【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光加工，尤其涉及一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统。
技术介绍
1、在现代制造业中，激光诱导热裂切割技术(litp)广泛应用于脆性材料如玻璃和陶瓷的精确切割。这种技术依靠激光产生的高温使材料局部热胀冷缩，从而在材料表面引发热应力，产生并扩展裂纹。尽管此技术相较传统机械切割具有更高的精度和更少的物理接触损伤，但其监控过程面临诸多挑战。特别是在高速切割过程中，如何实时准确监测裂纹的生成和扩展，确保切割质量与精度，一直是一个技术难题。现有的监控方法如基于视觉的监控系统通常只能捕捉到表面的裂纹信息，而对于裂纹深度和微小裂纹的监测则常常力不从心。
2、针对上述问题，现有技术存在的主要难点在于单一监测模态(如仅视觉或声发射监测)难以全面捕捉切割过程中的复杂物理现象，这限制了监控系统的响应速度和准确性。此外，现有系统在处理多种传感数据时，往往缺乏有效的数据融合策略，不能充分利用不同传感器提供的互补信息，导致监控结果的不稳定或误差较大。
3、因此，开发一种能够综合多种监测信号、实时提供准确监测信息的系统显得尤为重要。
技术实现思路
1、基于上述目的，本专利技术提供了一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统。
2、一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，包括数控加工模块、视觉采集模块、声发射采集模块、多模态信息融合模块以及状态评估模块；其中：
3、数控
4、视觉采集模块：包括ccd工业相机和图像采集卡，ccd工业相机用于实时捕捉切割区域的高分辨率图像，图像采集卡用于将捕获的图像信号转换为数字信号，并传输至多模态信息融合模块；
5、声发射采集模块：包括声发射传感器、前置放大器和声发射信号采集器，其中声发射传感器用于检测加工过程中产生的声波信号，前置放大器用于对声波信号进行增强，声发射信号采集器用于将增强后的声波信号转换为数字格式，并传输至多模态信息融合模块；
6、多模态信息融合模块：接收来自视觉采集模块和声发射采集模块的信号输入，利用窗口注意力和多头自注意力机制对视觉信号和声发射信号进行特征提取，并通过跨模态交互编码器实现两种模态的深度融合，为状态评估模块提供预处理后的特征数据；
7、状态评估模块：接收多模态信息融合模块的输出，应用预设的深度神经网络算法，对融合后的特征数据进行分析，通过前馈神经网络调节多模态交互融合特征的权重，最后通过softmax层计算出对应加工状态的分类概率，并输出加工状况的评估结果。
8、进一步的，所述激光发生器包括波长调制单元、功率控制单元和光束聚焦单元；其中：
9、波长调制单元：包括可变波长激光二极管，能够根据材料的光学吸收特性调整激光的波长，并通过对波长的精确控制，优化激光与脆性材料的相互作用，从而减少热影响区域；
10、功率控制单元：采用电流控制器来调节激光二极管的供电，从而精确控制激光的输出功率，具体的功率的调整是根据材料的厚度和所需的切割速度进行优化，以保证能量的合理分配；
11、光束聚焦单元：利用高性能的光学透镜系统，包括凸透镜和柱面透镜的组合，用于将激光束聚焦到焦点上，通过调整透镜间距，实现对光斑直径的精确控制，确保激光能量集中在最小区域，增强切割的精度和深度；
12、所述数控移动平台包括定位控制单元和驱动执行单元；其中：
13、定位控制单元：基于高精度的数控装置，运用路径规划算法包括插补算法和轨迹优化算法，计算出激光头的最佳移动轨迹，并通过实时反馈机制，根据加工过程中的实际情况包括材料位移或形变，动态调整路径以保持切割精度；
14、驱动执行单元：由步进电机和同步带驱动装置组成，用于实现激光头的精确位置控制，所述步进电机通过接收定位控制单元的指令，以预设的速度和精度移动激光头，同时同步带用于确保运动的平滑性和准确性，避免因机械振动影响切割质量。
15、进一步的，所述ccd工业相机配置有ccd传感器，用于实时捕捉切割区域的高分辨率图像，ccd传感器能够在各种光照条件下捕获清晰的图像，ccd工业相机还配备了光学滤波装置，能有效过滤激光散射或反射光，确保图像符合预定标准，相机的曝光时间和帧率能根据激光切割的速度和精度需求进行调整，以捕获每一阶段的切割过程；所述图像采集卡内置模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，该转换器具有高采样率和高数据宽度，确保图像在转换过程中的细节不丢失，从而维持图像的高分辨率和深度，完成转换后，采集卡通过高速数据接口将数字图像数据传输至多模态信息融合模块。
16、进一步的，所述声发射传感器采用高灵敏度的压电传感器，用于在激光诱导热裂切割过程中，当材料发生微小裂纹扩展时，会产生预定频率的声波，压电传感器能够将预定频率的声波的机械振动转换为电信号；所述前置放大器接收声发射传感器输出的微弱电信号后，通过一个低噪声放大电路将其放大，该放大器具备高增益和宽带宽的特性，能够确保信号在放大过程中保持其原有的频率特性和幅度信息，从而不失真地放大声发射信号，此外前置放大器还配备了滤波功能，能过滤掉非目标频率范围内的噪声，增强信号清晰度；所述声发射信号采集器包括高精度模数转换器，用于将前置放大器输出的模拟声发射信号转换为数字格式，该转换器具备高分辨率和快速采样率，能准确地捕捉并转换高速变化的声波信号，确保信号在数字化过程中的细节和动态范围得以保留，转换后的数字信号通过高速数据接口传输至多模态信息融合模块，该接口支持数据的实时传输，确保声发射数据能与视觉数据同步处理。
17、进一步的，所述多模态信息融合模块包括视觉特征提取单元、声发射特征提取单元以及跨模态交互融合单元；其中：
18、视觉特征提取单元：应用窗口注意力机制进行特征提取，具体通过在图像上定义多个小窗口，专注于分析每个窗口内的局部图像特征，加强对切割区域裂纹起点和扩展路径的理解；该窗口的大小和步长根据实际图像的分辨率和切割特征的重要性动态调整，以优化特征捕捉的效率和精确性；
