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Die
Tastköpfe
von Koordinatenmeßgeräten lassen
sich im wesentlichen in zwei Kategorien einteilen, einmal in sogenannte
schaltende Tastköpfe, die
lediglich die Berührung
des Taststifts bzw. der Tastkugel mit dem Werkstück signalisieren, und in sogenannte
messende Tastköpfe,
die der Auslenkung des beweglichen Taststiftträgers in einer oder mehreren
Koordinatenrichtungen proportionale Signale liefern. Mit Tastköpfen des
letztgenannten Typs lassen sich auch im sogenannten Scanning-Betrieb die
Oberflächen
von Werkstücken
bei kontinuierlicher Anlage der Tastkugel am Werkstück abfahren.
Unter anderem in dieser Betriebsart ist es häufig wünschenswert, die Auslenkung
des beweglichen Taststiftträgers
in einer oder zwei Koordinatenrichtungen zu blockieren, d.h. die
Führungen,
an denen der bewegliche Taststiftträger aufgehängt ist, – das können beispielsweise drei aneinander
gehängte
Federparallelogramme sein wie bei dem in der
DE 22 42 355 C2 beschriebenen
Tastkopf – zu
klemmen. Auch für den
in der älteren
Patentanmeldung
DE
44 33 917 A1 anhand der
7 und
8 beschriebenen Tastkopf ist es bei bestimmten
Messungen erforderlich, die vertikale w-Achse zu klemmen, um beispielsweise
den Durchmesser eines zylindrischen Werkstücks auf einem Meridian abzufahren.
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Für den Einsatz
in Tastköpfen
von Koordinatenmeßgeräten geeignete
Klemmvorrichtungen haben allerdings zwei wesentliche Nebenbedingungen zu
erfüllen,
insbesondere wenn Wert auf eine möglichst geringe Meßunsicherheit
des mit dem Tastkopf ausgerüsteten
Gerätes
gelegt ist. Zum einen sollte die Klemmvorrichtung keine oder nur
sehr wenig Verlustleistung in den Tastkopf einleiten. Denn andernfalls
verursacht die entstehende Wärme
Längenänderungen,
die zum Auswandern der Tastkugel aus ihrer kalibrierten Nullage
führen.
Zum anderen sollte die Klemmvorrichtung die Führungen für den beweglichen Taststiftträger, d.h.
z.B. die Federparallelogramme, an denen der Taststiftträger aufgehängt ist, nicht
deformieren bzw. keine störenden
Querkräfte auf
die Federparallelogramme ausüben.
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Diese
Forderungen wurden bisher nur mit verhältnismäßig hohem konstruktiven Aufwand
erfüllt.
So ist beispielsweise in der
DE 22 42 356 C3 ein feinverstellbares Präzisionsgesperre
beschrieben, mit dem zwei gegeneinander bewegliche Teile hinsichtlich
ihrer Lage mechanisch geklemmt werden können. Dieses Gesperre benutzt
einen Elektromotor mit Gewindespindel, um einen kinematisch gelagerten
Doppelhebel mit Hilfe einer Feder in eine Nut am anderen Teil zu
drücken.
Hierbei werden jedoch störende
Querkräfte
senkrecht zur Bewegungsrichtung der beiden gegeneinander verschiebbaren
Teile von dem einen auf das andere Teil ausgeübt. Diesen Nachteil besitzt
auch die in der
5 der
DE 4 331 655 A1 dargestellte
Klemmvorrrichtung.
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Die
Klemmvorrichtung dieser Druckschrift (
DE 4 331 655 A1 ) weist einen starr befestigten
Elektromagneten auf, dessen Ausrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Tasters liegt und der mit einem am beweglichen Taster angeordneten
Gegenmagneten so zusammenwirkt, dass er diesen Gegenmagneten wieder
in eine Lage zurückzieht,
dass sich die Pole der Magneten unter Beibehaltung eines schmalen
Luftspaltes gegenüber
liegen und hierdurch der Taster wieder in seine Nulllage gezogen wird.
Der Gegenmagnet ist federnd gelagert. Wird der Spulenstrom des Elektromagneten
weiter erhöht, so überwindet
der Gegenmagnet die Federkraft und wird gegen den Elektromagneten
gezogen, so dass hierdurch der Taster in seiner Bewegungsrichtung geklemmt
ist.
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Die
Druckschrift
DD 120
706 A1 zeigt einen drehbar gelagerten Taster, der über ein
Verbindungsglied mit einer Platte verbunden ist, die in eine Küvette eintaucht,
die mit einer magnetisch aktiven Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist.
