制造科学支撑“中国创造”—— 丁汉院士专访

作者:徐新盛 赵欢编辑:吴仰天发布:2022-01-11点击量:

丁汉,1963年生,中国科学院院士,华中科技大学学术委员会主任,机械科学与工程学院教授,国家自然科学基金“机器人化智能制造”基础科学中心首席科学家。

2021年12月,丁汉院士牵头申报的国家自然科学基金基础科学中心项目——“机器人化智能制造”获批立项,成为机械学科和制造领域首个、我校首个基础科学中心项目,资助直接经费6000万元,资助期5年。这是丁汉在数字化智能化制造长期研究的基础上主持的又一重大项目。

基础研究是科技创新的“源头活水”

习近平总书记指出:“加强基础研究是科技自立自强的必然要求,是我们从未知到已知、从不确定性到确定性的必然选择。”丁汉关于机器人化智能制造方面的研究工作,自他师从杨叔子院士、熊有伦院士攻读博士学位期间开始启蒙。三十多年来,他不断探索机器人、数字化制造领域的深层次科学问题,实现机器人与制造的深度融合,初步形成了机器人化智能制造的理论与技术体系。

早在1986年,丁汉开始跟随导师开展机器人方向的研究工作。承担了中国科学院基金“手—眼系统”,1995年研究成果“基于微机的机器人离线编程系统HOLPS”获得了国家科技进步三等奖;1997年,丁汉获国家杰出青年基金资助,开展智能4M(建模、加工、测量、机器操作)系统的基础理论与实践研究;2001年开始,丁汉团队开发出20余套工业机器人作业系统,广泛应用于焊接、装配、码垛和机械加工等领域,研究成果“工业机器人作业系统的关键技术研究、开发与应用”获得了国家科技进步二等奖;2016年,丁汉担任国家自然科学基金重大研究计划“共融机器人基础理论与关键技术研究”指导专家组组长,在国际上率先开展共融机器人基础理论与关键技术研究。

2005年,丁汉开始从事数字化制造的基础研究,主持了数字化制造领域首个国家重点基础研究发展计划(973计划)项目并获得滚动支持;2012年,丁汉团队的研究成果“复杂曲面数字化制造的几何推理理论与方法”获得国家自然科学二等奖。2012年前后,丁汉敏锐地察觉到机器人化制造具备广阔的发展前景,开始将机器人与数字化制造技术相融合,开拓了机器人化智能制造新方向,推动了“铁打的机床,流水的工件”到“铁打的工件,流水的机床”制造模式的变革。2017年丁汉主持国家重点研发计划项目“大型风电叶片机器人智能磨抛技术与系统”,其研究成果“大型构件多机器人智能磨抛加工技术”入选2018中国智能制造十大科技进展,机器人与智能制造的交叉融合得到学术界和产业界的高度认可。

在丁汉看来,机械学科的发展,关键核心技术的突破,一定要扎根在基础研究的土壤上。通过将基础科学与技术科学深度融合,产生新的制造原理和技术,才能引发工程技术的重大变革,实现创造更高端、更智能产品的目标,为“中国创造”提供理论和技术支撑以及装备保障。

核心技术攻关要面向需求“久久为功”

应用基础研究是为了更好地解决实际工程问题。丁汉无论是作为两期国家“973计划”项目的首席科学家,还是担任国家自然科学基金委重大、重点项目负责人,他都坚持以行业需求为导向,以解决行业痛点为首要目标。

