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Die Erfindung betrifft ein Bohrungsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Bohrungsmeßgeräte sind für das direkte Messen oder für die Kontrolle von Toleranzen in mechanischen Werkstätten bestimmt.
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Es sind Bohrungsmeßgeräte bekannt, die einen rohrförmigen Körper mit drei an seinem Ende angeordneten radialen Schlitzen aufweisen, welche über den Umfang des Körpers beabstandet sind. In diesen drei Schlitzen sind drei hebelförmige Meßfinger, die Punktkontaktfühler aufweisen und dazu bestimmt sind, die Wandung der Bohrung abzutasten, in Radialrichtung verschwenkbar gelagert. In einem axialen Loch des Körpers ist eine Stange translationsverschiebbar, an deren äußerem Ende ein zentraler Spreizanschlag zwischen den drei Meßfingern befestigt ist. Dieser Spreizanschlag wird durch eine Feder gegen diese Meßfinger angedrückt. Eine sich zwischen dem Körper und der aus der Stange und dem Spreizanschlag gebildeten Einheit abstützende Feder ist bestrebt, die drei Meßfühler auseinanderzuspreizen. Durch einen entgegen der Wirkung der Feder betätigbaren Hebel können die Meßfinger einwärts verschwenkt werden. Die dem Meßwert entsprechende Verschiebung der Stange in dem rohrförmigen Körper wird in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches in einer elektronischen Verarbeitungsschaltung zu einem Meßsignal aufbereitet wird, das den Bohrungsdurchmesser darstellt.
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Aus der DE-OS 31 35 440 ist ferner ein Tastarmmeßgerät für Innen- und Außenmessungen bekannt, dessen zwei Tastarme relativ zueinander beweglich sind. Die Relativbewegung der Tastarme wird über einen Inkrementalgeber in Meßsignale umgesetzt, die von einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden. In einem digitalen Anzeigesystem werden nur solche Meßwerte angezeigt, die von Unsicherheiten frei sind, welche dadurch entstehen, daß die Stellung der Achse des Meßgerätes gegenüber der Achse einer auszumessenden Bohrung geneigt ist. Die Meßwertaufnahme wird durch Betätigung eines Initiierungsschalters ausgelöst.
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Die bei der Handhabung von Bohrungsmeßgeräten möglichen Meßfehler sind beispielsweise bereits in der Druckschrift "Messen und Meßgerät", Koch und Kienzle, 1931, Seite 91, und in "technica", 1969, Nr. 1, Seiten 27 bis 32, beschrieben. Derartige Meßfehler sind möglich, weil keine mechanischen Maßnahmen vorgesehen sind, die eine Zentrierung des Meßgerätes in der auszumessenden Bohrung gewährleisten.
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Im Falle eines Bohrungsmeßgerätes mit drei Meßfingern, deren Punktkontakte einen Kreis definieren, dessen Durchmesser an einer Anzeigeeinrichtung abgelesen werden kann, führt jede Neigung der Ebene der Kontaktpunkte gegenüber der senkrechten Schnittebene der Bohrung zu einem Meßfehler, durch den ein zu großer Wert des Bohrungsdurchmessers angezeigt wird. Das Bohrungsmeßgerät muß daher in der Ebene der Bohrungsachse nacheinander in verschiedenen Richtungen verschwenkt werden, damit zu irgendeinem Zeitpunkt die Ebene der Kontaktpunkte mit der senkrechten Schnittebene der Bohrung übereinstimmt. Nur dann gibt der angezeigte Meßwert den wirklichen Bohrungsdurchmesser wieder. Der kleinste während des Verschwenkens des Bohrungsmeßgerätes angezeigte Meßwert gibt den Bohrungsdurchmesser richtig wieder.
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Um die mit einer solchen Handhabung des Bohrungsmeßgeräts verbundenen Unsicherheiten zu vermeiden, ist beispielsweise in der CH-PS 5 84 088 und in der JP-OS 50-34805 eine Zentriereinrichtung für Bohrungsmeßgeräte vorgeschlagen, die einen Dorn aufweist, in dem ein mit dem Meßgerät konzentrischer und fest verbundener Kegel befestigt ist. Das die auszumessende Bohrung aufweisende Teil wird mit der Zentriereinrichtung verbunden und mechanisch bewegt, bis die Achse des durch die Tastpunkte des Meßgerätes definierten Kreises mit der Bohrungsachse übereinstimmt. Bei der genannten JP-OS ist weiterhin jedem Meßfühler ein Spannungsmesser zugeordnet, damit die Übereinstimmung der beiden genannten Achsen durch Abgleich der Spannungen an den drei Meßfühlern sichergestellt werden kann.
