CN115042022A - 基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，用于解决微晶玻璃在快速进给大切深磨削时，微晶玻璃表面存在的微裂纹导致裂纹成核扩展问题，及磨削效率低下问题。首先由壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液经超声波震荡、均匀混合后，通入高压气体，经空化喷嘴，形成三相的空化射流，三相流被喷至微晶玻璃表面，产生的空化气泡会在玻璃表面溃灭，形成的负压使混合液中的微纳米液态镓深入微晶玻璃的微裂隙中，其次微纳米液态镓还会发生浸润，在有氧条件下，与微晶玻璃表层和亚表面结合生成一层氧化镓薄膜，该薄膜对微晶玻璃的微裂隙起到积极的增补和协同作用，能防止微晶玻璃裂纹地扩展，未发生浸润的液态镓会进入回收装置。

Description

基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置

技术领域

本发明涉及磨削加工中的玻璃磨削技术领域，尤其指出基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置。

背景技术

在以智能制造为背景的工业思维推动下，柔性制造也正逐渐走向工业领域的核心舞台当中，而在柔性制造系统领域,工业机器人上下料等技术设备装置已经成为工业机器人生产应用中重要的一个组成部分。面对中国制造业日益发展的今天，柔性生产系统日益成为研究的核心要点，在柔性生产系统中承担主要作用的就是机械手。机械手已成为我们现代工业中不可或缺的辅助生产工具，是提升国家高新技术综合实力的重要手段，而机械手作为重要的执行机构，常被用在抓取、物料搬运、设备装配等任务中被广泛地使用。

视觉识别作为机械手中的最关键的功能之一，其核心任务是用一些成像设备代替人体视觉器官作为图像信息的输入途径，用计算机发挥大脑的部分功能完成对物体的识别判断。物体识别流程一般认为：前期提取出图像相关的信息，如特征描述子、物体轮廓、物体颜色等；然后对这些信息进行一定程度的处理，对相关特征信息进行学习与分类；之后，通过学习所得到的数据与系统之后获取的图像信息进行比对，以相关的参数，例如欧几里得距离，来评价其对应关系，然后给出物体的类别。通过以上流程所建立的稳定系统具有计算机程序所固有的高效、持久、易推广的特点，使得其在自动化与智能化的领域具有极其重大的实际意义。

而透镜在视觉识别的过程中扮演着不可或缺的角色。透镜是基于斯涅耳定律即光的折射和反射定律入射光的振幅、相位和偏振态的改变是沿着光程方向的逐渐累积。在视觉识别的应用中，很少有考虑以透镜作为关键零部件的研制，而也正因为在视觉识别中透镜的不可或缺性，所以研制一款适用于透镜材料自适应磨削装置十分必要。微晶玻璃作为一种典型的光学材料，它是通过将特定组成的母体玻璃进行热处理，并且在加热过程中通过控制晶化，从而获得一种既含有一定量晶相，又含有相当比例的残余玻璃相的多晶固体材料，因此微晶玻璃既具有残余的非晶玻璃相的特征，又具有多晶陶瓷材料的特征。

微晶玻璃的加工方法发展至今已经有了很大进步，存在化学研磨、电解研磨、电火花加工、离子束加工、激光加工、以及机械加工方法等。其中切削加工和传统的磨削加工为机械加工的主要方法，被广泛应用于微晶玻璃的加工过程中。与切削加工方法相比，磨削加工具有加工精度高、表面质量好和加工范围广等优点，因此更多应用于零件的精加工。而磨削与其它方法的切削过程相比，单位磨削力大，磨削速度高，是实现高效低成本加工的重要方法。

在微晶玻璃的磨削加工中，其微观结构不致密，不容易发生塑性流动，磨削时，在变形区底部残余拉应力的作用下，横向裂纹会开始形成。当砂轮完全卸载后，横向裂纹在材料塑性变形区的底部产生，沿着近似于平行表面的方向扩展，扩展到材料表面，引起材料的脆性去除，并在零部件表面形成表面粗糙度。此外，在横向裂纹沿着近似于平行表面的方向扩展时，若遇到其它横向裂纹、径向裂纹或中位裂纹等，该横向裂纹扩展的方向会发生改变，继续向材料的内部即亚表面层扩展，形成残留横向裂纹。中位裂纹在材料塑性变形区底部产生，向材料内部扩展，形成较长的亚表面裂纹，引起亚表面损伤，降低材料强度。因此，基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，对于实现光学特种玻璃的高效低损伤磨削加工具有重要意义。

