基于達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)思維的現(xiàn)代工程應(yīng)用構(gòu)想

張余益，李 睿，郭 巍

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

1 現(xiàn)狀背景

近年來，為更好地培養(yǎng)全球拔尖工程人才的設(shè)計(jì)思維與實(shí)踐能力，探索新工科、新基礎(chǔ)、新方法、新課程，達(dá)·芬奇機(jī)器的設(shè)計(jì)手稿在全球很多工科院校風(fēng)靡。達(dá)·芬奇在多系列的工程機(jī)器設(shè)計(jì)手稿中大量運(yùn)用了超越當(dāng)時(shí)時(shí)代的軸測(cè)圖、爆炸圖、局部放大視圖、幾何透視圖和剖視圖等，來表達(dá)所設(shè)計(jì)工程機(jī)器的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如他設(shè)計(jì)的起重機(jī)設(shè)計(jì)手稿所表達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)理論，在現(xiàn)代很多鐘表棘輪和自行車中得到應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)手稿即使在今天，仍然令研究者們感到驚奇與贊嘆。

2004 年之前，全球各大博物館展品中的復(fù)原機(jī)器都沒能表現(xiàn)出達(dá)·芬奇本人的設(shè)計(jì)意圖，并且展品中的作品都無法真正運(yùn)行。院校相關(guān)專業(yè)與實(shí)驗(yàn)課雖然一直都在投入研究，但大都由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備問題、人力資源問題、系統(tǒng)工程問題等，缺乏應(yīng)用式構(gòu)想等因素，進(jìn)展緩慢。本研究擁有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)思維解決此類問題：一方面工程訓(xùn)練中心匯集了全球很多尖端的高精密設(shè)備和多工藝制造裝備，是全球最大的創(chuàng)客基地之一；另一方面訓(xùn)練中心有著近百年的制造工藝沉淀與創(chuàng)新型工程思維傳承，每一位項(xiàng)目參與人都具備現(xiàn)代工程師的開放腦洞與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)莫?dú)特工匠技能；更重要的是訓(xùn)練中心承接著清華大學(xué)工科同學(xué)的很多工程實(shí)踐課，為此創(chuàng)新型課程的開發(fā)對(duì)工程實(shí)踐教學(xué)有很大的推動(dòng)進(jìn)步作用。

達(dá)·芬奇機(jī)器的復(fù)原研究成果還將在校內(nèi)科技博物館中展出，為博物館提供多系列的展出機(jī)器，面向廣大學(xué)生和參觀者科學(xué)展示工程機(jī)器的發(fā)展過程與機(jī)器內(nèi)部構(gòu)造，讓更多人了解工程機(jī)器設(shè)計(jì)制造的精妙。

2 構(gòu)想設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目將開設(shè)以項(xiàng)目式教學(xué)方法為基礎(chǔ)的多工藝融合式工程訓(xùn)練實(shí)踐課。學(xué)生們?cè)谝粚W(xué)期內(nèi)學(xué)習(xí)到工業(yè)制造中的不同生產(chǎn)制造設(shè)備和相關(guān)制造工藝，在每種制造工藝環(huán)節(jié)都會(huì)收獲不同工種的知識(shí)與技能。經(jīng)過一學(xué)期的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐來提升對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等一系列有關(guān)工業(yè)發(fā)展的整體認(rèn)知，并間接完成工程文化素質(zhì)的培養(yǎng)與提升。

項(xiàng)目式教學(xué)中6 人組建一個(gè)團(tuán)隊(duì)，每人扮演不同角色，分擔(dān)工作任務(wù)，團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目化課程，以達(dá)·芬奇機(jī)器某個(gè)具體產(chǎn)品為導(dǎo)向，分解產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝工程設(shè)計(jì)、加工制造等環(huán)節(jié)，設(shè)置階段性的里程碑任務(wù)。這樣的設(shè)計(jì)有利于以團(tuán)隊(duì)為導(dǎo)向的群體學(xué)習(xí)過程中，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)背景學(xué)生在課程中的重組性，有利于通過跨學(xué)科人才互動(dòng)，促進(jìn)多元化人才的培養(yǎng)。在課程里學(xué)生不僅能學(xué)習(xí)到CAD/CAM 應(yīng)用軟件、木工、鉗工、普銑、數(shù)控銑和特種加工等多種制造成型方法與制造工具，還可以提升自身的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為以后完成更大的項(xiàng)目和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 構(gòu)想研究方案

本次項(xiàng)目的開發(fā)主要有以下切入點(diǎn)和預(yù)定方案。

3.1 深入剖析達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)手稿

探索五百年前文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)·芬奇是如何用混合藝術(shù)的繪畫手法完美詮釋和表達(dá)科學(xué)的工程思維。機(jī)械制造過程中使用繪圖方式傳達(dá)工程師的設(shè)計(jì)理論、產(chǎn)品狀態(tài)和應(yīng)用原理，機(jī)械繪圖是知識(shí)表達(dá)的工具，是技師和工程師的表達(dá)方式。本次的初期研究就是對(duì)實(shí)際的達(dá)·芬奇機(jī)器圖紙深入剖析和研讀，然后應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)中的三維造型設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和裝配，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)行，在計(jì)算機(jī)中校驗(yàn)達(dá)·芬奇機(jī)器的理論可實(shí)現(xiàn)性。利用計(jì)算機(jī)仿真的功能可以更加便捷有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器理論校驗(yàn)工程，而且具有校驗(yàn)工程周期短、虛擬模型修改方便且成本低的優(yōu)勢(shì)。

