自由變形技術的案例
無線自由：探索AGV無線充電技術的自由度優勢
該技術極大地提升了AGV的連續工作效率和充電便捷性，創新性地解決了之前的局限性。
隨著技術的不斷進步，電磁場模擬、智能化算法與物聯網技術的融合和集成，將進一步擴展AGV無線充電的自由度。無線充電不僅僅作為一種供能手段，更成為實現AGV高效、智能化運營的核心部件。這些技術的結合，不僅推動自動引導車在各個行業中能夠發揮出更大的潛能，同時還帶來了經濟效益和技術創新上的雙贏。展望未來，AGV無線充電技術不斷帶來的更新與革新，將是所有工業領域的支點，助力工業界邁入更加智能、高效的新時代。
展開 智能柔性變形機翼技術的應用與發展
變形機翼技術研究和應用發展歷程簡圖
為此，北京信息科技大學的祝連慶、孫廣開、李紅、董明利在《智能柔性變形機翼技術的應用與發展》（《機械工程學報》2018年14期，封面文章）一文中從智能柔性變形機翼的基本概念與內涵出發，介紹了其研究發展歷程，分析了關鍵技術問題，指出在柔性蒙皮、變形機構、分布控制、智能感知和系統集成與協同等方面的研究重點和方法，并對未來發展提出建議。
未來發展
隨著新型智能材料與結構和分布式傳感控制技術的發展，變形機翼技術向著智能化和柔性化的方向演變，采用智能柔性變形機翼技術的變體飛行器逐漸能夠得以實現，加強以下幾個方面的研究將會對變體飛行器變形機翼技術的應用發展帶來革命性的變化。
(1) 在柔性蒙皮材料方面，加強形狀記憶材料、纖維增強柔性材料和高性能薄膜等新型材料的研究，突破材料柔韌性與載荷承載性能瓶頸，使柔性蒙皮材料能夠多自由度、大尺度變形并承受氣動載荷作用，實現超柔、超韌、超輕和大承載、長壽命的性能飛躍。
(2) 在變形承載機構方面，加強更優性能的形狀記憶材料與結構的研究，使其加載更簡易、變形速率更高、重復性及可控性更好；發展數字化、模塊式的高可靠性變形機構，突破建立具有輕量化、大承載、簡單靈活和高可靠性特點的多自由度變形承載結構技術。
展開 ZEMAX技術分享：確保自由曲面設計的可制造性
本文專門介紹使用單點金剛石車床加工自由曲面的主要可制造性參數，解釋了可制造性參數如何與儀器參數相關聯，并展示了如何在 OpticStudio 中檢查和控制這些可制造性參數。此外，還解釋了如何處理其考察區域外的自由曲面的行為。例如，使用塑料自由曲面透鏡（Alvarez透鏡元件）等。
作者：DynaOptics 合作翻譯：南京光研 - 杜進
表面參數控制
鏡頭加工中需要進行控制的表面參數將取決于加工方法和設備。加工塑料光學元件最流行和最廣泛使用的方法之一是使用 三軸金剛石車床（圖 1）進行直接切割，或者更常見的是利用切割模具來加工透鏡。
圖1. 三軸金剛石切割機（左） 金剛石切割刀具（右）
傾斜角度
讓我們看一下儀器的局限性（圖 2）。刀具的側面傾角限制了沿任何徑向橫截面的最大可能斜切角。由于這樣的徑向橫截面與子午面重合，因此相應的斜率在 OpticStudio 中稱為“子午斜率”。相對而言，旋轉對稱表面子午斜率對于自由曲面而言，沿不同的徑向截面具有不同的分布。
另一個參數是 “弧矢斜率” 角度。當我們在三軸金剛石車床上加工自由曲面時，刀具在工件的每一圈都沿 Z 軸來回移動，以加工非旋轉對稱形狀的透鏡。在這種情況下，刀具的后角限制了表面沿鏡頭上每個圓圈變化的速度，這稱為弧矢斜率。更準確地說，刀具在表面上產生螺旋軌跡，但螺旋的步長非常小，在大多數情況下，可以將刀具軌跡視為一系列圓圈。對于旋轉對稱鏡片，弧矢斜率剛好為零。
圖 2. 子午和弧矢斜率，黃線表示沿哪個方向測量斜率
有時，從加工的角度來看，將工件放置在平臺的旋轉軸之外而不是沿軸放置是合理的，這樣刀具在工件上的軌跡看起來幾乎是直線。在這種情況下，我們應該控制所謂的 “X斜率” 和 “Y斜率”（圖3）。
圖3.