镓是一种淡蓝色金属，熔点约为29.76℃，在元素周期表位于第四周期第ⅢA族，与铝为同族元素，化学性质相似，在氧气条件下能够与铝元素结合结合成键，形成晶界。由壳聚糖分散的微纳米液态镓，能够浸润玻璃，可渗透至玻璃的亚表面，与微晶玻璃中的铝元素形成晶界后，彼此紧密结合，在微晶玻璃的表面和裂隙内氧化生成致密的氧化镓薄膜，实现增补的效果。且氧化镓的莫氏硬度为5～6，微晶玻璃的莫氏硬度约为6～7，能够渗透至亚表面的微纳米液态镓是较为理想的增补材料。

增补作用是通过空化射流喷枪，将微纳米液态镓深度渗透至微晶玻璃表面的微裂纹和孔隙内，使微纳米液态镓深入微晶玻璃亚表面表面和孔隙内部发生浸润，通过生成的氧化镓对微晶玻璃的微小孔隙实现增填补充，以达到增补的效果。

此外，生成的氧化镓薄膜对微晶玻璃的表面还存在协同作用，生成的致密氧化膜会附着在光学特种玻璃表面。因为表面张力的存在，微纳米液态镓浸润后会在微裂隙和孔洞处形成一个方向向上的合力，对砂轮磨削时，砂轮载荷产生的影响有部分消除作用。

公开号为“CN109129126A”，发明名称为“一种光学玻璃镜面打磨设备”的发明专利，公开了一种光学玻璃镜面打磨设备。根据打磨过程中，提升机构可沿着支撑板倾斜向上运动，使得光学玻璃的上移高度能够抵消被打磨的厚度，以此保证光学玻璃能够始终与打磨带接触，从而提高光学特种玻璃精度。但是该技术方案仍存在以下问题：在光学特种玻璃的实际磨削过程中，光学玻璃始终与打磨带相互接触，仍会导致微裂纹在光学玻璃表面的成核扩展，无法达到更高的精度。此外该发明采用的是打磨带，磨削期间若出现打滑、松弛等现象时，极易造成表面的凹坑和崩碎，对光学特种玻璃镜面的形貌精度和尺寸精度产生较大的影响。因此，该方法的自适应整形不适用于部分航天级超平光学特种玻璃的磨削。

发明内容

本发明针对以上问题，提供基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置用于解决微晶玻璃在砂轮的载荷下，表面微裂纹极易成核扩展以及磨削效率低下的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：包括控制系统，超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块和回收模块；所述控制系统用于控制超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块；

所述超声波混合模块包括超声波发生装置、液态镓微纳米颗粒储料箱；所述液态镓微纳米颗粒储料箱内盛放壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液；

所述超声波发生装置用于震荡，使内部空间产生激波；

所述供液与供气模块包括水泵、脉冲气体控制系统、空化射流喷枪、气源、单向管道、单向聚四氟乙烯管道和聚四氟乙烯管道；所述水泵，存在一个入水口及两个出水口，入水口一端与液态镓微纳米颗粒储料箱通过聚四氟乙烯管道连通，水泵的两出水口分别与两个空化射流喷枪的入水口通过单向聚四氟乙烯管道连通；所述脉冲气体控制系统，存在一个进气口及两个出气口，进气口一端与气源连通，脉冲气体控制系统的两出气口分别与两个空化射流喷枪的进气口通过单向管道连通；所述空化射流喷枪包括进气口、入水口、初级谐振腔、次级谐振腔和放射喷嘴；所述进气口位于初级谐振腔与次级谐振腔之间的一侧，进气通道与入水通道的夹角呈45°；所述入水口位于空化射流喷枪顶部；所述初级谐振腔与入水口和次级谐振腔相通；所述放射喷嘴与次级谐振腔相通，位于次级谐振腔的正下方；

所述磨削模块包括平台驱动电机、机床底座、下旋转平台、上旋转平台、升降悬臂、砂轮和主轴电机；

所述升降悬臂固定在机床底座一侧；所述主轴电机处于升降悬臂的导轨上；所述砂轮通过螺钉连接于主轴电机的传动轴；所述上旋转平台位于下旋转平台上方；所述下旋转平台固定于机床底座表面；所述平台驱动电机通过螺钉固定于下旋转平台的正下方，且通过键接和紧固螺钉与上旋转平台连接；

所述回收模块包括：挡板、缓流装置、U型分离器、集液箱、排液口；

所述挡板位于机床底座上方，封闭旋转平台四周区域；所述缓流装置包括液体缓流入口、液体缓流装置单元板、液体缓流出口；所述液体缓流入口与机床底座表面相通；所述液体缓流出口与U型分离器的液态镓回收入口通过导管连通；所述U型分离器包括分液装置、液态镓回收入口、积液出水口、弧形沉降池；积液出水口与集液箱通过导管相通；所述集液箱与大气相通，底部设有排液口。