Die Küvette
ist von einem U-förmigen
Elektromagneten umgeben, über
den die Viskosität
der magnetisch aktiven Dämpfungsflüssigkeit
verändert
werden kann, bis der Taster sich überhaupt nicht mehr bewegen
kann.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
44 33 917 A1 zeigt ein handgeführtes Koordinatenmessgerät. Das Koordinatenmessgerät weist
einen an einer vertikalen Säule
höhenverschieblich
gelagerten Träger
auf, an dem ein erster horizontal ausgerichteter Armteil um ein
Drehgelenk mit einer vertikalen Achse drehbeweglich gelagert ist.
Am Ende des ersten horizontal ausgerichteten Armteils ist über ein
weiteres Drehgelenk mit einer vertikalen Drehachse ein zweiter horizontal
ausgerichteter Armteil drehbeweglich befestigt, wobei am Ende dies
es Armteils ein Taster befestigt ist. Dieser zweite horizontale
Armteil ist als Federparallelogramm ausgebildet, das zusätzlich auch
Bewegungen des Tasters in vertikaler Richtung gegenüber dem
Drehgelenk zulässt.
Zur Kompensation der Gewfichtskraft des Tasters ist das Federparallelogramm über eine
Feder gewichtsentlastet, so dass das Federparallelogramm in eine
Nulllage eines Induktivmesssystems zur Messung der Auslenkung des
Federparallelogramms gezogen wird. Eine Auslenkung des Federparallelogramms
aus seiner Nulllage, die über
das Induktivmeßsystems
festgestellt wird, bewirkt hierbei, dass der Träger an der vertikalen Säule über eine
Servorsteuerung solange nachgeführt
wird, bis sich das Federparallelogramm wieder in seiner Nulllage
befindet. Soll der Messarm auf eine definierte Höhe fixiert werden, so kann
das Federparallelogramm über
eine nicht näher
gezeigte Klemmeinrichtung in seiner Nullstellung geklemmt werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in einem Tastkopf der
eingangs genannten Art die Klemmvorrichtung zur Klemmung des auslenkbaren
Teils des Tastkopfs in mindestens einer Koordinate konstruktiv möglichst
einfach so auszugestalten, daß bei
Betätigung
der Klemmvorrichtung nur sehr geringe oder gar keine Querkräfte auf
das auslenkbare Teil des Tastkopfs ausgeübt werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
erreicht, daß die
Klemmkraft nur als innere Kraft innerhalb der Klemmvorrichtung wirkt.
Querkräfte
auf den auslenkbaren Teil des Tastkopfes sind fast vollständig ferngehalten.
Wenn die Verbindung zwischen der Klemmvorrichtung und dem auslenkbaren
Teil des Tastkopfes über
ein biegeweiches Teil, beispielsweise eine dünne und schlanke Blattfeder
erfolgt, dann wirkt nur noch die sehr geringe Biegekraft der verwendeten
Blattfeder auf das bewegliche Teil des Tastkopfes zurück.
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Zudem
ist der gesamte Aufbau konstruktiv sehr einfach zu gestalten und
zwar auch so, daß die Klemmvorrichtung
weder im entklemmten noch im geklemmten Zustand, sondern nur während der Schaltvorgänge zwischen
diesen beiden Zuständen Energie
verbraucht. Das läßt sich
beispielsweise mit einem Elektromagneten erreichen, dessen Ankerplatte
zwischen zwei Stellungen schaltbar ist. Solche bipolaren schaltbaren
Magnete bestehen aus einem Elektromagneten und zusätzlich einem
Permanentmagneten, dessen Flußverlauf
innerhalb des die Magnete umgebenden Weicheisentopfes umschaltbar ist.
Sie finden beispielsweise Verwendung bei Tasterwechseleinrichtungen
wie sie u.a. in der
DE
33 20 127 C2 und der
DE 39 22 297 A1 beschrieben sind.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich bei
geeigneter Ausbildung der Bestandteile der Klemmvorrichtung eine
genaue Justage dieser Bestandteile zueinander erübrigt. Hierzu trägt insbesondere
die konstruktive Ausbildung mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen
bei, wobei die V-förmige
Nut dann zweckmäßig so angeordnet ist,
daß sie
senkrecht zur Bewegungsrichtung des auslenkbaren Teils des Tastkopfes
verläuft.