展開 激光標刻技術在自由鍛生產中的應用
針對當前自由鍛產品標識與信息溯源追蹤方面存在的不足，在鍛造生產過程采用激光標刻技術替代人工砸號，提高生產效率與產品質量，同時為庫存管理和生產過程追蹤的信息化提供了有效的手段。該研究為鍛件的全生命周期管理以及逐只跟蹤提供了新的方法和技術，有利于自由鍛數字化車間的建設。
自由鍛毛坯件生產屬于單件小批量零散生產模式，產品的標識問題始終困擾著各個鍛件生產廠商，尤其是應用信息化管理系統，由于缺乏對物料追溯的有效手段，難以實現精細化生產管理。激光標刻屬于DPM方法中的一種，工作原理是利用激光高溫快速燒蝕金屬表面，形成可識別的信息編碼，碳鋼表面進行激光標刻技術已經較為成熟。激光標刻技術已開始應用在物料追溯領域，在自由鍛行業，由于其產品的特殊性，尚沒有應用激光標刻的先例。
我公司承接國家智能制造新模式項目，應用激光標刻技術實現自由鍛毛坯件的產品全生命周期追溯，探索自由鍛數字化車間建設新模式。
激光標刻工作原理及參數選型
激光自腔體中產生后，電機驅動器根據其輸入的控制信號實現對X軸振鏡電機及Y軸振鏡電機位置的控制，兩路電機的相互運動使入射激光的聚焦點在一個X-Y二維平面內運動，場鏡系統將激光束聚焦到一個點，使激光能量集中，完成對物料的精細化加工，激光直接標刻線條精細，在金屬表面可以實現類似于紙張打印效果，如圖1所示。
圖1 激光標刻系統工作原理示意圖
我公司鍛件產品涵蓋1kg到50t，產品形狀噸位跨度大，工況較為復雜，平面不平整導致焦距定位精度存在問題，且考慮到鍛件密度高難以燒蝕，激光器選用IPG公司的YLPN-1-100-100W激光發生器，參數如表1所示。
表1 YLPN-1-100-100W各項參數
工藝流程及試驗效果
針對鍛件生產過程，制定基于激光的標刻生產流程如圖2所示。
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Zemax案例 | 基于Zemax相機多自由度主動對準技術研究
傳統被動對準工藝效率低下、精度有限，而現有主動對準技術高度依賴波前傳感器等專用設備，難以兼顧精度、速度與工程實用性。浙江大學新發表于Optics Express的研究成果，提出一種基于調制傳遞函數（MTF）的順序式多自由度主動對準方法[1]，依托Zemax OpticStudio完成全流程仿真驗證，實現相機模組高精度、高效率、低成本的工程化對準，為高端光學模組量產提供新的技術路徑。
相機模塊對準技術現狀與行業痛點
光學系統的裝配誤差主要體現為透鏡偏心、傾斜、軸向偏移及傳感器位姿偏差，這些誤差會引發場曲、像散、彗差等高階像差，顯著降低MTF、分辨率等核心指標。當前行業對準技術主要分為兩類，均存在難以突破的瓶頸。
（1）傳統被動對準：效率與精度雙重受限
被動對準依賴公差分配與機械夾具定位，裝配后通過篩選合格品控制良率。該方法流程繁瑣、耗時較長，無法實時補償裝配誤差，面對高像素、大視場、復雜結構的現代相機模組，誤差累積效應被急劇放大，難以滿足高端成像需求。
（2）現有主動對準：設備依賴與復雜度居高不下
主動對準（AA）通過實時監測光學特性、動態調整組件位姿實現精度補償，是行業主流升級方向。現有技術可分為三類：
像差分析法：基于節點像差理論，建立誤差與波前像差的解析關系，需高精度波前測量，設備成本高昂[2]；
數據驅動法：通過深度學習、靈敏度矩陣建立數值映射[3]，依賴大量樣本與復雜訓練，工程落地門檻高；
搜索優化法：構建評價函數引導優化，無需復雜建模，但遍歷搜索耗時極長，多自由度場景下效率暴跌。
行業痛點高度集中：高精度對準與高效率量產難以兼得，專用設備依賴度高，復雜光學系統適配性差。突破這一困境，亟需一套簡化裝置、高效算法、精準仿真支撐的一體化解決方案。
展開 自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
準確有效地模擬電磁場的自由空間傳播是物理光學建模和設計的基礎。VirtualLab Fusion有一個統一的自由空間傳播概念，它是基于空間-頻率域(k域)分析的。結合不同的傅里葉變換技術，給出了不同自由空間傳播情況下的數值有效解，根據實際情況自動選擇合適的傅里葉變換。