19、声发射特征提取单元：采用多头自注意力机制来处理声发射信号，具体通过将注意力分布到声发射信号的多个预定部分，同时关注多个频率和时间点的声波活动，从而全面监测复杂的材料应力响应，其中每个注意力头独立提取信号中的一组特征，然后通过融合所有提取的信号特征来形成综合的、多维度的声发射信号特征表示；
20、跨模态交互融合单元：用于将视觉特征提取单元和声发射特征提取单元输出的特征进行深度融合，通过使用跨模态交互编码器来处理和整合来自不同传感源的数据，编码器通过一系列的融合层，包括共享层和交互层，对两种模式数据的深入分析和整合，该层利用非线性变换和自适应权重调整，精确调和视觉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，包括数控加工模块、视觉采集模块、声发射采集模块、多模态信息融合模块以及状态评估模块；其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述激光发生器包括波长调制单元、功率控制单元和光束聚焦单元；其中:
3.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述CCD工业相机配置有CCD传感器，用于实时捕捉切割区域的高分辨率图像，CCD传感器能够在各种光照条件下捕获清晰的图像，CCD工业相机还配备了光学滤波装置，能有效过滤激光散射或反射光，确保图像符合预定标准，相机的曝光时间和帧率能根据激光切割的速度和精度需求进行调整，以捕获每一阶段的切割过程；所述图像采集卡内置模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，该转换器具有高采样率和高数据宽度，确保图像在转换过程中的细节不丢失，从而维持图像的高分辨率和深度，完成转换后，采集卡通过高速数据接口将数字图像数据传输至多模态信息融
4.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述声发射传感器采用高灵敏度的压电传感器，用于在激光诱导热裂切割过程中，当材料发生微小裂纹扩展时，会产生预定频率的声波，压电传感器能够将预定频率的声波的机械振动转换为电信号；所述前置放大器接收声发射传感器输出的微弱电信号后，通过一个低噪声放大电路将其放大，该放大器具备高增益和宽带宽的特性，能够确保信号在放大过程中保持其原有的频率特性和幅度信息，从而不失真地放大声发射信号，此外前置放大器还配备了滤波功能，能过滤掉非目标频率范围内的噪声，增强信号清晰度；所述声发射信号采集器包括高精度模数转换器，用于将前置放大器输出的模拟声发射信号转换为数字格式，该转换器具备高分辨率和快速采样率，能准确地捕捉并转换高速变化的声波信号，确保信号在数字化过程中的细节和动态范围得以保留，转换后的数字信号通过高速数据接口传输至多模态信息融合模块，该接口支持数据的实时传输，确保声发射数据能与视觉数据同步处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述多模态信息融合模块包括视觉特征提取单元、声发射特征提取单元以及跨模态交互融合单元；其中：
6.根据权利要求5所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述视觉特征提取单元包括：
7.根据权利要求6所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述声发射特征提取单元包括：
8.根据权利要求7所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述跨模态交互融合单元包括：
9.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述状态评估模块包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，包括数控加工模块、视觉采集模块、声发射采集模块、多模态信息融合模块以及状态评估模块；其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述激光发生器包括波长调制单元、功率控制单元和光束聚焦单元；其中:
3.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述ccd工业相机配置有ccd传感器，用于实时捕捉切割区域的高分辨率图像，ccd传感器能够在各种光照条件下捕获清晰的图像，ccd工业相机还配备了光学滤波装置，能有效过滤激光散射或反射光，确保图像符合预定标准，相机的曝光时间和帧率能根据激光切割的速度和精度需求进行调整，以捕获每一阶段的切割过程；所述图像采集卡内置模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，该转换器具有高采样率和高数据宽度，确保图像在转换过程中的细节不丢失，从而维持图像的高分辨率和深度，完成转换后，采集卡通过高速数据接口将数字图像数据传输至多模态信息融合模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于多模态融合的激光诱导热裂切割脆性材料过程高精度实时监测系统，其特征在于，所述声发射传感器采用高灵敏度的压电传感器，用于在激光诱导热裂切割过程中，当材料发生微小裂纹扩展时，会产生预定频率的声波，压电传感器能够将预定频率的声波的机械振动转换为电信号；所述前置放大器接收声发射传感器输出的微弱电信号后，通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵春洋，孙嘉延，雷建国，朱立宽，赵非凡，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：
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