7.5 - 工业生产入门套装

以下提议的入门套装来自正在进行的概念设计研究，其笔记构成了本书的第 9.0 节。它应该能够生产出相当高比例的自身零件。通过足够的编程，它也应该能够以较低的人力劳动量运行。入门套装中的所有元素似乎都在现有技术范围内，尽管需要一些定制设计和软件。研究仍在进行中，因此入门元素列表可能会发生变化。尽管如此，我们认为描述当前的概念还是很有价值的，以便其他人可以对其进行评论和改进。

该套装的选择重点在于灵活性，以便早期的机器可以完成许多不同的任务。当入门套装发展成为一个全负荷工厂时，可以添加更多专业化的机器和入门套装的额外副本，以提高效率和生产率。机器的大小目前尚未确定。这将取决于所需的产量和最终产品的类型。最佳的入门套装也可能会因地点而异。以下套装假设地球上一个温带环境，位于或靠近发达地区。

(1) 模块化机器人

这包括车辆和操作元素的组合，以提供物理运动。运动由电动机或液压系统产生。车辆元素的功能类似于农业拖拉机，通过使用不同的附件执行各种功能。机器人元素包括摄像头、计算机、机械臂和末端工具，用于操纵物体。该设计设想为模块化，具有框架、驱动系统（车轮、履带或腿）、电源系统和多个附件位置。一个附件将是“手动控制模块”，用于需要人直接操作车辆的时候。这可能发生在不值得编程自动化的独特任务中，或者人类感官能够更好地对意外情况做出反应。重复性操作，例如将岩石从采石场坑中运输，可以实现自动化。

机器人元素也可以在固定位置从车辆上分离使用。在工厂建筑中，它将使用固定的安装点并连接实用程序。通过合适的附件和工具，机器人设备的组合可以提取原材料，将它们运送到工厂，然后在工厂内移动物品并执行重复的装配任务。图 1 展示了一个已取消的军用无人地面车辆设计。虽然已被取消，但它说明了带有多个附件的机器人车辆的概念。它没有显示此处提出的那种机械臂。

(2) 太阳能熔炉

许多任务都需要热量，而太阳能熔炉在不消耗外部电力或燃料的情况下产生热量。它被设想为一组小型镜子，它们安装在极地主轴上，以跟随太阳的每日运动，并进行季节性倾斜调整。这些镜子被排列成平面的菲涅耳阵列或抛物面的一部分，以将阳光汇聚到一个焦点上。主镜阵列上方的第二个凸面镜将光线反射回极地轴。因此，焦点在太阳移动时保持固定，这使得使用汇聚的光线更加容易，并且它处于更方便的工作高度。不同的目标根据手头的任务放置在焦点处。

熔炉可以制造砖块和其他陶瓷、水泥用于混凝土、熔化金属用于铸造以及制造玻璃用于更多的熔炉和其他用途。它还可以通过在焦点处放置蒸汽锅炉或聚光式太阳能电池板来发电，并通过将热量输送到岩石热能储存床来储存能量。如果需要完成多个任务，可以建造多个熔炉副本，或者建造一个共享焦点区域的更大版本。当阳光不足或间歇性时，熔炉可能需要辅助加热。图 2 展示了一个具有不同安装方式的太阳能熔炉。我们提议的设计将第二个镜子放置在这个镜子安装目标的位置，并将目标移动到靠近地面并更容易到达的固定位置。

(3) 桥式铣床

这被设计为一个固定的桥柱，它在垂直 (Z) 轴上移动，以及在水平 (X) 轴上在轨道上移动的滑动工作台，它在桥下移动。桥本身有 4 个安装点，它们在横向 (Y) 轴上移动，正面有两个，背面有两个。在每个面上，一个安装点从左侧开始，另一个从右侧开始。每个安装点都有自己的丝杠，因此它们可以独立移动。根据需要，不同的加工头、3D 打印头、等离子或激光切割头、喷漆头或其他任务头安装在每个安装点上，不同的头可以根据需要在末端位置交换刀具或补充材料，末端位置延伸到工作区之外的柱子之外。工作台可以接受带有额外运动轴的托盘，并且各种加工头也可以包含额外的轴。对于等离子切割或喷漆等工作，托盘包括对周围环境的保护。

