DE2555493A1

DE2555493A1 - Opto-elektronisches geraet zur erfassung der lage und verfahren

Info

Publication number: DE2555493A1
Application number: DE19752555493
Authority: DE
Inventors: Emmet Mitchell Fulkerson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-12-10
Publication date: 1976-06-24
Also published as: SE7514389L; BR7508498A; CH606987A5; JPS5187068A; IT1051187B; BE836785A; FR2295476B1; GB1533265A; FR2295476A1; US4074104A

Description

Opto-elektronisches Gerät zur Erfassung der Lage und Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren als Kombination optischer und elektronischer Bauelemente, welche ein Lasergerät beinhalten können, zur Erfassung der Lage und Inspektion eines Zielobjektes, beispielsweise eines Werkstückes.

Eine breite Vielfalt von Verfahren und Geräten zur Ausführung einer Punktion, die allgemein als Entfernungsmessung oder Peststellung der Lage bezeichnet werden kann, wurden in verschiedenen Formen der Literatur geschildert. Eine wichtige Anwendung für ein solches Gerät und eine Anwendung, für welche die vorliegende Erfindung besonders brauchbar ist, beinhaltet die Peststellung der Lage und die Inspektion eines Werkstückes im Zu-

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sammenhang mit der erwünschten Steuerung eines metallabnehmenden Werkzeuges. Solche Werkzeuge können beispielsweise Lasergeräte zum Bohren Schmelzen, Schneiden oder sonstigen Bearbeiten eines Werkstückes beinhalten und auch eine Vielzahl von mechanischen Werkzeugen zur Entfernung von Metall wie Schleifgeräte, Schneidgeräte, Bohrgeräte usw. Andere Formen 3D Icher Entfernungsmeßgeräte wurden auf Geräte ohne Materialentfernung angewendet, beispielsweise auf die automatische Fokussierung von fotografischen Diaprojektoren.

Ein Typ eines Gerätes, bei dem die Arbeitsweise durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung verbessert wird, wird in der US-Patentschrift 3 8O6 829 beschrieben. Diese Literaturstelle enthält eine ausführliche Beschreibung einer mit vier Achsen ausgestatteten und numerisch gesteuerten Werkstückhalterung, welche auch noch andere automatische oder programmierte Gesichtspunkte und Funktionen enthält und ein typisches vollständiges Laser-Bohr- oder Schweißsystem bildet. Es sind jedoch Sort keine Vorkehrungen zur automatischen Fokusfeststellung oder für Verfahren zur Lochuntersuchung getroffen.

In der US-PS 3 689 159 wird ein Lasergerät zur automatischen Formgebung eines Werkstückes offenbart. Eine Monitorlichtquelle ist getrennt von dem formgebenden Laser und wird auf das Werkstück entlang der gleichen Achse wie der formgebende Laser gerichtet und reflektiert^ und das reflektierte Licht wird durch eine vibrierende Platte auf einen Lichtdetektor zur Steuerung der Lageeinstellung gerichtet. Die Ansprechempfindlichkeit und Genauigkeit eines solchen Systems ist jedoch nicht ausreichend für solche Anwendungen wie das genaue Bohren von kleinen Luftkühllöchern in einem Triebwerksbauteil, beispielsweise Turbinenlaufschaufeln und Düsen.

Ein anderes Gerät wird in der US-PS 3 M 9 5^2 gezeigt und verwendet Spiegel oder ähnliche Einrichtungen zur Reflexion eines

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eines Spiegelbildes von einem Werkstück anstelle des gestreuten reflektierten Lichtes von einem Werkstück, um eine Lagesteuerung •zu erhalten. In diesem Gerät werden die Änderungen des Laserbohrpunktes gesteuert durch Ablenken des Laserstrahls auf dem Werkstück. Andere Einrichtungen wie beispielsweise das Gerät nach der US-PS 3 485 996 beruhen auf einem Unterschied der Helligkeit oder Intensität des von einem Werkstück entlang des auftreffenden Strahls zurückreflektierten Lichtes zur Erfassung verschiedener Materialien und zur Auslösung des Laserbetriebs.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät mit gesteigerter Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit zu schaffen, insbesondere für die Anwendung in der Produktion, zur Erfassung der Lage und Inspektion eines Zielpunktes, beispielsweise eines Werkstückes.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein solches Gerät mit Verwendung von optischen und elektronischen Bauteilen zu schaffen, welche das Gerät befähigen zur leichten Anpassung an die Steuerung und Inspektion im Zusammenhang mit Geräten zur Materialabtragung.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren für iie opto-elektronische Lageerfassung eines Zielpunktes zu schaffen, beispielsweise eines Werkstückes.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines verbesserten opto-elektronischen Verfahrens für die Untersuchung eines Zielpunktes, beispielsweise eines Werkstückes oder einer Bohrung in dem Werkstück.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile sind noch deutlicher ersichtlich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung, den Abbildungen und den Beispielen, welche Ausführungsformen darstellen und in keiner Weise den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken sollen.

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Die obigen Aufgaben können gelöst werden und die Nachteile der vorbekannten Geräte und Verfahren können vermieden werden durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung. In der Geräteform erfaßt sie die Lage eines Zielpunktes, der mindestens teilweise gestreutes Licht reflektieren kann durch die Verwendung einer Auflichtquelle und Einrichtungen zur Leitung des Lichtes von der Lichtquelle in einem engteebündelten auftreffenden Lichtstrahl auf den Zielpunkt entlang einer Achse für den auftreffenden Strahl. Das Gerät enthält einen fotoelektrischen Meßfühler, der noch eine lichtsammelnde und fokussierende Einrichtung und fotoempfindliche Einrichtungen zum Empfang des fokussierten Lichtes beinhaltet. Die Licht sammelnde Fokussierungseinrichtung sammelt das gestreute Licht, welches von einem Fleck auf dem Zielpunkt reflektiert wird und von dem auftreffenden Strahl erzeugt wird, und fokussiert das gestreute Licht entlang einer Achse für das reflektierte Licht, die sich von der Achse des auftreffenden Strahls unterscheidet, und ergibt dadurch einen Achsenschnitt zwischen der Achse für das reflektierte Licht und der Achse für den auftreffenden Strahl. Die fotoempfindliche Einrichtung enp-

fängt das fokussierende Licht und erzeugt ein Ausgangssignal einschließlich eines Teils, welcher abhängig ist von der Verschiebung des fokussierten Lichtes gegenüber einer fotoempfindlichen Einrichtung, welche den Bezugspunkt für den Achsenschnittpunkt darstellt. Enthalten ist eine Meßfühlereinrichtung, welche auf das Ausgangssignal der fotoempfindlichen Einrichtung anspricht, um eine Verschiebung des Zielpunktes entlang der Achse des auftreffenden Strahls bezüglich des Achsenschnittpunktes durch das Ausgangssignal zu erfassen. Auf diese Weise kann eine verbesserte Genauigkeit und Empfindlichkeit in der Bestimmung der Ortslage und der genauen Lage des Achsenschnittes und damit der genauen Lage eines Zielpunktes erhalten werden, beispielweise eines Werkstückes.

In dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein eng gebündelter auftreffender Strahl entlang einer Auftreffstrahl-

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achse auf das Zielobjekt gerichtet. Das vom Zielobjekt reflektierte und gestreute Licht wird von einem Punkt außerhalb der Achse des auftreffenden Strahls gesammelt und entlang einer Achse für das reflektierte Licht auf eine fotoempfindliche Einrichtung fokussiert, wobei diese Achse die Achse des auftreffenden Strahls an einem Achsenschnittpunkt schneidet. Die fotoempfindliche Einrichtung ergibt ein Ausgangssignal einschließlich eines Teils, welcher abhängig ist von der Verschiebung des fokussierten Lichtes aus einem Bezugspunkt der fotoempfindlichen Einrichtung, welcher den Achsenschnittpunkt darstellt. Dann wird die Lage des Zielobjektes entlang der Achse des auftreffenden Strahls bezüglich des Achsenschnittpunktes durch das Ausgangssignal erfaßt.

