körper angesetzt werden
kann.
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Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um die beschriebenen Längs- (beispielsweise
Axial-), Seiten- bzw. Quer- (beispielsweise Radial-) und Drehbewegungen (beispielsweise
um die Längsachse) der Spitze zwecks Meßwertabgabe zu erfassen. Diese Mittel sind
bei 26,27 bzw. 28 in Fig. 2 gezeigt und können die Form verschiedener Einrichtungen
aufweisen, die vorzugsweise den Lageänderungen der Spitze 11 proportionale elektrische
Ausgangssignale liefern.
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Das Element 26a der Einrichtung 26 läuft mit dem Schlitten 13 in der
Richtung 15, während das Element 26b am Schlitten 12 befestigt ist. Das Element
27a der Vorrichtung 27 läuft in der Richtung 14 mit dem Schlitten 12, während das
Element 27b an den Schienen 21 befestigt ist, und das Drehelement 28a der Einrichtung
28 dreht mit dem Rotor 18 um die Achse 23, während das Element 28b am Teil 19 festgelegt
ist. Es sei als Beispiel auf das Potentiometer 30 in Fig. 5a mit dem Widerstandselement
30a und dem Abgriffarm 30b verwiesen, wobei dem Widerstandselement bei 33 Strom
zugeführt wird; die Ausgangsspannung bei 34 hängt von der Lage des Abgriffarms auf
dem Widerstandskörper ab. Vergl. ebenfalls den Kodierer 35 in Fig. 5b mit dem beweglichen
Element 35a und dem festen
Element 35b; das digitalisierte Ausgangssignal
erscheint bei 36. {Eine derartige digitale Längenmeßeinrichtung ist als!METRO 1010
bekannt. Schließlich sei auf den variablen Differentialtransformator 37 in Fig.
5c verwiesen, dessen beweglicher Kern 37a in den von Spulen erzeugten Feldern verschieb-
bzw. verdrehbar ist; dabei ist die Spule 37b an einen Oszillator 38 angeschlossen,
der eine Trägerfrequenz abgibt. Eine Spannung wird in den beiden Sekundärspulen
37c, 37d induziert, die entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, so daß die beiden
Sekundärspannungen gegenphasig verlaufen und die Gesamtausgangsspannung des Transformators
ihre Differenz ist. Bei der Bewegung des Kerns wird also eine Ausgangsspannung abgegeben,
die sich bei 40 und 41 so verarbeiten läßt, daß man bei142 einen geeigneten Streckenausgangswert
erhält.
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Ein Beispiel für einen auf Drehbewegungen ansprechenden Differetialtransformator
ist das Modell R30A der Fa.
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Schaevitz Engineering, Pennsauken, N.J., V.St.A. Die Ausgangsanschlüsse
der Sensoren sind in der Fig. 2 bei 26c, 27c und 28c gezeigt.
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Die Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild den Rechner 44, der an die
Meßfühler 26, 27 und 28 über die Anschlüsse 26c, 27c bzw. 28c angeschlossen ist,
um mindestens eine (und vorzugsweise mehrere) Basispositionen festzulegen, von denen
aus die erfaßten Lageveränderungen der Spitze 11 gemessen und dann mit den Sichtvorrichtungen
26d, 27d, 28d (entsprechend den Meßfühlern 26, 27, 28) dargestellt werden. Gegebenenfalls
kann auch nur eine Sichtvorrichtung vorliegen, die dann die Meßausgangswerte der
Sensoren wahlweise darstellt.
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Der Rechner erlaubt eine wahlweise Festlegung der Nullstellungen,
von denen aus die erfaßten Lageveränderungen gemessen werden. Zu diesem Zweck lassen
sich dem Rechner drei Drucktasten 26e, 27e, 28e zuordnen, mit denen die Bedienuggsperson
die verschiedenen Anzeigen bei 26d, 27d, 28d auflNull stellen kann.
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Ein Beispiel für einen solchen Rechner ist in Fig. 6 gezeigt. Er ist
an den Anschluß 34 eines Fühlers der in Fig. 5a gezeigten Art angeschlossen, der
dem Fühler 27 in Fig. 2 entsprechen und die Verschiebung in der Axial-bzw. Längsrichtung
14 erfassen kann. Der Null-Drucktaster 27e in Fig. 1 entspricht dann dem Schalter
50 in Fig. 6; er kann kurzzeitig geschlossen werden, indem die Bedienungsperson
die Taste in der gewählten Null- bzw. Basisposition der Spitze 11 in der Richtung
14 drückt; dabei wird eine Abtast- und Halteschaltung 52 an den Fühlerausgang am
Anschluß 34 gelegt. Der Fühler-Ausgangswert und auch der Ausgangswert der Abtast-
und Halteschaltung (bei 55) gehen auf eine Subtrahierschaltung, deren Ausgangsspannung
wiederum bei 57 an die Sichtvorrichtung 27d.