航空发动机叶轮叶片和航空结构件等大型复杂曲面零件一直是高端制造领域的“明珠”,这类零件通常具有尺寸大、结构复杂、薄壁结构、材料难加工、材料去除量非均匀等特点,其制造能力与研发水平代表着国家制造业的核心竞争力, 属于国家重大战略需求。针对此类零件高品质加工所面临的瓶颈问题,丁汉将机器人学和制造技术相结合,建立了复杂曲面宽行加工理论,揭示了刀具“空间运动-包络成形-加工误差”间的微分传递规律。他还提出高速加工稳定性分析的全离散法,突破了叶轮叶片数字化智能化加工技术瓶颈,开发自主知识产权的工艺软件TurboWorks,形成了叶盘叶片高效高精加工成套工艺解决方案,在中国航空发动机集团所属多家企业得到成功应用。此外,还研制出大叶片机器人“测量-操作-加工”一体化(3M)磨抛系统,在中国中车、中航工业等得到重要应用,解决了行业长期存在的难题。

丁汉常说“要把论文写在祖国大地上,写在工厂车间里。”为此,他推动不断将机器人化智能制造技术的研究成果应用于实践领域。研制出大型风电叶片/高铁白车身多机器人协同加工装备,实现了50m以上的大型构件现场打磨;研制出航空发动机叶片机器人磨抛装备,实现了0.2m~1.5m叶片自动打磨;研制出多轴大负载机器人智能铣削加工装备,应用于空天蒙皮、飞机壁板等大型复杂构件的机器人铣削加工。当前,机器人化智能制造技术已初步形成了行业影响力,为科学中心的实施奠定了基础。

创新人才需要“万马奔腾”

习近平总书记在中央人才工作会议上强调,要深入实施新时代人才强国战略,全方位培养、引进、用好人才,加快建设世界重要人才中心和创新高地。基础科学中心的一个重要功能就是进一步汇聚国内外智力资源,打造机器人和智能制造的人才高地,引领制造科学与技术学科的发展。

在创新人才培养上,丁汉结合自己的求学和研究经历指出:“科学研究就是挑战未知的工作,过程中充满挑战与艰辛,科研创新一定是在熟练掌握专业基础知识之后,经过长期坚持才能实现的,没有捷径可走”。对于团队合作,他说“做任何事情,特别是国家亟需的一些重大工程,仅靠个人力量是远远不够的,还需要多学科知识的交叉和融会贯通,这需要整个团队齐心协力来做”。在团队中,他会发现每个成员的个性特点,鼓励他们从事自己最适合的工作,为年轻人提供更好的条件做研究。截至目前,丁汉已培养博士生50余名,硕士生百余名,其中近10人入选长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家级高层次青年人才、“长江学者奖励计划”青年学者等科研人才“国家队”,4人成为德国洪堡学者。2018年,由丁汉主持的教学成果“研究型大学机械专业拔尖创新教育体系构建与实践”获得第8届高等教育国家级教学成果奖一等奖。

同时,丁汉特别强调队伍建设要注重传承,机械学院在人才培养和梯队建设上有着优良的传统,从老一辈教师开始,学科带头人就率先垂范,影响和帮助下一代学术骨干成长。目前,形成了一支“院士、长江学者、国家杰青”领衔的优秀学术团队,师资队伍形成了多元和谐,开放竞争,学术引领,团队集聚的良好氛围。基础科学中心依托的数字制造装备与技术国家重点实验室在2013、2018年两次科技部评估中被评为优秀实验室,依托的机械工程一级学科教育部评估为A+学科,这次基础科学中心项目成功获批也是学校、学院领导和团队成员无私付出、团结协作的结果。

丁汉表示在未来五年乃至更长时间里,将以“机器人化智能制造”基础科学中心为平台,集聚培养一批优秀的中青年学者,将针对国家战略领域大型复杂构件高效高可靠制造的迫切需求,开展机器人化复杂曲面制造、机器人化大型构件制造、机器人化功能结构制造三个方向的研究工作,突破“灵巧、顺应、协同”三大科学挑战,创建机器人化智能制造理论体系,变革大型复杂构件制造技术和制造模式,开辟机器人化智能制造国际学术新前沿,形成“机器人加工30μm工程”成套技术,形成自主可控的核心工艺软件、关键技术和重大装备,为我国航空、航天、航海等领域的重大工程提供重要技术支撑。


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