Die vorliegende Erfindung enthält Geräte, welche keinen Kontakt mit dem Werkstück benötigen und enthält Bauteile, welche vor den ausgestoßenen Materialteilchen bei der Anwendung für die Materialentfernung geschützt werden können, und bildet ein System mit hoher Empfindlichkeit und hohem Auflösungsvermögen. Weiterhin ist es verträglich mit der konventionellen Materialabtragung, beispielsweise durch Laserstrahl, und mit einer numerischen Steuerung durch Maschinenlogik und Steuereinheiten.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Form des Gerätes der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist eine Ansicht der fotoempfindlichen Oberfläche der fotoempfindlichen Einrichtung, welche das fokussierte Licht empfängt.

Figur 3 ist eine Kurvendarstellung der Ausgangskennlinie der fotoempfindlichen Einrichtung.

Figur k ist eine schematische Darstellung einer integrierten Anordnung von Bauteilen der vorliegenden Erfindung.

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Figur 5 ist eine schematische Darstellung der Anwendung der vorliegenden Erfindung mit einem Schleifwerkzeug.

Figur 6 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für die Anwendung mit einem Lasergerät zum Bohren, Schweißen usw.

Figur 7 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt die Kombination einer Laser-Lochbohrung und Blindlochuntersuchung und Steuerung.

Figur 8 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt die Kombination einer Laser-Lochbohrung, der Untersuchung eines durchgehenden Loches und der Steuerung.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen. Während der Bewertung von Laserbohrmaschinen für hohe Geschwindigkeit zur Verwendung in uer Erzeugung von kleinen Luftkühllöchern in Turbinenlaufschaufeln und Düsenbauteilen für Gasturbinentriebwerke wurden Mängel in der Verwendung der gegenwärtig bekannten Systeme für die Einstellung aer Lage eines Gegenstandes und die Durchführung des Verfahrens erkannt, welche für eine Erzeugung genauer Löcher mit hoher Geschwindigkeit erforderlich sind. Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der gegenwärtig bekannten automatischen Geräte zur Lochbohrung und Untersuchung und verbessert die Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Verfahrens für die Anwendung in der Produktion. Es ist jedoch zu beachten, daß die vorliegende Erfindung zwar nachstehend in Verbindung mit Geräten zur Materialabtragung und insbesondere in Verbindung mit der Laserbohrung beschrieben wird; es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für die Lageerfassung, die Inspektion und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß eine sehr genaue Erfassung der Lage eines Zielobjektes oder Punktes 10

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in Figur 1, welches in der Lage ist, mindestens teilweise Licht gestreut zu reflektieren, dadurch erreicht werden kann, daß ein enges Lichtbündel 12 von einer Quelle 14 für das auftreffende Licht, beispielsweise einer Punktlichtquelle, auf das Zielobjekt entlang einer Achse 16 gerichtet wird, welche hier die Achse des auftreffenden Strahls genannt wird. Ein Teil des vom Zielobjekt reflektierten gestreuten Lichtes 18 wird durch eine Lichtsammel- und Pokussierungseinrichtung 20, beispielsweise eine Linse, des fotoelektrischen Meßfühlers gesammelt, der allgemein bei 22 gezeigt ist. Die Lichtsammei- und Pokussierungseinrichtung 20 fokussiert das gesammelte Licht auf eine fotoempfindliche Einrichtung 24 entlang einer Achse 26 für das reflektierte Licht, welche eine andere Lage besitzt als die Achse 16 für den auftreffenden Strahl. Es wird daher ein Achsenschnittpunkt 28 erzeugt, der nach der Darstellung in Figur 1 auf der Oberfläche des Zielobjektes gelegen ist. Die Lage des Achsenschnittpunktes 28 bezüglich des auftreffenden Strahls 12 und des fotoelektrischen Meßfühlers 22 ergibt einen Bezugspunkt im Räum, welcher zur Bestimmung der Lage eines Zlelobjektes benutzt werden kann. Durch diese Anordnung wird eine Änderung der Lage des Zielobjektes 10 entlang der Achse 16 für den auftreffenden Strahl eine Bewegung eines Lichtpunktes über den fotoempfindlichen Teil der fotoempfindlichen Einrichtung 24 bewirken. Die Größe dieses Lichtflecks ist eine Funktion der Größe des Strahls und damit des Strahlflecks auf der Oberfläche des Zielobjektes 10. Die fotoempfindliche Einrichtung 24 erzeugt ein Ausgangssignal, auf das die Detektoreinrichtung 30 anspricht und die Lage des Zielobjektes 10 bezüglich des Achsenschnittpunktes 28 durch das.Ausgangssignal der fotoempfindlichen Einrichtung 24 ermittelt. Demgemäß kann eine sehr geringe Änderung der Lage des Zielobjektes 10 entlang der Achse 16 für den auftreffenden Strahl relativ zum Achsenschnittpunkt 28 eine relativ große Änderung der Lage des reflektierten gesammelten Lichtflecks auf der fotoempfindlichen Einrichtung 24 erzeugen. Diese Art von Empfindlichkeit und Genauigkeit ist nicht verfügbar in bekannten Geräten, welche lediglich ein Spiegelbild eines Flecks reflektieren oder reflektiertes Licht von einem Zielobjekt entlang der

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Achse des auftreffenden Strahls sammeln für die verschiedenen Arten der Meßfühlererfassung entweder bezüglich der Pleckgröße oder bezüglich der reflektierten Lichtintensität.

Es v/urde bereits erwähnt, daß das Ausgangssignal von der fotoempfindlichen Einrichtung 2h einen Teil enthält, der eine Punktion der Verschiebung des fokussierten Lichtes von einem Bezugspunkt ist, beispielsweise bezüglich eines Bezugspunktes oder kleinen Bereiches der fotoempfindlichen Einrichtung. Ein solcher Bezugspunkt stellt auf der fotoempfindlichen Einrichtung die Lage des Achsenschnittpunktes 28 dar. Die Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Form einer fotoempfindlichen Oberfläche der fotoempfindlichen Einrichtung 2*f.

Der Bezugspunkt oder mittlere Nullpunkt ist bei 32 gezeigt, wobei typische verschobene Lichtfleckbilder gestrichelt bei 32a, 32b, 32c und 32d entfernt von dem Bezugspunkt 32 gezeigt sind. Die Verschiebung zur einen oder anderen Seite des Bezugspunktes oder Nullpunktes oder Mittenpunktes 32 ist durch ein positives oder negatives Ausgangssignal angedeutet, welches die Stellung des Zielobjektes 10 bezüglich des Achsenschnittpunktes 28 entweder vor oder hinter dem Achsen-schnittpunkt 28 entlang der Achse 16 des auftreffenden Strahls zeigt, in Abhängigkeit von der elektrischen Anordnung der Detektorschaltung.

