谭建荣院士：创新设计关键技术与发展趋势
2023-06-14 来源：新工业网
一代产品需要一代工艺产品是带动产业链发展的关键因素，产业链中各企业的核心工作就是把产品做好。做好产品需要一代工艺，很多制造企业在工艺方面还有欠缺，主要存在两个问题。
第一，经典的优秀工艺面临失传的危险，很多制造企业的关键工艺岗位招聘不到年轻人，产业工人平均年龄逐步老化，特别是上海、杭州、北京这类城市。例如，数控机床的质量关键就是机床的切合面，切合面要保持良好的润滑性能和接触性能，需要刮、削、碾磨等工艺，这些工艺都面临失传的危险。第二，过去很多工业建立在劳动密集型基础上，而在数字化、自动化、智能化的今天，需要重组优化工艺。这两个问题需要产业链中各个企业加强联络，一起攻关并解决。
大批量的产品还涉及模具问题，如模具的可靠性、可用性、长寿性、耐磨性等，很多问题还没有完全解决。所有这些问题都需要一代设计，只有通过一代设计才能真正做好一代产品，才能真正掌握行业和产业链核心的技术。
改革开放 40 多年来，我国制造业取得了很大成就，制造业对国民经济的贡献、对改善人民生活质量，对人们追求更美好的生活功不可没。但现在制造企业遇到了一定困难，其中最大的问题就是不适应市场的变化。市场变化主要有四个方面 ：
一是由批量化生产向定制化生产方向发展 ；二是由单一化产品向多品种方向发展 ；三是过去研发、生产产品周期很长，现在产品更新换代很快 ；四是过去产品都是大众化的，现在市场需求高端化的产品，恰恰在高端化产品上我们的设计、研发、创新能力不足。
制造业创新发展包括三个方面 ：
第一，要补短板强链发展。目前无论芯片、数控机床，还是工业母机等，产业链上存在着很多短板，科学技术部梳理了 35 项补短板技术，其中 34 项跟材料有关。第二，除了补短板还要扬长板，把优势发挥出来。第三，链主创新带动全链创新，制造业的链主是在市场经济中、市场竞争中自然形成的，要把它规划出来比较难，行业领头羊的产值、创新能力、研发能力、市场认可程度是关键内容，所以只有链主的创新才能带动全链的创新。例如，主机厂创新能力很强，可以推出一代又一代新产品，配件厂就要根据主机厂创新的产品不断更换自己的产品，不断更换工艺和模具，所以链主创新会带动全链创新。
通过创新设计实现创新发展
只有通过创新设计才能牵引创新发展，要不断推出新产品，产品创新设计是制造业产业链创新发展的龙头，制造企业要抓住这个龙头才能促进整个产业链发展。
创新设计的实现主要体现在三个方面 ：一是材料，即制造基础 ；二是工艺，即核心技术 ；三是设计，通过产品自主创新设计，才能转换一代工艺。
产品研发、产品设计方面也经历了四个阶段，可以说是四种范式。第一，仿制设计。改革开放初期，很多企业的产品是仿制设计。第二，逆向设计，即反求工程。第三，正向设计。就是从市场需求分析进行研发，找到任务的源头，比如老百姓需要什么样的汽车新产品，企业需要什么样的新机床。改革开放过程中，中国的制造业已经由 1 做到了 100，现在很多地方热衷于把 100做成 200，GDP 要翻一番。这当然很好，也是必要的，但还不是关键，关键是如何从 0 到 1，如何推出新产品。正向设计包括设计概念正向生成、设计信息正向传播、设计性能正向预测。
正向设计的过程，大致可以分为概念形成、概念设计等环节，比如马斯克的特斯拉电动汽车就是颠覆性创新，他把机电产品做成了一个信息化的产品。原来汽车就是一个机电产品，即机械 + 电控，但现在汽车是信息化产品，成了互联网的移动终端。小米要造汽车、百度要造汽车，互联网的公司都来造汽车了，有些人质疑是不是跨界太大了？其实不然，这些企业是把汽车看成互联网控制的终端，是互联网的延伸，所以从概念上进行创新很重要。正向设计从概念形成、概念设计、功能设计、整机设计、布局设计、结构设计、装配设计、精度设计、性能设计、工艺设计等方面，实现全过程创新。
第四，创新设计。在正向设计的基础上，才有可能实现真正的创新设计。把创新的理念和设计过程融合，对机电产品来讲，包括新功能、新机构、新结构、新外观、新材料、新工艺、新原理，等等。其中最重要的是新原理的创新，包括产品需求、功能、结构、物理、工艺、工业设计、市场创新等。
创新设计有十大关键技术 ：一是创新设计思维与设计智能的认知机理，创新既是一个技术问题，也是一个认知问题，包括认知的高度、视野、前瞻性、独创性等 ；二是创新设计概念的表达与正向传递规律 ；三是创新设计功能、机构与结构映射技术 ；四是产品多部机布局方案自适应匹配技术 ；五是产品结构轻量化设计与拓扑优化技术 ；六是产品精度均衡分配与虚拟装配技术 ；七是产品多学科耦合建模与性能预测技术 ；八是创新设计的快速验证与三维打印技术 ；九是创新设计知识工程与大数据搜索技术 ；十是创新设计数字孪生虚实映射与仿真技术。我们提出并且已经实现了这十大关键技术。
在超大型低能耗空分装备设计、高端数控机床正向设计、大吨位液压机、电梯产品等领域，我们帮助一批企业实现了正向设计和创新设计，并且进行了数字化、网络化、智能化的转型。
原文刊载于《企业管理》2023年5月 作者：中国工程院院士、浙江大学求是特聘教授 谭建荣
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