进一步地，所述超声波发生装置震荡产生激波，促使装置内液态镓微纳米颗粒储料箱内的液态镓分散为更细小的纳米颗粒。

进一步地，所述微晶玻璃是表面存在微裂隙小于μm的光学特种玻璃；所述砂轮(18)为铁基砂轮；所述壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液为壳聚糖分散的液态镓微米颗粒，无水乙醇为浓度高于.％的乙醇溶液。

进一步地，所述脉冲气体控制系统通过调制不同频率和幅值的方波信号对气体的喷射频率和气体的压力大小进行控制。

进一步地，所述空化射流喷枪为二级谐振结构，初级谐振腔通入无水乙醇与微纳米镓混合液后会初步产生空化气泡，进一步地进入次级谐振腔与通入的高压气体形成三相流，混合液的微粒被充分打散，空化气泡数量显著提升，形成的空化射流经放射喷嘴向外扩散。

进一步地，所述空化射流喷枪的放射喷嘴处，工作时会喷出具有大量空化气泡的三相流；空化气泡会率先喷射至光学特种玻璃表面，使得微晶玻璃表面的微裂隙附近出现瞬时真空或低压区，从而使空化射流喷枪喷出的微纳米镓能够深入渗透微晶玻璃亚表面的微裂隙。

进一步地，所述微纳米液态镓随空化气泡溃灭，液态镓微纳米颗粒渗入微晶玻璃表面的微裂隙深处，微纳米镓会在特种玻璃表面和裂隙内生浸润，渗透至微晶玻璃亚表面，生成一层致密的氧化镓薄膜，对微晶玻璃表面的微观裂纹起到增补作用。

进一步地，所述氧化镓薄膜对微晶玻璃表面的增补作用，即对微晶玻璃表面的微观裂纹进行增填和补充，是镓元素在有氧条件下与微晶玻璃内铝元素无机结合成键的过程，结合力使氧化镓紧密附着在微晶玻璃裂隙内部及表面，使得磨削时，砂轮磨粒与微晶玻璃相互接触的磨削面变得连续，阻碍裂隙的延伸与扩展；氧化镓薄膜还与微晶玻璃存在协同作用，在微观层面，增补后的微晶玻璃裂隙处，在氧化镓薄膜表面张力的作用下，会产生一个向上的合力，能消除部分砂轮载荷的影响。

进一步地，所述多元缓冲装置由液体缓流装置单元板交错构成，流经的磨屑和富含微纳米镓的磨削液会在空间多元的筛网结构，具有缓冲作用，有助于延长流动时间，促使液态镓富集。

本发明还公开了一种基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置进行磨削的方法，其特征在于：

步骤1、壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液在超声波发生装置的震荡下，裂解为更加分散的微纳米液态镓；产生的微纳米液态镓混合液通过聚四氟乙烯管道与水泵连通，进一步的，流速受控制中心控制的微纳米液态镓混合液流流向单向的聚四氟乙烯管道进入空化射流喷枪；

步骤2、气源通过脉冲气体控制系统的控制，产生间歇性的高压气体，通过单向管道进入空化射流喷枪；

步骤3、微纳米液态镓混合液通过空化射流喷枪的入水口，进入初级谐振腔，初步产生空化气泡，进一步的，微纳米液态镓混合液进入次级谐振腔，同时与进气口通入的间歇性高压气体混合，产生大量的空化气泡，最终通过放射喷嘴将混合的三相流喷出；

步骤4、三相流内的空化气泡率先与微晶玻璃表面接触，在微晶玻璃表面的微裂隙附近发生空化气泡溃灭，使得微晶玻璃表面的微裂隙附近出现瞬时真空或低压区，促使三相流内的微纳米液态镓深入微晶玻璃表面的微裂隙的亚表面；

步骤5、微纳米液态镓在光学特种玻璃的表面和微晶玻璃表面的微观裂纹内发生浸润，极易在微晶玻璃表面的裂隙和表面上生成一层氧化镓薄膜，产生的薄膜对微晶玻璃表面的微观裂纹起到增补作用；

步骤6、启动平台驱动电机，上旋转平台开始转动，空化射流喷枪喷出的三相流随平台旋转均匀地平铺在微晶玻璃上；

步骤7、启动主轴电机，砂轮开始旋转，调整升降悬臂高度，开始对增补后的微晶玻璃工件进行磨削；

步骤8、未发生浸润的微纳米液态镓，随离心力地作用和无水乙醇地流动，进入液体多元缓流装置，微纳米液态镓于液体缓流装置单元板表面富集，进而通过导管进入U型分离器；

步骤9、富集的微纳米镓因自身的密度会在U型分离器的弧形沉降池沉淀，余下的积液，通过导管流向集液箱，打开分液装置即可对富集的液态镓进行分离和回收；

步骤10、经过磨削后的微晶玻璃表面会暴露出更深处的微晶玻璃表面的微裂纹，以及因划擦而新产生的磨削微裂纹，此时适当降低砂轮载荷，重复步骤1-8，对微晶玻璃再次精加工，直至表面无裂纹产生。

