工业母机是现代化产业体系的核心基石，也是发展新质生产力的关键支撑。当前，我国正处于从制造大国向制造强国迈进的关键时期，推动工业母机、尤其是高端数控机床的自主创新与产业升级，不仅关乎产业链与供应链的安全韧性，更是培育新动能、塑造竞争新优势的战略抓手。

张俊  西安交通大学教授、博导、机械工程学院副院长

工业母机发展现状

工业母机，即机床，是用于制造机器和零部件的基础设备，在制造业中具有不可替代的核心地位。高端数控机床作为“中国制造2025”战略明确提出的十大重点发展领域之一，直接面向国家重大战略需求，是推动制造业高质量发展的关键支撑。

我国目前已成为全球机床装备第一大生产国和消费国，整体情况可概括为“两个第一”和“三个三分之一”：产量与消费总额均位居世界首位；产值约占全球三分之一，消费总额约占全球三分之一，进口机床约占国内市场的三分之一。2024年，我国机床工具行业进口总额为101.6亿美元，同比下降8.6%，以高端产品为主；出口总额达217.2亿美元，产品主要集中在中低端领域。这反映出我国机床产业在全球产业链中仍呈现出“整体处于中低端，局部具备高端能力”的发展格局。

从技术层面来看，我国机床在常规功能和基础精度方面已接近国际水平，但在精度稳定性、保持性、可靠性与高速、超高速以及超精密等高端性能上仍存在明显差距。特别是在面向特定行业的高效高精专用机床、高精度多轴联动机床等领域，多数产品仍处于样机阶段或性能尚未完全成熟。经过十余年的发展，国产机床在低速、低加速度和空载运行等常规工况下，关键精度指标已达到国际同类水平；但在高速、高加速度、重切削负载以及长期连续运行等严苛条件下，其精度稳定性和保持性仍与国外先进水平存在一定差距。

工业母机核心性能解析

数控机床作为典型的复杂机电系统，其综合性能由机械结构、伺服驱动、控制系统与工艺应用等多方面因素耦合决定。核心性能可归纳为几何精度、动态性能和联动精度三个关键维度。

