谭建荣
工业母机是支撑现代制造业的关键设备，其技术水平直接反映了工业体系的发展程度。作为工业母机的重要组成部分，我国的高端数控机床正从“逆向模仿”转向“自主正向设计”的新阶段。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”的技术核心，并展望人工智能赋能的产业变革。
工业母机是制造工业设备的基础机器，没有它，从手机到飞机等各类产品都无法生产。近年来，国产高端数控机床取得了显著进展。2023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”在上海首次发布。这一平台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进入“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部分。
小到精密芯片基座、复杂光学镜片，大到飞机引擎叶片、航母核心构件，各种机械设备都离不开机床加工。一个国家的数控机床技术水平直接影响其航空航天、高铁船舶、核电设施等领域的发展。目前，我国已形成较为完整的机床产业体系，与世界领先水平的差距正在快速缩小，已成为全球数控机床第一大产销国。预计到2025年，行业规模以上企业营收将达到1万多亿元，同时我国机床出口份额也将跃升至世界第一。
然而，在高端机床产品的设计和生产方面，我国仍与世界领先水平存在差距。高端数控机床具有高性能、高可靠性和智能化等特点，快移速度可达60-200米/分钟，加工定位精度达到1微米。超精密加工机床更是要求亚微米级乃至纳米级精度。长期以来，我国高端数控机床采用逆向设计思路，虽然能模仿高端机床的外观、结构和尺寸，但在性能上仍有不足。例如，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仍有差距。此外，高端数控机床的核心部件如高精度数控系统、高转速电主轴、精密滚珠丝杠、直线导轨等，自主化率还不够高。
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。该体系以复杂零件加工需求为起点，系统性地分析几何、工艺、运动、刚度、精度等关键要素，最终生成适配零件特征的机床设计方案。通过层层递进、相互适配的设计过程，最终实现机床的高性能加工能力。
例如，在复杂曲面几何的适配设计中，传统机床通常只能处理规则平面和弧面结构，而高端机床需要加工具有自由曲面或结构异形的复杂工件。这就需要智能设计方案来适应这些复杂几何形状。在加工工艺与机床运动链的正向设计中，高端机床通常至少有3个直线轴和2个旋转轴，实现五轴联动加工。通过解析旋转轴构型规律和多轴运动拓扑设计，可以保证刀具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，浙江大学团队克服了整机“正向设计”难、加工精度提升难等难题，自主研发了高端数控机床整机数字化设计软件工具集。这些工具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。
当前，以人工智能为代表的新一代信息技术正深刻影响机床行业。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。如果能在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取得突破，将为我国高端数控机床自主设计创新提供重要支撑。通过融合数据驱动技术和数字孪生框架，可以提升高端机床设计性能，减少物理样机试制，实现智能设计优化。
未来，我们团队将进一步推广龙门加工中心创新设计经验，创立具有自主知识产权的中国机床品牌，推动我国制造业向高质量发展，为中国创造、中国质量和中国品牌贡献力量。
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