Wie aus Figur 2 ersichtlich, vergrößert sich die Abmessung des Bildes, wenn das Zielobjekt entlang der Achse 16 des auftreffenden Strahls weiter von dem Achsenschnittpunkt 28 verschoben wird, und das Bild erscheint weniger intensiv als an dem Bezugspunkt oder Nullpunkt 32, obwohl die gesamte auf die Oberfläche fallende Lichtmenge in jeder einzelnen Lage die gleiche ist. Die vorliegende Erfindung bestimmt, ob das Zielobjekt von dem Achsenschnittpunkt 28 entfernt ist oder sich auf demselben befindet, und zwar durch die Verschiebung des Bildes gegenüber dem Bezugspunkt und nicht durch die Lichtintensität. Die Empfindlichkeit der Messung wird natürl.1 umso größer. Je höher der Lichtpegel ist. Dies wird durch die Kurvendarstellung der Ausgangskennlinie der

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fotoempfindlichen Einrichtung 2H des fotoelektrischen Meßfühlers 22 gezeigt. Das Ausgangssignal der fotoelektrischen Einrichtung oder des Fotodetektors 2H ist proportional der Intensität des reflektierten Lichtes und der Verschiebungsstrecke des Lichtfleckbildes vom elektrischen Mittenpunkt oder Nullpunkt der fotoempfindlichen Oberfläche. Die Polarität des Ausgangssignals identifiziert die Richtung der Bewegung der Zielobjektoberfläche, welche erforderlich ist, um dasselbe der Nullstellung zu nähern. Änderungen des Ausgangssignalpegels infolge Änderungen der reflektierten Lichtintensität beeinflussen die Empfindlichkeit bei der Auffindung des Nullpunktes, ohne die tatsächliche Nullstellung zu beeinträchtigen. Weiterhin ist zu beachten, daß der Ausgangssignalpegel nicht durch Änderungen der Pleckgröße beeinträchtigt wird, welche auf eine Lage außerhalb des Brennpunktes zurückzuführen sind. Um jedoch die Auflösung für die Erfassung der Null-Lage zu vergrößern, ist es erwünscht, die in der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Elemente so anzuordnen, daß eine kleinste projizierte Pleckgröße auf der Zielobjektoberfläche und ein kleinstes fokussiertes Fleckbild auf der fotoempfindlichen Einrichtung gleichzeitig immer dann zusammen auftreten, wenn die Erfordernisse für die Null-Lage erfüllt sind. Es ist zu beachten, daß das Ausgangssignal der fotoempfindlichen Einrichtung 2H die Lage der Zielobjektoberfläche nicht irekt identifiziert. Eine solche Lage ist bestimmt durch Messen der relativen Änderung der Entfernung zwischen dem Zielobjekt und dem Achsenschnittpunkt 28, um die Nullbedingung zu erreichen. Beispielsweise kann das Zielobjekt entlang der auftreffenden Strahlachse 16 verschoben werden,s oder das Gerät kann bewegt werden, um den Achsenschnittpunkt entlang der Achse l6 für den auftreffenden Strahl auf das Zielobjekt zu- oder wegzubewegen. Daher ergibt die Null-Lage des Lichtflecks der Zielobjektoberfläche einen bekannten Punkt, auf den andere Lagen der Zielobjektoberfläche bezogen v/erden können.

Man wird erkennen, daß die Entfernung zwischen dem Zielobjekt und den Bauteilen des vorliegenden Gerätes einschließlich der Licht-

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quelle 14 und des fotoelektrischen Meßfühlers 22 durch eine geeignete willkürliche feste Winkellage zwischen der Achse 16 des auftreffenden Strahls und der Achse 26 für das reflektierte Licht vorbestimmt werden können. Eine schematische Ansicht einer zusammengefaßten Anordnung von Bauteilen der vorliegenden Erfindung ist in Figur 4 gezeigt. Eine solche Anordnung f>k kann als eine integrierte Qondenanordnung bezeichnet werden und enthält eine Punktlichtquelle 14, die in einen engen auftreffenden Strahl durch eine Punktprojektionslinse 36 fokussiert wird. Wie noch nachstehend erörtert, kann der auftreffende Strahl 12 durch einen Laser erzeugt werden, welcher eine geringere Intensität besitzt als der Laser für die Materialentfernung· Die Kombination einer Punktlichtquelle 14 und der Projektionslinse 36 richtet den auftreffenden Strahl 12 entlang der Achse l6 für den auftreffenden Strahl.

Ebenfalls in der integrierten Sondenanordnung 34 enthalten ist eine Lichtsammei- und Fokussierungseinrichtung 20, welche hier in Form einer Linse gezeigt und außerhalb der Achse l6 für den auftreffenden Strahl angeordnet ist, um das Licht zu fokussieren, welches von dem Zielobjekt 12 entlang einer Achse 2& für das reflektierte Licht in Richtung der fotoempfindlichen Einrichtung reflektiert wird. Gestrichelt dargestellt in der Figur 4 sind zwei alternative Lagen des Zielobjektes 10 mit der Bezugsziffer 10a und 10b, die äußerhalb des Achsenschnittpunktes 28 liegen, der auf der fotoempfindlichen Einrichtung 24 durch den Bezugsoder Nullpunkt 32 dargestellt ist. Die Lichtflecklagen 32a und 32d gemäß der Darstellung in Figur 2 entsprechen den gesammelten und fokussierten Fleckbildern des auftreffenden Strahls 12 auf dem Zielobjekt 10a bzw. 10b. Das Ausgangssignal von der fotoempfindlichen Einrichtung 24 wird beispielsweise durch einen elektrischen Leiter 38 zu einer Detektoreinrichtung oder Nullpunkt-Detektorschaltung für eine Vielzahl von Zwecken weitergegeben, beispielsweise zur Betätigung der Geräte zur Materialentfernung, zum Messen der Lage usw. Wie zuvor erwähnt, ist die Abstandslage der

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integrierten Sondenanordnung, welche in Figur k durch die Entfernung ^O dargestellt wird, bezüglich des Achsenschnittpunktes willkürlich und die Winkelbeziehungen zwischen der Achse 16 für den auftreffenden Strahl und der Achse 26 für das reflektierte Licht können für eine gegebene Anwendung gewählt werden.

Die Grundkonzeption der vorliegenden Erfindung ist mit den meisten Steuersystemen"für spanabhebende Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit verträglich. Die Ansprechzeit der fotoempfindlichen Einrichtung, beispielsweise des Potodetektors 2*1, gestattet Erfassungsgeschwindigkeiten für das Ausgangssignal der fotoempfindlichen Einrichtung von über 1 000 000 pro Sekunde. Es ist auch zu beachten, daß das reflektierte Licht, welches die fotoempfindliche Einrichtung 2k erhält, eher gestreut als gespiegelt ist. Dies 1st ein Merkmal der vorliegenden Erfindung und besitzt eine nivellierende Auswirkung auf Änderungen des Oberflächen-Reflexionsvermögens. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung steht in unmittelbarem Gegensatz mit den Arten von Geräten, welche auf dem Prinzip der Reflexion einer Lichtquelle an einer hochreflektierenaen spiegelähnlichen reflektierenden Oberfläche auf einen Meßfühler beruhen. In solchen bekannten Geräten sind die Auftreffwinkel und die Reflexionswinkel entweder von einer Lichtquelle zu der spiegelähnlichen reflektierenden Oberfläche zum Meßfühler oder vom Zielobjekt zu einem Spiegel zu einem Meßfühler praktisch gleiche Winkel und der Meßfühler spricht nur auf sich verschiebende Spiegelbilder an. Im Gegensatz hierzu muß bei der vorliegenden Erfindung der Auftreffwinkel nicht gleich dem Reflexionswinkel sein, obwohl dies in einigen Ausgestaltungen zweckmäßig sein kann, und ein Zielobjekt mit einer spiegelähnlichen Oberfläche kann nicht zuverlässig erfaßt werden. Eine gewisse Oberflächenrauhigkeit oder .aattierung ist notwendig, um einen gewissen Grad der Streuung des auftreffenden Lichtes zu erhalten. Je stumpfer die Oberfläche desto besser ist die Erfassung. Weiterhin wird das Gesichtsfeld und die Empfindlichkeit des Meßfühlers in der Anordnung nach der vor egenden Erfindung gesteigert durch die optische Vergrößerung und die Winkellage

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relativ zur Achse des auftreffenden Strahls, in welcher der auftreffende Strahl sich auf das Zielobjekt bewegt» Daher können der Meßfühler und die integrierte Sondenanordnung, in der er enthalten sein kann, in jeder gewünschten Entfernung von einem Zielobjekt angebracht werden, wobei die gewünschte Empfindlichkeit durch die enge Bündelung des auftreffenden Lichtstrahls und die Winkelbeziehung zwischen der Achse für den auftreffenden Strahl und der Achse für das reflektierte Licht erhalten wird. Die Erzeugung eines kleinen Flecks auf dem Zielobjekt wird am bequemsten erhalten durch Verwendung eines Lasers als Lichtquelle, der dann eine Intensität besitzt, die geringer ist als die, welche in irgendeiner Weise das Zielobjektmaterial verändert.

Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist im Zusammenhang mit Werkzeugen und Geräten zur mechanischen Materialabtragung. Eine solche Anordnung ist in der schematischen Darstellung der Figur 5 in Verbindung mit einem rotierenden Materialabtragungswerkzeug gezeigt, beispielsweise einer Schleifscheibe. In Figur sind ein Werkstück 42 und eine Schleifscheibe 44 in einer gegenseitigen Lage zueinander, wie sie normalerweise in Verbindung mit mechanischen Schleifgeräten verwendet wird. Die bei der Schleifscheibe und dem Werkstück gezeigten Pfeile sollen die normale freie Bewegung oder Rotation andeuten, welche bei einer solchen Maschine vorhanden ist. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um die Maschinenwerkzeugsteuerung 46 in Abhängigkeit von der Meßfühlereinrichtung oder der Nullanzeige und ihrer Erfassung der Lage der Werkstückoberfläche 48 bezüglich des Achsenschnittpunktes 28 zu betätigen. Der Achsenschnittpunkt 28 wird beispielsweise durch eine Spindelanordnung 50, die auch durch eine Vielzahl von anderen Einrichtungen ersetzt werden kann, beispielsweise durch eine vorprogrammierte automatische Servosteuerung so eingestellt, daß sich.die Sondenanordnung 34 entlang der Achse 16 für den auftreffenden Strahl vom Werkstück 42 weg oder auf es zu bewegt, um den Achsenschnittpunkt 28 im Werkstück 42 auf eine Tiefe einzustellen, auf die das Material vom Werkstück entfernt werden soll. Eine solche Tiefe kann auf einem Anzeigegerät 52 für die Sondenstellung angezeigt werden.

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Wenn das Gerät so eingestellt ist, dann wird die Meßfühlereinrichtung oder der Nullanzeiger 30 erfassen, daß der Achsenschnittpunkt 28 nicht auf der Oberfläche 48 des Werkstückes ist. Die Maschinenwerkzeugsteuerung 46 ist eingerichtet zum Anfahren und zum Betrieb zur Entfernung des Materials des Werkstückes so lange, bis die Steuerung ein Signal von der Meßfühlereinrichtung 30 erhält, daß die Werkstückoberfläche 48 koinzident mit dem Achsenschnittpunkt 28 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Betrieb der Schleifscheibe HH bezüglich des Werkstückes 42 beendet. Auf diese Weise kann eine Maschinenwerkzeugsteuerung 46 im Zusammenwirken mit dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung einschließlich der Stellungsmeßfühlersonde und der Meßfühlereinrichtung das Abtragen von Materia, von einem Werkstück 42 mit großer Genauigkeit und Wirksamkeit automatisch steuern. Diese Anordnung der vorliegenden Erfindung ist ähnlich zu der, welche im Zusammenhang mit einer Drehbank oder einer anderen Drehmaschine verwendet werden kann.

Zuvor maschinell oder spanabhebend bearbeitete Oberflächen uJer Durchmesser können inspiziert werden, beispielsweise mit einer Ausführungsform.der Figur 5, indem eine Nullablesung auf der Meßfühlereinrichtung 30 vorgenommen wird und die gewünschte Dimension durch Ablesen des Sondenstellungsanzeigers 52 ermittelt wird. In Verbindung mit den Arten von spanabhebenden Methoden, bei denen Werkzeuge verwendet werden, welche ein direktes Bohren in ein Werkstück vornehmen, kann eine Anordnung erhalten werden, durch durch welche das Werkstück oder das spanabhebende Werkzeug während geeigneter Intervalle verschoben wird, so daß dann das Werkstück dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung gegenübersteht.

Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich bewertet und angewendet in Verbindung mit dem Laserbohren von Löchern in einem metallischen Werkstück. Die Geometrie und die Qualität von mit Laser gebohrten Löchern werden durch eine Anzahl von i^jrozeßvariablen beeinflußt einschließlich des Abstandes zwischen dem Brennpunkt einer Bohrlinse und der Werkstückoberfläche. Die

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kleinsten Bohrungen werden am Brennpunkt erzeugt und mit Entfernung des Werkstückes aus dem Brennpunkt werden Bohrungen mit immer größerer Große erzeugt. Andere Variablen bilden entweder einen Teil der Optik des Lasers, beispielsweise die Brennweite von Linsen- und Blendendurchmesser, oder sind unter Steuerung des Systems, beispielsweise der Ladungspegel, die Impulslänge, die Impulsgßschwindigkeit und die Anzahl der Impulse. Der Abstand zwischen dem Brennpunkt des Bohrlaserstrahls und der Werkstückoberfläche wird manchmal auch als "Brennpunktversetzung" bezeichnet und ist abhängig von den Dimensionsänderungen der Werkstückoberfläche, welche manchmal bestimmt sind durch Toleranzen, die zur Erfüllung der funktionellen Erfordernisse der Bauteile ausgewählt werden. Die Lage des Werkstücktisches ist jedoch programmiert für die Nennwerte der Formen des Werkstückes und daher verändern Abänderungen der Werkstückoberflächen gegenüber der nominellen Form die Größe der Brennpunktversetzung. Dies kann Schwankungen in der Lochgeometrie ergeben, welche jenseits der zulässigen Grenzen liegen. U,· dieses Problem zu überwinden, wird durch die vorliegende Erfindung die gewünschte Brennpunktversetzung vor jedem Bohrimpuls erreicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch die Achse des auftreffenden Strahls koinzident mit der Achse des Laserbohrstrahls gemacht werden, beispielsweise in der Ausführungsform nach Figur 6, indem beide durch die gleiche Optik projiziert werden, und hierdurch werden der auftreffende Lichtstrahl und der Bohrlaserstrahl auf die Werkstückoberfläche in der gleichen Lage fokussiert, während sich die Werkstückoberfläche entlang der Achse des auftreffenden Strahls bewegt, welche auch die Achse des Bohrlasers darstellt. Das vom Werkstück 60 in Richtung der Lichtsammei- und Fokussierungseinrichtung au; Ie fotoempfindliche Einrichtung der Anordnung Jk reflektierte gestreute Licht bewirkt eine Bewegung dieses fokussierten Lichtes auf der fotoempfindlichen Einrichtung in Abhängigkeit von der relativen Lage des Brennpunktes de. ßohrlaserstrahls zur Werkstückoberfläche. Eine Art einer solchen fotoempfindlichen Einrichtung 24 ist in

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Figur,4 mit weiteren Einzelheiten gezeigt und ist handelsmäßig erhältlich von der United Detector Technology Company als Modell SC/10 oder ein Äquivalent und ist geeignet zur Erzeugung elektrischer Signale proportion il zur Verschiebung des Lichtfleckbildes aus einer Null-Lage und erzeugt eine Kurve ähnlich der in Figur 3 gezeigten Kurve.