本发明的有益效果如下：

1、本发明方法使用的壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液，该混合液具有高导热率，是去离子水的15.53倍，对砂轮整体有降温作用，减少了大量磨削液的使用，符合工业领域提倡的节能环保要求。

2、本发明方法使用的壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液，经空化射流喷枪喷出后，产生的微纳米液态镓在微晶玻璃表面和裂隙内部发生浸润，对微晶玻璃表面深处的微裂隙有增补作用，能减少微晶玻璃表面微裂隙的成核扩展，提升表面质量。

3、本发明方法使用的壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液，经空化射流喷枪喷出后，产生的微纳米液态镓在微晶玻璃表面发生浸润，生成的氧化镓薄膜对微晶玻璃存在协同作用，能紧密的附着于微晶玻璃表面，在表面张力的作用下，增补的氧化镓会在微裂隙内形成一个向上的合力，对砂轮载荷的影响存在部分消除作用。

4、本发明方法使用的空化射流喷枪，采用两级谐振腔，在高压气体的混合下，能产生更多的空化气泡，对三相流中的微纳米液态镓深入微晶玻璃表面的微裂隙有促进作用。

5、本发明方法使用的脉冲气体控制系统，对流经空化射流喷枪的气体流量进行控制，能将微纳米液态镓均匀的喷涂于微晶玻璃表面，同时还减少了液态镓与无水乙醇的用量，达到绿色加工目的。

6、本发明方法处理后的玻璃表面没有变形，不会对玻璃表面产生腐蚀，磨削后，氧化镓薄膜会随磨屑进入回收装置，不会改变微晶玻璃结构及影响其使用。

7、本发明方法使用的压缩空气原料充足，价格低廉，不会污染环境。

8、本发明方法使用的壳聚糖分散的液态镓微米颗粒可以回收分离后再次利用。

附图说明

图1是基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置示意图；

图2是微晶玻璃表面局部放大示意图；

图3是二级空化射流喷枪结构示意图；

图4是三相空化射流喷涂示意图；

图5是空化气泡在微晶玻璃表面溃灭示意图；

图6是微纳米液态镓在微晶玻璃表面浸润增补示意图；

图7是多元缓流装置示意图；

图8是多元缓流装置内部单元示意图；

图9是U型分离器内部结构示意图；

其中：1-水泵，2-脉冲气体控制系统，3-超声波发生装置，4-空化射流喷枪，5-缓流装置，6-气源，7-控制中心，8-U型分离器，9-集液箱，10-排液口，11-平台驱动电机，12-机床底座，13-下旋转平台，14-上旋转平台，15-升降悬臂，16-挡板，17-微晶玻璃，18-砂轮，19-主轴电机，20-液态镓微纳米颗粒储料箱，21-壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液，22-单向管道，23-聚四氟乙烯管道，24-进气口，25-空化射流喷枪入水口，26-初级谐振腔，27-次级谐振腔，28-放射喷嘴，29-液体缓流入口，30-液体缓流单元板，31-液体缓流出口，32-分液装置，33-液态镓回收入口，34-积液出水口，35-弧形沉降池，36-三相流，37-空化气泡，38-微晶玻璃表面的微观裂纹，39-微晶玻璃表面的微裂隙，40-气泡溃灭，41-微纳米液态镓，42-未发生浸润的微纳米液态镓，43-氧化镓薄膜，44-磨削后的微晶玻璃表面，45-磨削微裂纹。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-9所示，该实施例提供了一种基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其实质是利用微纳米液态镓在微晶玻璃表面浸润，生成的氧化镓薄膜对微晶玻璃表面的微裂隙进行增补，使得微晶玻璃在磨削时，表面的微观裂纹受力分散，减少裂纹地延伸和工作效率地提高。此外，生成的氧化镓薄膜在表面张力的作用下，在裂隙的微观层面会产生向上的合力，能消除部分砂轮载荷的影响，进一步减少了裂纹被压溃的可能性。

微晶玻璃磨削装置包括控制系统，超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块和回收模块；控制系统用于控制超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块；超声波混合模块包括：超声波发生装置3、液态镓微纳米颗粒储料箱20、壳聚糖分散的液态镓微米颗粒和无水乙醇的混合液21；供液与供气模块包括：水泵1、脉冲气体控制系统2、空化射流喷枪4、气源6、单向管道22、单向聚四氟乙烯管道23、空化射流喷枪入水口25、进气口24、初级谐振腔26、次级谐振腔27和放射喷嘴28；磨削模块包括：平台驱动电机11、机床底座12、下旋转平台13、上旋转平台14、升降悬臂15、砂轮18和主轴电机19；回收模块包括：挡板16、缓流装置5、U型分离器8、集液箱9、排液口10、液体缓流入口29、液体缓流装置单元板30、液体缓流出口31、液态镓回收入口33、分液装置32、积液出水口34和弧形沉降池35。