摘要
磁共振無線充電技術引領工業機器人“無線充電自由”
傳統充電方式的火花、磨損與效率瓶頸，正在無線充電技術的革新中成為過去式。
在智慧物流與智能制造高速發展的今天，一個200安培以上的大功率無線快充技術已經實現商業化，為工業領域帶來了前所未有的“無線自由”。
磁共振無線充電技術憑借其無需精確對準、高效率傳輸及適應惡劣環境的特性，正成為解決工業移動機器人續航痛點的關鍵方案。
01 行業痛點：傳統充電的局限性
在工業4.0和智能制造的推動下，工業移動機器人市場呈現爆發式增長。據統計，2022年中國工業用移動機器人企業銷售規模已近200億，與2017年相比增長了4倍。
然而，傳統的插拔式機械接觸充電方式存在諸多隱患。
尤其是在可移動搬運機器人領域，傳統方式存在金屬短路風險、機械壽命有限、精準對位存在誤差、需要人工操作等弊端。
在石油、化工、電力等復雜工業場景中，充電觸點的火花可能導致嚴重安全事故，而潮濕、多塵的環境則會加劇觸點老化與接觸不良。
此外，傳統充電方式要求機器人中斷作業進行充電，造成工作效率下降和運營成本增加。對于追求24小時不間斷作業的現代智能倉庫與生產線來說，這種充電導致的停機已成為主要瓶頸。
02 技術突破：磁共振無線充電原理
磁耦合諧振式無線充電技術通過發射端和接收端之間的磁場共振實現能量傳輸，解決了傳統充電方式的諸多痛點。
這一技術允許非接觸式供電，避免傳統插拔接口的磨損與安全隱患。
魯渝能源的磁共振無線充電技術實現了傳輸自由度高的特點，發射端和接收端無需精確對準，具有較寬的傳輸氣隙距離，并且在水平和豎直方向上允許有較大偏移。
經過3年不懈攻關，超1000次實驗調試和算法迭代，魯渝能源成功攻克了高精度無線充電系統控制算法設計、大功率變換器設計等技術難關。
展開 凝膠做“畫板”，更精細自由的3D打印新技術
凝膠做“畫板”，更精細自由的3D打印新技術
在，3D打印早已不是什么新話題，只要在計算機上建好模型，人們就可以用3D打印機在立體的空間里隨意“揮毫潑墨”了。但是，這份“隨意”依然有一些限制，如果是打印非常纖細復雜的部件，或者使用柔軟、脆弱的材料，打印制品都會容易變形。
而現在，一組美國研究們為這一問題找到了巧妙的解決方案。只要用上一種生活中也很常見的東西，就能讓所有纖細的結構都得到支撐，使3D打印獲得真正的“自由”。在演示視頻中，研究者就用他們的設備毫不費力地打出了擁有纖細觸手的“水母”、俄羅斯套娃等復雜結構，并且絲毫不會走樣。
一只3D打印水母。原視頻來自：Sam Tracey
這種技術的關鍵在于一種名叫“卡波姆”的凝膠基質。卡波姆是由丙烯酸酯和多元醇聚合形成的一種交聯高分子材料，由于其分子鏈結構中有很多親水性的羧基（—COOH），因此它可以“鎖住”大量水分子，在分子鏈中間形成水凝膠。如果研究過化妝品的成分表，你可能對卡波姆并不陌生。僅需很低濃度的卡波姆即可起到高效的增稠作用，因此卡波姆凝膠從20世紀90年代起就已經作為日化用品的流變調節劑而被廣泛使用了。用卡波姆增稠后的日化用品一方面可以長時間穩定存放，另一方面使用時的觸感也更加柔滑。
干燥（左）及凝膠狀態（右）的卡波姆，在日化產品中也經常能見到它。
在這里，研究者們使用的是顆粒大小只有7微米的卡波姆凝膠微粒。這種水凝膠有種特別的物理性質：它平時可以穩定地保持形狀，而只需要施加低強度的剪切力就可以讓它表現出良好的流動性。這也就是說，當3D打印的材料留在原地時，凝膠可以為它提供支撐，而當打印所用的針頭在凝膠中移動時，它周圍的凝膠又會流動起來，不阻礙針頭的運動。而且，在針頭移走之后，周圍的凝膠還會再恢復原狀。
在凝膠中打印的復雜管道結構。
展開 VirtualLab：自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
準確有效地模擬電磁場在自由空間中的傳播對于物理光學建模和設計至關重要。為此，VirtualLab Fusion的建模引擎使用基于空間-頻域（k域）分析的統一自由空間傳播概念。結合不同的傅里葉變換技術，它為自由空間傳播的不同情況提供了數值有效的解決方案。根據具體情況自動選擇合適的傅里葉變換算法。