3.2 以多個(gè)實(shí)際達(dá)·芬奇機(jī)器為載體

五百多年前的達(dá)·芬奇指出“理論脫離實(shí)踐是最大的不幸”“實(shí)踐應(yīng)以好的理論為基礎(chǔ)”，他認(rèn)為知識(shí)起源于實(shí)踐，應(yīng)該從實(shí)踐出發(fā)，通過實(shí)踐去探索科學(xué)的奧秘。本次研究從達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)手稿入手，參考現(xiàn)代卓越工程師和藝術(shù)產(chǎn)品視覺傳達(dá)師經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用當(dāng)代三維造型設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)器理論校驗(yàn)，以先進(jìn)的制造工藝方法為基礎(chǔ)制造手段，對(duì)至少三個(gè)系列工程機(jī)器進(jìn)行現(xiàn)代化工程制造應(yīng)用與復(fù)原。

3.3 研究達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)思維與視覺傳達(dá)

通過對(duì)達(dá)·芬奇系列機(jī)器的研究，探索、提取、孵化、整理達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)思維與工程機(jī)器的視覺傳達(dá)方法，讓學(xué)生通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)后深刻體會(huì)認(rèn)識(shí)到機(jī)械制圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果圖的重要性。引導(dǎo)學(xué)生正確運(yùn)用更有效的方式表達(dá)自己的設(shè)計(jì)想法，應(yīng)用繪制工程圖的方式向工廠生產(chǎn)人員傳達(dá)零件尺寸、公差等信息。通過從設(shè)計(jì)到實(shí)踐制造的周期中，了解設(shè)計(jì)缺陷，辯駁達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而優(yōu)化機(jī)器本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和可實(shí)現(xiàn)性。

3.4 達(dá)·芬奇機(jī)器二次開發(fā)

運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查找標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選擇標(biāo)準(zhǔn)件，如工業(yè)中通用的標(biāo)準(zhǔn)滾珠軸承、絲杠、光軸、固定螺釘螺母等一系列國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)達(dá)·芬奇系列機(jī)器進(jìn)行二次開發(fā)，以現(xiàn)代工程機(jī)器研究方法詮釋達(dá)·芬奇機(jī)器設(shè)計(jì)理論的可行性和適用性。

3.5 研究新工科實(shí)踐課程新模式

以達(dá)·芬奇機(jī)器工程為載體，貫穿融合多種制造工藝，這需要開發(fā)工程理論與實(shí)踐課的新模式，為培養(yǎng)卓越工程人才研究新的創(chuàng)新培養(yǎng)方案。本次課程創(chuàng)新將以文化發(fā)掘與文化工程為主體框架，具體通過達(dá)·芬奇機(jī)器修復(fù)工程為任務(wù)目標(biāo)，貫穿整個(gè)理論和實(shí)踐課。項(xiàng)目負(fù)責(zé)老師需提前選擇易于學(xué)生實(shí)現(xiàn)復(fù)原的幾款達(dá)·芬奇機(jī)器，于課程準(zhǔn)備前期經(jīng)過機(jī)器復(fù)原工程校驗(yàn)。在課程中學(xué)生以組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的方式領(lǐng)取達(dá)·芬奇機(jī)器復(fù)原任務(wù)卡，任務(wù)卡上有明確的復(fù)原任務(wù)，如必須在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成虛擬三維建模、機(jī)構(gòu)仿真工程校驗(yàn)、制造工藝方法、基礎(chǔ)零部件實(shí)際制造等相關(guān)復(fù)原必要工作任務(wù)。每個(gè)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)取不同的達(dá)·芬奇機(jī)器復(fù)原任務(wù)卡，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員分別有各自的角色扮演，其中必要的有項(xiàng)目總工程師、設(shè)計(jì)工程師、制造工程師、工藝員、材料選配員和安全工程員等，他們互相聯(lián)系、互為條件、互相作用，共同有序地推動(dòng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的動(dòng)態(tài)平衡發(fā)展。這樣以團(tuán)隊(duì)合作為導(dǎo)向的項(xiàng)目課程，更有利于跨學(xué)科人才的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

以達(dá)·芬奇機(jī)器為載體的項(xiàng)目導(dǎo)引式學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生充分了解到工程機(jī)器的前世今生，感受工程機(jī)器的精妙，感受歷史上工程機(jī)器的文明與革新，從而提升學(xué)生對(duì)工程機(jī)器乃至整個(gè)工程制造業(yè)的興趣，有助于新一代卓越工程人才的培養(yǎng)。