国产高端数控机床的突破之路（院士讲科普·大国重器）

本文转自：人民日报

从“逆向模仿”迈入“自主正向设计”

国产高端数控机床的突破之路（院士讲科普·大国重器）

谭建荣

　　工业母机是支撑现代制造业的“国之重器”，其技术水平标定着工业体系的发展高度。作为工业母机的重要组成部分，我国国产高端数控机床正从“逆向模仿”迈入“自主正向设计”的新阶段。

　　本期“院士讲科普”，中国工程院院士谭建荣将深入解读国产高端数控机床的战略价值，拆解“正向设计”的技术内核，展望人工智能赋能的产业变革图景。让我们近距离观察国产高端机床的创新突破之路，感知中国制造向高质量发展迈进的强劲脉动。

　　——编 者

　　什么是工业母机？

　　工业母机，是制造工业设备的“母亲机器”。没有机床，小到手机，大至飞机等都无法被造出来。现实中，机床可以生产出新的更高性能的机床，完成工业体系的自我迭代。作为工业母机的重要组成部分，近年来，国产高端数控机床得到长足发展。

　　今年4月21日，在第十四届中国数控机床展览会期间，“工业母机正向设计平台”在上海首发。

　　该平台的发布，不仅填补了相关技术空白，也标志着国产高端数控机床研发正式从“逆向模仿”迈入“自主正向设计”新阶段。浙江大学团队研发的高档数控机床整机方案“正向设计”技术体系，是其中的重要组成部分。

　　与世界领先水平有差距

　　小到毫米级的精密芯片基座、复杂光学镜片，大到飞机引擎叶片、航母核心构件……各类机械设备几乎都离不开机床的加工，其中数控机床被称作工业母机，是国家战略层面的基础制造装备。一个国家数控机床的技术水平，与其航空航天、高铁船舶、核电设施等领域的发展上限息息相关。

　　目前，我国机床产业已形成比较完整的产业体系，与世界领先水平的差距正在快速缩小，并已成为全球数控机床第一大产销国，2025年行业规模以上企业营收1万多亿元，同年我国机床出口在全球市场上的份额首次跃升至世界第一。

　　但也要看到，在设计生产高端机床产品方面，我国仍与世界领先水平存在一定差距，“高端不足”的状况仍未得到根本扭转。以高端数控机床为例，这类机床具有高性能、高可靠、智能化等特征，快移速度可达60—200米/分钟，加工定位精度1微米。而超精密加工机床更是要求达到亚微米级乃至纳米级。

　　在相当长的一段时间里，我国高端数控机床采用了逆向设计思路——由产品实物反推设计。虽然用这种方法开发的数控机床能模仿高端数控机床的外观、结构和尺寸等，却始终“形似而神不似”，在性能上逊色不少。就拿精度与稳定性来说，我国高端数控机床在超高精度加工、复杂曲面五轴联动、长时间连续加工的精度稳定性等方面，与国际顶尖水平相比还存在差距，难以完全满足航空航天、精密医疗器械等领域极端工况需求。而高端数控机床的核心部件方面，如高精度数控系统、高转速电主轴、精密滚珠丝杠、直线导轨等，我国自主化率还不够高。

　　究其原因，在于低端产品在设计过程中“知其然而不知其所以然”，也在于缺乏把握机床产品设计过程“本质内涵”的能力。为此，浙江大学团队提出了一套高端数控机床“正向设计”技术体系。

　　有望打破国外技术壁垒

　　何为“正向设计”技术体系？

　　工业母机的设计主要包括几何特征提取、工艺需求分析、运动方案设计、整机布局构型设计等关键技术。这套技术体系是以复杂零件加工的需求为设计起点，系统性地将几何、工艺、运动、刚度、精度等逐层进行分析、求解，再设计生成精准适配零件特征的工业母机设计方案。基于这个解耦设计逻辑，数控机床的设计需要层层递进、相互适配，最终形成机床的高性能加工能力。

　　其中若干项“正向设计”技术尤为关键。以复杂曲面几何的适配“正向设计”为例，传统机床设计通常仅适配规则平面、弧面结构，而高端机床加工的发动机叶轮、整体式叶盘、高端模具等复杂工件，通常具有自由曲面或结构异形等复杂几何形状，具有大转角、强扭曲、曲率跳变、加工干涉等难加工特征。这就需要与曲面几何适配的机床智能设计方案。

　　再如加工工艺与机床运动链的正向设计，高端机床通常至少有3个直线轴、2个旋转轴实现五轴联动加工。该“正向设计”技术摒弃了传统经验化的运动参数匹配模式，通过机床运动链上的旋转轴构型规律解析、多轴运动拓扑设计，保证刀具等在高速加工下的运动平稳性，兼顾加工效率与成形精度。

　　基于以上技术，浙江大学团队克服整机“正向设计”难、加工精度提升难等技术难题，打破国外技术壁垒和市场垄断，自主研发了高端数控机床整机数字化设计软件工具集。

　　其中的工艺需求智能分析工具、数控机床运动链设计工具、数控机床骨架模型布局设计工具等，以及数控机床设计资源库，已广泛应用于龙门加工中心、高精卧式坐标镗床、重型铣车复合机床等重点型号机床，实现了系列新产品的研发和性能突破。2021年1月，团队的“高性能龙门加工中心整机设计与制造工艺关键技术及应用”项目获国家技术发明奖二等奖。

　　寻找范式变革的突破口

　　当前，以人工智能为代表的新一代信息技术正深刻影响千行百业，机床行业也不例外。高端数控机床正朝着高性能、智能化、复合化、高可靠、绿色化的方向发展。

　　高端数控机床的数字孪生及虚拟调试技术、基于空间智能的机床生成式智能设计技术等领域如果能实现有效突破，将为我国高端数控机床自主设计创新提供重要支撑。

　　比如，融合数据驱动技术，通过数字孪生框架提升高端机床设计性能，能够有效突破传统设计方法的局限性。推动人工智能赋能的高端数控机床智能设计，通过实电虚机的半实物仿真虚拟调试技术，对刀尖点与工件表面偏差进行高保真调试优化，减少物理样机试制，从而实现高端数控机床的智能设计优化。

　　人工智能大模型技术引发了全球性的产业变革，基于空间智能的机床生成式智能设计技术，是未来10年产业发展的迫切需求，也是国际科技和产业竞争的焦点。

　　在机床设计中，工件几何、加工工艺、机床空间结构与其动静态性能之间的复杂耦合关系与隐含规律，尚未被清晰揭示和量化表达。结合先进的生成式设计模型，攻克基于空间智能多模态大模型的高端机床生成式智能设计关键技术，是实现高端机床设计范式根本变革的关键突破口。

　　创新设计引领“中国智造”。未来，我们团队将进一步思考如何将龙门加工中心创新设计经验推广至整个机床行业，创立具有自主知识产权的中国机床品牌，驱动我国制造业向高质量发展，为推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变继续贡献力量。

　　（作者为中国工程院院士、浙江大学求是特聘教授，本报记者窦瀚洋采访整理）