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  • 高端工业机器人国产化!他打破日本的市场垄断

      “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。

       打破国外技术垄断,助力国产工业机器人走向高端

      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。”

       突破制造业“卡脖子”技术,需要源头上的基础理论创新

      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。

       从基础研究论文到成果产业化,需要优化创新创业生态环境

      《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。

      张跃明遇到的第一座“大山”就是要验证技术理论。

      “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步,就走不下去了。中试是一个漫长的过程,有的甚至要数年,所以投资者对中试缺乏热情和动力,这是造成我国原始创新成果转化难的症结所在。”曹建国告诉记者,“从清华大学多年来的科技成果转化数据来看,100个科技成果大概只有5个能形成最终产品。”曹建国说。

      人努力,天帮忙。这几年全球市场环境的变化帮了张跃明的大忙,石家庄一家做减速器的生产厂家主动找上门求合作。



      “我们企业原来生产的减速器技术含量低,市场竞争激烈,迫切需要新技术转型升级。我们做过市场调研,国产减速器做得不好,最根本原因就是国产减速器基础理论没有创新,张跃明在理论与实践相结合方面做了大量工作,而且已做出了样品。”这家企业的董事长胡文石接受记者采访时说,“看到他的技术和样品,我的眼睛都亮了,这正是我们要找的核心技术,所以我们毫不犹豫花了3700万元买技术和合作,还花了八九千万元买国外的高端机床设备投入中试,因为一旦成功,我们企业就可以实现从初级产品到世界顶尖产品的跨越升级,市场前景广阔。”

      2017年10月20日,张跃明代表学校和石家庄的企业签订了合同,并合作在北京亦庄开发区投资2亿多元建厂,买了机床,用于国产机器人RV减速器产业化生产。

      张跃明团队的中试环节比较顺利,但很快他们就遇到了新的问题——科技成果转化政策障碍。

      “就科技成果转化而言,需要源头创新研究者深度参与,才有可能实现转化。但不少高校、科研院所的管理还有待完善,一边喊支持国家的产业升级,一边把科技人员管死。”曹建国说。

      幸运的是,学校后来非常支持张跃明的技术成果转化。北京工业大学党委书记谢辉告诉记者:“近年来,党中央、国务院出台了一系列关于科技管理的改革举措,学校也建立了一系列的配套政策,加强学校的科技成果转化。北京工业大学将科技成果转化业绩纳入教师绩效、岗位、职称考核指标并提高赋值权重,张跃明等科研人员正是通过机器人RV减速器等科技成果转化业绩,成功晋升教授职称。”

      缺乏资金持续支持扩大生产规模,是很多创新产品市场化难以翻越的第三座“大山”。

      幸运的是,亦庄国投和京城控股给张跃明的团队抛来投资橄榄枝。现在,应用张跃明创新技术的石家庄新厂已经建立,年产规模5万套,RV减速器国产化之路正在迅速铺开,中国企业正在大步向前追赶日本的垄断企业。

      国际市场竞争是他们需要翻越的另一座“大山”。

      “可以预见,其产品会遭遇日本企业降价打压等一系列问题。这就需要扩大生产规模,降低成本,提高市场竞争力。”曹建国说。

      “张跃明团队对RV减速器的自主创新,实现了从基础研究突破到产业化,十分难得。这对迫使日本减速器价格降低,使国产机器人核心技术不再依赖进口,提高国产机器人市场竞争力,参与国际市场竞争都具有重要意义。”赵杰说。



      国家知识产权局知识产权发展研究中心主任韩秀成认为:“构建良好的创新创业生态环境,既要借鉴国际经验,也要有中国特色,需要科研人员、企业、高校、专利部门、金融机构、风险投资方等共同参与。科研人员关注源头创新,学校给予政策支持释放科研人员的创新活力,风险投资方搞好中试,专利部门给予技术保护,金融投资机构给予资金支持,企业来实现产品市场化,各方合力探索一条市场化路径,加速科技成果向现实生产力转化,带动整个国家的产业转型升级。”韩秀成说,就目前的国际和国内大环境来说,全国上下团结一心,打好关键核心技术攻坚战,这一仗我们必须要打,也一定能打赢。

      (记者 袁于飞)

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