如图1所示，在超声波混合模块中，液态镓微纳米颗粒储料箱20位于超声波发生装置3内，用于盛放壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液21，当超声波发生装置3开启震荡，会产生激波，促使装置内的液态镓微纳米颗粒储料箱20的微纳米液态镓41裂解分散为更细小的颗粒；

在供液供液与供气模块中，水泵1存在一个入水口及两个出水口，水泵入水口端与液态镓微纳米颗粒储料箱20通过聚四氟乙烯管道23连通，水泵1两出水口端分别与空化射流喷枪入水口25通过聚四氟乙烯管道23单向连通，单向导通的方向为水泵1至空化射流喷枪4，采用单向阀的作用是防止混合后的三相流36逆流；脉冲气体控制系统2一端连接气源6，另外两端分别与两个空化射流喷枪4的进气口24通过单向管道22连接，脉冲气体控制系统2能通过调制不同频率和幅值的方波信号对气体的喷射频率和气体的压力大小进行控制，能产生大量空化气泡37，同时，脉冲激发的形式还能有效防止连续性的高压气体使次级谐振腔27压力剧增，造成混合液被滞留于初级谐振腔26，导致空化射流喷枪4失效的后果；

在磨削模块中，升降悬臂15固定在机床底座12一侧，主轴电机19处于升降悬臂15的导轨上，砂轮18通过螺钉连接于主轴电机19的传动轴，上旋转平台14位于下旋转平台13上方，下旋转平台13固定于机床底座12表面，平台驱动电机11通过螺钉固定于下旋转平台13的正下方，且通过键接和紧固螺钉与上旋转平台14连接，该模块用于微晶玻璃17表面地磨削；

在回收模块中，挡板16位于机床底座12上方，封闭下旋转平台13四周区域，防止微纳米镓混合液地飞溅，有利于将微纳米镓混合液导向缓流装置5，液体缓流装置5的液体缓流入口29与机床底座12表面相通，液体缓流出口31与U型分离器8的液态镓回收入口33通过导管连通，富集的液态镓沉淀于弧形沉降池35，多余的积液从积液出水口34通过导管排向集液箱9，集液箱9与大气相通，底部设有排液口10。

如图2所示，微晶玻璃表面的微观裂纹38对光学仪器的光路或航天系统的稳定性有严重影响。在磨削的过程中，表面存在的大量微观表面裂纹极易造成横向扩展，当扩展到其余裂纹表面时，会引发材料的脆性去除，形成凹坑和崩碎等缺陷，进一步降低了微晶玻璃零部件的品质。

如图3所示，空化射流喷枪4的进气口24位于初级谐振腔26与次级谐振腔27之间的一侧，进气通道与入水通道的夹角呈45°，空化射流喷枪入水口25位于空化射流喷枪4顶部，初级谐振腔26与空化射流喷枪入水口25和次级谐振腔27相通，放射喷嘴28与次级谐振腔27相通，位于次级谐振腔27的正下方。工作时，经过超声波发生装置3震荡后裂解的壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液21通过入水口26率先进入初级谐振腔26，由于燕尾结构的设计，腔内液体会发生自激振荡，于初级谐振腔26内初步形成空化气泡37，初步形成空化气泡37的混合液与通过进气口24进入的脉冲高压气体混合进入次级谐振腔27，进一步产生大量的空化气泡37，形成三相流36。

如图4所示，空化射流喷枪4喷出的三相流36，在放射喷嘴28的作用下，扩散至一个圆形区，随上旋转平台14地转动喷出的三相流36将平铺至整个工件表面。其中，三相流36内的空化气泡37率会先与微晶玻璃17表面接触，于微晶玻璃17工件表面及亚表面的微裂隙附近发生气泡溃灭40。

如图5所示，空化气泡37在微晶玻璃17表面的微裂隙附近发生气泡溃灭40，使得微晶玻璃的微裂隙39附近出现瞬时真空或低压区，促使三相流36内的微纳米液态镓41对微晶玻璃表面的微裂隙39地渗透。进而在内部发生浸润，实现更佳地增补效果。

