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大连理工大学:王立鼎的齿轮人生

【字号 日期:2019-11-18 14:44:47

  王立鼎长期从事精密机械和微纳机械方面的研究。在精密齿轮工艺和测试技术方面,近年研制成功1级精度基准标准齿轮,居国际领先地位,其科研成果推广到若干单位。1990年,他组织百名科技人员设计研制出中国第一台光盘伺服槽及预制格式刻划机,达到国际先进水平。1992年,他组建中国第一个微机械工程研究室,是中国微纳米技术的开拓者之一。他主持的科研项目先后获得科技奖励20次,包括国家科技进步二等奖2项、国家科技进步三等奖1项、全国科学大会奖1项。学术专著2部,发表学术论文200余篇。2019年,在中国仪器仪表学会40周年年会庆典上,获“当代我国仪器仪表与测量控制领域杰出科学家”荣誉称号。

 

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  “早上五点起床,跑步上班,打开机床预热机器,再跑步回家,洗漱、做饭,七点半正式上班,可以立刻开始工作,不浪费一分钟时间,中午和助手换班吃饭,机器不停,办公桌设置在实验室里,随时操作随时记录,晚饭过后继续工作到午夜,再回家休息。”中国科学院院士、精密机械和微纳机械专家王立鼎这样描述他曾经的工作状态。50岁之前,他几乎每天都这样度过;75岁之前,也几乎周末无休。他高度的勤勉和自律,在外人看来甚至到了一种严苛的程度。

  “天才出于勤奋,务实才能成功。”王立鼎将这句朴实的话作为自己的人生信条,多少个午夜,他独自一人走在静谧的回家路上,正如科研征途中,那些需要独自闯过的暗夜一般。

  心中有理想,脚下才有力量。王立鼎几十年如一日的高强度工作,正因怀揣的科研报国理想始终在心中澎湃。

  “我从小就对中国共产党有一种朴素的情感,感谢党让我有了宝贵的读书机会”

  国民党统治下的东北地区社会动荡,民不聊生。王立鼎幼年家庭贫困,经常食不果腹,小学二年级因伤寒病休学,病愈复学到五年级后又因贫困辍学。“当时上学不交学费,要交高粱米,家里的高粱米都不够吃,更没有多余的拿去交学费。”王立鼎回忆。

  停学在家一年多,王立鼎每天带着妹妹到集市上贩卖家里还算值钱的衣物,有时候能卖点钱换粮食,而更多时是空手而归。寒来暑往,他带着妹妹每天如此,幼小的内心体味着生活的不易。

  “我从小就对中国共产党有一种朴素的情感,感谢党让我有了宝贵的读书机会。”王立鼎感慨地说。1948年,辽阳市解放,王立鼎终于等来了复学的机会,坎坷的求学之路让本就生性好强的他倍加用功,本应从五年级读起,他却主动要求直接读六年级,并通过努力在当年的期末考试中拿到了班里的第二名。

  除了读书,王立鼎也承担了许多家务劳动,每天上学路上会经过一块菜地,善于观察的他见到农民劳作,总会驻足观看,学习农耕知识,回到家便自己动手将院里的一块空地改造成菜园。播种、收获,自力更生,自给自足,一个少年用自己的力量,帮助父母缓解家庭的经济压力。

  由于经济拮据,初中三年,王立鼎成为班里唯一没买过教科书的学生,“我买不起书,就好好做笔记,不买书也照样能学好。”正如他所言,这个没有教科书的学生每年成绩都名列前茅,并以年级第一名的成绩毕了业。

  如今,王立鼎还保留着70年前的笔记,他笑称自己的笔记在当年比教科书更管用。

  谈及学霸经历,王立鼎说:“人不能有傲气,但不能没有傲骨,要对自己有自信才能把事情做好。”正是这一身傲骨让他在往后几十年的时光里,一路披荆斩棘,屡屡拔得头筹。

  初中毕业的王立鼎本应继续求学,却再次由于贫困选择了可以更早就业的中专学校。因祖父家的小作坊曾从事榨油、造酒生意,当年还是幼童的王立鼎经常守在窗外观看祖父工厂的机器运转,一站就是几个小时,乐此不疲,显露出异于常人的专注力,也正是从那时起,他开始对机械原理产生浓厚兴趣。到中专报考时,他笃定地选择了位于长春的机械制造学校,从此与机械结缘。

  那时,新中国提倡科教兴国,免除了大中专学生所有学费、杂费,王立鼎终于不必再为学费发愁,开始安心读书。他功课不仅门门优秀,并且一直是文体骨干,还担任足球队队长,是当时学校里德智体美劳全面发展的典范。