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Um
zu vermeiden, daß die
Klemmvorrichtung oder die Führungen
des beweglichen Teils des Tastkopfes bei übermäßiger Tastkraft zwischen Taststift
und Werkstück
beschädigt
werden, ist es zweckmäßig, wenn
die Klemmvorrichtung bei überschreiten
einer definierten maximalen Haltekraft das geklemmte Teil freigibt.
Auch das läßt sich
durch eine geeignete federelastische Ausbildung der zwei Teile der
Klemmvorrichtung erreichen, die das biegeweiche Teil zangenförmig umfassen.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn
die Haltekraft der Klemmvorrichtung einstellbar und damit den Bedürfnissen
entsprechend frei wählbar
ist. Das ist z.B. wichtig, wenn mit kleinen, dünnen Taststiften gemessen wird.
Hier sind geringere Klemmkräfte
erforderlich als beim Arbeiten mit dicken Taststiften, um die Gefahr
von Taststiftbrüchen
zu vermeiden. Andererseits treten während eines Meßvorganges
auch Situationen auf, wo höhere
Klemmkräfte
gefordert werden. Das ist beispielsweise beim Tasterwechsel der
Fall, wenn der Taststiftträger
in die gabelförmige Aufnahme
des Wechselmagazins eingefahren wird, die diesem Einfahren hin und
wieder einen höheren Widerstand
entgegensetzt und dann versucht, den Taststiftträger aus der Klemmung herauszudrücken.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
sind nachfolgend anhand der 1-4 der
beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben.
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1 ist
eine vereinfachte Prinzipskizze, die einen Tastkopf mit in nur einer
Koordinatenrichtung auslenkbarem Taststift und mit einer Klemmvorrichtung
zur Arretierung der Taststiftbewegung in der genannten Koordinate
zeigt;
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2 zeigt
den in der Klemmvorrichtung (9) von 1 verwendeten
bipolar schaltbaren Magneten im Schnitt;
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3 ist
eine detailliertere Ansicht der Klemmvorrichtung (9) in 1 in
vergrößertem Maßstabe;
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4 ist
eine perspektivische Darstellung der Klemmvorrichtung nach 3;
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung
teils im Schnitt, teils in Ansicht;
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung
teils im Schnitt, teils in Ansicht.
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Der
in 1 dargestellte Tastkopf besitzt ein am Koordinatenmeßgerät (1)
befestigtes erstes, feststehendes Teil (2), gegenüber dem
der bewegliche Taststiftträger
(3) wie durch den Pfeil (z) symbolisiert vertikal auslenkbar
ist. Hierzu ist das Teil (3) am Teil (2) mit Hilfe
eines Federparallelogramms befestigt. Die beiden Schenkel des Federparallelogramms
sind mit (4a und 4b) bezeichnet. Die bei Tastköpfen üblicherweise
vorhandenen Einrichtungen zur Messung der Auslenkung und zur Gewichtsentlastung
des Taststiftträgers
(3) sind hier nicht dargestellt. Am Taststiftträger (3)
ist über
ein Halteteil (5) der Taststift (6) mit der Tastkugel
(7) des Tastkopfs angesetzt.
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Um
die Auslenkung in weitere Koordinatenrichtungen zu ermöglichen,
kann der Taststift (6) beispielsweise in dem Halteteil
(5) mittels eines Schwenkgelenks allseitig nachgiebig gelagert
sein oder es können
weitere lineare Führungssysteme
für die
Koordinatenrichtungen x und y vorgesehen sein, beispielsweise zusätzliche
in die beiden anderen Raumrichtungen orientierte Federparallelogramme, die
zwischen dem Taststiftträger
(3) und dem Halteteil (5) angeordnet sein können.
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Zur
Arretierung des Taststifts (6) bezüglich der Koordinate (z) ist
am feststehenden Teil (2) des Tastkopfes über einen
Träger
(8) eine Klemmvorrichtung (9) befestigt, die mit
einem in Richtung der Koordinate (z) starren, jedoch senkrecht dazu
in Richtung des Pfeils (24) biegeweichen Teil (13)
zusammenwirkt. Dieses Teil (13), vorzugsweise eine Blattfeder,
ist mit seinem unteren Ende mittels eines Halters (12)
am auslenkbaren Teil (3) des Tastkopfs befestigt und erstreckt
sich weit über
den eigentlichen zulässigen
Bewegungsbereich des auslenkbaren Teils (3) hinaus in Richtung
der Koordinate (z) bis zur Klemmvorrichtung (9). Dort trägt die Blattfeder
(13) an ihrem anderen Ende eine fest mit ihr verbundene
Kugel (14). Diese Kugel (14) wird in der Mittelstellung
des auslenkbaren Teils (3) von zwei Teilen (10)
und (11) der Klemmvorrichtung zangenförmig von zwei Seiten umfaßt. Während das
am Träger
(8) befestigte Teil (11) eine V-förmige Nut
(23) trägt
und als Amboß wirkt,
ist das Teil (10) in Richtung des Pfeils (24)
beweglich und dient als Hammer, mit dessen Hilfe die Kugel (14)
während
des Klemmvorganges in die V-Nut (23) gedrückt wird.