如图6所示，喷射出的三相流36内的微纳米液态镓41会附着在微晶玻璃17的表面和微裂隙内，发生浸润，微纳米镓下渗至微晶玻璃17的亚表面层，在有氧条件下，微纳米液态镓41会与微晶玻璃成分中的铝元素相互结合，彼此成键，形成晶界，于微晶玻璃17的裂隙内和表面上生成一层氧化镓薄膜43。随上旋转平台14地转动，三相流36内的微纳米液态镓41会浸润整个工件表面，生成的氧化镓薄膜43覆盖至微晶玻璃17工件的整个上表面。产生的氧化镓薄膜43对微晶玻璃表面的微观裂纹38起到增补作用，其中未发生浸润的微纳米液态镓42会浮于氧化镓薄膜43上方，在离心力作用下进入回收装置。

此外，生成的氧化镓薄膜43对微晶玻璃17的表面还存在协同作用，生成的致密氧化膜会紧附在微晶玻璃17表面。因为表面张力的存在，微纳米液态镓41浸润后会在微裂隙和孔洞处形成一个方向向上的合力，对砂轮18磨削时产生的载荷影响有一定消除作用，减少压溃或裂纹延伸的状况。

经过增补的微晶玻璃，相对于传统磨削可以采用相对较大切深的进给。微晶玻璃表面的微裂隙39经过氧化镓地衔接，砂轮18对微晶玻璃17表面的载荷不会集中于裂隙较多易碎裂区，能有效的将力进行分散，磨削后的微晶玻璃表面44会相对平整，磨削微裂纹45会更加小。

通过对磨削后暴露的深处裂纹和新产生的裂纹再次进行微纳米镓增补，能有效地减少磨削的次数，则可以实现镜面磨削效率的提升。

如图7所示，多元缓冲装置5由液体缓流单元板30交错构成，对流经的磨屑和富含微纳米镓的磨削液具有缓冲作用，有助于延长流动时间，促使液态镓富集。

如图8所示，液体缓流单元板30相互交错构成空间多元的筛网结构，使富含微纳米液态镓41的磨削液在所构成的多元缓冲装置5内多次混合。由于镓的密度较高，流动性相对较差，微纳米镓会在缓流单元板上富集为液态镓，随着液态镓的汇聚，富集的液态镓会流向U型分离器8。因此，空间多元的筛网结构减少了因微纳米镓体积过小而被液流裹挟带走的现象，大大提高了液态镓的回收率。

如图9所示，U型分离器8利用连通器的原理，当液态镓和其它液流流经液态镓回收入口33时，密度较大的液态镓会沉淀于弧形沉降池35底部与积液分层，流动性较好的多余积液会通过积液出水口34流入集液箱9，U型分离器8底部设有分液装置32，可将液态镓从积液中分离回收，用于再次生产。

该实施例还提供了基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置进行磨削的方法，具体步骤如下：

步骤1、壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液21在超声波发生装置3的震荡下，裂解为更加分散的微纳米液态镓41；产生的微纳米液态镓混合液通过聚四氟乙烯管道23与水泵1连通，进一步的，流速受控制中心7控制的微纳米液态镓混合液流流向单向的聚四氟乙烯管道23进入空化射流喷枪4；

步骤2、气源6通过脉冲气体控制系统2的控制，产生间歇性的高压气体，通过单向管道22进入空化射流喷枪4；

步骤3、微纳米液态镓混合液通过空化射流喷枪入水口25，进入初级谐振腔26，初步产生空化气泡37，进一步的，微纳米液态镓混合液进入次级谐振腔27，同时与进气口24通入的间歇性高压气体混合，产生大量的空化气泡37，最终通过放射喷嘴28将混合的三相流36喷出；

步骤4、三相流36内的空化气泡37率先与微晶玻璃17表面接触，在微晶玻璃表面的微裂隙39附近发生空化气泡溃灭40，使得微晶玻璃表面的微裂隙39附近出现瞬时真空或低压区，促使三相流36内的微纳米液态镓41深入微晶玻璃表面的微裂隙39的亚表面；

步骤5、微纳米液态镓41在光学特种玻璃的表面和微晶玻璃表面的微观裂纹38内发生浸润，极易在微晶玻璃17表面的裂隙和表面上生成一层氧化镓薄膜43，产生的薄膜对微晶玻璃表面的微观裂纹38起到增补作用；

步骤6、启动平台驱动电机11，上旋转平台14开始转动，空化射流喷枪4喷出的三相流36随平台旋转均匀地平铺在微晶玻璃17上；

步骤7、启动主轴电机19，砂轮18开始旋转，调整升降悬臂15高度，开始对增补后的微晶玻璃工件进行磨削；

步骤8、未发生浸润的微纳米液态镓42，随离心力地作用和无水乙醇地流动，进入液体多元缓流装置5，微纳米液态镓41于液体缓流装置单元板30表面富集，进而通过导管进入U型分离器8；

