源头创新解决“卡脖子”技术难题

在习新时代中国特色社会主义思想指引下新时代新作为新篇章

一名工科教师翻越成果产业化“四座大山”的启示

习在福建考察时强调,我们国家进入科技发展第一方阵要靠创新,一味跟跑是行不通的,必须加快科技自立自强步伐。要坚持创新在现代化建设全局中的核心地位,把创新作为一项国策,积极鼓励支持创新。创新不问“出身”,只要谁能为国家作贡献就支持谁。北京工业大学有这样一位教师,他从基础研究的源头进行创新,攻克了工业机器人的“卡脖子”技术难题,并将论文成果成功实现产业化,为千万科研人员在新时代建功立业提供了可资借鉴的范本。

“从基础研究到成果产业化,至少要翻越理论验证、中试、资金投入、国际市场竞争四座大山。”清华大学河北中试基地负责人曹建国说,“对科研人员来说,每一座大山都困难重重,能成功者凤毛麟角。”

但张跃明翻越了这四座大山。他从源头创新的工业机器人RV减速器技术打破了日本的垄断,并以此技术合作在北京亦庄开发区和河北石家庄建厂,每年可以生产世界上最顶尖的工业机器人RV减速器8万套,产品供不应求。

此前很长时间里,张跃明一直是学校里一名默默无闻的工科教师,他32岁从清华大学博士毕业,成为北工大的第一批博士后,但到了50岁,还因论文没有别人发得多而评不上教授。

工业机器人的RV减速器,对制造业来说,相当于手机、电脑的芯片,其核心技术和全球90%的市场一直被日本垄断。当前国产机器人使用的RV减速器大量从日本进口,中国制造业要转型升级,必须要解决这个“卡脖子”的技术难题。

记者初见张跃明,是在北京亦庄经济技术开发区的一个工业园里,车间的生产机床还在不停转动,机器发出巨大的轰鸣声,当天他带记者参观了这个已投资两亿多元的生产厂区。

“生产厂区就是我的实验室,这些RV减速器样品都是根据我们自主研发的原创技术生产出来的。亦庄厂区的生产规模已实现年产3万台。”噪音嘈杂,张跃明指着展示台上一堆闪闪发光的轴承大声说。

记者在现场看到的检测报告显示,这些国产RV减速器产品在精度保持性和使用寿命等多个指标性能上,比日本最先进的产品还要好。

“减速器是工业机器人的核心功能部件。打个比方,把工业机器人当成人的手臂来看,减速器就相当于手臂的关节,这个关节主要决定了工业机器人手臂摆动的精度,使用时间长后其磨损会影响工业机器人的使用寿命。世界上高精度机器人传动多采用RV减速器,一台工业机器人的腿部、腰部和肘部,需要4到6台RV减速器,减速器占到工业机器人总成本的30%以上。”张跃明介绍。

“国产RV减速器的质量跟日本产品存在差距,主要是精度保持性不行;还容易磨损,影响使用寿命,大多只供中、低端工业机器人使用。更无奈的是,日本企业出售给ABB、发那科等四大机器人公司的减速器价格是给我国企业价格的一半甚至更低;国内厂商拿货还要被迫接受3至6个月的漫长等待供货期。”张跃明告诉记者,“我现在的主要工作,就是要打破日本人的垄断,助力国产工业机器人走向高端市场,助力中国制造业转型升级。”

1997年,32岁的张跃明从清华大学精密仪器与机械学系博士毕业,进入北京工业大学做博士后,长期从事机械设计及理论的基础研究。

“说起来很惭愧,我虽然是北工大的第一批博士后,但我个人的科研兴趣一直在生产一线,帮企业解决实际问题。所以发论文相对比较少。”张跃明说。

张跃明的论文发得少,但他的实践应用成果并不少。比如,张跃明跟北一机床合作,联合开发出了数控机床核心功能部件,完全替代了日本进口,并一直应用于北一大隈机床厂的多个型号的数控加工中心产品,这也为张跃明做工业机器人的RV减速器打下了良好的基础。他从中受到启发:“我国机械制造的很多问题不是材料和工艺的问题,而是缺少源头创新。”

“机械产品与其他高科技产品一样,蕴含丰富的科学规律,只有揭示其内在的运动规律和科学原理,才能制造出高品质的产品。”张跃明告诉记者。

党的十八大以来,我国科技体制改革持续深入推进,国家加大了对基础研究和“卡脖子”技术攻关的支持力度,张跃明成了受益者。2015年,张跃明争取到北京市科委的科研项目“RV减速器产业化开发”,拿到200万元的科研经费,研发“机器人关节RV减速器制造工艺”技术。他花了1000多个日夜,建立了一个齿轮修形技术模型,解决了齿轮磨损问题,最终掌握了“机器人关节RV减速器设计及制造工艺”核心技术。

“这个技术是真正的源头创新。国内研发机器人RV减速器的人很多,大多数人是仿制,但张跃明团队的技术是正向设计,从源头上创新,部分性能指标比日本人做得还好。”哈尔滨工业大学机器人研究所所长、国家重点研发计划智能机器人重点专项专家组组长赵杰告诉记者:“科技部将在十四五期间支持该技术的产业化。”

“我国制造业还有很多卡脖子技术,很多核心部件依赖进口,这些问题的解决,需要像RV减速器一样,从源头上进行基础理论创新。比如,高端机械产品使用的轴承,80%都靠进口。这导致国内机床公司大多不赚钱,甚至连续亏损,钱都让国外公司赚了。”张跃明说。

《Mechanism and Machine Theory》(简称“MMT”)是国际机构学与机器科学联合会的顶级国际学术期刊,中国科研人员在这本SCI核心期刊上发论文一般需要半年以上,张跃明的论文一个月就获得发表,同行评审专家评价:“这是近几年来少见的好论文,来源于实践,建议出版期刊一定给予发表。”

“搞基础研究的大学教授一般不会关心产业转化问题,理论论文在国际期刊发表后,就会被束之高阁,很多人甚至是为了争取项目和发论文而搞研究,在对国家更有价值的科研成果转化中他们却成了缺席者。”曹建国说。

“工业机器人RV减速器这篇论文发表后,理论上虽然得到国内外同行的高度认可,但我的心里总是搁不下,这么多年,我写论文比较少,每一篇也都是为了服务实践。我当时的困难是科委的项目结题了,没有科研经费支持了。我需要机床加工出样品来,以验证技术正确,然后才能产业转化。而买一台高端加工机床需要上千万元。”张跃明说,“这是一个悖论式的难题:我要实现成果的产业化,需要先验证理论,要先有样品,但企业一般要见到样品,才会投钱,所以这个成果搁置了很长一段时间。”

后来,一个偶然的机会,让张跃明看到解决这个难题的曙光:有一家意大利的高端机床厂想到中国来开拓市场,他们的负责人正好与张跃明认识。张跃明跟他们谈合作,先让对方帮忙把样品加工出来,这也正好验证他们机床的性能,对方同意了。

张跃明和他的团队最终去意大利把工业机器人的RV减速器样品加工出来,验证了他的理论成果完全正确。样品送到国家的权威检测中心,在精度保持性和使用寿命等多个指标性能上,比日本最先进的产品还要好。

有了样品,张跃明实现了从基础理论到产品的飞跃,接下来他遇到第二座“大山”:中试环节。

“很多科研人员走到这一。

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