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Zur
Bewegung des Hammers (10) in die geklemmte und in die entklemmte
Stellung dient ein bipolar schaltbarer Elektromagnet in der Klemmvorrichtung
(9). Dieser Magnet ist in (2) skizziert. Dieser
Magnet, der beispielsweise unter der Bezeichnung PEM 1515 von der
Firma Thoma Magnettechnik in Donaueschingen bezogen werden kann, besitzt
ein topfförmiges
Weicheisengehäuse
(15), in das ein Permanentmagnet (16) sowie der
Flußführungskörper (17)
für den
Elektromagneten (18) zentrisch eingesetzt sind. Geschlossen
wird der Magnetfluß durch
einen beweglichen Anker (19), der im geklemmten Zustand
auf dem Rand des topfförmigen Weicheisenteils
(15) aufliegt. Der Anker (19) ist mittels einer
Schraube (21) an eine Biegefeder (20) angeschraubt,
die in der gezeichneten Stellung vorgespannt ist. Wird nun der Elektromagnet
(18) durch einen kurzen Stromimpuls bezüglich seines Magnetfelds gegensinnig
zum Permanentmagneten (16) erregt, entspannt sich die Feder
(20) und löst
den Anker (19) vom Weicheisenteil (15) in die
gestrichelt gezeichnete Stellung. Dort verbleibt die Biegefeder
mit dem Anker (19) auch ohne weitere Stromzufuhr.
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Schaltet
man hingegen durch einen weiteren Stromimpuls mit entgegengesetzter
Stromrichtung den Elektromagneten (18) mit seinem Feld
gleichsinnig zum Permanentmagneten (16), dann verstärken sich
die beiden Magnetfelder, der Luftspalt zum Anker (19) wird überbrückt und
der Anker (19) wird wieder gegen den Weicheisentopf (15)
gezogen, wo er auch ohne weitere Stromzufuhr verbleibt.
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Die
Biegefeder (20) steht über
den Anker (19) über
und trägt
an ihrem vorderen Ende den Hammer (10), der wie beschrieben
durch kurze Stromimpulse wechselnder Stromrichtung zwischen den beiden
gezeichneten Stellungen hin und her schaltbar ist. Er ist einer
der wesentlichen Bestandteile der Klemmvorrichtung (9),
die in den 3 und 4 nochmals
detaillierter dargestellt ist. Die Klemmvorrichtung besitzt u.a.
einen bügelförmigen Halter
(22), der mit vier Schrauben am feststehenden Teil (2) bzw.
dem Halteteil (8) des in 1 dargestellten Tastkopfes
befestigt werden kann. In dem bügelförmigen Halter
sind der bipolare Elektromagnet (15) eingesetzt sowie das
als Amboß wirkende
Teil (11) mit der V-förmigen Nut
(23). An der Halterung (22) ist außerdem die
Biegefeder (20) befestigt, an die der Anker (19)
des Magneten (15) angeschraubt ist. Diese Biegefeder (20)
wirkt als elastisch nachgiebiger Klemmhebel, der die Kugel (14)
am oberen Ende der Blattfeder (13) mittels des Hammers
(10) in die Nut (23) des Amboßteils (11) drückt. Bei übermäßiger auf den
Taststift (6) in Richtung des Pfeils (z) wirkender Kraft
gibt die Biegefeder (20) jedoch nach, so daß die Kugel
(14) auch im geklemmten Zustand aus der durch die V-förmige Nut
(23) gebildeten Raste ausweichen kann.
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Eine
genaue Justage des Permanentmagneten, der Biegefeder (20),
des Amboß' (11) mit
V-Lager (23) sowie der Kugel (14) ist nicht erforderlich,
da sich letztere auch bei kleineren Abweichungen von der exakten
Mittelstellung des beweglichen Teils (3) des Tastkopfes
selbstzentrierend klemmen läßt.
