吉林大學陳傳海教授團隊：高端數控機床可靠性技術綜述：現狀和展望 | CJME論文推薦

引用論文

Zhijie Li, Zhaojun Yang, Zhifeng Liu, Chuanhai Chen, Jinyan Guo, Hailong Tian, Review on reliability technology for high-end CNC machine tools: Overview and prospect, Chinese Journal of Mechanical Engineering, Volume 39, 100177, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2026.100177.

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關于文章

01

研究背景及目的

目前已形成諸多數控機床可靠性理論方法與工程技術成果，通過工程應用提升了國產普通數控機床的可靠性水平，但相關方法對高端數控機床可靠性的提升作用仍不夠顯著。目前，相關研究多聚焦于特定技術或方法的專題討論，但鮮有關注高端數控機床的可靠性特點，以及其衍生的試驗成本高、數據樣本小、服役工況多、可靠性提升難等關鍵挑戰及其應對策略。近年來隨著行業的轉型升級，高端機床正逐步向多結構集成、高柔性加工、小批定制生產等方向演變，傳統可靠性研究模式需要尋求變革。為此，本文系統回顧了高端數控機床的研究特點，并梳理相關研究的進展和不足，為可靠性研究發展提供前瞻性建議。

02

試驗方法

文章首先回顧了數控機床可靠性的研究歷程，總述該領域的發展情況，并論述了高端數控機床與經濟型通用機床在市場競爭、生產條件、功能發展等方面異同，并分析其特征對可靠性研究帶來的獨特挑戰。而后，重點聚焦于可靠性試驗、故障分析、可靠性建模及設備維護管理等四大研究領域中為應對高端數控機床特點而開展的相關研究，其中包括：整機及關鍵部件的加速試驗技術、關鍵部件的故障機理分析、小樣本數據集的可靠性建模方法、融合深度學習的故障診斷和智能維護技術。通過梳理相關技術的發展脈絡和研究思路，分析并探討了上述挑戰的應對策略。

03

結果

文章分析了在可靠性試驗、可靠性建模、部件故障機理及運維預測等領域中為應對高端數控機床研制成本高、生產批量小、結構復雜、加工柔性高等特點的前沿研究，指出以下發展趨勢：

（1）加速試驗技術已于整機和功能部件進行部分應用，但目前實施成本仍居高不下，需探索試驗優化方法。

（2）主軸、導軌、絲杠等核心部件故障機理已得到深度探索，可靠性趨于穩定，然而其余部件卻未得到足夠重視。

（3）小樣本數據集的現有建模方法各有優劣，但仍需注重對背景數據的挖掘，以實現評估精度提升或虛擬樣本擴充。

（4）依賴數據驅動方法可在故障機理研究不充分時為故障預測提供解決方案，但未來仍需轉向以機制-數據混合建模方法以克服數據稀缺性。

此外，文章探討了當前研究應對高端數控機床發展的在其他方面的不足，主要表現如下：

（1）相較于風險評估、運維預測等熱門研究，產品失效機制及其可靠性設計規律的探索工作較為稀缺，難以根本上提高機床可靠性；

（2）當前高端機床在結構配置與功能部件方面呈現顯著的多樣化和新發展，現有載荷譜研究亟待更新，從而揭示其服役工況特點；

（3）機床的配套條件和維護支持對保障機床可靠運行影響顯著，但相關技術研究卻受到忽視。

04

結論

隨著高端數控機床朝著復雜結構、多樣化工藝、定制化生產等方向不斷發展，傳統應對批量生產的通用性數控機床的可靠性研究模式亟待變革。文章通過系統梳理高端數控機床特性帶來的技術挑戰及前沿研究的局限性，提出三個未來研究的前景方向：

（1）建立“整機-子系統-組件-部件”的多層次試驗平臺，并應對故障機理展開層次化研究。

（2）探索故障機制共性特點，開發可移植的訓練框架及適配場景的自我更新與自主學習方法。

（3）構建機床功能部件的研究型譜，并區分專用部件及通用部件以開展模塊化的深度研究。

05

前景與應用

近年來，隨著航空、航天、新能源汽車及造船等高端制造業的迅猛發展，多軸機床、多工藝復合機床、智能加工中心、柔性制造單元及無人值守自動線已成為機床行業未來發展方向，且隨著行業的轉型升級，其迭代速度將持續加快。高端數控機床正朝著復雜結構、多樣化工況、長期連續運轉以及定制化生產等方向發展，伴隨而來的試驗成本高、數據樣本小、應用工況多、可靠性提升難等技術挑戰需要探討其應對策略。文章對可靠性試驗、故障分析、可靠性建模及設備維護管理等熱門方向研究進行了技術跟蹤，整理了現有可靠性試驗裝備、各部件典型故障模式、常用的小樣本建模方法及深度學習方法，并探討其發展脈絡并評述了當前研究的不足，最后結合行業需求動向對未來研究模式提供了前瞻性建議，可為高端數控機床的相關科研人員和實踐工作者提供參考。