1.几何精度

几何精度指机床在静态或准静态条件下的基础精度，直接影响加工零件的尺寸与形状准确性。其主要影响因素包括：

热变形：机床在运行中因发热导致结构膨胀或收缩，进而引起零点漂移和定位精度变化；

缓变应力：残余应力释放、装配应力不均等，会引发床身等基础构件缓慢变形，导致精度衰减；

动态应力：运动副受力不均、振动及惯性力作用，会加剧磨损，影响精度长期保持。

为提升几何精度，设计理念由“静态设计”转向“服役态设计”，综合考虑重力、热载荷等实际工况，并通过反变形设计和应力时效工艺等方法进行系统优化。

2.动态性能

动态性能反映机床在运动状态下的抗振性与稳定性，直接决定加工表面质量与刀具使用寿命。机床振动主要分为结构振动、运动振动与切削振动三类，其关键影响因素包括：

结合部性能：固定结合部（如螺栓连接）与运动结合部（如导轨副）的刚度与阻尼受装配工艺、预紧力及服役条件影响显著；

功能部件动态特性：直线轴与回转轴的动态响应随位移、速度、加速度及转角等参数变化；

整机刚度场分布：机床在不同姿态与工作位置下刚度分布不均，导致切削稳定域相应变化。

提升动态性能需建立考虑非线性结合部特征的动力学模型，并系统开展刚度场分析与结构优化。

3.联动精度

联动精度指多轴协同运动时的轨迹精度，是评价五轴机床等高端装备性能的核心指标。其本质为机械系统与伺服系统间的复杂耦合问题，具体表

现在：

多频力矩谐波激励：伺服电机输出力矩中包含多种频率谐波，其特性随速度、负载与时间变化，可能激发机械结构多阶模态并引发振动；

跟随误差与轮廓误差：机械摩擦、惯性、传动误差及控制参数不匹配等因素导致单轴跟随误差，耦合形成多轴轮廓误差，在加工表面呈现明暗条纹等缺陷。

提高联动精度需深入研究机电耦合机理，优化伺服控制参数匹配，并发展高精度多轴联动控制算法。

工业母机核心关键技术

为实现高端数控机床的自主可控，需突破以下关键技术体系。

1.正向设计与性能仿真

整机与部件正向设计：包括整机构型优化、部件拓扑设计、动态性能预测以及几何精度分配等。

功能部件研发：重点攻关高精度电主轴、静压导轨、精密转台/摆头、高分辨率光栅尺以及高性能国产数控系统等。

2.精密制造与装配工艺

服役态装配工艺：建立面向精度保持性的装配尺寸链与形位公差分配体系，优化螺栓预紧策略与地脚布局。

应力时效工艺：对床身等大型铸件进行人工时效处理，加速残余应力释放，提升长期稳定性。

3.智能调试与补偿技术

综合误差补偿：集成空间误差、热误差和跟随误差等补偿模型，提升机床实际加工精度。

机电参数调试：通过伺服参数匹配与机电联调，优化动态响应，抑制振动。

4.高效高精加工工艺

工艺优化与智能编程：针对航空航天、汽车等不同领域，开发高效切削参数库与智能工艺规划软件。

在机检测与监控：集成在机测量、刀具状态监控与振动监测等功能，实现加工过程闭环控制。

5.运维与可靠性保障

状态监测与预警：实时监测机床关键性能指标，对精度衰退、部件失效进行预警和预测性维护。

寿命评估与可靠性设计：建立关键功能部件的寿命模型，指导可靠性设计与维护策略。

工业母机产学研合作新模式

为了推动技术研发与产业应用深度融合，需要在产学研合作机制上进行创新。西安交通大学近几年通过推进实施“1121”产学研深度融合模式，将校企联合研究平台打造成科技创新载体、学科发展引擎。具体措施包括如下几点：

一个中心：建设以领军企业为主导的“创新联合中心”，汇聚高校、科研院所和上下游企业资源。

一个孵化器：建立大企业承载的“技术成果转化孵化器”，加速实验室技术的中试与产业化。

两个围绕：坚持“围绕产业链部署创新链，围绕创新链布局产业链”，实现研发与产业需求无缝对接。

一个共享机制：建立“学校招、企业供、政府助、协同用、多方赢”的人才共享机制，实施“双管理、双首席、双导师”的联合培养模式。

目前，西安交通大学在工业母机领域已与通用技术集团、秦川机床、广东创世纪、中航西飞等多家龙头企业建立了联合研究院或实验平台，在物理空间、研究方向和人才共享等方面开展深度合作，初步形成了“需求牵引、技术驱动、资本助力、生态协同”的创新格局。

结论

我国工业母机产业已取得显著进展，但在高端领域仍面临技术追赶与外部制约的双重挑战。面向未来，必须聚焦以下关键路径：一是推动核心性能从“形似”向“神似”跃升，着力破解精度长期保持性、动态稳定性和多轴联动精度等深层次问题；二是继续攻克数控系统与精密功能部件等关键环节，逐步打破“卡脖子”瓶颈；三是深化产学研用融合，构建以企业为主体、市场为导向的创新体系，加速科技成果转化；四是完善人才引育机制，以“校招共用”等柔性方式培养和集聚高端复合型人才。只有依靠持续技术创新、体系化协同与生态共建，才能实现从“跟跑”“并跑”到“领跑”的跨越，为我国制造强国建设提供坚实支撑。

推动工业母机向高端化、智能化迈进，既是激活新质生产力、构建现代化产业体系的战略要求，也是应对新一轮科技与产业变革的必然路径。为此，必须坚持自主创新与开放合作并重，着力在核心性能上实现系统性突破，在关键技术上掌握战略主动，在协同机制上构建可持续生态。通过持续努力，将工业母机真正打造为更精密、更可靠、更智能的“制造之基”，才能为中国制造高质量发展注入持久动能，并在全球高端装备竞争格局中赢得主动、塑造未来。