仰望超精密星空
——記深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院副研究員張國慶

本刊記者　李玉芹

專家簡介：

張國慶，工學(xué)博士，深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院特聘副研究員。2014年畢業(yè)于香港理工大學(xué)超精密加工技術(shù)國家重點實驗室獲博士學(xué)位，2016年被深圳市認(rèn)定為“孔雀計劃”海外高層次人才。主要研究方向包括：超精密加工工藝與裝備、機器人與機構(gòu)學(xué)、氣浮軸承等。在學(xué)習(xí)與工作期間發(fā)表論文50余篇，其中被SCI/EI收錄40余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利16項，授權(quán)美國發(fā)明專利14項。主持國家自然科學(xué)基金青年基金、廣東省自然科學(xué)基金面上項目、深圳市“孔雀計劃”科研啟動經(jīng)費、深圳市孔雀技術(shù)創(chuàng)新項目、深圳市科技計劃項目各1項，擔(dān)任國際著名期刊Precision Enginnering, Tribology International,International Journal of Mechanical Sciences等文章評審專家。

有人在科研中手拿紙筆，解答無數(shù)科學(xué)難題；有人在科研中攻堅克難，不斷突破工程中的技術(shù)瓶頸。在深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院副研究員張國慶手里，也有這樣一件科研“法寶”，那就是與他每日工作息息相關(guān)的加工刀具。只不過，他對刀具的研究更加精細(xì)化。多年來，他將研究重點放在超精密加工工藝與裝備、刀具磨損及在線監(jiān)測技術(shù)、微納結(jié)構(gòu)仿生表面的加工制造等方面，一步步規(guī)劃著自己的科研英雄夢。

輾轉(zhuǎn)科研路 情系超精密

現(xiàn)在的張國慶剛剛過了三十而立的年紀(jì)，他將滿腔熱血都投入到超精密加工領(lǐng)域的科學(xué)研究中，雖然每日都與“高精尖”領(lǐng)域接觸，但張國慶始終覺得自己只是一個平凡的科研學(xué)習(xí)者，他表示，在科學(xué)的宏偉面前，他需要學(xué)習(xí)的還有太多，同時好學(xué)的他在科研中也輾轉(zhuǎn)了多個方向。

2006年，張國慶在哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀碩士期間，對氣體潤滑原理及應(yīng)用、氣浮電主軸以及氣體潤滑的有限元計算方法等進行了研究，并在此期間成功開發(fā)出了氣體軸承承載力計算的Matlab程序。相關(guān)研究成果發(fā)表論文3篇，其中一篇發(fā)表在氣體摩擦領(lǐng)域國際著名期刊Tribology International上。

碩士畢業(yè)后，由于機緣巧合，張國慶當(dāng)時遇到鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司在招聘機器人工程師。本著對機器人的熱愛，張國慶決定轉(zhuǎn)戰(zhàn)機器人研究領(lǐng)域，為之一試。成功進入到鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司后，張國慶開始著重研究機器人本體及其關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對機器人運動學(xué)與動力學(xué)進行相關(guān)分析。工作期間，張國慶參與多款工業(yè)機器人的研發(fā)工作，包括數(shù)款精密型并聯(lián)機器人，開發(fā)的新機型廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造的多個領(lǐng)域，創(chuàng)造了極為可觀的經(jīng)濟效益。此外，他還在Mechanism and Machine Theory等機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域國際著名期刊上發(fā)表論文5篇，授權(quán)中國發(fā)明專利16項，授權(quán)美國發(fā)明專利14項。

工作一段時間后，張國慶在導(dǎo)師的介紹下，來到香港理工大學(xué)超精密加工技術(shù)國家重點實驗室工作學(xué)習(xí)，這才真正接觸到了超精密加工技術(shù)。此后數(shù)年，他都腳踏實地，潛心科研，雖然過程中困難重重，但張國慶勇于挑戰(zhàn)，在該領(lǐng)域研究中碩果連連。

2015年，取得博士學(xué)位后，張國慶來到深圳大學(xué)就職，依舊奮戰(zhàn)在超精密加工領(lǐng)域里。2016年，在國家自然科學(xué)基金“超精密飛刀銑削刀具磨損及工件表面特征創(chuàng)成的在線評估新方法研究”的資助下，張國慶致力于研究基于切屑形貌的超精密飛刀加工刀具磨損在線監(jiān)測新方法并取得了突破，連同前面對刀具磨損的基礎(chǔ)研究，他在超精密加工刀具磨損領(lǐng)域共發(fā)表了近20篇論文，其中多篇發(fā)表在加工制造領(lǐng)域的國際著名期刊上。

之所以將研究工作重點放在超精密飛刀加工及刀具磨損在線評估技術(shù)上，張國慶有自己的理由。他提到，在復(fù)雜光學(xué)微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造中，超精密飛刀加工具有舉足輕重的作用。然而，為了獲得精密而復(fù)雜的加工表面，通常需要長時間的超精密飛刀加工，如果刀具磨損導(dǎo)致加工表面質(zhì)量無法滿足產(chǎn)品要求，則會浪費前期的加工時間和對刀時間，因此需要對超精密飛刀加工過程中的刀具工作狀態(tài)進行在線監(jiān)測。但由于超精密飛刀加工極短的切削持續(xù)時間，使得切削信號中包含極少的刀具磨損信息，因此基于切削信號的傳統(tǒng)刀具磨損監(jiān)測方法無法應(yīng)用到超精密飛刀加工過程中。思來想去，張國慶發(fā)現(xiàn)超精密飛刀加工中的切屑上包含了刀具磨損的重要信息，更重要的是超精密飛刀加工的間斷性切削機制使得切屑能在一個切削周期內(nèi)形成并被在線采集。

