学风建设优秀科学家——张宪民
发布时间: 2014-05-04 浏览次数: 13

张宪民,现任华南理工大学机械与汽车工程学院院长,60后,由于科研成绩突出,在34岁那年破格晋升教授。如今,50岁的他已是博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、珠江学者特聘教授。

立足扎实的基础研究    

张宪民的研究领域涉及精密制造装备与现代控制技术、精密定位与精密操作、机电系统的振动与噪声控制等领域。共承担完成包括国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、粤港关键领域重大招标项目、省基金重点项目等在内的各类科研项目30多项。   

 张宪民十分重视基础研究:“没有扎实的基础研究作后盾,应用研究就不会有后劲,另外基础研究代表着一个团队的学术水平,要追求高境界,要能够在国际舞台上和国际同行进行学术交流。”   

 在这样的理念下,张宪民努力在基础研究方面闯出属于自己的一番天地。    

目前,以柔顺机构为核心的精密装备在大规模集成电路的制造与检测、生物芯片技术、通讯中的微开关和光纤对接、微电子产品制造、精密和超精密加工、精密操作、精密测量、微机电系统、生物医学工程等许多尖端领域中具有广泛的应用前景。随着生产力水平的提高和高科技领域发展的需要,许多以单自由度或多自由度机构为核心的机电系统正向高速、高精度、轻型和自动化方向发展,但伴随这些发展而来的是振动和噪声问题,对这类系统的有害振动进行有效控制或从振动控制的角度设计制造相应产品, 对提高制造装备的质量,具有重要意义。    

张宪民带领团队,建立了含有压电材料作动器和传感器时弹性机构的动态数学模型,基于独立模态控制等理论提出了柔性机构振动与噪声控制的反馈和前馈控制器、缩敛模态控制器、鲁棒控制器等的设计方法,揭示了各自的内在特性和相互联系。给出了作动器和传感器的最佳配置设计方法,很好地解决了由未建模动态和未知干扰造成的控制溢出问题。为有效解决精密加工、精密操作、精密定位中的振动控制问题提供了可行的方法。    

他带领团队,提出了机构结构-控制一体化设计的思想,建立了柔性机构与控制的集成设计模型,给出了相应的优化设计方法。为发展能控频带宽、稳定性好的柔性机构控制系统提供了新的思路和方法。    

他带领团队,考虑非线性、可靠性、温度效应和输入输出耦合等问题,给出了多输入多输出柔顺机构拓扑优化设计方法,有效克服了基于传统刚体机构设计方法的局限性;提出了柔顺机构输入耦合效应概念,给出了有效抑制输入、输出耦合,多自由度柔顺精密定位系统的设计方法。研究了温度效应问题,揭示了温度变化对定位为精度的影响规律。自行研制了多种新颖的能够有效克服输入、输出耦合效应,并能达到亚微米级定位精度的多自由度柔顺精密定位系统。    

他带领团队,在自动光学检测方面,提出了基于特征统计分析的印刷电路板焊点检测算法框架,给出了焊点特征的提取算法,实现了焊点特征的自动选择和特征参数的自动获取,有效提高了焊点检测的精度。    

张宪民与合作者围绕这些工作在国内外重要刊物和国际会议上发表SCI、EI收录论文200余篇,被50余种国际著名刊物及40余种国内重要刊物、国际会议论文、博士和硕士论文引500余次。作为第一完成人,他的成果《柔性机构的动力学特性分析与振动控制研究》获2000年度中国高校自然科学奖二等奖;成果《柔性机构振动与噪声控制的理论与方法研究》获2004年度广东省科技奖自然科学奖二等奖;成果《面向电路板无铅联装的光学和微焦X射线检测技术与成套设备》获得2013年度广东省科技进步奖一等奖。

两支队伍进军关键领域关键技术    

2000年,张宪民结识了业内权威专家——美国明尼苏达大学杰出教授A.G.Erdman,并应Erdman教授之邀,前往美国做博士后研究。在美国这段经历,在张宪民看来,是非常重要的人生转折,因为这为他现在的研究工作积累了宝贵的经验。“在美国,我学会了怎样跟企业进行合作研究。美国企业的研发能力很强,有自己独立的研究机构和科研人员。他们的项目在全美范围内招标,需要学校给他们提供一些新思路,把所有已经出现和可能出现的问题摆上桌,大家一起讨论解决,然后定好各自的工作内容就散会,进入下一个环节,绝不拖沓。”    

回国不久,张宪民便到华南理工大学工作。重视产学研结合的张宪民领导着两支队伍,一支是实验室,另一支在企业。    

在应用研究方面,张宪民十分重视和国家尤其是广东省的支柱产业相结合。他说:“应用研究水平的高低,代表着一个学校或一个团队在所在地区的影响,在应用研究上,应通过产学研紧密结合,在关键领域的关键技术上有所突破,取得实质的经济效益和社会效益。”    

目前,我国的印刷电路版(PCB)的产量已居世界第一位,且发展势头强劲。随着电子信息产业的快速发展,线路板上的组装密度越来越高,元件的体积也越来越小。特别是欧洲《报废电子电气设备指令》(WEEE)和《关于在电子电气设备禁止使用某些有害物资指令》(RoHS)两项指令的颁布,对锡膏印刷等PCB无铅制造装备提出了重大挑战。    

