臺灣機(jī)械公會（TAMI）最新發(fā)表的《智慧機(jī)械白皮書》指出：「當(dāng)個人化、個性化商品當(dāng)?shù)溃罅靠脱u化與變樣變量生產(chǎn)需求成為客戶下單常態(tài)時，製造業(yè)必須在設(shè)計與生產(chǎn)兩端提出對策。」

即為了滿足多變的市場需求，各種產(chǎn)品類型須不斷推陳出新，使得製造生產(chǎn)者如何縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計週期，已成為刻不容緩解決的問題，在彈性生產(chǎn)方式、設(shè)備與管理方面尋求創(chuàng)新解決方案。上游設(shè)備供應(yīng)商也應(yīng)隨之，從單機(jī)數(shù)位化逐步邁向系統(tǒng)整合，掌握完整的產(chǎn)品設(shè)計、加工製程等數(shù)位化管理能力。

西門子數(shù)位分身　同步滿足製造與加工需求

尤其在工業(yè)4.0逐步落實(shí)後，已為不同領(lǐng)域業(yè)者帶來諸多創(chuàng)新商業(yè)模式，包含加工生產(chǎn)（End User）與設(shè)備製造（Maker）廠商，在生產(chǎn)力都面臨新的挑戰(zhàn)與需求，必須加快上市速度與品質(zhì)、彈性化以符合多樣少量與個性化需求、效率提高以節(jié)省有效資源，最終都要以資安為「數(shù)位化」的重要前提！

西門子公司（Siemens）很早就鎖定以「Digital twin」數(shù)位製造為核心，分別於產(chǎn)品設(shè)計階段，於虛擬生產(chǎn)環(huán)境中協(xié)同開發(fā)內(nèi)部機(jī)構(gòu)、電控、軟體；同時將新產(chǎn)品的機(jī)械和自動化工程開發(fā)設(shè)計工作流程作業(yè)最佳化，加速產(chǎn)品生產(chǎn)、上市。

圖1 : 西門子鎖定以「Digital twin」為核心，於虛擬生產(chǎn)環(huán)境中協(xié)同開發(fā)內(nèi)部機(jī)構(gòu)、電控、軟體，同時將機(jī)械和自動化工程開發(fā)流程最佳化。（source：Siemens）

接著在生產(chǎn)規(guī)劃與執(zhí)行階段，建立安全高效率的結(jié)構(gòu)化設(shè)計、製程規(guī)劃與控制程序測試模擬等虛擬製造驗(yàn)證程序，有效改善與修正錯誤，降低實(shí)際生產(chǎn)時的成本、風(fēng)險，避免浪費(fèi)原物料；進(jìn)而提升彈性及客製化生產(chǎn)力，縮短人員培訓(xùn)時間，體現(xiàn)智慧製造價值；最後在實(shí)體產(chǎn)品交付後，仍持續(xù)利用收集的數(shù)據(jù)為產(chǎn)品優(yōu)化、診斷和預(yù)測，以改善客戶體驗(yàn)。

西門子數(shù)位工廠工具機(jī)系統(tǒng)事業(yè)部譚世斌還舉工具機(jī)製造流程為例，以往產(chǎn)品開發(fā)部門往往都先從客戶需求角度出發(fā)，待整體概念成型後，再交由設(shè)計部門完成機(jī)械結(jié)構(gòu)、外觀CAD製圖並組裝；接著分段納入開發(fā)電控、自動化系統(tǒng)作業(yè)，由電控人員在現(xiàn)場組裝、編程。

現(xiàn)在則可透過統(tǒng)一平臺實(shí)現(xiàn)機(jī)電整合工程數(shù)位化，大幅縮短30%從設(shè)計規(guī)劃到開發(fā)完成製程的時間；並將所有控制元素都加諸於軟體，以發(fā)揮最大效益。他強(qiáng)調(diào)：「因控制器核心與軟體結(jié)合後，所有在電腦上顯示的運(yùn)動狀態(tài)都非軟體模擬，讓軟體工程師就能直接編程?！?/span>

至於在加工應(yīng)用端所使用3D CAD圖檔，也有別於過去在工件設(shè)計、生產(chǎn)製造的虛擬階段，須先通過CAD/CAM選擇鑽、銑等工法，再經(jīng)後處理程式（post）轉(zhuǎn)檔產(chǎn)生NC code，才能供實(shí)體CNC控制器讀取、驗(yàn)證、生產(chǎn)、測試，以防止執(zhí)行程式出錯或?qū)е伦驳叮跍y試過程即因中止機(jī)器運(yùn)作而浪費(fèi)時間。