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Durch diese aufwendigen Maßnahmen wird aber der Meßvorgang komplex und zeitaufwendig, denn die Zentrierung erfordert einen gewissen Zeitaufwand. Überdies haben diese bekannten Meßgeräte einen hohen Raumbedarf. Sie sind daher für Anwendungen, bei denen die Abmessungen von in Serie gefertigten Teilen kontrolliert werden müssen, wenig geeignet.
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Das in der DE-OS 31 35 440 beschriebene Meßgerät ermöglicht hingegen eine vereinfachte Durchführung von Messungen bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit der gewonnenen Meßergebnisse. Zur Aussonderung von unsicheren Meßwerten wird ein Mikrocomputer verwendet, der mathematisch statistische Rechenoperationen durchführt. Während der Ermittlung des Meßergebnisses kann die mögliche Toleranz angezeigt werden, die durch die Meßwerte und den Programmalgorithmus bedingt wird. Das Meßergebnis wird im Anzeigesystem angezeigt, wenn die Toleranz gegen Null geht. Das Meßergebnis bleibt so lange gespeichert und angezeigt, bis ein Abschaltvorgang erfolgt.
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Bei einem solchen Meßgerät muß nach dem Loslassen der Tastarme lediglich noch das Meßgerät verschwenkt werden, um die Ebene der Tastpunkte in Übereinstimmung mit dem senkrechten Querschnitt der Bohrung zu bringen, woraufhin der Meßwert abgelesen werden kann. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß eine Ablesung erst nach der Verschwenkung des Gerätes vorgenommen wird, da alle sonstigen Zwischenwerte für die Messung unbrauchbar sind. Vor jedem Meßvorgang muß aber die einzuhaltende Toleranz der Meßgröße eingegeben werden, da sie Bestandteil des Algorithmus für die statistische Berechnung ist. Die Auslösung der Meßwertaufnahme darf auch erst erfolgen, nachdem die Tastarme in die auszumessende Bohrung eingeführt und losgelassen wurden und mit der Bohrungswandung in Kontakt gelangt sind, damit jegliche Gefahr von Fehlern aufgrund der Berücksichtigung von irrelevanten Meßgrößen vermieden wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Durchführung von Messungen mit einem Bohrungsmeßgerät der eingangs beschriebenen Art zu erleichtern und eine hohe Zuverlässigkeit der erhaltenen Meßergebnisse zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Bohrungsmeßgerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bohrungsmeßgerät erfolgt die Messung der Bohrung manuell, indem zunächst durch Drükken des Steuerorgans zur manuellen Steuerung die Meßfinger zurückbewegt werden, diese Meßfinger dann in die Bohrung eingeführt werden, wo sie sich unter der Wirkung der Feder nach Loslassen des Steuerorgans spreizen, um die Wandung abzutasten, und zugleich der Initiierschalter betätigt wird, durch den die Meßwertaufnahme dann verzögert ausgelöst wird. Das Bohrungsmeßgerät wird dann in allen Richtungen bewegt, so daß die Ebene der Fühler durch eine Lage geführt wird, in der sie mit einer Diametralebene der Bohrung übereinstimmt. Der dabei gefundene kleinste Meßwert wird als Meßergebnis gespeichert und angezeigt.
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Gegenüber dem Meßgerät nach der DE-OS 31 35 440 entfällt also das Erfordernis, vor der Durchführung einer Messung den Toleranzwert einzugeben. Es muß auch nicht mehr der geeignete Zeitpunkt für die Initiierung der Meßwertaufnahme ausgewählt werden, da die Auslösung automatisch mit dem Loslassen des Steuerorgans, jedoch verzögert, erfolgt. Die Zuverlässigkeit der gefundenen Meßwerte ergibt sich einerseits aus dieser automatischen Auslösung und andererseits dadurch, daß nur der effektive Bohrungsdurchmesser gespeichert und angezeigt werden kann. Es besteht keinerlei Gefahr, daß der Minimalwert-Speicher irrelevante Meßwerte berücksichtigt, wie sie durch eine Auslösung der Meßwertaufnahme zu unzweckmäßigen Zeitpunkten entstehen könnten, da die Meßwertaufnahme automatisch und verzögert ausgelöst wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt entlang der Schnittachse I-I in Fig. 1, wobei jedoch nur die mechanischen Elemente gezeigt sind;
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Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Elektronikschaltung des Bohrungsmeßgeräts; und
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Fig. 3 eine Stirnansicht des Geräts.