  王立鼎中专毕业时,恰逢难得的历史机遇,国家出台政策允许优秀中专学生报考大学。经过选拔,包括他在内的64人获得报考资格。而最后仅有王立鼎一人成功考取。

  回首岁月,这一路走来虽然路遇不少曲折,所幸王立鼎一直孜孜以求,终于得以进入大学殿堂。数年后,他能够从事科学事业乃至后来成为中国科学院院士,便都由此发端。

 

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  “服从国家需要,到祖国最需要的地方去”

  自新中国成立之初,伴随着“向科学进军”的响亮口号,毛主席的一句话“中国人民有志气有能力,一定要在不远的将来,赶超世界先进水平”,让王立鼎铭记在心,他一生都将这句话作为自己科研之路的前行动力。

  临近毕业,王立鼎的“毕业志愿书”上只写了这一句话:“服从国家需要,到祖国最需要的地方去!”

  由于大学时代学习成绩优异,王立鼎在毕业设计时被送到中国科学院长春光学精密机械研究所,以科研题目作毕业论文,这在当时还是一种全新的尝试。他在老师的指导下,作了题为《利用放射性同位素研究齿轮磨损》的论文,并获得优秀。

  这是王立鼎第一次接触齿轮研究。“齿轮、齿轮又齿轮,这之后我的人生就没有离开过齿轮。”毕业时,王立鼎也因为这篇论文被分配到长春光机所,开始了他的科研工作。

  “只要国家需要,不管要求多高,我们都要做出来”

  刚工作不久,王立鼎就接到了一项艰巨的任务。

  这是一项军工项目,需要研究导弹的弹道轨迹并用光学仪器跟踪敌方飞行物。当时需要6级到5级精度的齿轮,王立鼎在数日的刻苦攻关后圆满完成了此项任务。同时,他又对自己提出更高要求,产生了研制标准齿轮的想法。

  标准齿轮是齿轮参数量值传递的实体基准,用于批量生产齿轮的检测、校准齿轮量仪的示值误差,标准齿轮的精度需要比被检测齿轮的精确度还要高两个等级。

  经过反复尝试,王立鼎通过创立“正弦消减法”提高齿轮磨床的分度精度,建立图表法分析磨齿工艺误差,使分度误差从50角秒减小到13角秒。

  毕业仅仅四年,还是助理研究员的王立鼎就研制出了4级精度标准齿轮,达到当时国内先进水平。也正因如此,1965年,他获得了时任中国科学院院长郭沫若亲自签发的中科院优秀科研成果奖。

  由于王立鼎在精密齿轮领域崭露头角,同年,又有一项更加艰巨的任务找到了他。彼时,国家正在开发一项精密雷达项目,需要更高精度的超精密齿轮,所要求的精度在国内还未曾出现,在国际上也只有位于瑞士的MAAG(马格)公司能够制作,王立鼎立下誓言:“只要国家需要,不管要求多高,我们都要做出来。”

  做齿轮需要机床,在只有国产机床的条件下,王立鼎因陋就简,用了一年时间进行改装。1966年,他通过采用“易位法”磨齿工艺研制成功国内首个超精密齿轮,满足了国家最精密雷达的制作需求。

  刚刚三十岁出头的王立鼎成为国内公认的超精密齿轮专家,“齿轮王”的美名也不胫而走。

  1978年,新中国第一次举办科学奖励大会,王立鼎在十年前研制出的高精度小模数标准齿轮因达到世界先进水平而获全国科学大会奖。

  虽然多次获奖,但王立鼎在追求卓越的征程上并没有止步,为继续提高机床分度精度,他毅然对分度机构做出了彻底性的改革,将国际上机械结构最高精度的测量装置——端齿分度机构用于自己改装的齿轮机床上,使机床分度精度提高到1.7角秒,这一精度是国内外齿轮机床从未达到过的精度,改装后的国产机床成为磨齿母机,分度精度可达1级。

  在此基础上,王立鼎组织研制出2级精度中模数标准齿轮,也作为中国计量科学研究院的国家级齿轮实体标准,用作我国齿轮量仪生产厂的量仪校对基准。

  1965年到1980年,在改装国产齿轮磨床和提出创新独特的工艺基础上,王立鼎先后研制出5批世界一流的超精密齿轮——雷达编码齿轮,服务于我国雷达及相关军工需求。

  “我们用的设备不是洋设备,用的方法不是洋方法,党和国家的培养,让我用原创方法做出世界第一”