In einem solchen System ist die Amplitude des erzeugten Signals auch proportional der Lichtintensität an der Meßfühleroberfläche. Obwohl dieses Kennzeichen nicht unmittelbar die Lage für das Nullsignal beeinflußt, bestimmt öle die Empfindlichkeit oder das Auflösungsvermögen des Systems. Durch Kombination einer Linse mit guter Qualität und großer Appertur, beispielsweise einer achroatischen Linse mit Überzug mit einem kleinen Helium/Neongaslaser als Lichtquelle, beispielt- we i >e dem von der Spectra Physics Incorporated hergestellten Typ 133, erhält man eine annehmbare Empfindlichkeit des Systems über einen weiten Bereich von Oberflächenreflexionsvermögen .

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in Verbindung mit einem Lasergerät zum Bohren, Schweißen, Schneiden usw. ist in der schematischen Darstellung der Figur 6 gezeigt, Dabei kann eine Sondenanordnung 3¹J ähnlich der im einzelnen in Figur 4 gezeigten Anordnung mit einer kleinen noch später beschriebenen Abwandlung verwendet werden. Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform wird die Lichtquelle I^ zur Erzeugung eines auftreffenden Strahls 12 als ein Laser mit einer Intensität beschrieben, die kleiner ist als eine Intensität, welche das Material des Werkstückes nachteilig beeinflußt. Selbstverständlich kann jedoch jede andere Lichtquelle verwendet werden, welche in der Lage ist, einen engen Strahl zur Projektion eines Lichtfleckes auf ein Zielobjekt oder eine Werkstückoberfläche zu erzeugen.

In Figur 6 ist eine erste Lasereinrichtung, beispielsweise ein Laserstrahlgenerator 5¹* eingerichtet zur Abgabe eines ersten

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Laserstrahls 56 mit einer "Arbeitsintensität" zur Werkstückbearbeitung. Dabei bedeutet der Ausdruck "Arbeitsintensität" eine Intensität, die ausreichend ist zur Ausführung des gewünschten Arbeitsvorgangs an dem Werkstück, beispielsweise zum Bohren, Schweißen, spanabhebenden Verformen usw. Eine Fokussierungslinse 58 ist so eingestellt, daß sie den Strahl 56 in Richtung des Werkstückes 60 fokussiert. Zwischen der ersten Lasereinrichtung 54 und der Fokussierungslinse 58 ist ein beweglicher Spiegel oder ein fester Strahlteiler 62 angeordnet, der so eingerichtet ist, daß er den ersten Laserstrahl 56 in Richti np des Werkstückes durchläßt und auch noch einen auftreffenden Strahl 12 von der Sondenanordnung 3^ in Richtung der Fokussierungslinse 58 reflektiert. Das heißt, der auftreffende Strahl 12, welcher in Figur ein zweiter Laserstrahl ist, und der erste Laserstrahl 56 werden entlang der auftreffenden Strahlachse 16 in Richtung des Werkstückes projiziert. In der Anordnung nach Figur 6 werden der auftreffende Strahl und der Arbeitslaserstrahl durch die gleiche Optik und entlang der gleichen Achse in Richtung des Werkstückes gerichtet, und die Sondenanordnung 3^ ist geringfügig gegenüber der Anordnung nach Figur 4 abgewandelt, indem der auftreffende Strahl 12 auf eine solche Einrichtung 62 wie einen Spiegel gerichtet wird, welcher den auftreffenden Strahl von einer Richtung außerhalb der Achse 16 des auftreffenden Strahls entlang dieser Achse des auftreffenden Strahls umlenkt. Wenn ein Spiegel verwendet wird, ist er vorzugsweise beweglich und kann aus der Linse der auftreffenden Strahlachse 16 herausbewegt werden, um jegliche Modifikation der ersten Lasereinrichtung 5^ zu vermeiden, wenn sie einen Impuls abgibt und den ersten Laser oder Arbeitsstrahl 56 durch die Linseneinrichtung 58 auf das Werkstück richtet.

Daher 1st bei Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die spanabhebende Bearbeitung mit einem Laser, wie in der Ausführungsform nach Figur 6, uer auftreffende r.trahl koaxial mit dem Arbeltslaserstrahl durch geeignete Strahlumlenkeinrichtungen ausgerichtet. Wenn immer die Fokussierungsoptik des Laserstrahls benutzt wird, kann sie auch als Fokussierungseinrichtung für den auf-

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treffenden Strahl benutzt werden, welcher· vorzugsweise ein Laserstrahl ist, jedoch auch Irrende I η enger Strahl Hein kann, welcher einen Fleck auf dein Zielobjekt fokussiert. PIe Anordnung ist so festgelegt, daß der auf treffende Licht 1" leck exakt koinzident mit dem Brennpunkt des ArbeitslaserstrnhI η jeweils dann ist, wenn sich die Werkstückoberfläche in der Null-Lage befindet. In einem vollständig automatisierten System ergibt sich bei Verschiebung des Werkstückes entlang der Achse vies auf treffenden Strahls, welche auch die Achse des Arbeits 1 aser;;f rahls 1st, ein programmierter Pokussierungsbefehl, der so lange andauert, bis die Meßfühlereinrichtung durch das Ausgangs:; ignal der fotuempf InU-lichen Einrichtung anzeigt, daß der Bezugspunkt erreicht wurde. Auf diese V/eise erhält man einen Bezugspunkt, auf den v/eitere Lagen der Zielobjektoberfläche bezogen werden können. Der Abstand zwischen dem Brennpunkt der Fokussierungsoptik, durch welche sowohl der Laserstrahl als auch der auftreffende Strahl hindurchtreten, und der Oberfläche des Werkstückes oder Zielobjektes wird dann in einer vorgewählten Welse /um Zweck der Verfahrenssteuerung eingestellt, beispielsweise zur Steuerung der Größe eines durch den Laser gebohrten Lochs.

Wie vorstehend angedeutet, kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, um die Abmessungen eines Zielobjektes zu untersuchen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Gerät zur Untersuchung eines Loches in einem Werkstück durch Projektion eines Inspektionslichtes zur Beleuchtung des Lochs und damit zur Erzeugung eines Bildes des Loches, das von einem fotoelektrischen Bildabtaster gemessen werden kann. Eine solche Ausführungsform ist in der schematischen Darstellung der Figur 7 gezeigt, welche eine Laserlochbohrung und -steuerung mit einer anschließenden Lochuntersuchung kombiniert.

Während des Betriebs des Gerätes der Ausführungsform nach Figur 7 wird ein Werkstück 60, das hier al» doppelwand!ges Teil gezeigt ist, auf einer Halterungseinrichtung befestigt, beispielsweise einem Maschinentisch 6Ί, welcher dann in die Lage zum Bohren von

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gewünschten Lochmustern gebracht wird. Obwohl die meisten Laserbohrmaschinen Vierachseneinste1 Lung mit numerischer Steuerung verwenden, ist zur Vereinfachung der Zeichnung nur die Z-Achse oder Fokus s ie rungs achse gezeigt. Eine Steuerung 66 zur Einstellung, der Werkstücklage kann automatische Steuerartselektoren, digitale Zähler, geeignete Motoren und andere Bauteile verwenden, wie sie normalerweise auf diesem Gebiet verwendet v/erden, und bewegt unter Anleitung durch eine Hauptprogramm-Si i.'iiereinrichtung 68 das Werkstück entlang der Z-Achse in die nominelle Zielobjektlage. Die Fokussteuer· einrichtung 70 leitet das Werkstück so, daß es sich zur exakten Koinzidenz mit dem Brennpunkt der Fokussierungslinse 58 bewegt, wobei dieser Fokussierungspunkt der Achsenschnittpunkt 28 zwischen der Achse 16 für den auftreffenden Strahl und der Achse 26 für das reflektierte Licht ist. Während des vorbeschriebenen Vorgangs hat ein Spiegelstellglied 72, das beispielsweise elektromechanisch sein kann, einen ersten Spiegel 62 in die Stellung gebracht, welche gestrichelt gezeichnet und mit 62a beziffert ist, wobei ein zweiter Spiegel 7*J zweckmäßigerweise durch ein Spiegelstellglied 75 in die Stellung 74 gebracht wird. In dieser Anordnung wird der auftreffende Strahl vom Spiegel bei 62a durch die Linse 58 reflektiert und von dieser auf dem Werkstück 60 fokussiert. Er wird dann gestreut und ein Teil wird entlang der Achse 2b für das reflt .ctierte Licht gesammelt, wie dies zuvor im Zusammenhang mit der Sondenanordnung 3^ beschrieben wurde.