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Das Bohrungsmeßgerät, dessen mechanische Bestandteile in den Fig. 1 und 3 gezeigt sind, enthält einen rohrförmigen Körper 1 aus zwei starr miteinander verbundenen Teilen 2 und 3.
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Der vordere Teil 2 dieses Körpers weist drei radiale Schlitze 4 auf, die um 120° voneinander am Umfang beabstandet sind, mit einem kegelstumpfförmigen Eintrittsteil 5, das zur Außenseite hin erweitert ist, und einem axialen Loch 6, welches ein erstes Lager 7 aufnimmt. Der rückwärtige Teil 3 dieses Körpers weist zwei Kammern 8, 9 auf, die durch eine Wand 10 getrennt sind, welche ein zweites Lager 11 aufnimmt. Der Eintrittsteil 5, das Loch 6 und die beiden Lager 7, 11 sind koaxial.
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Drei Meßfinger 12, welche die Form von gebogenen Hebeln aufweisen und Fühler in Form von Kontaktkugeln 13 tragen, sind in Radialrichtung verschwenkbar in den drei Schlitzen 4 jeweils auf einem zugehörigen Schwenklager gelagert. Die Innenfläche dieser drei Finger ist kreisbogenförmig zur Achse des axialen Lochs 6 des Körpers hin gewölbt.
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In diesem axialen Loch 6 ist eine zylindrische Stange 14 translationsverschiebbar gelagert, an deren Ende zwischen den drei Meßfingern 12 ein kegelstumpfförmiges zentral angeordnetes Spreizstück 15 befestigt ist, das zur Außenseite hin offen ist, wobei die Wandung dieses Kegelstumpfes hinsichtlich ihres Winkels und ihrer Ausdehnung so bemessen ist, daß sie die kreisbogenförmigen Innenflächen der Finger 12 über den gesamten Öffnungshub derselben als Tangente berührt.
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Jeder der drei Meßfinger 12 wird gegen das zentrale Spreizstück 15 durch eine Blattfeder 16 angedrückt, die an dem Finger befestigt ist und sich auf der rückseitigen Wandung des Schlitzes abstützt, in dem der betreffende Meßfinger angelenkt ist.
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Das dem Spreizstück 15 gegenüberliegende Ende der Stange 14 weist eine Hülse 17 auf, die einen radialen Mitnehmerzapfen trägt.
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Eine schraubenförmige Druckfeder 19 ist auf die Stange 14 aufgeschoben und stützt sich zwischen der Wand 10 des rückwärtigen Teils 2 des Körpers und der Hülse 17 ab, so daß die Wirkung dieser Feder zu einer Spreizung der Meßfinger 12 aufgrund des Spreizeffektes des Spreizstücks 15 führt.
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Mit dem radialen Mitnehmerzapfen 18 der von der Stange 14 getragenen Hülse 17 ist ein Steuerorgan für manuelle Betätigung in Eingriff, dessen Wirkung derjenigen der Feder 19 entgegengesetzt ist und welches durch einen Hebel 20 gebildet ist, dessen eines Ende an der Wandung des rückwärtigen Teils 3 des Körpers 1 angelenkt ist und dessen anderes Ende, nämlich das Betätigungsende, durch einen radialen Schlitz 21 hindurch aus dem Körper des Gerätes heraussteht.
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Durch eine Betätigung dieses Hebels entgegen der Wirkung der Feder 19 werden also die Meßfinger 12 einwärts geschwenkt. Umgekehrt werden die Meßfinger durch Loslassen dieses Hebels gespreizt.
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In der ersten Kammer 8 des rückwärtigen Teils 3 des Körpers 1 ist ein Meßwertaufnehmer 22 untergebracht, welcher Verschiebungen mißt und bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vom Widerstandstyp ist, dessen Schleifer auf einer Hülse 23 befestigt ist, die ihrerseits an der Stange 14 befestigt ist; das elektrische Ausgangssignal dieses Meßwertaufnehmers ist ein Analogsignal und stellt die Verschiebung der Stange 14 im Inneren des Körpers 1dar.