  20世纪80年代,一些西方国家开始研制激光光盘,其存储量大约是磁盘的100倍,在国际上引起广泛关注。而针对这项技术,西方国家却对中国采取了禁运政策,甚至国外个别公司公开叫嚣绝不会卖给中国。为此,科技部立即着手组织重大研究项目,希望能自主研发出可擦、重写光盘,并把其中一个重点攻关课题“光盘伺服槽及预制格式刻划机”交给了长春光机所。

  时任长光所所长的唐九华找到了王立鼎,希望由王立鼎来主持这一项目。因为涉及光学、机械学、电子学和计算机四门学科,这让此前一直潜心研究齿轮、还尚未从事过总机设计的王立鼎有些犹豫。

  唐九华笃定地说:“你能把国产设备加以改造,做出世界上精度最高的齿轮,我就看中你这种敢为人先的精神。”王立鼎临危受命,出任课题组第一负责人,在没有任何资料参考,甚至大多数人都没有见过光盘的情况下,当时还是副研究员的王立鼎,组织了一支包括很多研究员在内的百名科技人员攻关队伍。

  王立鼎率先垂范,带领团队不舍昼夜,面对众多亟待解决的问题,曾经的艰辛难为外人道,然而其后的成果,也同样令之振奋。

  四年后,王立鼎带领团队研制成功中国第一台刻录光盘母板的纳米分辨率精密设备。包括光学专家王大珩在内的多位两院院士,在参加鉴定会时表示,王立鼎主持设计的光盘伺服槽及预制格式刻划机总机达到国际先进水平,并在单元技术上有多处突破和创新。其中,十余项技术达到国际先进水平。

  这一设备的研制成功,打破了美国、日本、欧洲对中国发展光盘的控制,中国从此有能力制造自己的光盘母机,并为发展自己的CD-ROM和VCD等光盘服务,填补了国内空白。1992年,此项科研成果获国家科技进步二等奖。

  王立鼎一边开发光盘母机,一边仍然在齿轮领域深入钻研。要想再提高齿轮制造精度,碰到的首要问题就是齿轮的齿形加工与测试技术。要想解决机床渐开线齿形的加工精度,就必须设法提高机床上渐开线凸轮的精度,为此,王立鼎在20世纪80年代组织“渐开线的误差形成规律和最佳成型方案的研究”,在这一基础理论的指导下,设计了渐开线凸轮加工装置和测量装置。

  由王立鼎自行研制的装置完全符合阿贝原理,测量装置精度居世界前列,由该装置加工的渐开线凸轮具有国际最高水平。“我们用的设备不是洋设备,用的方法不是洋方法,党和国家的培养,让我用原创方法做出世界第一。”王立鼎自豪地说。从那时起,由此装置磨制的高精度渐开线样板,作为我国齿轮渐开线量值传递与溯源的实体基准,沿用至今。

  “我做微纳系统的目的是什么?就是给青年人铺路,让他们朝这个前沿方向发展”

  20世纪90年代初,国外微机械的发展动态传入国内,亦即现在被称为MEMS的微机电系统,MEMS是一项革命性的新技术,目前广泛应用于高新技术产业,是一项关系到国家科技发展、经济繁荣、国防安全的关键技术。而在当时,国内只有少数人能够接触到。一次偶然机会,研究所的同事将从国外带回的少量材料拿给大家看,王立鼎当即意识到,这也许是未来机械领域的重要发展走向。

  1992年,在王立鼎的申请下,长春光机所成立了中国第一个微型机械工程研究室,并出版了中国第一本微系统译文集《微机械》。

  1998年,王立鼎来到大连理工大学开始二次创业,组建了大连理工大学跨院系、跨学科的微系统研究中心,“我做微纳系统的目的是什么?就是给青年人铺路,让他们朝这个前沿方向发展。”王立鼎说。

  短短几年,王立鼎又组建了微系统与微制造辽宁省重点实验室,在微流控芯片、偏振光定位、微操作机器人等方面开展了卓有成效的研究。2002年,他在牵头制定国家科学与技术2020年中长期规划时,将物联网这一研究方向写入了微米纳米技术规划之中,并带领团队在无线传感网研究方面取得了多项创造性的应用成果。

  “中国需要超精密齿轮,哪怕只需要一个,我们也要能自己做出来”