Zuerst wird die Zielobjektoberfläche des Werkstückes 60, d_ti beispielsweise ein Turbinen-Düsenbauteil sein kann, das aus einer Hochtemperatur-beständigen Legierung hergestellt ist, in den Brennpunkt der Linse 58 gebracht, weicher auch der Achsenschnittpunkt der Achse l6 für den auftreffenden Strahl und der Achse 26 für das reflektierte Licht ist. Dann wird das Werkstück durch die Werkstücklagensteuerung 66 und die Hauptprogramm-Steuereinrichtung 68 in diejenigen Bohrentfernungen gebracht, welche zur Erzielung der gewünschten Lochgröfte erforderlich ist. Der Spiegel bei 62a wird dann durch das Stellglied 72 aus seiner Lage bei 62

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aus der Achse des auftreffenden Strahls herausbewegt und der Laserstrahlgenerator 5*J wird betätigt, um einen Arbeitslaserstrah] durch die Linse 58 in Richtung des Werkstückes 60 zur Bohrung eines Loches "J6 durch das Werkstück 60 zu richten.

Um das durch das Werkstück 60 gebohrte Loch zu untersuchen, bewegt ein zweites Spiegelstellglied 75 den Spiegel 7^ in die bei 7¹Ja gestrichelt gezeigte Stellung. Dann richtet die Inspektionslichtquelle 78 einen Inspektionslichtstrahl 80 entlang der Achse 16 für den auftreffenden Strahl mit Hilfe von teilweise versilbertem oder teilweise reflektierendem Spiep-el 8l und dem Spiegel bei 7^a zur Beleuchtung des Loches 76. Dieses beleuchtende Licht wird von dem Loch reflektiert und durch die Linse 58 gesammelt, welche das gesammelte Bild d^s Lochs 76 mit Hilfe des Spiegels bei 7^a durch den teilreflektierenden Spiegel 8l auf den Bildabtaster 82 richtet, beispielsweise einen solchen Abtaster des Typs 50B, hergestellt von der Dicomed Corporation^oder einem äauivalenten Abtaster. Die Messungen der Lochgröße können erreicht werden durch Anwendung einer elektronischen Abtastung, welche den Querschnitt des optisch vergrößerten Abbildes des Lochs bestimmt .

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Inspektion eines Loches in einem Werkstück ist in Figur 8 gezeigt und ist ähnlich der Figur 7. In diesem Beispiel in Figur 8 durchdringt das Loch 76 das Werkstück 60. Nach der Erzeugung des Lochs 76 durch das Werkstück 60 wie in Figur 7 befindet sich der Spiegel 62 außer Ausrichtung mit der Achse 16 des auftreffenden Strahls. Das zweite Spiegelstellglied 76 bringt den Spiegel 7¹J in die Lage, welche gestrichelt bei 7¹Ja gezeigt ist. Ein Inspektionslicht 90 richtet einen Inspektionslichtstrahl 92 durch das Loch 76 entlang der Achse 16 und durch die Linse 58. Der Strahl wird dann vom Spiegel bei 7^l\a zu einem Bildabtaster 82 reflektiert zur Auswertung und Verwendung, wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 7 beschrieben.

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Da die Inspektion durch Verwendung der vorlieprei'rten Erfindung unmittelbar nach dem Bohren eines Lochen und vor der üeueinstellunp des Werkstückes durch die Haupt programmsteuereinhei t und die Werkstücksteuereinheit 66 zur 'Erzeugung, eines neuen Lochs ausgeführt wird, können Schwankungei der Lochp;röße, die sich aus Schwankimpen der Werkstückoberfläche ou.^r Ladungspegelveränderungen in der ersten Lasereinrichtunp· ergeben, korrigiert werden. Eine solche Korrektur kann beispielsweise durch eine Lopikeinrichtung H^ in den Figuren 7 und P- zur Überwachung der Lochgröße und zur Ausführung von Steuerentscheidungen gemacht werden, welche die Hauptprogrammsteuereinrichtung 68 anweist, entweder den Energiepegel des ersten oder Arbeitslasers 5¹J zu ändern, beispielsweise durch eine Energiepep-e!steuerung 86, oder es kann eine geeignete Korrektur der Brennpunktversetzung durch Betätigung der Werkstückeinstellsteuerung 66 oder der Brennpunktsteuerung 70 oder beiden vorgenommen werden.

Obwohl die Ausführungsformen nach den Figuren 7 und 8 im Zusammenhang mit einer stationären Sondenanordnung 3^ und einem beweglichen Werkstück 60 beschrieben wurden, welche die zweckmäßigste Anordnung für die Produktion darstellt, kann selbstverständlich auch die Sondenanordnung 3¹J oder verschiedene Bauteile derselben beweglich sein, um den gleichen Zweck der Brennpunktsteuerung an dem Werkstück auszuführen. Gewünschtenfalls kann entlang der Achse 26 für das reflektierte Licht ein Filter zur Zurückweisung von Umgebungslicht und zur Steigerung der Empfindlichkeit des Systems vorgesehen werden. Ebenso können die Sondenanordnung 34 und die Fokussierungslinse 58 in einem genügenden Abstand von der Werkstückoberfläche angebracht werden, um das Einbringen von Schutzmaterialien zwischen dem Werkstück und der Meßfühleroptik zu gestatten, um die Optik vor ausgestoßenem Werkstückmaterial zu schützen. Ein Schutzmaterial, das als sehr brauchbar gefunden wurde, ist ein Film aus Mylarkunststoff, der ausreichend transparent ist, um den Durchgang der verschiedenen benutzten Lichtstrahlen zu gestatten.

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Elektronische Abtastmo thoden für die ifnt er:>nuhuni· ciet· Loohgroße, welche vor der vorliegenden Erfliuiui..-. -<ir v"t:.-rf ügung »standen, besitzen Nachteile, da ;;ie auch abhängig waren von der relativen La^e der Werkstückoberfläche zur Abtastop t i k . Änderungen der Werkstückoberfläche ei'raben MeBt'eli ler , welche auiVrh?! 1 b der· zu- VisrAfen Grenzen lar.eri. Wenn Jedocrh die Kfimbinat lon >iet- c-Jektrunlschen Abtastung und der t? lek t r'">-"[)t. Ischen Fokut;:; I eruru-ssteuer-ung In der vorliegenden Krfiridtinr vereint v/erden, wli-i die Wiederholbarkeit der Messung bedeutend ge:;t.e 1 gert und macht das Gerä't und das Verfahren angeiiieütjen für fnapektlon der Frtuluktlon an Ort und Stelle t'ilv 1 aseryebohrte Löcher und t'ilv u-lrie ,ingepaßte Steuerung des LaKerbearbei lungs vor? an γη .