關于作者

01

作者介紹

劉志峰，生于1973年7月，博士，教授，吉林大學博士生導師，教育部“長江學者”特聘教授，吉林省高端數控裝備先進制造與智能技術重點實驗室主任、數控裝備可靠性教育部重點實驗室常務副主任、高精密機床正向設計與智能加工技術北京市重點實驗室主任，主要研究方向為高端數控機床設計及制造、數控裝備可靠性與精度保持性提升技術、自動產線及制造單元數字孿生等。主持國家科技重大專項、國家自然科學基金等國家級科研課題二十余項，主持及參與國家標準9項，發表論文200余篇，其技術成果推廣應用至通用技術集團、北一機床、科德數控等國內機床行業龍頭企業，助推國產數控機床應用于汽車生產線、航空航天、發（核）電設備和船舶等高端制造領域。

黎志杰，生于1998年，吉林大學數控裝備可靠性教育部重點實驗室博士研究生，2021年畢業于吉林大學，主要研究方向為高精密機床可靠性及精度設計。

楊兆軍，生于1956年，博士，二級教授，吉林大學博士生導師，首批長白山學者特聘教授，研究方向為數控機床全生命周期可靠性技術，包括可靠性試驗、可靠性設計、運行與維護管理。

陳傳海，生于1983年，博士，教授，吉林大學博士生導師，教育部“長江學者”校企聯聘學者，機械與航空航天工程學院副院長、數控裝備可靠性教育部重點實驗室主任，主要研究方向為數控機床及其關鍵功能部件可靠性試驗、試驗裝備開發、設備狀態監測與維護。

郭勁言，生于1993年，博士，副教授，吉林大學博士生導師，主要研究方向為數控機床關鍵功能部件加速試驗技術、智能運維技術。

田海龍，生于1988年，博士，教授，吉林大學博士生導師，主要研究方向為數控機床運行狀態監測、故障分析、可靠性建模。

02

團隊研究方向

吉林大學數控裝備可靠性科研團隊，始建于1996年，由賈亞洲教授與楊兆軍教授共同創辦了原吉林工業大學數控機床可靠性研究室發展而來，是國內最早開展數控機床可靠性研究的單位之一。2008 年獲批“機械工業數控裝備可靠性技術重點實驗室”，2014 年獲批“吉林省機電裝備可靠性技術工程研究中心”，2017 年遴選為吉林大學首批“高層次科技創新團隊”、2019 年獲批“數控裝備可靠性教育部重點實驗室”、2021 年參與建設通用技術集團“高端數控機床重點實驗室”、2022 年牽頭獲批“吉林省高端數控裝備先進制造與智能技術重點實驗室”,在我國數控裝備可靠性技術領域具有重要的影響和較高的知名度。

團隊主要從事數控機床、工業機器人、制造單元、生產線等高端數控裝備及制造系統的可靠性理論與技術研究，有教授/博士生導師9人，副教授、副研究員和高級工程師6人，講師和工程師5人，博士后、在讀博士和碩士研究生100余人。擁有長江學者、國務院政府特殊津貼獲得者、“萬人計劃”青年拔尖人才、吉林大學唐敖慶學者等一批高層次人才。

團隊以教育部“重大人才工程”劉志峰特聘教授作為牽頭人，面向數控機床等影響國家經濟命脈的戰略性數控裝備，針對制約我國數控裝備發展的可靠性技術“瓶頸”和“卡脖子”問題，長期專門從事數控裝備可靠性廣義設計技術、數控裝備及其關鍵部件的可靠性試驗技術與裝備、材料/構件服役性能測試技術與裝備以及高端裝備輕量化、安全性、可靠性設計與制造等研究工作，研究方向穩定，研究工作持續，研究積累深厚。