于是，張國慶在超精密飛刀加工間斷性加工特性的基礎(chǔ)上，首次提出了一種利用切屑形貌進行刀具磨損在線監(jiān)測的實用新技術(shù)。利用該技術(shù)，在不用停止切削的狀態(tài)下，就可精確辨識出刀具磨損的形態(tài)與位置，并可基于切屑形貌評估刀具磨損對加工表面的影響，從而大幅提高超精密飛刀加工的效率。目前，該項研究還在繼續(xù)進行，在充滿神秘色彩的超精密世界里，張國慶還在為人們推開一扇又一扇新的超精密世界的大門。

腳踏實地解微納難題

張國慶告訴記者，微納結(jié)構(gòu)功能表面能夠改變產(chǎn)品的特性，使產(chǎn)品具有特殊功能。其已成為科技改變生活的經(jīng)典實例，也是“高精尖”產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展方向。

由此看來，研究微納結(jié)構(gòu)功能表面的制備技術(shù)及其應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實意義。說干就干！2017年，張國慶在獲得深圳市“孔雀計劃”海外高層次人才稱號之后，又申請并成功獲批了深圳市“孔雀技術(shù)創(chuàng)新”科研項目“基于超精密加工的仿生微納結(jié)構(gòu)表面制備技術(shù)”，開展多尺度微納結(jié)構(gòu)功能表面的高效制備技術(shù)研究。

在任何一項研究中，理論都起著重要的支撐作用。為此張國慶與項目組成員首先對多尺度運動超精密飛刀加工的切削機理進行分析，并研究了多尺度運動超精密飛刀加工的運動學(xué)特征，由此實現(xiàn)了多尺度微納結(jié)構(gòu)功能表面加工的刀具運動軌跡規(guī)劃。接下來，他們設(shè)計實現(xiàn)多尺度運動的超精密飛刀切削系統(tǒng)，搭建了多自由度高頻振動硬件系統(tǒng)并設(shè)計了適用于工件軸的飛刀盤裝置，為微納結(jié)構(gòu)表面的加工制造提供了硬件支持。

此外，張國慶還仔細(xì)分析了加工及測量過程中影響多層次微納結(jié)構(gòu)表面面形精度的因素。而且通過分析哪些因素影響了多尺度運動超精密飛刀加工微納結(jié)構(gòu)表面的質(zhì)量后，他對微納結(jié)構(gòu)功能表面也有了更加深入與清晰的認(rèn)知，研究更為其表面的制造以及精度的改善起到指導(dǎo)作用。張國慶特別提到，項目取得的多項成果的實用性極強，可為微納結(jié)構(gòu)功能表面的加工制造提供參考。

教書育人展宏圖

張國慶是一個對科研極度認(rèn)真的人，而除了科研，在教書育人方面他也是嚴(yán)苛要求自己。他把科研與教學(xué)中的每一個環(huán)節(jié)都串連在一起，始終有條不紊地進行著。

目前，他每年要培養(yǎng)3～5名研究生、1名博士后以及大約10名本科生。在培養(yǎng)過程中，他建立了自己的一套教學(xué)方法，那就是從不把自己放在“老師”的位置上，而是希望與學(xué)生平等交流，成為朋友。在張國慶眼里，老師只需將知識方法傳遞下去，學(xué)生的自主發(fā)揮才是重點。因此，他充分讓學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)興趣并自發(fā)地探索科研的奧秘。

與此同時，張國慶還強調(diào)，學(xué)生不能只待在學(xué)校的“象牙塔”里，還要走出校門，多參與研究實踐?！皩W(xué)校與企業(yè)角色互補，學(xué)校從事基礎(chǔ)研究、充當(dāng)智庫的角色，企業(yè)從事應(yīng)用研究，充當(dāng)實踐角色?！睆垏鴳c表示。

面對未來，張國慶信心滿滿。在深圳大學(xué)對超精密加工研究領(lǐng)域的持續(xù)投入與支持下，他將未來的研究鎖定在3個方向：一是研究金剛石刀具加工鐵基材料過程中的刀具磨損機理與抑制方法，希望能夠盡早完善鐵基材料金剛石鏡面加工的工藝方法，以此改善在金剛石刀具加工鐵基材料過程中的刀具磨損問題；二是在“中國制造2025”的大背景下，開展智能加工技術(shù)研究，重點圍繞刀具磨損及加工過程誤差的在線實時測量，實現(xiàn)加工過程的智能監(jiān)測；三是開展復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)仿生功能表面的制備與應(yīng)用，重點圍繞微納結(jié)構(gòu)表面超精密加工的工藝與裝備研發(fā)，實現(xiàn)特殊功能表面的高精度、大尺寸及高效率加工制造，并研究微納結(jié)構(gòu)表面在工程技術(shù)、醫(yī)療器械、航空航天等軍民領(lǐng)域的應(yīng)用。

“我只是一個平凡的科研愛好者，只求能夠在科研路上貢獻一點綿薄之力?！睆垏鴳c的科研旅程還很漫長，在高深的超精密加工研究中，還有諸多奧秘等待他去揭開。