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Die Sichtvorrichtung zeigt also in der gewählten Spitzenstellung Null
an, während nachfolgende Bewegungen der Spitze in der Längsrichtung 14 von dieser
Basisposition ausgehend linear gemessen und angezeigt werden. Das gleiche läßt sich
für die Sichtvorrichtungen 26, 28 mittels der Drucktaster 26e, 28e erreichen. Anstelle
der in der Fig. 6 gezeigten lassen sich auch andere Schaltungsarten -verwenden -
beispielsweise Spannungs-Frequenz-Wandler, Auf/Abwärtszähler usw.
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Nach der vorliegenden Erfindung sind auch Mittel wie beispielsweise
Rechenschaltungen vorgesehen, um Änderungen
der Basisposition infolge
von Verschiebungen der Spitze zu kompensieren, die sich bei Ausrichtfehlern der
Spitze relativ zum Werkstück verändern können. Hierzu sei auf die Fig. 7, 8 verwiesen.
Die Fig. 7 zeigt das tragende Teil 19a (entsprechend dem tragenden Teil 19 in Fig.
2), das bei 60 und 61 an ein Rohr 62 angesetzt ist, wobei das Teil 19a in Axialrichtung
um einen Winkel relativ zur Rohrachse 63 fehlgerichtet sei. Ein derartiger Ausrichtfehler
kann bei zur Rohrachse nicht genau rechtwinkliger Stirnfläche des Rohrendes 64 auftreten,
an der das Teil 19a anliegt, wie in Fig. 7 übertrieben gezeigt ist (vergl. insbesondere
den axialen Versatz zwischen den Rohrendteilen 74a und 64b). Wäre in Fig. 2 die
Bezugsfläche 19b des Teils 19 ebenso auf das Rohrende 64 gespannt, würde die Fühlerspitze
11 entlang der Achse 23a in Fig. 7 (entsprechend der Achse 23 in Fig. 2) laufen,
nicht in Richtung der Rohrachse 63, und ein gewählter Basispunkt für die Spitze
11 würde sich dann entlang der Achse 63 (d.h. in Längsrichtung des Rohrs) verschieben,
wenn die Spitze sich entlang der Achse 23a bewegt.
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Der Rechner 44 gleicht diese Änderungen des Basispunkts aus, indem
er den der Sichtvorrichtung 27d in Fig.6 zugeführten Meßwert vorher aufbereitet.
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Den korrigierten Wert des Basispunkts entlang der Achse 63 erhält
man beispielsweise aus einem Multiplikator 70 in Fig. 6, dem die Eingangsgrößen
(1 - cos ) und y zugeführt werden. Jeder Wert d wird bei 71 vom Null-Ausgangswert
57 des oben erwähnten Subtrahierers 56 substrahiert oder zu ihm addiert. Wenn (ion
Fig. 8) der Schlitten sich also entlang der schräg verlaufenden Achse 23a um eine
Strecke v bewegt hat und die Nullposition bei 100
festgelegt worden
ist, muß um einen Wert korrigiert werden, der der entlang der wahren Achse 63 zurückgelegten
Strecke, d.h. y(1-cos ) entspricht. Der Ausgangswert vot 71 wird dann der Sichtvorrichtung
27d zugeführt.
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Die Sicttvorrichtung kann mit der Einrichtung 101 erneut genullt werden.
Der Multiplikator 70 nimmt die Werte y und (1-cos ) auf, die zum Produkt b multipliziert
werden.
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Vergl. auch die Schalter 102, 103, mit denen die Korrektureinrichtung
71 nach Wunsch zugeschaltet werden kann.
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Der Wert auf kann auf geeignete Weise abgeleitet werden - beispielsweise
in Fig. 7 optisch mit Hilfe eines Strahles 76 aus einer Quelle 76a, den die Fläche
77 auf dem Teil 19a auf eine Skala 78 reflektiert. Der Wert cos kann mit einem Funktionsgenerator
79 in Fig. 6 erzeugt werden; der Wert y ist die Ausgangsgröße-des Fühlers 27. (Wie
Fig. 8 zeigt, ändert sich das Ausgangssignal des Fühlers 27 mit dem Umlauf der Spitze
um die fehlgerichtete Achse 23a, während sie an der zur wahren Achse 63 rechtwinkligen
Fläche 80 anliegt, und zeigt so die Änderungen der Basisposition als Funktion der
Drehbewegung der Spitze.) Entsprechend lassen sich die Basispunkte bezüglich der
Drehung der Spitze 11 um die Achse 23a korrigieren.
