7.5 - 工業生產入門套裝

以下提議的入門套裝來自正在進行的概念設計研究，其筆記構成了本書的第 9.0 節。它應該能夠生產出相當高比例的自身零件。透過足夠的程式設計，它也應該能夠以較低的人力勞動量執行。入門套裝中的所有元素似乎都在現有技術範圍內，儘管需要一些定製設計和軟體。研究仍在進行中，因此入門元素列表可能會發生變化。儘管如此，我們認為描述當前的概念還是很有價值的，以便其他人可以對其進行評論和改進。

該套裝的選擇重點在於靈活性，以便早期的機器可以完成許多不同的任務。當入門套裝發展成為一個全負荷工廠時，可以新增更多專業化的機器和入門套裝的額外副本，以提高效率和生產率。機器的大小目前尚未確定。這將取決於所需的產量和最終產品的型別。最佳的入門套裝也可能會因地點而異。以下套裝假設地球上一個溫帶環境，位於或靠近發達地區。

(1) 模組化機器人

這包括車輛和操作元素的組合，以提供物理運動。運動由電動機或液壓系統產生。車輛元素的功能類似於農業拖拉機，透過使用不同的附件執行各種功能。機器人元素包括攝像頭、計算機、機械臂和末端工具，用於操縱物體。該設計設想為模組化，具有框架、驅動系統（車輪、履帶或腿）、電源系統和多個附件位置。一個附件將是“手動控制模組”，用於需要人直接操作車輛的時候。這可能發生在不值得程式設計自動化的獨特任務中，或者人類感官能夠更好地對意外情況做出反應。重複性操作，例如將岩石從採石場坑中運輸，可以實現自動化。

機器人元素也可以在固定位置從車輛上分離使用。在工廠建築中，它將使用固定的安裝點並連線實用程式。透過合適的附件和工具，機器人裝置的組合可以提取原材料，將它們運送到工廠，然後在工廠內移動物品並執行重複的裝配任務。圖 1 展示了一個已取消的軍用無人地面車輛設計。雖然已被取消，但它說明了帶有多個附件的機器人車輛的概念。它沒有顯示此處提出的那種機械臂。

(2) 太陽能熔爐

許多工都需要熱量，而太陽能熔爐在不消耗外部電力或燃料的情況下產生熱量。它被設想為一組小型鏡子，它們安裝在極地主軸上，以跟隨太陽的每日運動，並進行季節性傾斜調整。這些鏡子被排列成平面的菲涅耳陣列或拋物面的一部分，以將陽光匯聚到一個焦點上。主鏡陣列上方的第二個凸面鏡將光線反射回極地軸。因此，焦點在太陽移動時保持固定，這使得使用匯聚的光線更加容易，並且它處於更方便的工作高度。不同的目標根據手頭的任務放置在焦點處。

熔爐可以製造磚塊和其他陶瓷、水泥用於混凝土、熔化金屬用於鑄造以及製造玻璃用於更多的熔爐和其他用途。它還可以透過在焦點處放置蒸汽鍋爐或聚光式太陽能電池板來發電，並透過將熱量輸送到岩石熱能儲存床來儲存能量。如果需要完成多個任務，可以建造多個熔爐副本，或者建造一個共享焦點區域的更大版本。當陽光不足或間歇性時，熔爐可能需要輔助加熱。圖 2 展示了一個具有不同安裝方式的太陽能熔爐。我們提議的設計將第二個鏡子放置在這個鏡子安裝目標的位置，並將目標移動到靠近地面並更容易到達的固定位置。

(3) 橋式銑床

這被設計為一個固定的橋柱，它在垂直 (Z) 軸上移動，以及在水平 (X) 軸上在軌道上移動的滑動工作臺，它在橋下移動。橋本身有 4 個安裝點，它們在橫向 (Y) 軸上移動，正面有兩個，背面有兩個。在每個面上，一個安裝點從左側開始，另一個從右側開始。每個安裝點都有自己的絲槓，因此它們可以獨立移動。根據需要，不同的加工頭、3D 列印頭、等離子或雷射切割頭、噴漆頭或其他任務頭安裝在每個安裝點上，不同的頭可以根據需要在末端位置交換刀具或補充材料，末端位置延伸到工作區之外的柱子之外。工作臺可以接受帶有額外運動軸的托盤，並且各種加工頭也可以包含額外的軸。對於等離子切割或噴漆等工作，托盤包括對周圍環境的保護。