  研究超精密齿轮是一项清苦工作。由于7级、6级精度齿轮只能基本满足市场需求,并且超精密齿轮制作难度极高,无法实现量产,也无法产生巨大经济效益。

  王立鼎团队是我国唯一一家超精密齿轮的研究队伍。“科研要为祖国解决突出的重大需求问题,中国需要超精密齿轮,哪怕只需要一个,我们也要能自己做出来。”多年来,为了在齿轮技术上不被国外“卡脖子”,王立鼎屡次谢绝其他具有更高经济收益领域的邀约,始终深耕于超精密齿轮研究,并想方设法,一再提高齿轮的加工精度。

  “知之愈明,则行之愈笃;行之愈笃,则知之益明”。2002年,王立鼎在大连理工大学重建高精度齿轮研究室。年过七旬的他要讲授基础理论,同时还要教授学生操作设备,他经常强调“操作和理论并举才能实现最高效能”。经过几年的发展,齿轮研究室培养了一批掌握超精密齿轮加工工艺、测试技术的学生。“又是科学工作者,又是高技能人才。”这是王立鼎对于大国工匠的定义。

  “我最大的欣慰,就是培养了齿轮传人”

  最近两年,王立鼎屡次在公开场合中提及一个名字。这就是被他称为“齿轮传人”的凌四营。

  “研制超精密齿轮需要非一般的耐力、感知力和领悟力,讲究天分也看后天修养,要能文能武,缺一不可。绝不是谁都能从事超精密齿轮的研究。”王立鼎说。

  凌四营是王立鼎2007年带的博士,经过几年培养,他发现凌四营性情沉稳,在齿轮研制过程中能够发现砂轮摩擦时发出的细微声音变化,察觉出摩擦齿轮产生火花的大小、颜色差别,有时候在机床边一站就是八九个小时。“往往1级齿轮就产生于最后一圈与前一圈打磨之间,过犹不及,高精度齿轮的产生过程就是这么微妙。”凌四营说。

  王立鼎在凌四营身上看到了自己年轻时的执拗与专注,他欣喜地发现这个人正是他要找的“齿轮传人”。

  2012年,凌四营获得了中国首个“上银优秀机械博士论文奖”金奖,仅近两年,他获得的授权专利就多达15项。凌四营的确没让恩师王立鼎失望。

  “我愿永远做科研战线上的一名战士”

  苦心人天不负。2017年,王立鼎带领团队成功研制出1级精度基准标准齿轮,中国计量测试学会、中国机械工业联合会与中国机械工程学会分别组织国内权威专家对其研究成果进行鉴定。

  鉴定结果认为,王立鼎团队研究的1级精度基准齿轮齿廓偏差测量技术居国际领先水平,齿距偏差测量技术达到国际先进水平;研制的精化磨齿母机、超精密磨齿工艺,以及研制的1级精度基准级标准齿轮,其综合技术具有国际前列水平,精度指标国际领先。该项技术具有全部自主知识产权,填补了国内外1级精度齿轮制造工艺技术与测量方法的空白。

  从满头华发到双鬓染霜,王立鼎始终在超精密齿轮领域深耕不辍。“科学研究就像一场硬仗,我愿永远做科研战线上的一名战士。”王立鼎动情地说。

  回溯往事,王立鼎改写了《钢铁是怎样炼成的》主人公保尔·柯察金的一段话来描述自己的一生:“一个人的生命应该这样度过,当他回首往事的时候,不会因虚度年华而悔恨,也不会因碌碌无为而羞愧,我的一生全部献给了我国的科学事业。”

  如今,85岁的王立鼎虽然不能再如当年那样进行高强度的工作,但他仍然忙碌在自己钟爱的齿轮领域,经常画图并与学生交流学术问题,尽其所能帮助后辈。他不知疲倦,乐在其中。

  “无奋斗,不青春。我的身体年龄已经八十五岁,但我的心依然年轻。”在王立鼎看来,一个人的青春能有多长,取决于他奋斗的脚步是否停歇。最近,在国家大力发展工业机器人的大背景下,他又把研究方向聚焦到机器人研发核心关键部件——谐波齿轮减速器的制造方向上。

  为打破工业机器人减速器被国外垄断的现状,应用具有自主知识产权的1级精度齿轮技术,王立鼎亲手绘制原始设计图纸,开发出了新型的高精度分度台,用于机器人关节减速器的精密制造,这也是其团队申请的国家自然科学基金重点项目。

  近几年来,王立鼎带领团队奋力拓展超精密齿轮技术在齿轮传动领域的推广与应用,不断拓宽研究领域。他希望,自己钻研近一个甲子的齿轮事业,在新时代焕发新活力。

  王立鼎一直在奔跑。“齿轮王”的奋斗青春还在继续。

  来源:光明日报

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