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Der rückwärtige Teil 3 des Körpers 1 ist bei der gezeigten Ausführungsform in ein Gehäuse 24 eingesetzt, das eine elektronische Versorgungs- und Verarbeitungsschaltung 25 enthält, einschließlich der Bauelemente zum Umsetzen des analogen Verschiebungssignals des Meßwertaufnehmers 22 in ein digitales Meßsignal, welches den Durchmesser des Kreises darstellt, der durch die drei Punktkontakt- Meßfinger 12 definiert ist, wobei dieses Signal durch ein Fenster 26 des Gehäuses hindurch auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird, die sich gegenüber diesem Fenster 26 befindet.
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Die elektronische Schaltung 25, deren Blockschaltbild in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt einerseits die Bauelemente zur Verarbeitung des von dem Meßwertaufnehmer abgegebenen Signals, nämlich einen Komparator 27, einen Digital/ Analog-Umsetzer 28, einen Prozessor 29 und einen Korrekturspeicher 30, sowie zwei sie kennzeichnende Elemente, nämlich einen Minimalwert-Speicher 31 und einen Initiierungsschalter 32 zum Initiieren eines Meßvorgangs. Diese Schaltung wird durch ein Digitalsignal erregt, das aus einem von Batterien 34 gespeisten Spannungsumsetzer 33 stammt, unter der Steuerung eines Ein/Aus-Schalters 35.
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Der die Verschiebung messende Meßwertaufnehmer 22 ist mit einem Eingang des Komparators 27 über den Minimalwert-Speicher 31 verbunden, der bei der gezeigten Ausführungsform gebildet ist aus einer Kapazität 36 und einem Komparator 37, der durch einen Schalter 38 gesteuert wird, während der zweite Eingang dieses Komparators 27 mit dem Digital/Analog-Umsetzer 28 verbunden ist und der Ausgang dieses Komparators 27 mit dem Prozessor 29 verbunden ist. Dieser Prozessor ist seinerseits mit dem Digital/Analog-Umsetzer 28, dem Korrekturspeicher 30 und einer Anzeigeeinrichtung 39 verbunden, welche den Meßwert anzeigt.
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Der Minimalwert-Speicher 31 ist mit dem Meßwertaufnehmer 22 über ein elektrisches Kabel 40 verbunden, während der Initiierungsschalter 32 durch den Hebel 20 betätigt wird, mit dem er zu diesem Zweck über eine mechanische Verbindung 41 verbunden ist, die geeignet ist, den Stromkreis zu schließen, sobald dieser Hebel losgelassen und durch die Feder 19 zurückgedrückt wird.
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Der Korrekturspeicher 30, der z.B. vom EPROM-Typ ist, hat die Aufgabe, Linearitätsfehler bei der mechanischen Übersetzung zu korrigieren, z.B. diejenigen Fehler, die durch die Bewegungsumsetzung zwischen dem kegelstumpfförmigen Spreizstück 15 und den Meßfingern 12 auftreten, sowie Herstellungsfehler und Fehler des Meßsystems.
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Um zu vermeiden, daß der Schaltvorgang zum Initiieren der Messung zwischen dem Zeitpunkt des Loslassens des Hebels 20 und dem Zeitpunkt der Berührung der Meßfinger 12 mit der Wandung der auszumessenden Bohrung stattfindet, umfaßt die Schaltung ferner ein (nicht dargestelltes) Verzögerungselement, bei der gezeigten Ausführungsform eine wiederholbare Programmroutine, da ein Prozessor verwendet wird, jedoch kann auch eine Warteschleife vorgesehen sein, die dem Schalter zugeordnet ist.
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Der Komparator 27 vergleicht den Minimalwert aus dem Minimalwert-Speicher 31 mit dem Ausgangswert des Digital/ Analog-Umsetzers 28. Der Prozessor 29 führt sukzessive Approximationen durch, bis er die Identität zwischen diesen beiden Signalen erreicht hat. Das digitale Ausgangssignal des Prozessors 29 entspricht auf diese Weise dem korrigierten Minimalwert, der von dem Minimalwert- Speicher 31 abgegeben wird. Dieser Wert, der auf der Anzeigeeinrichtung 39 angezeigt wird, ist derjenige des Durchmessers der ausgemessenen Bohrung, welcher durch die bereits beschriebenen Handhabungen und aus den bereits angegebenen Gründen ermittelt wird.