自由空間傳播算子的概念
VirtualLab Fusion中有效的傅里葉變換技術
例1:球面波的傳播
建模任務
仿真結果：焦平面上
仿真結果：略超過焦平面
仿真結果：遠離焦平面
例2：截斷平面波的傳播
仿真結果：近場平面
仿真結果：中間平面
仿真結果：遠場平面
文件信息
展開 [VirtualLab] 自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
摘要
準確有效地模擬電磁場的自由空間傳播是物理光學建模和設計的基礎。VirtualLab Fusion有一個統一的自由空間傳播概念，它是基于空間-頻率域(k域)分析的。結合不同的傅里葉變換技術，給出了不同自由空間傳播情況下的數值有效解，根據實際情況自動選擇合適的傅里葉變換。
自由空間傳播算子的概念
VirtualLab Fusion中有效的傅里葉變換技術
例1:球面波的傳播
建模任務
仿真結果：焦平面上
仿真結果：略超過焦平面
仿真結果：遠離焦平面
例2：截斷平面波的傳播
仿真結果：近場平面
仿真結果：中間平面
仿真結果：遠場平面
文件信息
展開 自由網格技術討論
獨立網格
在自由網格中，幾何構建和網格生成的操作是相互獨立的。網格或幾何形狀的變化可以自由進行，而不需要另一個變化。
FLOW-3D中使用的自由網格化方法 由一個簡單的矩形網格組成，其中可變間距由幾個參數控制。然后使用分數區域容積障礙表示（FAVOR?）方法將固體幾何（由基本程序的預處理程序構建或從CAD程序導入）組成網格。在FLOW-3D特有的這種技術中， 被障礙物阻擋的元素表面和體積部分被計算并存儲。計算完全由預處理器完成，不需要用戶交互。
獨立網格的優勢
由于網格和障礙物結構是分離的，自由網格允許用戶在不改變網格的情況下修改幾何圖形。相反，可以在不影響幾何模型的情況下進行網格細化或其他更改。這種自由度意味著CAD文件描述的復雜幾何圖形可以在幾個小時內進行網格化并準備好解決，甚至可以進行一些迭代以獲得所需的本地網格分辨率級別。
自由網格示例
FLOW-3D中使用的自由網格技術的一個例子 應該清楚說明這種方法提供的用于CFD分析的優點。圖1（左）顯示了一個相當粗糙的網格，用于研究流入啞鈴形腔體的情況。中間顯示具有精煉網格的幾何圖形。使用FAVOR?時，當用戶更改在水平和垂直方向上指定的單元數時，預處理器會自動進行此更改。將網格生成與幾何圖形分離允許更改幾何體而不重新網格化（右圖）。FAVOR?在幾秒鐘內完成更改，使用戶擺脫合格柵格的復雜性。
圖1 :(左）初始模型，（中）精制網格，（右）具有幾何變化的原始網格
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自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
摘要
準確有效地模擬電磁場的自由空間傳播是物理光學建模和設計的基礎。VirtualLab Fusion有一個統一的自由空間傳播概念，它是基于空間-頻率域(k域)分析的。結合不同的傅里葉變換技術，給出了不同自由空間傳播情況下的數值有效解，根據實際情況自動選擇合適的傅里葉變換。
自由空間傳播算子的概念
VirtualLab Fusion中有效的傅里葉變換技術
例1:球面波的傳播
建模任務
仿真結果：焦平面上
仿真結果：略超過焦平面
仿真結果：遠離焦平面
例2：截斷平面波的傳播
仿真結果：近場平面
仿真結果：中間平面
仿真結果：
遠場平面
文件信息
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：基於 Alvarez自由曲面透鏡的光學變焦
Alvarez變焦是一個了不起的光學系統，其中光學變焦是由自由曲面鏡頭的橫向位移提供的。這篇解釋了 Alvarez 變焦鏡頭的主要原理，並包括在 Zemax OpticStudio 中對 Alvarez 變焦鏡頭計算和建模的演示。
