基于多模态融合的激光增材再制造过程控制系统及方法

本发明属于激光增材再制造，涉及一种基于多模态融合的激光增材再制造过程控制系统及方法。

背景技术：

1、激光熔覆增材再制造技术凭借其高能量密度、良好冶金结合以及小热影响区等优势，已在大型装备关键零部件的修复再制造领域得到广泛应用。掘进机作为隧道施工的核心装备，主驱动轴承套圈在复杂地质工况下长期服役，承受高频率冲击载荷与严重磨料磨损，导致表面容易出现大面积磨损与局部剥落损伤。采用激光熔覆增材技术对上述受损部件进行再制造修复，不仅能够有效恢复尺寸精度与几何形貌，还可通过优化熔覆材料体系显著提升修复层的表面硬度与耐磨性能，从而延长关键部件的使用寿命，降低设备停机维护成本。

2、现有技术中，公开号为cn121009320a的中国专利，提出了一种激光熔丝增材制造过程早期预警方法、系统、设备及介质，其中方法同步获取红外热像仪、高速相机、同轴ccd相机、高温计和声纹传感器五路多模态数据序列，通过一阶线性插值进行时间对齐后分模态提取特征，将整合后的特征输入预先训练的transformer模型进行预测，输出熔池缺陷风险趋势序列并结合风险阈值与预测置信度实现早期预警。然而，将该方案应用于掘进机刀盘及轴承套圈的激光增材再制造场景时存在以下技术问题：其一，掘进机刀盘及轴承套圈为米级大尺寸部件，增材过程中工件会产生非线性热膨胀位移，而现有技术中的一阶线性插值仅对齐了时间维度，并未考虑工件自身的空间位置变形，传感器仍基于静态标定坐标采集，热膨胀位移会使监测数据与实际加工位置产生偏差，进而触发频繁的误修正；其二，现有技术在检测到缺陷风险后仅生成预警信号，操作人员需在后续加工中手动调整工艺参数，无法在层间间歇期对亚表面缺陷进行原位修复，也就是说，缺陷一旦在某一层形成便无法实现层间治愈，只能由后续层叠加掩盖，导致缺陷持续累积。

3、因此，为了解决上述技术问题，亟需一种基于多模态融合的激光增材再制造过程控制系统及方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于多模态融合的激光增材再制造过程控制系统及方法，很好地解决了现有技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于多模态融合的激光增材再制造过程控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s100：在待修复工件非加热区域布设基准标记点，根据所述基准标记点的瞬态位移向量并基于径向基函数构建插值模型，并得出工件表面的瞬态热膨胀位移；

4、步骤s200：建立随动局部坐标系，将采集的熔池视觉图像数据与红外热像数据映射至随动局部坐标系，并提取熔池表面形貌特征与熔覆层边缘展宽特征；

5、步骤s300：设置层间间歇期，在所述层间间歇期触发激光超声透射检测，提取超声衰减系数与超声非线性参数以作为亚表面缺陷特征；

6、步骤s400：根据当前修复累积层数动态分配各模态权重，对所述熔池表面形貌特征、所述熔覆层边缘展宽特征与所述亚表面缺陷特征执行因果时序加权融合，以得到融合特征；

7、步骤s500：基于所述融合特征实时计算边缘塌陷风险指数与内部致密性风险指数；

8、步骤s600：当所述边缘塌陷风险指数超出预设阈值时执行抗塌陷前馈补偿，当所述内部致密性风险指数超出预设阈值时执行层间原位治愈补偿。

9、进一步地，在所述步骤s100中，还包括以下步骤：

10、步骤s110：在修复开始前对所述基准标记点进行标定以获取理论空间坐标；

11、步骤s120：在修复时以预设帧率持续采集所述基准标记点的实时空间坐标，计算各所述基准标记点的瞬态位移向量；

12、步骤s130：以所述理论空间坐标与所述瞬态位移向量构建径向基函数插值模型，以获得工件表面任意路径点处的瞬态热膨胀位移。

13、进一步地，在所述步骤s200中，还包括以下步骤：

14、步骤s210：以当前激光光斑中心为原点、以扫描速度方向为第一坐标轴、以熔池表面法线方向为第二坐标轴建立随动局部坐标系；

15、步骤s220：将同步采集的熔池视觉图像数据与红外热像数据反算映射至所述随动局部坐标系中；在所述随动局部坐标系内对映射后的熔池边界进行椭圆拟合，以提取熔池形貌畸变特征；在所述随动局部坐标系下计算熔覆层实测宽度与理论设计宽度的差值比值，以得到熔覆层边缘展宽特征。