Aus der vorstehenden lieschre Ibung und den typischen HeI spielen der verschiedenen Ausfiihrungsformen tier vorliegenden Erfindung wird der Fachmann erkennen, daß eine wortvolle und einzigartige anpassungsfähige Steuerung und Inspektionsgerät und Verfahren beschrieben werden. Die Konstruktionsmerkmal*.· sind geeignet für den Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und sind verträglich mit den numerisch gesteuerten Logik- und Steuereinrichtungen konventioneller Läserrnaschinen. Andere Abwandlungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Hinblick auf die vorstehenden Beschreibungen, beispielsweise bezüglich eier verschiedenen auftreffenden Lichtquellen, Vielehe verwendet werden können, der Einrichtungen, um diese Lichtouellen in einem Strahlenbündel auf das Werkstück zu richten, der Art der fotoelektrischen Meßfühlerbauteile, der verschiedenen Detektoreinricht-ungen und der Einrichtungen zur Fokussierung, Umlenkung, Sammlung und sonstigen Bearbeitung der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung benutzten Lichtstrahlen.

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Claims

- 22 Ansprüche

1. Gerät zur Erfassung der Lage eines Zieiobjektes, das in der Lage ist, mindestens teilweise Licht pestreut zu reflektieren, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:

eine auftreffende Lichtquelle (l'l) ,

eine Einrichtung (36) zur Richtung des Lichtes von der auftreffenden Lichtquelle in einem engen auftreffenden Lichtstrahl von einem vom Zielobjekt beabstandeten Punkt in Richtung auf und in Kontakt mit dem Zielobjekt (10) entlang einer Achse (16) des auftreffenden Strahls,

einen fotoelektrischen Meßfühler (22), der enthält: (i) eine Lichtsammel- und Fokussierungseinrichtung (20) zur Sammlung und Fokussierung des Lichtes von einem Fleck auf dem Zielobjekt (10), das durch den auftreffenden Strahl erzeugt und durch gestreutes Licht von dem Zielobjekt reflektiert wird, wobei diese Einrichtung das gesammelte, gestreute Licht entlang einer Achse (26) des reflektierten Lichtes fokussiert, welche verschieden ist von der Achse (16) des auftreffenden Strahls, wobei noch die Achse (26) des reflektierten Lichtes dieser Lichtsammei- und Fokussierungseinrichtung die Achse (l6) des auftreffenden Strahls an einem Achsenschnittpunkt (28) schneidet, und (ii) eine fotoempfindliche Einrichtung (2*0 zum Empfang des fokussierten Lichtes von der Sammel- und Fokussierungseinrichtung (20), wobei die fotoempfindliche Einrichtung ein Ausgangssignal einschließlich eines Teils liefert, der eine Funktion der Verschiebung des fokussierten Lichtes von einem Bezugspunkt (32) der fotoempfindlichen Einrichtung (2*0 ist, welcher die Lage des Achsenschnittpunktes (28) darstellt, und eine Detektoreinrichtung (30), welche auf das Ausgangssignal anspricht zur Erfassung der Verschiebung des Zielobjektes (10) entlang der Achse (16) des auftreffenden Strahls bezüglich des Achsenschnittpunktes (28).

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Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (30) auch noch eine Einrichtung enthält, welche auf das Aus ganrss i/mal anspricht zur Änderung des Abstandes zwischen dem Zielobjekt (10) und dem Achsenschnittpunkt (28) entlang der Achse (16) des auftreffenden Strahls.

Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen dem Zielobjekt (10) und dem Achsenschnittpunkt (28) durch eine Bewegungsänderung geändert wird zur Änderung der relativen Entfernung zwischen dem Zielobjekt und der Einrichtung zur Richtung des auftreffenden Strahls auf das Zielobjekt entlang der Achse des auftreffenden Strahls.

Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es auch noch eine Anzeigeeinrichtung enthält, welche auf die Detektoreinrichtung (30) anspricht zur Anzeige der Änderung der Entfernung zwischen dem Zielobjekt und dem Achsenschnittpunkt entlang der Achse des auftreffenden Strahls.

Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß es eine Steuereinrichtung enthält, die arbeitsmäßig mit der Einrichtung zur Änderung der Entfernung verbunden ist zur Aufrechterhaltung des Achsenschnittpunktes in einer vorgewählten Lage auf der Achse des auftreffenden Strahls.

Gerät nach Anspruch 1 zur Verwendung beim Betrieb eines spanabhebenden Werkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß es auch noch Einrichtungen zur Beendigung der Materialentfernung enthält, in Abhängigkeit von der Erfassung einer vorgewählten Stellung des Achsenschnittpunktes (28) entlang der Achse (16) des auftreffenden Strahls durch die Detektoreinrichtung (30).

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-2H-

7- Gerät nach Anspruch 2 zur Aufschmelzung mindestens eines Teils des Werkstückmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:

eine erste Lasereinrichtung (5'O zur Abgabe eines ersten Laserstrahls (56) mit Arbeitsintensität,

eine erste Linseneinrichtunp, (58), we]che zwischen der Lasereinrichtung (5²I) und dem Werkstück (60) zur Fokussierung des ersten Laserstrahls und des auftreffenden Lichtstrahls (12) entlang der Achse (16) des auftreffenden Strahls auf den Zielpunkt auf dem Werkstück angeordnet ist, eine Einrichtung (62) zur Lenkung <---s auftreffenden Strahls durch die erste Linseneinrichtung,

wobei die Detektoreinrichtung (30) eingerichtet ist zur Einstellung der Lage des Achsenschnittpunktes (28) in einer vorgewählten Lage entlang der Achse des auftreffenden Strahls vor der Emission des ersten Laserstrahls.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle ein zweiter Laser von einer geringeren Intensität ist, welche das Werkstückmaterial nicht nachteilig beeinflußt.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Richtung des auftreffenden Strahls durch die erste Linseneinrichtung (58) ein beweglicher Spiegel ist.

10. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Richtung des Lichtstrahls durch die erste Linseneinrichtung (58) ein Strahlaufteiler ist.

11. Gerät nach Anspruch 1 zur Untersuchung einer Bohrung in einem Werkstückzielpunkt, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin enthält:

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eine Einrichtung zur Projektion eines Inspektionslichtes entlang der Achse des auftreffenden Strahls zur Beleuchtung der Bohrung,

eine Linseneinrichtung zum Sammeln des Inspektionslichtes, welches die Bohrun.; beleuchtet und zur Fokussierung des gesammelten Lichtes als Abbild der Bohrung entlang der Achse des auftreffenden Strahls,

eine Einrichtung, welche entlang der Achse des auftreffenden Strahls angeordnet ist zur Umlenkung des Bildes der Bohrung aus der Achse dt s auftreffenden Strahls, und einen fotoelektrischen Bildabtaster (82) mit einer fotoempfindlichen Oberfläche, die zur Aufnahme des umgelenkten Bildes der Bohrung angeordnet ist, wobei das elektrische Ausp-angssignal der Abtasteinrichtung proportional der Fläche des Bildes der Bohrung auf der fotoempfiridllchen Oberfläche der Abtasteinrichtung ist.