张宪民和他的课题组和东莞市科隆威自动化设备有限公司合作开发研制了《面向线路板组装的视觉全自动无铅锡膏印刷和无铅焊接成套设备》。该成套设备包括全自动视觉无铅锡膏印刷、无铅回流焊和无铅波峰焊等设备。在视觉全自动无铅锡膏印刷设备方面,采用了具有自主知识产权的可同时拍摄钢网和PCB的双镜头视觉系统,并联三自由度一体式柔顺精密定位平台,干、湿、真空三种自动擦网模式并可自由组合的钢网清洗机构等多项先进技术,可对无铅锡膏印刷机的工作状态进行自诊断和实时检测;在无铅回流焊方面,采用了具有传热均匀和热补偿性好的低能耗发热板平板加热器、增压式松香回收系统,有效解决了无铅焊接在温度高,控制窗口窄的情况下,炉温的精确控制问题;在无铅波峰焊方面,采用了模块式循环型加热装置、以及振荡波机构技术,有效消除了焊接的阴影效应。该成套设备已授权专利40多项,其中发明专利15项、部分关键技术获得了英、法、德、意、美国、加拿大等发达国家发明专利。该套设备在全球已有500多个用户,产品大量出口意大利、法国、以色列以及东南亚等国家和地区,创直接经济效益5亿多元。该套设备的成功研制和产业化,打破了电子制造高端设备长期被国外设备垄断的局面。有效提高了我国电子信息装备制造业的技术水平和市场竞争能力, 取得了良好的社会效益和经济效益。该成果获2008年度广东省科技进步一等奖。核心专利获得了2011年度广东省专利金奖。    

针对我国晶硅太阳能光伏电池的高端生产设备依赖进口的局面,和东莞市科隆威自动化设备有限公司联合负责研发了晶硅太阳能光伏电池生产成套设备,成套设备包括、丝网印刷、自动光学检测、烘干、烧结系统、自动分拣系统等,关键技术突破了国外的技术壁垒,设备已在东方日升新能源股份有限公司等单位应用。该成套设备的开发成功,打破了国外相关高端设备的垄断局面,为我国相关产业的良性发展提供技术支撑。本成果的特色与创新之处主要体现在如下几个方面:基于视觉的高速精密定位理论与技术;有效降低破损率的高速、高精度印刷技术;大容量反应器等离子场均匀形成技术;均匀热场形成技术及尖峰烧结温度曲线的形成与控制技术;多晶硅光伏太阳能电池自动检测与分拣技术等。    

除此之外,张宪民教授还带领研究团队为东莞方达集团研制了“废旧轮胎胶粉常温生产成套设备优化和自动化监控系统”。橡胶轮胎作为汽车使用中不可替代的消耗品,因报废后被随意丢弃而造成了对环境的“黑色污染”。橡胶是三大聚合物之一,属于不溶和难熔的高分子材料,很难降解,废旧轮胎已成为工业废弃物中危害严重的垃圾之一。另一方面, 将废旧轮胎制成精细胶粉, 可替代部分生胶,是珍贵的二次资源。该成果有效解决了国内常温法制取精细胶粉设备存在的产量低、自动化程度不高、噪声大、能耗高等缺陷。该套已远销俄罗斯。为企业带来巨大商机。

做一个幸福的人    

这是世人眼中的张宪民:一个以实验室为家的“工作狂”、一个多次获得省部级科技奖励的专家,一个把成果与产业紧密结合的创新精英。层层荣誉加身,他却一笑置之:“我是一个很容易知足的人,我一直觉得自己很幸福,因为我现在是做着自己最喜欢的事情”。谈到自己的工作,张宪民的眼中闪烁着智慧的光芒,言谈里散发出自信的气息。    

科研成绩瞩目,张宪民却同时还是一位一直工作在教学第一线的优秀教师。他为本科生开设了《机械工程概论》、《机械原理》、《机械设计》双语课;为硕士研究生开设了《微机电系统和微细加工技术》、《优化设计》、为博士生开设了《现代设计制造与检测控制技术》、《柔顺机构的分析与拓扑优化设计》等课程。他说:“我很喜欢给学生上课。”    

张宪民的讲课深受学生的好评。他在1999年评为广东省南粤优秀教师;2000年获霍英东教育基金会优秀青年教师奖;2001年被评为全国模范教师;2002年获第四届教育部高校青年教师奖;2002年获得首届教育部优秀骨干教师奖;2007年获丁颖科技奖。    

《机械工程概论》这门课是给大一新生开设的。每年,张宪民都会在课堂上问那些刚刚跨入大学校门的年轻:“你们现在选择的真是自己喜欢的专业吗?”他认定,一个人一定要做自己喜欢做的事情,这样才不会感到累,也才会感到幸福。    

张宪民告诉记者,他年少时的梦想是能够成为一名大学教授,“人生总是有一条最优轨迹的,如果你找不到自己的最优轨迹,就找一条无限靠近它的。很幸运,我靠近了这条轨迹,实现了我的理想,如果让我再选择一次,我还是愿意当一名大学教授。”    

如果说人生还有什么目标,张宪民希望能够把产学研合作做得更好些,同时为业界培养出更多的优秀人才,“中国是制造大国,可是我们的许多高端设备还主要依赖进口,我相信,未来几年,通过产学研合作,我国的装备制造业一定会在占领国内市场的同时,在国际市场上取得一席之地。”