目前透過CNC控制器核心運(yùn)算，已可將虛擬工具機(jī)置入CAD/CAM軟體環(huán)境裡直接轉(zhuǎn)檔，再加入更貼近實(shí)體機(jī)臺的刀尖定位、機(jī)臺載重、鑄件結(jié)構(gòu)等運(yùn)動控制數(shù)據(jù)來模擬加工驗(yàn)證，以精確評估生產(chǎn)流程、縮短加工和調(diào)校的時間，讓設(shè)備全數(shù)投入生產(chǎn)並及早報價搶單。

PTC物聯(lián)網(wǎng)平臺　以AR擴(kuò)增CAD/PLM價值

參數(shù)科技（PTC）則長期專注於開發(fā)CAD/PLM軟體，以協(xié)助製造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理流程，並持續(xù)探索最新技術(shù)。約自5年前看到工業(yè)4.0革命的最重要定義，就是虛擬和實(shí)體世界融合的商機(jī)，可為客戶形塑新價值；於是決定投入相關(guān)軟體和技術(shù)、業(yè)務(wù)，包含物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)分析、擴(kuò)增╱混合實(shí)境（AR/MR）等。

PTC亞太區(qū)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)副總裁劉少綸說到IoT技術(shù)，表示過去讓人最先聯(lián)想到的只是Internet，能讓眾多人與物、物與物都藉此連結(jié)、交換資訊。過去20年來也確實(shí)促進(jìn)了工業(yè)人機(jī)介面（HMI）、電腦輔助設(shè)計CAD╱製造CAM軟體等技術(shù)發(fā)展成熟，可用來銜接PLC、CNC控制器硬體，再透過累積反饋的大數(shù)據(jù)，達(dá)成精準(zhǔn)數(shù)位控制。

圖2 : PTC與臺灣工具機(jī)大廠發(fā)得科技合作，將客戶製程所遇到的問題「可視化」，解決近年來因?yàn)樯僮踊斐墒坩岱?wù)、教育訓(xùn)練不足的困境。（攝影╱陳念舜）

相關(guān)產(chǎn)業(yè)也從僅銷售獨(dú)立套裝軟體，到提供軟╱硬體的完整解決方案；直到雲(yún)端問世後，還能透過更經(jīng)濟(jì)、便捷的方式，促使身邊每個物件達(dá)成智慧化。劉少綸指出，有別於以往軟體世界都奠基於電腦間彼此交換資訊，導(dǎo)致眾多數(shù)據(jù)資料分散各處?，F(xiàn)在則可讓軟體通過雲(yún)端虛擬空間收發(fā)、儲存大數(shù)據(jù)，而少了硬體資源限制；甚至能透過物聯(lián)網(wǎng)平臺，銜接散落於各地或不同移動（Smart Phone/Table PC）、穿戴式（AR/MR）裝置儲存的數(shù)據(jù)。

尤其如AR/MR裝置可讓使用者先定義願透露的資訊，再製作成影像、動畫投射在眼前，不僅能快速、直覺檢視投資效益；且由圖像所傳遞的資訊勢必多過於文字，足以讓企業(yè)整合並二次開發(fā)出應(yīng)用Apps來創(chuàng)造新價值，包含用於廠房巡檢、遙控或拆解設(shè)備前的資訊內(nèi)容。最近與臺灣工具機(jī)大廠發(fā)得科技合作，將客戶製程所遇到的問題「可視化」；期待到了明年可推出達(dá)Real time等級技術(shù)，直接與3D模型比對，解決近年來因?yàn)樯僮踊斐墒坩岱?wù)、教育訓(xùn)練不足的困境。

劉少綸認(rèn)為，未來製造業(yè)為迎向工業(yè)4.0浪潮來襲，亟需能整合實(shí)體的物聯(lián)網(wǎng)及虛擬的數(shù)據(jù)應(yīng)用，且在產(chǎn)品推出後，還能透過物聯(lián)網(wǎng)蒐集資訊，持續(xù)改善產(chǎn)品設(shè)計及客戶使用體驗(yàn)，驅(qū)動製造變革，創(chuàng)造出新價值。

善用產(chǎn)學(xué)研資源　掌握核心數(shù)位技術(shù)

值得一提的是，目前除了國際商業(yè)CAD/CAM軟體正如火如荼導(dǎo)入Digital twin概念，臺灣工研院智慧機(jī)械科技中心也為了服務(wù)本地中小企業(yè)為主的製造業(yè)生態(tài)，持續(xù)推動數(shù)位設(shè)計、數(shù)位製造、智能化軟體等核心技術(shù)。

工研院智慧化工具機(jī)技術(shù)中心研發(fā)經(jīng)理梁碩芃表示，其中數(shù)位設(shè)計又稱為「目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計法」，藉著導(dǎo)入大量拓墣結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Topology optimization）技術(shù)，讓製造者可先瞭解使用者想要什麼，再針對機(jī)臺內(nèi)有限的設(shè)計空間，設(shè)定材料密度、剛性目標(biāo)和製造條件；經(jīng)過一次次疊代計算，形成最佳的肋板與結(jié)構(gòu)外型，以有效降低成本、提高機(jī)器性能。