如果需要超過四種操作，那麼可以交換多個加工頭，或者在軌道上更遠的位置安裝第二個橋。透過共享基礎軌道和橋來完成主要的 XYZ 運動，用於多種操作的總裝置數量更少。這限制了同時可以完成的任務數量，但這對於入門套裝來說是一個可以接受的折衷方案。圖 3 展示了一個小型簡單的橋式銑床，它說明了基本形狀和運動軸。它不具備此處針對種子工廠機器提到的許多功能。

(4) 水平車床

這被設計為 4 根平行的固定軌道。兩條軌道固定主軸/卡盤和驅動電機、尾座或第二個主軸以及任何中間支撐。工件由主軸和一些支撐組合固定。另外兩條軌道支撐一個可移動的橫向滑板、刀塔或銑削頭，根據需要使用。不需要的任何部分都存放在軌道末端。刀具更換器位於主工作區域上方，並提供各種刀具和附件，根據需要使用。由於四根固定軌道牢固地連線在一起，因此可以進行高精度加工。圖 4 展示了一個較老的水平車床，主軸和卡盤在左側，尾座在右側，橫向滑板在正面。此版本有兩條固定軌道，而提議的設計將橫向滑板和其他附件放置在額外的軌道上，以便可以根據需要停放或使用它們。

(5) 液壓機

這是一個四柱式主壓機，帶有液壓活塞，以及用於安裝附件的頂部和底部開槽板。柱子在活塞向下推動時使壓機的上下顎保持平行。它包括各種插入件，用於壓制模具和模具、剪下、軋製、彎曲和成型。薄金屬可以在室溫下加工，而較厚的金屬部分可以熱壓 (鍛造)。壓制不像銑床和車床加工那樣精確，但速度要快得多。圖 5 展示了一個與所述型別非常接近的壓機，上面安裝了多個附件。這是一個較舊的手動版本。此處提議的版本將對附件進行自動化更換，並對壓機的材料或坯料進行自動化送料。

(6) 工藝工廠

為了複製機器，或者製造原始集合中沒有的新機器，需要各種材料。一些材料可以使用太陽能熔爐生產，這些材料需要高溫。但其他材料需要一系列物理或化學反應或操作。這臺“機器”由多個單元組成，每個單元執行簡單的化學過程。這些單元可以以靈活的模組化方式連線起來，根據預先程式設計的“配方”執行更復雜的過程。這與大多數商業工廠形成對比，商業工廠通常設計為使用永久安裝的裝置對單一過程進行大規模生產。為了達到化學相容性和不同的溫度和壓力範圍，需要用不同的材料（玻璃、不鏽鋼等）構建相同型別的基本單元。

任何不是所需產品的輸出都會被回收或再加工，以確保工廠不會產生大量廢物。在改變工藝時，還需要對單元進行清潔以防止交叉汙染。圖 6 顯示了從月球土壤中提取材料的提議化學過程。它提供了一個由簡單元素組成的化學工廠的總體概念，但不包括透過重新排列模組來改變過程的能力。

(7) 電氣車間

自動化機器需要各種電氣和電子裝置。包括電線、絕緣體、電機、發電機、電池、開關和繼電器、變壓器、電阻器、電容器、電感器、燈絲、電路板和微電子器件。電氣車間元素不是一臺大型機器，而是許多小型元素的集合，這些元素儘可能地填充了這些專案。例如，可以在液壓機上卷繞生線，可以在車床或銑床上加工電機框架，但電機繞組是一個專門的電氣車間任務。更專業的元件，如微處理器晶片，只需購買即可，但應該有一系列可以由工廠製造的中級產品。圖 7 顯示了一個電力生產車間。我們建議至少部分自動化製造和組裝。

(8) 建築和輔助裝置

之前列出的所有主要裝置都需要至少偶爾的防風雨保護。此外，還需要控制計算機的住房和設計區域，堅固的基礎，以及公用設施和照明。除了主要的機器、化學和電氣區域外，還需要倉庫、用於測量、研磨和銳化的輔助機器，以及行動式工具和手動工具。工廠的這個元素包括建築本身，以及列出的輔助裝置，組裝區域，用於運輸和訪問的通道等等。

建築物採用模組化設計，根據需要進行環境控制和外部保護，並且可以根據需要輕鬆擴充套件或修改，以滿足工廠發展的需求。圖 8 顯示了一個大型通用車間建築，類似於為種子工廠提出的型別。