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Allerdings
ist es nicht erforderlich, daß die Teile
(10, 11 und 14) in der beschriebenen
Weise ausgebildet werden müssen.
Beispielsweise kann statt der V-Nut (23) im Amboß (11)
auch eine entsprechend ausgerichtete Walze verwendet sein, gegen die
eine Doppelkugel am Teil (13) gedrückt wird. Wenn mehrere Raststellungen
gewünscht
werden, kann die Blattfeder (13) auch mehrere hinter bzw. übereinander
angeordnete Kugeln enthalten. Schließlich ist es auch möglich, die
Blattfeder (13) bei beliebigen Auslenkungen des beweglichen
Teils (3) des Tastkopfes zu klemmen, wenn die Blattfeder
(13) und das Amboßteil
(11) mit entsprechend gegenüberliegenden, rauhen Oberflächen ausgebildet
werden.
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Bei
dem zweiten, modifizierten Ausführungsbeispiel
nach 5 sind gleiche oder ähnliche Teile mit einer um
100 höheren
Bezugsziffer versehen verglichen mit dem Ausführungsbeispiel nach den 1-4.
Hier ist der bügelförmige Halter 122,
an dem der bipolar schaltbare Elektromagnet (118) befestigt
ist, um eine Achse (102) am feststehenden Teil des Tastkopfes
schwenkbar gelagert und wird von einer schwachen Zugfeder (112)
gegen einen Anschlag (108) am feststehenden Teil des Tastkopfes gezogen.
An der Halterung (122) ist außerdem wieder eine Biegefeder
(120) befestigt, mit der das Ankerteil (119) für den bipolaren
Magneten verbunden ist.
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Ein
Schenkel (122a) der Halterung (122) trägt an seinem
Ende eine Kugel (111). Außerdem trägt auch die elastische Biegefeder
(120) an ihrem Ende und zwar an der der Kugel (111)
gegenüberliegenden
Stelle eine zweite Kugel (110). Der Schenkel (122a)
mit der Kugel (111) und die Biegefeder (120) mit
der Kugel (110) umfassen zangenförmig einen Steg (113)
des beweglichen Teils (103) des Tastkopfs. In diesem Steg
(113) ist auf der Seite der Kugel (111) eine V-förmige Nut
(123) eingearbeitet, die wieder als Raste wirkt. In der
gezeichneten Stellung klemmen die beiden Kugeln (110) und
(111) den Steg (113). Hierbei bewegt sich der
Schenkel (122a) vom Anschlag (108) weg und rastet
in die V-Nut (123) ein. Auch in dem hier beschriebenen
Beispiel ist die Klemmvorrichtung in den beiden Richtungen senkrecht
zur Auslenkbewegung des beweglichen Teils (103) – die Auslenkbewegung
erfolgt senkrecht zur Papierebene – kräftemäßig entkoppelt. Die Entkopplung
in Richtung des Pfeils (124) stellt die Schwenkachse (102)
sicher und die Entkopplung in der verbleibenden dritten Richtung
erfolgt durch die entsprechende Anordnung der V-förmigen Nut
(123).
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Wieder
stellt die Biegefeder (120) sicher, daß die Klemmung bei überschreiten
einer definierten durch ihre Federkonstante vorgegebenen Kraft nachgibt,
d.h. die Kugel (111) aus der Nut (123) ausrasten kann.
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Im
dritten Ausführungsbeispiel
nach 6 sind gleiche oder ähnliche Teile mit im Vergleich
zum Ausführungsbeispiel
nach den 1-4 um 200 höheren Bezugsziffern
versehen. Bei dieser Klemmvorrichtung ist die Haltekraft der Klemmvorrichtung einstellbar.
Dazu ist bei sonst gleicher Funktion wie im Ausführungsbeispiel nach 5 der
bipolar schaltbare Elektromagnet (118) durch einen Miniatur-Elektromotor (218)
ersetzt, der eine Gewindespindel (216) antreibt. Die Biegefeder
(220) ist anstelle des Ankers (119) aus 5 mit
einer Mutter (219) verbunden, die auf der Spindel (216)
sitzt, und sichert diese gleichzeitig gegen Mitdrehen. Bei entsprechender
Betätigung
des Motors (218) kann der zangenförmige Griff der beiden Kugeln
(211) und (210) um den Steg (213) verringert
oder verstärkt
werden und die Haltekraft, mit der die Kugel (211) in der
V-förmigen Nut
(223) festsitzt, nach Belieben variiert, d.h. verkleinert
oder vergrößert werden.