近年來承擔國家科技重大專項4項、參與20余項，承擔國家自然科學基金7項，通過近10年的科研積累，項目團隊取得了較豐富的實踐經驗和研究成果。

團隊面向基礎研究和應用研究自主研發可靠性試驗系統及裝備，創新研制了主軸可靠性試驗系統（圖1）、轉塔刀架可靠性試驗系統（圖2和圖3）、刀庫及機械手自動換刀裝置可靠性試驗系統（圖4）、光柵傳感部件可靠性測試系統（圖5和圖6）等系列化國內首創可用于模擬實際工況的數控機床關鍵功能部件可靠性試驗系統，形成了國內數控機床關鍵部件可靠性試驗基地。承接國內多家企業技術委托，在多家主機廠和用戶單位開發了一批數控裝備可靠性試驗儀器、現場試驗系統（圖7和圖8）。

圖1 多臺主軸可靠性試驗系統

圖2 轉塔刀架可靠性試驗系統

圖3 動力伺服刀架可靠性試驗系統

圖4 刀庫及機械手自動換刀裝置可靠性試驗系統

圖5 光柵編碼器可靠性試驗系統

圖6 光柵尺可靠性試驗系統

圖7 數控早期故障試驗箱

圖8 為行業龍頭和骨干企業研制的可靠性試驗系統

針對傳統可靠性設計理論不適用于數控機床類高復雜機電系統的技術難題，提出了關口前移和環節擴展的可靠性廣義增長理念，建立了環節擴展的可靠性廣義設計新模型，形成了數控機床可靠性廣義設計理論與方法體系，相關成果編入“機床設計手冊（2020 年修訂版）”的“機床可靠性設計篇”。并開發和完善了數控機床及功能部件可靠性數據庫（圖9），結合10余年來深入100余家企業開展了96萬臺時現場試驗與實驗室內臺架加速試驗，積累了六大類500余臺機床的萬余條數據，現已成為我國機床行業與管理部門決策的主要依據。

圖9 數控機床及功能部件可靠性數據庫

面向國產機床的裝配階段的精度保持性問題，以低應力裝配技術為基礎，研究應力超聲檢測、螺栓組裝配預緊力精準控制、螺栓組裝配工藝優化等系列關鍵技術，在裝配階段對工藝進行監測及優化，保障機床精度保持能力得以提高，在沈陽機床等企業進行了應用驗證（圖10）。

圖10 龍門鏜銑床裝配應力超聲檢測試驗

相關研究成果在國內多家企業實施應用，被人民日報在“重大科技成果巡禮”和科技日報在“兩會特刊”中予以報道，被北京國際機床展作為國家04專項的代表性成果先后5次予以展出，獲得吉林省技術發明獎一等獎、吉林省科技進步獎一等獎、機械工業科技技術獎一等獎以及機械工業科技進步獎二等獎等多項獎項。

03

近兩年團隊發表文章

[1] Jin T T, Chen C H, Guo J Y, et al. Double-classifier adversarial learning for fault diagnosis of rotating machinery considering cross domains. Mechanical System and Signal Processing, 2024, 216(000): 19.

[2] Feng C, Yang Z J, Zhou G J. Reliability evaluation of a complex system that considers the influence of the fluctuation degree of the performance degradation trajectory. Quality and Reliability Engineering International, 2024, 40(3):1311-1333.

[3] Jin A, Yang Z J, Guo J Y, et al. Optimal design of multivariate accelerated degradation test based on game theory. Quality Technology and Quantitative Management,2025, 1-17.

[4] Chen C H, Shi J Z, Chen S, et al. Accuracy prediction method for rolling guide under variable wear conditions based on micro-convex body group. Engineering Failure Analysis, 2025, 167: 109007.

[5] Chen C H, Zhang R L, Guo J Y, et al. A new approach for failure mode and effect analysis based on Fermatean fuzzy Z-number weighted Muirhead mean operator. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2025, 143(000).

[6] Sun Y Z, Tian H L, He J L, et al. Dynamic failure modes and effects analysis method considering synergistic standards of failure correlation and expert evaluation. Expert Systems with Application, 2025, 279.

[7] Guo J Y, Han Z W, Wu S F, et al. Multi-objective optimization design for accelerated degradation test based on game theory. Scientific reports, 2025, 15(1): 14707.

[8] Liu Z F, Pan Z H, Chen J Z, et al. Fault propagation analysis of complex electromechanical systems based on subsystem importance assessment and critical fault path identification. Reliability Engineering & System Safety, 2026, 267: 111866.

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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