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Die elektronische Verarbeitungsschaltung ist an die Art des Meßwertaufnehmers angepaßt, der zur Verschiebungsmessung verwendet wird und bei anderen Ausführungsformen nicht vom risistiven Typ, sondern induktiv, kapazitiv oder vom vom Inkrementaltyp ist; ferner hängt die Art der Verarbeitungsschaltung von dem gewünschten Meßsignal ab, das ein Analogsignal oder ein Digitalsignal sein kann, z.B. wenn das Gerät zu Vergleichsmessungen und nicht zu absoluten Messungen mit Fernanzeige auf einem Zeigerinstrument verwendet werden soll, allerdings unter der Bedingung, daß die Schaltung einen Minimalwert-Detektor und einen Schalter zum Initiieren des Meßvorganges enthält, wie die vorliegende Erfindung lehrt.
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Bei dem beschriebenen Beispiel ist die Auslegung der Elektronikschaltung kostengünstig. Ein analoges/ digitales Verarbeitungssystem, das keinen Komparator benötigt, ist ebenfalls verwendbar, wäre jedoch aufwendiger.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Schaltung in dem Gehäuse 24 untergebracht, das dem Körper 1 zugeordnet ist. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als gewünschtenfalls an demselben Gehäuse verschiedene Meßköpfe mit verschiedenen Meßbereichen angesetzt werden können. In diesem Fall weist jeder Meßkopf seinen eigenen eingebauten Korrekturspeicher auf, z.B. im Inneren der rückwärtigen Kammer 9 des Körpers 1. Die Elektronikschaltung kann aber auch in einem entfernten Gehäuse angeordnet sein, das über ein Verbindungskabel mit dem Körper 1 verbunden ist.
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Bezüglich der mechanischen Elemente ist zu bemerken, daß die Linearität der mechanischen Übertragung zwischen der Stange 14 und den Kontaktkugeln 13 dadurch gewährleistet werden kann, daß das kegelstumpfförmige Spreizstück 15 durch eine geeignet geformte Steuerfläche ersetzt wird. Die so erreichbare mechanische Präzision kann jedoch auch unerwünscht sein, da es sehr einfach ist, Linearitätsfehler durch einen Korrekturspeicher 30 zu korrigieren.
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Die Meßfinger 12, welche die Kontaktkugeln 13 tragen, können in Form von Kniehebeln ausgelegt sein, die an ihren Kniestücken schwenkbar gelagert sind, während ihre abgewinkelten Teile, die den Fühlern gegenüberliegen, gegen die Stirnfläche einer einfachen Platte angedrückt gehalten werden, die am Ende der Stange 14 befestigt ist. Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß der Kontaktpunkt der Meßfinger 12 auf dem Spreizstück 15 weniger weit von den Kontaktkugeln bzw. Fühlern 13 entfernt ist, wodurch der Einfluß einer Verbiegung dieser Finger auf die Genauigkeit der Messung begrenzt wird.
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Die als Beispiel beschriebene Anordnung weist ferner den Vorteil auf, daß keine hohe mechanische Herstellungsgenauigkeit erforderlich ist, weil das kegelstumpfförmige Spreizstück 15 während der Bewegung der Meßfinger nicht bewegt wird; da ferner die Genauigkeit der Messung einfach dadurch gewährleistet wird, daß die Ebene der Fühler durch eine Diametralebene der auszumessenden Bohrung geht, ist es von nur geringer Bedeutung, daß das Spreizstück genau in bezug auf die Lage der Meßfinger zentriert ist und seine Achse genau senkrecht zur Ebene der Fühler ist.
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Schließlich ist die Betätigung des Schalters zum Initiieren des Meßvorgangs durch den Hebel 20 insofern vorteilhaft, als die Handhabung beim Abnehmen des Meßwerts vereinfacht wird; diese Betätigung kann jedoch auch manuell über einen Drucktaster geschehen, wobei dann das den Schaltvorgang verzögernde Verzögerungselement überflüssig wird, da der Benutzer den Schalter erst betätigt, nachdem er den Hebel 20 völlig losgelassen hat.