國產高端數控機床的突破之路（院士講科普·大國重器）

圖①②：不同加工工況下的機床整機力流線特性分析。 　　圖③：高架橋式龍門加工中心。 　　圖④：五軸機床加工國標S試件曲線時的加工誤差變化。 　　圖⑤⑥：五軸聯動數控機床整機布局構型設計。 　　以上圖片均為浙江大學高端數控機床數字化設計課題組提供

　　工業母機是支撐現代制造業的“國之重器”，其技術水平標定著工業體系的發展高度。作為工業母機的重要組成部分，我國國產高端數控機床正從“逆向模仿”邁入“自主正向設計”的新階段。

　　本期“院士講科普”，中國工程院院士譚建榮將深入解讀國產高端數控機床的戰略價值，拆解“正向設計”的技術內核，展望人工智能賦能的產業變革圖景。讓我們近距離觀察國產高端機床的創新突破之路，感知中國制造向高質量發展邁進的強勁脈動。

　　——編  者  

　　什麼是工業母機？

　　工業母機，是制造工業設備的“母親機器”。沒有機床，小到手機，大至飛機等都無法被造出來。現實中，機床可以生產出新的更高性能的機床，完成工業體系的自我迭代。作為工業母機的重要組成部分，近年來，國產高端數控機床得到長足發展。

　　今年4月21日，在第十四屆中國數控機床展覽會期間，“工業母機正向設計平台”在上海首發。

　　該平台的發布，不僅填補了相關技術空白，也標志著國產高端數控機床研發正式從“逆向模仿”邁入“自主正向設計”新階段。浙江大學團隊研發的高檔數控機床整機方案“正向設計”技術體系，是其中的重要組成部分。

　　與世界領先水平有差距

　　小到毫米級的精密芯片基座、復雜光學鏡片，大到飛機引擎葉片、航母核心構件……各類機械設備幾乎都離不開機床的加工，其中數控機床被稱作工業母機，是國家戰略層面的基礎制造裝備。一個國家數控機床的技術水平，與其航空航天、高鐵船舶、核電設施等領域的發展上限息息相關。

　　目前，我國機床產業已形成比較完整的產業體系，與世界領先水平的差距正在快速縮小，並已成為全球數控機床第一大產銷國，2025年行業規模以上企業營收1萬多億元，同年我國機床出口在全球市場上的份額首次躍升至世界第一。

　　但也要看到，在設計生產高端機床產品方面，我國仍與世界領先水平存在一定差距，“高端不足”的狀況仍未得到根本扭轉。以高端數控機床為例，這類機床具有高性能、高可靠、智能化等特征，快移速度可達60—200米/分鐘，加工定位精度1微米。而超精密加工機床更是要求達到亞微米級乃至納米級。

　　在相當長的一段時間裡，我國高端數控機床採用了逆向設計思路——由產品實物反推設計。雖然用這種方法開發的數控機床能模仿高端數控機床的外觀、結構和尺寸等，卻始終“形似而神不似”，在性能上遜色不少。就拿精度與穩定性來說，我國高端數控機床在超高精度加工、復雜曲面五軸聯動、長時間連續加工的精度穩定性等方面，與國際頂尖水平相比還存在差距，難以完全滿足航空航天、精密醫療器械等領域極端工況需求。而高端數控機床的核心部件方面，如高精度數控系統、高轉速電主軸、精密滾珠絲杠、直線導軌等，我國自主化率還不夠高。

　　究其原因，在於低端產品在設計過程中“知其然而不知其所以然”，也在於缺乏把握機床產品設計過程“本質內涵”的能力。為此，浙江大學團隊提出了一套高端數控機床“正向設計”技術體系。

　　有望打破國外技術壁壘

　　何為“正向設計”技術體系？

　　工業母機的設計主要包括幾何特征提取、工藝需求分析、運動方案設計、整機布局構型設計等關鍵技術。這套技術體系是以復雜零件加工的需求為設計起點，系統性地將幾何、工藝、運動、剛度、精度等逐層進行分析、求解，再設計生成精准適配零件特征的工業母機設計方案。基於這個解耦設計邏輯，數控機床的設計需要層層遞進、相互適配，最終形成機床的高性能加工能力。

　　其中若干項“正向設計”技術尤為關鍵。以復雜曲面幾何的適配“正向設計”為例，傳統機床設計通常僅適配規則平面、弧面結構，而高端機床加工的發動機葉輪、整體式葉盤、高端模具等復雜工件，通常具有自由曲面或結構異形等復雜幾何形狀，具有大轉角、強扭曲、曲率跳變、加工干涉等難加工特征。這就需要與曲面幾何適配的機床智能設計方案。

　　再如加工工藝與機床運動鏈的正向設計，高端機床通常至少有3個直線軸、2個旋轉軸實現五軸聯動加工。該“正向設計”技術摒棄了傳統經驗化的運動參數匹配模式，通過機床運動鏈上的旋轉軸構型規律解析、多軸運動拓扑設計，保証刀具等在高速加工下的運動平穩性，兼顧加工效率與成形精度。

　　基於以上技術，浙江大學團隊克服整機“正向設計”難、加工精度提升難等技術難題，打破國外技術壁壘和市場壟斷，自主研發了高端數控機床整機數字化設計軟件工具集。

　　其中的工藝需求智能分析工具、數控機床運動鏈設計工具、數控機床骨架模型布局設計工具等，以及數控機床設計資源庫，已廣泛應用於龍門加工中心、高精臥式坐標鏜床、重型銑車復合機床等重點型號機床，實現了系列新產品的研發和性能突破。2021年1月，團隊的“高性能龍門加工中心整機設計與制造工藝關鍵技術及應用”項目獲國家技術發明獎二等獎。

　　尋找范式變革的突破口

　　當前，以人工智能為代表的新一代信息技術正深刻影響千行百業，機床行業也不例外。高端數控機床正朝著高性能、智能化、復合化、高可靠、綠色化的方向發展。

　　高端數控機床的數字孿生及虛擬調試技術、基於空間智能的機床生成式智能設計技術等領域如果能實現有效突破，將為我國高端數控機床自主設計創新提供重要支撐。

　　比如，融合數據驅動技術，通過數字孿生框架提升高端機床設計性能，能夠有效突破傳統設計方法的局限性。推動人工智能賦能的高端數控機床智能設計，通過實電虛機的半實物仿真虛擬調試技術，對刀尖點與工件表面偏差進行高保真調試優化，減少物理樣機試制，從而實現高端數控機床的智能設計優化。

　　人工智能大模型技術引發了全球性的產業變革，基於空間智能的機床生成式智能設計技術，是未來10年產業發展的迫切需求，也是國際科技和產業競爭的焦點。

　　在機床設計中，工件幾何、加工工藝、機床空間結構與其動靜態性能之間的復雜耦合關系與隱含規律，尚未被清晰揭示和量化表達。結合先進的生成式設計模型，攻克基於空間智能多模態大模型的高端機床生成式智能設計關鍵技術，是實現高端機床設計范式根本變革的關鍵突破口。

　　創新設計引領“中國智造”。未來，我們團隊將進一步思考如何將龍門加工中心創新設計經驗推廣至整個機床行業，創立具有自主知識產權的中國機床品牌，驅動我國制造業向高質量發展，為推動中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變繼續貢獻力量。

　　（作者為中國工程院院士、浙江大學求是特聘教授，本報記者竇瀚洋採訪整理）

　　《 人民日報 》（ 2026年08月22日 06 版）