郑志明院士：高端制造基础创新源自计算几何-数说新语

加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。基础研究处于从研究到应用、再到生产的科研链条起始端，地基打得牢，科技事业大厦才能建得高。

“实际上，高端制造的源泉来自于基础创新——早期的高端制造来自于计算几何。”近日，中国科学院院士、北京航空航天大学原副校长郑志明向南方日报、南方⁺记者阐述了自己的观点。

郑志明院士（资料图）

高端制造源泉来源于数理融合

作为“高档数控机床与基础制造装备”国家重大科技专项编制专家组副组长，郑志明长期研究数控技术。

数控系统是数控机床（工业母机）的“大脑”，是高端制造业的核心代表性产品，数控机床最重要的使命就是复杂曲面加工，这涉及很多工业领域最关键的部件，曲面不仅复杂，而且力学（气动）性能要求比较高，加工路径设计起来比较困难。

它的运作分为四个阶段，几何设计、功能分析、工艺规划、数控加工，分别对应的是根据需求设计几何模型、验证物理功能、制造过程规划、高精度数控机床实现加工。

郑志明介绍，当代的高端制造源泉来源于几何与物理融合的数控制造一体化技术，通过几何与物理融合的数控制造一体化，包括“几何信息+物理信息+运动特性”，来解决这个问题。

对此，郑志明团队提出了基于流线场共轭映射的自由曲面高精度数控加工新方法。这个方式的思路是：将加工曲面与曲面所蕴含的物理特性结合起来，以获得赋予力学流场特性的曲面加工模式，进而按照流线设计加工路径，即全局化处理方法。

受廖山涛典范方程方法启发，提出对复杂曲面引入流线场后，将其保向共轭到欧氏空间线性流线场，进而实现流线场模型直接驱动的“一步式”整体连续加工方法。 最后，是传统串联“分布式加工”到数理融合“一步式加工”的数控技术变革性突破。

数据显示，相较于传统数控加工方法，新方法加工的发动机叶片总性能提升3%。

基础创新就要寻找引发飓风的“蝴蝶”

在郑志明看来，颠覆性的理论，或者变革性技术的产生，溯源是最重要的一件事。郑志明以“蝴蝶效应”为例，巴西的一只蝴蝶拍动翅膀，就有可能在美国得克萨斯州引发一场飓风，这个效应讲清楚了系统与局部之间的关系。那么，研究数控机床，就应该找到那只“蝴蝶”。

“就要研究这个技术是怎么来的，然后来看它的局限性。”郑志明说，数控机床加工得很快，但其实把数控的曲面加工动作分解开，工业零件的曲面看作是一个数学的一个几何曲面，然后按照它的精度一点点通过插值的方法加工出来。

回顾历史来看，在郑志明看来，实际上，高端制造的源泉来自基础创新——早期的高端制造来自计算几何。

来自雷诺的工程师皮埃尔·贝塞尔(Pierre Bézier)，在研究数控机床的设计与生产时，开始CAD/CAM领域的研究，通过数学方法引领设计与制造业转型，他于1958年研制的数控铣床是欧洲最早的数控机器之一。

此后，数学家丰富了“贝塞尔时代”数控制造技术。例如，美国数学家斯蒂芬·库恩斯(Steven Coons)，开发最早数字化曲面——Coons曲面，引领机械绘图和图形的标准化，是数字信息驱动机床加工的先驱。

前苏联数学家萨缪尔·盖斯伯格（Samual P.Geisberg），参数化建模软件Pro/E主要发明者，引领二十世纪末几何建模软件方向。

剑桥大学CAD实验室创始人、英国数学家查尔斯·朗（Charles Lang），则是著名几何内核引擎ACIS主要发明者。

郑志明谈到，现在用的比较好的机床，比如五轴机床，它是由2200多个软件构成了整个控制系统，但在出口到中国时，把200多个最关键的软件“抽调”了，因此功能差了很多，做的产品也就没那么精细。

“如果只想着去补着200多个‘卡脖子’的地方，其实也没有从根本上了解系统是怎么运作的，也依然不知道背后的原理是什么。”郑志明说，最终还是要回归到最基础的部分。

核心是建立现代技术科学体系

郑志明总结我国科技和产业发展经历和正在经历的三个重大发展阶段：

工程创新（1949-1978），解决一穷二白问题，实现从无到有，初步建立完整的工业体系。这个阶段的目标是实现“立国战略”

技术创新（1978-2012），解决工业基础全面落后问题，实现国家技术和工业能够赶上先进水平，实现并跑。这个阶段的目标是实现“大国战略”。

基础创新（2012-），在若干关键领域达到国际领先和先进水平，基本解决0到1原创和卡脖子问题，核心是建立现代技术科学体系，实现“强国战略”。

【记者】郜小平

【出品】南方产业智库

【作者】 郜小平

南方产业智库