步骤9、富集的微纳米镓因自身的密度会在U型分离器8的弧形沉降池35沉淀，余下的积液，通过导管流向集液箱9，打开分液装置32即可对富集的液态镓进行分离和回收；

步骤10、经过磨削后的微晶玻璃表面44会暴露出更深处的微晶玻璃表面的微裂纹38，以及因划擦而新产生的磨削微裂纹45，此时适当降低砂轮18载荷，重复步骤1-8，对微晶玻璃再次精加工，直至表面无裂纹产生。

尽管参考附图详地公开了本发明的具体实施方式，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (10)

1.基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：包括控制系统，超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块和回收模块；

所述控制系统用于控制超声波混合模块，供液与供气模块，磨削模块；

所述超声波混合模块包括超声波发生装置(3)、液态镓微纳米颗粒储料箱(20)；所述液态镓微纳米颗粒储料箱(20)内盛放壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液(21)；所述超声波发生装置(3)用于震荡，使内部空间产生激波；

所述供液与供气模块包括水泵(1)、脉冲气体控制系统(2)、空化射流喷枪(4)、气源(6)、单向管道(22)、单向聚四氟乙烯管道(23)和聚四氟乙烯管道(23)；所述水泵(1)，存在一个入水口及两个出水口，入水口一端与液态镓微纳米颗粒储料箱(20)通过聚四氟乙烯管道(23)连通，水泵(1)的两出水口分别与两个空化射流喷枪入水口(25)通过单向聚四氟乙烯管道(23)连通；所述脉冲气体控制系统(2)，存在一个进气口(24)及两个出气口，进气口(24)一端与气源(6)连通，脉冲气体控制系统(2)的两出气口分别与两个空化射流喷枪(4)的进气口(24)通过单向管道(22)连通；所述空化射流喷枪(4)包括进气口(24)、空化射流喷枪入水口(25)、初级谐振腔(26)、次级谐振腔(27)和放射喷嘴(28)；所述进气口(24)位于初级谐振腔(26)与次级谐振腔(27)之间的一侧，进气通道与入水通道的夹角呈45°；所述空化射流喷枪入水口(25)位于空化射流喷枪(4)顶部；所述初级谐振腔(26)与空化射流喷枪入水口(25)和次级谐振腔(27)相通；所述放射喷嘴(28)与次级谐振腔(27)相通，位于次级谐振腔(27)的正下方；

所述磨削模块包括平台驱动电机(11)、机床底座(12)、下旋转平台(13)、上旋转平台(14)、升降悬臂(15)、砂轮(18)和主轴电机(19)；

所述升降悬臂(15)固定在机床底座(12)一侧；所述主轴电机(19)处于升降悬臂(15)的导轨上；所述砂轮(18)通过螺钉连接于主轴电机(19)的传动轴；所述上旋转平台(14)位于下旋转平台(13)上方；所述下旋转平台(13)固定于机床底座(12)表面；所述平台驱动电机(11)通过螺钉固定于下旋转平台(13)的正下方，且通过键接和紧固螺钉与上旋转平台(14)连接；

所述回收模块包括：挡板(16)、缓流装置(5)、U型分离器(8)、集液箱(9)、排液口(10)；

所述挡板(16)位于机床底座(12)上方，封闭旋转平台四周区域；所述缓流装置(5)包括液体缓流入口(29)、液体缓流装置单元板(30)、液体缓流出口(31)；所述液体缓流入口(29)与机床底座(12)表面相通；所述液体缓流出口(31)与U型分离器(8)的液态镓回收入口(33)通过导管连通；所述U型分离器(8)包括分液装置(32)、液态镓回收入口(33)、积液出水口(34)、弧形沉降池(35)；积液出水口(34)与集液箱(9)通过导管相通；所述集液箱(9)与大气相通，底部设有排液口(10)。

2.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述超声波发生装置(3)震荡产生激波，促使装置内液态镓微纳米颗粒储料箱(20)内的液态镓分散为更细小的纳米颗粒。

3.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述微晶玻璃(17)是表面存在微裂隙小于1μm的光学特种玻璃；所述砂轮(18)为铁基砂轮；所述壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液(21)为壳聚糖分散的液态镓微米颗粒，无水乙醇为浓度高于99.5％的乙醇溶液。

4.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述脉冲气体控制系统(2)通过调制不同频率和幅值的方波信号对气体的喷射频率和气体的压力大小进行控制。

5.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述空化射流喷枪(4)为二级谐振结构，初级谐振腔(26)通入无水乙醇与微纳米镓混合液后会初步产生空化气泡(37)，进一步地进入次级谐振腔(27)与通入的高压气体形成三相流(36)，混合液的微粒被充分打散，空化气泡(37)数量显著提升，形成的空化射流经放射喷嘴(28)向外扩散。