16、进一步地，在所述步骤s300中，还包括以下步骤：

17、步骤s310：在层间间歇期内向熔覆层表面照射脉冲激光以激发宽带超声波，接收表面振动信号；

18、步骤s320：设定无缺陷区域参考的回波幅值谱，并与从表面振动信号中提取的当前采集位置的回波幅值谱相比，得到超声衰减系数；

19、步骤s330：通过窄带数字滤波器分别提取接收信号的基波幅值与二次谐波幅值，基于相干平均后所述二次谐波幅值与所述基波幅值平方之比得出超声非线性参数。

20、进一步地，在所述步骤s400中，还包括以下步骤：

21、步骤s410：将所述熔池表面形貌特征、熔覆层边缘展宽特征、超声衰减系数、超声非线性参数与热像积分特征组合构建多模态特征向量；

22、步骤s420：根据当前修复累积层数确定所处的物理阶段，按照预设的各阶段注意力权重对各模态特征进行加权；

23、步骤s430：对加权后的各模态特征进行融合输出。

24、进一步地，在所述步骤s500中，还包括以下步骤：

25、步骤s510：将所述熔覆层边缘展宽特征及其时间导数与热像积分特征输入预设非线性映射函数，经映射输出所述边缘塌陷风险指数；

26、步骤s520：将所述超声衰减系数相对于预标定基线的偏移量与所述超声非线性参数相对于预标定安全阈值的偏移量输入预设非线性映射函数，经映射输出所述内部致密性风险指数。

27、进一步地，所述抗塌陷前馈补偿包括：

28、降低当前熔覆层的扫描速度，同时提高当前熔覆层的送粉量；

29、在规划下一熔覆层的扫描路径时，根据当前的熔覆层边缘展宽特征与理论设计宽度的乘积计算路径外延偏移量，并将下一熔覆层的扫描路径向外拓宽至所述路径外延偏移量。

30、进一步地，所述层间原位治愈补偿包括：

31、在当前熔覆层扫描结束后插入激光原位回火脉冲以进行散焦扫描；

32、记录当前缺陷位置的空间坐标，在下一熔覆层时对该缺陷位置对应区域的搭接率从基准值提升至预设增量。

33、本发明还提出了一种控制系统，包括：

34、基准构建模块，用于在待修复工件的非加热区域布设基准标记点，实时采集所述基准标记点的瞬态位移向量，基于径向基函数插值构建工件表面的瞬态热膨胀位移，以建立动态空间基准；

35、随动特征提取模块，用于将同步采集的熔池视觉图像数据与红外热像数据映射至随动局部坐标系中，提取熔池表面形貌特征与熔覆层边缘展宽特征；

36、亚表面检测模块，用于在层间间歇期触发激光超声透射检测，提取超声衰减系数与超声非线性参数以作为亚表面缺陷特征；

37、因果融合模块，用于对所述熔池表面形貌特征、熔覆层边缘展宽特征与亚表面缺陷特征执行因果时序加权融合，以得到融合特征；

38、计算模块，用于基于所述融合特征实时计算边缘塌陷风险指数与内部致密性风险指数；

39、补偿执行模块，用于当所述边缘塌陷风险指数超出预设阈值时执行抗塌陷前馈补偿，当所述内部致密性风险指数超出预设阈值时执行层间原位治愈补偿。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、本发明中，通过在待修复工件非加热区域布设基准标记点并采集瞬态位移向量，还将熔池视觉图像数据与红外热像数据映射至该随动局部坐标系中，使对多模态信号的采集不再依赖于静态标定坐标，而是随工件热变形实时浮动，从而消除了在增材过程中因非线性热膨胀位移导致的监测数据与实际加工位置之间的空间偏差，避免了由此引发的频繁误修正，提升了空间定位精度与控制决策可靠性。

42、本发明中，在层间间歇期提取超声衰减系数与超声非线性参数以作为亚表面缺陷特征，结合熔池表面形貌特征与熔覆层边缘展宽特征执行因果时序加权融合以得到融合特征，实时计算边缘塌陷风险指数与内部致密性风险指数，当风险指数超出预设阈值时直接执行抗塌陷前馈补偿或层间原位治愈补偿，实现了在缺陷形成的同一层级完成修正，避免了缺陷累积至后续层叠加掩盖的问题，提升了再制造件的内部质量与最终机加工合格率。