如果需要超过四种操作，那么可以交换多个加工头，或者在轨道上更远的位置安装第二个桥。通过共享基础轨道和桥来完成主要的 XYZ 运动，用于多种操作的总设备数量更少。这限制了同时可以完成的任务数量，但这对于入门套装来说是一个可以接受的折衷方案。图 3 展示了一个小型简单的桥式铣床，它说明了基本形状和运动轴。它不具备此处针对种子工厂机器提到的许多功能。

(4) 水平车床

这被设计为 4 根平行的固定轨道。两条轨道固定主轴/卡盘和驱动电机、尾座或第二个主轴以及任何中间支撑。工件由主轴和一些支撑组合固定。另外两条轨道支撑一个可移动的横向滑板、刀塔或铣削头，根据需要使用。不需要的任何部分都存放在轨道末端。刀具更换器位于主工作区域上方，并提供各种刀具和附件，根据需要使用。由于四根固定轨道牢固地连接在一起，因此可以进行高精度加工。图 4 展示了一个较老的水平车床，主轴和卡盘在左侧，尾座在右侧，横向滑板在正面。此版本有两条固定轨道，而提议的设计将横向滑板和其他附件放置在额外的轨道上，以便可以根据需要停放或使用它们。

(5) 液压机

这是一个四柱式主压机，带有液压活塞，以及用于安装附件的顶部和底部开槽板。柱子在活塞向下推动时使压机的上下颚保持平行。它包括各种插入件，用于压制模具和模具、剪切、轧制、弯曲和成型。薄金属可以在室温下加工，而较厚的金属部分可以热压 (锻造)。压制不像铣床和车床加工那样精确，但速度要快得多。图 5 展示了一个与所述类型非常接近的压机，上面安装了多个附件。这是一个较旧的手动版本。此处提议的版本将对附件进行自动化更换，并对压机的材料或坯料进行自动化送料。

(6) 工艺工厂

为了复制机器，或者制造原始集合中没有的新机器，需要各种材料。一些材料可以使用太阳能熔炉生产，这些材料需要高温。但其他材料需要一系列物理或化学反应或操作。这台“机器”由多个单元组成，每个单元执行简单的化学过程。这些单元可以以灵活的模块化方式连接起来，根据预先编程的“配方”执行更复杂的过程。这与大多数商业工厂形成对比，商业工厂通常设计为使用永久安装的设备对单一过程进行大规模生产。为了达到化学兼容性和不同的温度和压力范围，需要用不同的材料（玻璃、不锈钢等）构建相同类型的基本单元。

任何不是所需产品的输出都会被回收或再加工，以确保工厂不会产生大量废物。在改变工艺时，还需要对单元进行清洁以防止交叉污染。图 6 显示了从月球土壤中提取材料的提议化学过程。它提供了一个由简单元素组成的化学工厂的总体概念，但不包括通过重新排列模块来改变过程的能力。

(7) 电气车间

自动化机器需要各种电气和电子设备。包括电线、绝缘体、电机、发电机、电池、开关和继电器、变压器、电阻器、电容器、电感器、灯丝、电路板和微电子器件。电气车间元素不是一台大型机器，而是许多小型元素的集合，这些元素尽可能地填充了这些项目。例如，可以在液压机上卷绕生线，可以在车床或铣床上加工电机框架，但电机绕组是一个专门的电气车间任务。更专业的组件，如微处理器芯片，只需购买即可，但应该有一系列可以由工厂制造的中级产品。图 7 显示了一个电力生产车间。我们建议至少部分自动化制造和组装。

(8) 建筑和辅助设备

之前列出的所有主要设备都需要至少偶尔的防风雨保护。此外，还需要控制计算机的住房和设计区域，坚固的基础，以及公用设施和照明。除了主要的机器、化学和电气区域外，还需要仓库、用于测量、研磨和锐化的辅助机器，以及便携式工具和手动工具。工厂的这个元素包括建筑本身，以及列出的辅助设备，组装区域，用于运输和访问的通道等等。

建筑物采用模块化设计，根据需要进行环境控制和外部保护，并且可以根据需要轻松扩展或修改，以满足工厂发展的需求。图 8 显示了一个大型通用车间建筑，类似于为种子工厂提出的类型。