6.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述空化射流喷枪(4)的放射喷嘴(28)处，工作时会喷出具有大量空化气泡(37)的三相流(36)；空化气泡(37)会率先喷射至光学特种玻璃(13)表面，使得微晶玻璃表面的微裂隙(39)附近出现瞬时真空或低压区，从而使空化射流喷枪(4)喷出的微纳米镓能够深入渗透微晶玻璃亚表面的微裂隙(39)。

7.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述微纳米液态镓(41)随空化气泡溃灭(40)，液态镓微纳米颗粒渗入微晶玻璃表面的微裂隙(39)深处，微纳米镓会在特种玻璃表面和裂隙内生浸润，渗透至微晶玻璃亚表面，生成一层致密的氧化镓薄膜(43)，对微晶玻璃表面的微观裂纹(38)起到增补作用。

8.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述氧化镓薄膜(43)对微晶玻璃表面的增补作用，即对微晶玻璃表面的微观裂纹(38)进行增填和补充，是镓元素在有氧条件下与微晶玻璃内铝元素无机结合成键的过程，结合力使氧化镓紧密附着在微晶玻璃裂隙内部及表面，使得磨削时，砂轮磨粒与微晶玻璃相互接触的磨削面变得连续，阻碍裂隙的延伸与扩展；氧化镓薄膜(43)还与微晶玻璃存在协同作用，在微观层面，增补后的微晶玻璃裂隙处，在氧化镓薄膜(43)表面张力的作用下，会产生一个向上的合力，能消除部分砂轮载荷的影响。

9.根据权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置，其特征在于：所述多元缓冲装置(5)由液体缓流装置单元板(30)交错构成，流经的磨屑和富含微纳米镓的磨削液会在空间多元的筛网结构，具有缓冲作用，有助于延长流动时间，促使液态镓富集。

10.利用权利要求1所述的基于超声空化液态镓浸润增补的机械手视觉透镜磨削装置进行磨削的方法，其特征在于：

步骤1、壳聚糖分散的液态镓微米颗粒与无水乙醇的混合液(21)在超声波发生装置(3)的震荡下，裂解为更加分散的微纳米液态镓(41)；产生的微纳米液态镓混合液通过聚四氟乙烯管道(23)与水泵(1)连通，进一步的，流速受控制中心(7)控制的微纳米液态镓混合液流流向单向的聚四氟乙烯管道(23)进入空化射流喷枪(4)；

步骤2、气源(6)通过脉冲气体控制系统(2)的控制，产生间歇性的高压气体，通过单向管道(22)进入空化射流喷枪(4)；

步骤3、微纳米液态镓混合液通过空化射流喷枪入水口(25)，进入初级谐振腔(26)，初步产生空化气泡(37)，进一步的，微纳米液态镓混合液进入次级谐振腔(27)，同时与进气口(24)通入的间歇性高压气体混合，产生大量的空化气泡(37)，最终通过放射喷嘴(28)将混合的三相流(36)喷出；

步骤4、三相流(36)内的空化气泡(37)率先与微晶玻璃表面接触，在微晶玻璃表面的微裂隙(39)附近发生空化气泡溃灭(40)，使得微晶玻璃表面的微裂隙(39)附近出现瞬时真空或低压区，促使三相流(36)内的微纳米液态镓(41)深入微晶玻璃表面的微裂隙(39)的亚表面；

步骤5、微纳米液态镓(41)在光学特种玻璃的表面和微晶玻璃表面的微观裂纹(38)内发生浸润，极易在微晶玻璃表面的裂隙和表面上生成一层氧化镓薄膜(43)，产生的薄膜对微晶玻璃表面的微观裂纹(38)起到增补作用；

步骤6、启动平台驱动电机(11)，上旋转平台(14)开始转动，空化射流喷枪(4)喷出的三相流(36)随平台旋转均匀地平铺在微晶玻璃(17)上；

步骤7、启动主轴电机(19)，砂轮(18)开始旋转，调整升降悬臂(15)高度，开始对增补后的微晶玻璃工件进行磨削；

步骤8、未发生浸润的微纳米液态镓(42)，随离心力地作用和无水乙醇地流动，进入液体多元缓流装置(5)，微纳米液态镓(41)于液体缓流装置单元板(30)表面富集，进而通过导管进入U型分离器(8)；

步骤9、富集的微纳米镓因自身的密度会在U型分离器(8)的弧形沉降池(35)沉淀，余下的积液，通过导管流向集液箱(9)，打开分液装置(32)即可对富集的液态镓进行分离和回收；

步骤10、经过磨削后的微晶玻璃表面(44)会暴露出更深处的微晶玻璃表面的微裂纹(38)，以及因划擦而新产生的磨削微裂纹(45)，此时适当降低砂轮(18)载荷，重复步骤1-8，对微晶玻璃再次精加工，直至表面无裂纹产生。

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