圖3 : 數(shù)位設(shè)計又稱為「目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計法」，藉著導(dǎo)入大量拓墣結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，讓製造者可先瞭解使用者想要什麼，以有效降低成本、提高機(jī)器性能。（source：工研院）

或讓使用者在電腦輸入待加工件、使用的刀具等資訊；若是專用機(jī)的循環(huán)時間，還能利用製程分析所需材料和目標(biāo)體積移除率，倒推計算出工具機(jī)最佳設(shè)計結(jié)構(gòu)、主軸特性與剛性，得以全程掌握機(jī)臺切削性能，確認(rèn)各階段都能符合客戶需求，減少重覆修改的時間及成本。

惟其缺點(diǎn)在於未必能有效提高上線後的切削加工效率，所以還須加入數(shù)位製造，與傳統(tǒng)靠老師傅經(jīng)驗(yàn)聽音、憑感覺調(diào)參數(shù)最大不同，在於設(shè)計完成工具機(jī)後，透過量測、運(yùn)算分析等科學(xué)方法，協(xié)助使用者選擇最佳加工參數(shù)，約可提升製程效能20%~30%，縮短37%加工時間。

智能化軟體則正積極打造軟體架構(gòu)，並透過與法人、業(yè)界配合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)資訊模型，才能知道數(shù)據(jù)的類型與結(jié)構(gòu)，再拋到雲(yún)端整合生產(chǎn)管理、預(yù)測、排程，與各種設(shè)備整合。其中建構(gòu)的「切削模擬與進(jìn)給率優(yōu)化技術(shù)」，不僅具備市面上CAD/CAM系統(tǒng)軟體的幾何模擬功能，還加入了切削動力學(xué)的專業(yè)知識。

工具機(jī)製造廠率先投入　提出智慧設(shè)計與產(chǎn)銷解決方案

與學(xué)術(shù)、法人單位密切合作的永詮機(jī)械工業(yè)公司（L&L），總經(jīng)理林建佑自2014年起也開始整頓現(xiàn)有產(chǎn)品線，將25年來累積的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為開發(fā)專用、複合機(jī)種；並率先投入系統(tǒng)整合，逐項(xiàng)建立設(shè)計、製造、行銷、服務(wù)4大領(lǐng)域的智慧化策略。

其中，在智慧行銷導(dǎo)入VR/AR功能後，得以提供市場行銷、協(xié)同設(shè)計、數(shù)位組裝與預(yù)診維護(hù)等服務(wù)，就能評估可靠的干涉情況及數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)也不必等回到公司後，再將客戶具體需求訴諸文字，再交由設(shè)計人員輸出圖檔而浪費(fèi)時間。林建佑說：「既然圖、文檔案原本就不可能一致，還不如都直接透過VR動畫來溝通，再利用AR手持式行動裝置來呈現(xiàn)2D數(shù)位圖檔與實(shí)體零組件、結(jié)構(gòu)關(guān)係?！?/span>

圖4 : 永詮機(jī)械在智慧行銷導(dǎo)入VR/AR功能，以提供市場行銷、協(xié)同設(shè)計、數(shù)位組裝與預(yù)診維護(hù)等服務(wù)。（攝影╱陳念舜）

但他也坦言，現(xiàn)今既有商業(yè)軟體的VR/AR功能比較像是玩具，少了真正機(jī)械加工相關(guān)的技術(shù)和作業(yè)流程，未來勢必要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計及行銷，同時能熟悉加工製程、系統(tǒng)整合資訊等領(lǐng)域者。所以永詮從2014~2015年陸續(xù)找到了清華、成大合作，導(dǎo)入VR前瞻技術(shù)，落實(shí)「協(xié)同」的概念。

等到建立快速轉(zhuǎn)檔平臺之後，只要客戶一旦修改機(jī)構(gòu)，就能與VR連動改變；甚至可將所有看過的機(jī)器各部位零件都轉(zhuǎn)換成.PDF、影像檔後，更清楚瞭解機(jī)器規(guī)格、性能；或提供專用試加工程式上傳雲(yún)端，以便回報領(lǐng)導(dǎo)階層評估真正加工效益及工時。

未來還會同時開發(fā)個別產(chǎn)業(yè)專屬CAD/CAM，預(yù)計2019年將達(dá)到高度整合，得以直接生成NC-code虛擬加工；並將VR應(yīng)用、訓(xùn)練資源建立在工研院VMX平臺，加入永詮在硬體設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)勢，與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作成立SI公司，持續(xù)精進(jìn)開發(fā)智慧機(jī)械與人工智慧的商業(yè)價值模式。