Luis Walter Alvarez（生於1911 年 6 月 13 日 – 卒於1988 年 9 月 1 日）是美國實驗物理學家、發明家和教授。他還是 1968 年諾貝爾物理學獎獲得者。
沒有過度失真的可變焦距鏡頭被廣泛認為是非常理想和廣泛適用的，但儘管現有技術工作人員失敗了，Alvarez還是設法提出了可變焦距鏡頭和系統。
他的專利 (US3507565A 21.04.1970) 早已過期，但 DynaOptics 繼續使用我們的自由曲面透鏡技術。
什麼是Alvarez 變焦鏡頭
人們可能知道傳統變焦鏡頭的工作原理。我們在一個光學系統中有幾組透鏡元件，它們沿著光軸沿著預定義的軌跡移動，從而提供了光學系統最終焦距（變焦係數）的變化。
在 Alvarez變焦鏡頭的情況下，我們有一對所謂的Alvarez鏡頭，這些鏡頭元件相互之間的橫向位移提供了光學系統焦距的變化。
傳統變焦鏡頭與 Alvarez變焦鏡頭的主要區別在於，傳統系統鏡頭沿光軸運動，而Alvarez系統鏡頭則沿垂直於光軸的方向運動。由於此功能，Alvarez 變焦在智慧型手機等纖薄應用中非常有用。
圖1. 傳統光學變焦鏡頭（左）和Alvarez變焦鏡頭（右）
Alvarez 鏡組如何運行
要首先了解 Alvarez 縮放的工作原理，我們應該看看 Alvarez 鏡組。每個 Alvarez 透鏡都是一個自由曲面光學元件，只有一個對稱平面。
Fig 3.
展開 VirtualLab Fusion：自由空間傳播算子中傅里葉變換技術的自動選擇
摘要
準確有效地模擬電磁場的自由空間傳播是物理光學建模和設計的基礎。VirtualLab Fusion有一個統一的自由空間傳播概念，它是基于空間-頻率域(k域)分析的。結合不同的傅里葉變換技術，給出了不同自由空間傳播情況下的數值有效解，根據實際情況自動選擇合適的傅里葉變換。
自由空間傳播算子的概念
VirtualLab Fusion中有效的傅里葉變換技術
例1:球面波的傳播
建模任務
仿真結果：焦平面上
仿真結果：略超過焦平面
仿真結果：遠離焦平面
例2：截斷平面波的傳播
仿真結果：近場平面
仿真結果：中間平面
仿真結果：遠場平面
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展開 隱形眼鏡的建模技術，或將助推自由曲面鏡片3D打印商業化？
3D科學谷Review
不管是定制化自由曲面隱形眼鏡，還是自由曲面鏡片，這里面都涉及到了極高的掃描、建模、材料和打印技術水平。
根據3D科學谷的市場觀察，國內摩方材料與同仁醫院眼科建立了合作關系，雙方利用微納3D打印技術生產低成本、定制化的自由曲面鏡片，以滿足每位患者的處方需要。
此類自由曲面鏡片用傳統工藝很難實現、造價不菲，根據3D科學谷的了解，摩方科技的微納3D打印技術制造這類鏡片的成本則與普通鏡片差不多。
摩方材料與Luxexcel 在3D打印技術的基礎上各自形成了自身的光學鏡片制造技術，如摩方材料提出“五度間隔、兩度公差”的精準驗光理念，將先進視光功能鏡片設計與微納米高精密3D打印技術相結合，為自由曲面鏡片的加工方式增加更多可能性；根據3D科學谷的市場觀察，Luxexcel 擁有專利的Printoptical技術，原理是“連續不斷地擠出極微小的材料液滴，然后通過紫外光固化”，據稱造出的光學產品無需拋光或研磨就能直接使用，Luxexcel +1.00 and -3.25-鏡片完全達到了ISO 8980-1:2004焦點功率標準的要求。
雖然目前基于3D打印技術的眼鏡定制服務或受到價格、眼鏡商轉型意識等原因的限制而尚未在市場上得到廣泛推廣，但不可否認是，基于3D打印技術的眼鏡定制模式極具成長空間。3D打印技術以及相關數字化設計技術為用戶帶來的前所未有的交互式配鏡體驗，以及這些技術在實現眼鏡鏡架、鏡片精準定制方面的能力，有望全面解決消費者尚未被滿足的眼鏡定制化需求。
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