12. Gerät nach Anspruch 7 zur Inspektion und Steuerung der Größe einer Bohrung in dem Zielobjekt, dadurch gekenn zeichnet , daß es enthält:

eine Einrichtung zur Projektion eines Inspektionslichtes entlang der Achse des auftreffenden Strahls zur Beleuchtung der Bohrung ₎

Linseneinrichtung zur Sammlung des Inspektionslichtes, welches die Bohrung beleuchtet und zur Fokussierung des gesammelten Lichtes als Bild der Bohrung entlang der Achse des auftreffenden Strahls,

eine entlang der Achse des auftref i-.nden Strahls angeordnete Einrichtung zur Umlenkung des Bildes der Bohrung aus der Achse des auftreffenden Strahls,

einen fotoelektrischen Bildabtaster (82) mit einer fotoempfindlichen Oberfläche, die zur Aufnahme des abgelenkten Bildes der Bohrung angeordnet ist, wobei das elektrische Ausgangssignal der Abtasteinrichtung proportional der Fläche des Bildes der Bohrung auf der fotoempfindlichen Oberfläche der Abtasteinrichtung ist, und

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eine Einrichtung (86), welche auf das elektrische Ausgangssignal der Abtasteinrichtung anspricht zur Änderung der Intensität der ersten Lasereinrichtung zur Korrektur der Abmessung der Bohrung auf eine vorgewählte Abmessung.

13· Gerät nach Anspruch 7 zur Inspektion und Steuerung der Größe einer Bohrung in dem Zielobjekt, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin enthält: eine Einrichtung zur Projektion eines Inspektionslichtes entlang der Achse des auftreffenden Strahls zur Beleuchtung der Bohrung;,

eine Linseneinrichtung zur Sammlung des die Bohrung beleuchtenden Inspektionslichtes und zur Fokussierung des gesammelten Lichtes als Bild der Bohrung entlang der Achse (16) des auftreffenden Strahls,

eine entlang der Achse des auftreffenden Strahls angeordnete Einrichtung zur Ablenkung des Bildes der Bohrung aus der Achse des auftreffenden Strahls,

einen fotoelektrischen Bildabtaste. (82) mit einer fotoempfindlichen Oberfläche, welche zur Aufnahme des abgelenkten Bildes der Bohrung angeordnet ist, wobei das elektrische Ausgangssignal der Abtasteinrichtung proportional der Fläche des Bildes der Bohrung auf der fotoempfindlichen Oberfläche der Abtasteinrichtung ist, und

eine Bewegungseinrichtung (66), welche auf das elektrische Ausgangssignal der Abtasteinrichtung anspricht zur Änderung der relativen Entfernung zwischen dem Zielobjekt und der ersten Lasereinrichtung zur Korrektur der Abmessung der Bohrung auf eine vorgewählte Abmessung.

Ik. Gerät nach Anspruch 11 zur Inspektion einer Bohrung, welche ein Werkstück durchdringt, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin entl it: eine Inspektionslichtquelle und eine Einrichtung zur Richtung des Inspektionslichtes von der Inspektionslichtquelle entlang der Achse des ■<., rtreffenden Strahls und durch die Bohrung in Richtung der Linseneinrichtung.

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15. Gerät nach Anspruch 11 zur Inspektion einer Bohrung, welche nur einen Teil des Wei.Stückes durchsetzt, dadurch gekennzeichnet , daß es enthält:

eine Inspektionslichtquelle und eine Einrichtung zur Richtung des Inspektionslichtes von der Inspektionslichtquelle entlang der Achse des auftreffenden Strahls durch die Linseneinrichtung und in Richtung der Bohrung.

16. Verfahren zur Erfassung der Lage eines Zielobjektes, das in der Lage ist, mindestens teilweise das Licht gestreut zu reflektieren, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

es wird ein enger auftreffender Strahl entlang einer Achse des auftreffenden Strahls auf das Zielobjekt gerichtet, von einer Stellung außerhalb der Achse des auftreffenden Strahls wird das vom auftreffenden Strahl gestreute am Zielobjekt reflektierte Licht gesammelt,

das gesammelte Licht wird auf .einer fotoempfindlichen Einrichtung entlang einer Achse des reflektierten Lichtes fokussiert, welche die Achse des auftreffenden Strahls an einem Achsenschnittpunkt schneidet, wobei die fotoempfindliche BHnrichtung ein Ausgangssignal einschließlich eines Teils liefert, der eine Punktion der Verschiebung des fokussierten Lichtes bezüglich eines Bezugspunktes der fotoelektrischen Einrichtung ist, welche den Achsenschnittpunkt darstellt, und dann wird die Lage des ^r<ielobjektes entlang der Achse des auftreffenden Strahls bezüglich des Achsenschnittpunktes durch das Ausgangssignal ermittelt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt einer Einstellung der Lage des Achsenschnittpunktes und des Zielobjektes in einer vorgewählten Lage zueinander entlang der Achse des auftreffenden Strahls.

18. Verfahren nach Anspruch 16 zur Verwendung in der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes oder Zielobjektes durch Anwendung eines spanabhebenden Werkzeuges einschließlich der weiteren Verfahrensschritte: der Achsenschnittpunkt wird innerhalb des Werkstückes unterhalb der Zieloberfläche in einer Entfernung angeordnet, welche in Beziehung zu der Menge des vom Werkzeug abzutragenden Materials steht, wobei das fokussierte Licht gegenüber dem Bezugspunkt der fotoelektrischen Einrichtung verschoben wird, und dann wird das Werkzeug betätigt zur Abnahme des Materials vom Werkstück, bis das fokussierte Licht den Bezugspunkt in einer vorgewählten Stellung erreicht.

19. Verfahren nach Anspruch 17 zum Bohren eines Loches in einem Werkstück, gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Verfahrensschritte: der auftreffende Strahl wird durch eine Fokussierungseinrichtung für den auftreffenden Strahl entlang der Achse des auftreffenden Strahls auf das Zielobjekt fokussiert zur Einstellung der Lage des Achsenschnittpunktes und dann wird ein erster Laserstrahl mit Arbeitsintensität durch die Pokussierungseinrichtung für den auftreffenden Strahl in Kontakt mit dem Zielobjekt entlang der Achse des auftreffenden Strahls während einer ausreichenden Zeit gerichtet, um das gewünschte Material von dem Zielobjekt zu entfernen.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß vor der Richtung des ersten Laserstrahls der Achsenschnittpunkt zunächst in seiner Lage auf dem Zielobjekt eingestellt und dann um eine vorgewählte Entfernung entlang der Achse des auftreffenden Strahls bewegt wird, um die Abmessung des in dem Zielobjekt zu bohrenden Loches einzustellen.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der auftreffende Strahl ein zweiter Laserstrahl mit einer geringeren Intensität als die Arbeitsintensität ist.

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22. Verfahren nach Anspruch 16 zur Inspektion eines Zielobjektes ) gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

der Achsenschnittpunkt wird auf dem zu untersuchenden Zielobjekt angeordnet,

ein Inspektionslicht wird entlang der Achse des auftreffenden Strahls zur Beleuchtung des Zielobjektes pojiziert, das von dem Zielobjekt reflektierte Tnspektionslicht wird resammelt und das gesammelte Licht wirci entlang der Achse des auftreffenden Strahls als Abbild des Zielobjektes fokussiert und dann wird das Z-ielobjekt durch Abtasten des Bildes des Zielobjektes betrachtet.

23· Verfahren nach Anspruch 19 zum Bohren und Betrachten einer Bohrung in einem Werkstückzielobjekt, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte nach der Entfernung des Materials von dem Werkstück:

ein Inspektionslicht wird entlang der Achse des auftreffenden Strahls zur Beleuchtung der Bohrung projiziert, das von der Bohrung reflektierte Inspektionslicht wird gesammelt und das gesammelte Licht entlang der Achse des auftreffenden Strahls als ein Bild der Bohrung fokussiert, und dann wird die Fläche des Bildes der Bohrung zur Inspektion der Bohrung abgestastet.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß es den weiteren Verfahrensschritt nach dem Abtasten enthält, welcher in einer Änderung der relativen Lage des Werkstückzielpunktes und des Achsenschnittpunktes !!.-steht zur Verringerung irgendeiner Differenz zwischen der Fläche des Bildes der Bohrung und einer vorgewählten Flächengröße des Bildes der Bohrung.

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