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Nach der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die sich an eine gekrümmte
Oberfläche anlegen, um eine Kreisabmessung - beispielsweise einen Durchmesser D
oder einen Radius R - zu bestimmen. Wie die Fig. 4 zeigt, handelt es sich dabei
typischerweise um zwei Bezugssonden 90 und 91, die von einem Träger 92 aus, an dem
sie befestigt sind, in allgemein die gleiche Richtung weisen. Die Enden dieser Sonden
sind als die gekrümmte Fläche 93 bei
90a, 91 a berührend dargestellt.
In diesem Fall trägt der Trä er die Meßspitze 111 relativ zur gekrümmten Fläche
bewegbar. Eine Feder 94 drückt die Meßspitze 111 bei liga auf die Oberfläche. Beispielsweise
kann die Feder zwischen dem Träger und einem Flansch 95 auf dem bewegbare n Schaft
110 sitzen. Ein Fühler 126 (entsprechend dem Führer 26) erfaßt die Position der
bewegbaren Spitze und erzeugt ein Ausgangssignal bei 127. Da die Enden der stationären
Sonden 90, 91 vorbestimmte Positionen einnehmen, bestimmt sich aus der Messung der
Position der Spitze 111 relativ zu diesen Sonden die Krümmung der Fläche 93 und
entsprechend auch ir Durchmesser D einer solchen gekrümmten Fläche, der dann bei
26d in Fig. 1 dargestellt werden kann. Typischerweise liegen die die Flächen berührenden
Spitzen in im wesentlichen der gleichen Ebene, die rechtwinklig zur Achse 23 in
Fig. 2 verläuft. Der Träger 192, die Sonden 90, 91 sowie die Meßspitze 111 können
vom Schlitten 13 in Fig. 2 getragen sein; die Fig. 4 zeigt einen Teil dieses Schlittens.
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Im Einsatz kann man die Vorrichtung nach Fig. 4 um die Achse drehen
und Meßwerte zur Bestimmung von Durchmessern D1 und D2 einer gekrümmten Rohrinnenfläche
beispielsweise in Abständen von 90" um die Achse 23 aufnehmen. D1 und D2 werden
dann mit Vorteil vom Rechner 44 gemittelt und man gibt den Mittelwert aus.In dieser
Hinsicht zeigt die Fig.
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3 die D1 zu D2 addierende Schaltung 120 sowie eine die Summe durch
2 dividierende Schaltung 121, so daß man den Durchmesser-Durchschnittswert erhält.
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Die Fig. 9 zeigt eine Meßspitze 211 (entsprechend der Spitze 11 in
Fig. 2), die axial und radial bewegbar im Raum 200 zwischen aufeinanderfolgenden
Gewindegängen und
an die axial gegenüberliegenden Flanken 201,
202, an die Wurzel 203 und an die Spitze 204 anlegbar gelagert ist.
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Die Spitze 211 sitzt auf einem Schaft 210 (entsprechend dem Sch ft
10 in Fig. 2). Dabei kann das Gewinde in beispielsweise ein Rohr eingeschnitten
sein. Die Spitze 211 ist auch um die Achse dieses Rohres drehbar gelagert. Die Fig.
10 zeigt ein Rohrende 213 mit einem zweigängigen Innengewinde 220, 221. Die Paßschultern
für das zugehörige Steckrohrende sind bei 222 und 224 gezeigt. Derartige Schultern
und die Gewinde selbst lassen sich mit einem System nach der vorliegenden Erfindung
präzise ausmessen.
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Die Fig. 11 schließlich zeigt schaubildlich eine Form einer E inrichtung,
um ein Meßsignal aus einem Fühler 326 an eine n Rechner (wie in Fig. 1) nur dann
zu übermitteln, wenn spielsweise mit dem Schlitten bzw. Träger 313 auf die Meßspitze
311 eine vorbestimmte Kraft F bzw.
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ein vorbestimmter Druck aufgebracht worden ist. Zu diesem Zweck ist
ein Stößel 370 gleitend verschiebbar bei 371 auf den Schlitten aufgesetzt und eine
Feder 372 sitzt zwischen Schlitten und Stößel. Das der Schlittenposition entsprechende
Signal aus dem Fühler 326 erscheint am Ausgangsanschluß 374; dieses Signal wird
jedoch erst bei 375 weitergeleitet, nachdem der Stößel gegen den Widerstand der
Feder so weit auf den Schlitten zu gedrückt worden ist, dap der Kontakt 376 den
Kontakt 374 berührt. Diese vorbesttimmte Kraft wird natürlich über die Feder auf
den Schlitten übertragen und drückt die Spitze 311 auf die auszumepsende Fläche
380. Die Schlitten 312, 313 entsprechen den Schlitten 12, 13 der Fig. 2.
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L e e r s e i t e