經(jīng)歷近年來數(shù)控技術(shù)的成熟發(fā)展，在工業(yè)4.0及數(shù)位分身潮流的推波助瀾下，即使傳統(tǒng)CNC數(shù)控系統(tǒng)於齒輪/螺桿加工亦非全無用武之地。包括國內(nèi)外工具機(jī)等OEM設(shè)備製造廠商，也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結(jié)盟，開發(fā)客製化人機(jī)介面及模擬軟體，以支援齒輪/螺紋磨削專業(yè)加工機(jī)增效節(jié)能或數(shù)位轉(zhuǎn)型需求。

因應(yīng)現(xiàn)今齒輪加工法、應(yīng)用不斷推陳出新，臺灣齒輪加工機(jī)製造廠商雖然早年便看好傘齒輪的技術(shù)門檻最高，較具競爭力，但經(jīng)過這十餘年來努力之下，目前已真正商品化的CNC齒輪加工機(jī)包括滾齒、刮齒和磨齒等機(jī)種，卻都只侷限於加工圓柱齒輪，能加工傘齒輪者仍付之闕如，也無相關(guān)量測設(shè)備。未來勢必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，整合齒輪刀具和工具機(jī)，並加強(qiáng)在傘齒輪刀具、插齒刀、拉齒刀，以及?力刮齒或滾插刀具等方面發(fā)展。

然而，過去因為傳統(tǒng)齒輪磨齒程序?qū)凫短厥馇依щy的工藝，必須仰賴技術(shù)純熟人員，操作昂貴的歐系專用機(jī)種才能達(dá)成，直到2016年臺灣國際工具機(jī)展（TMTS）上銀集團(tuán)旗下邁萃斯精密公司，始趁勢推出首部臺製CNC五軸同動傘齒輪切齒機(jī)，除了所加工的齒輪精度可達(dá)到德國標(biāo)準(zhǔn)DIN-4等級時，足以匹配電動車高轉(zhuǎn)速/功率馬達(dá)，也為齒輪製造業(yè)者帶來發(fā)展曙光，將主攻高端齒輪及特殊加工機(jī)領(lǐng)域，以提高競爭力。

圖1 : 2016年上銀集團(tuán)旗下邁萃斯精密公司趁勢推出首部臺製CNC五軸同動傘齒輪切齒機(jī)，於外銷機(jī)種選配Siemens數(shù)控系統(tǒng)及自家對話式視窗軟體及刀庫，極具國際市場競爭力。（攝影：陳念舜）

同時強(qiáng)調(diào)除了關(guān)鍵零組件100%「MIT」臺灣製造，搭配工業(yè)機(jī)器人可最多達(dá)到3天24hrs無人操作，且穩(wěn)定生產(chǎn)的磨齒單元之外；並對於外銷機(jī)種選配Siemens數(shù)控系統(tǒng)及自家對話式視窗軟體及刀庫，售價僅約歐系同級機(jī)種1/3，極具國際市場競爭力。

Siemens發(fā)揮運(yùn)動控制強(qiáng)項　協(xié)助導(dǎo)入數(shù)位分身轉(zhuǎn)型

臺灣西門子公司指出，該公司在齒輪加工應(yīng)用領(lǐng)域，主要可發(fā)揮SINUMERIK系列控制器在運(yùn)動控制上的強(qiáng)項，提供加工系統(tǒng)所需耦合功能（Coupling function），包括同步、插補(bǔ)、電子齒輪（自定義曲線表/多級跟隨）等，皆可透過統(tǒng)一的操作與程式設(shè)計、一致的訓(xùn)練和維護(hù)，確保達(dá)到最高的生產(chǎn)協(xié)同效應(yīng)，現(xiàn)也持續(xù)與臺灣齒輪加工機(jī)大廠邁萃斯、和大，以及上銀在導(dǎo)螺桿製造密切合作，以達(dá)到機(jī)械製造業(yè)者希望達(dá)成之特殊加工目的。

但西門子也坦言，由於齒輪/螺桿加工專用機(jī)廠商還是很重視齒型、模數(shù)設(shè)計等Domain knowhow，甚至還要搭配量測自動化設(shè)備，並非傳統(tǒng)CAD/CAM軟體或CNC數(shù)控系統(tǒng)能完全勝任，西門子則可提供這些機(jī)械製造業(yè)者，所需二次開發(fā)客製化人機(jī)介面（HMI）環(huán)境，終端使用者也不必?fù)?dān)心進(jìn)入太複雜的環(huán)境編程，才能加工，西門子並將其HMI分為不同等級：

1.Easy Screen：基於西門子既有架構(gòu)上另開視窗，輕易延伸人機(jī)畫面功能，連結(jié)客戶加工程式，但缺點(diǎn)是彈性應(yīng)變能力較差。

2.Create MyHMI WinCC：讓客戶可利用西門子旗下自動化部門的WinCC系統(tǒng)環(huán)境，經(jīng)過拖曳視窗內(nèi)應(yīng)用程式工具來開發(fā)客製化HMI，還可供外部其他系統(tǒng)整合商（SI）協(xié)助使用。

3.Create MyHMI/3GL：係因應(yīng)大部份齒輪加工機(jī)大廠都會在Windows OS架構(gòu)上開發(fā)獨(dú)有HMI，利用一般程式語言編輯之後，再與西門子HMI整合，所以機(jī)械廠內(nèi)必須建立專業(yè)編程工程師團(tuán)隊，將齒面設(shè)定、修整等功能都內(nèi)建於數(shù)學(xué)函式資料庫，以快速形成加工程式。

例如工具機(jī)大廠DMG MORI集團(tuán)，便搭配西門子控制器核心，支援近年來備受業(yè)界關(guān)注的強(qiáng)力刮削（Power Skiving）工法，將工件和刮削刀具設(shè)定一定角度並同步旋轉(zhuǎn)來生成齒輪，並解決了以往編程複雜，必須耗費(fèi)大量時間創(chuàng)建的缺點(diǎn)。

如今操作員已可以通過對話式編程，快速設(shè)置齒數(shù)和角度參數(shù)，輕鬆為每個客戶創(chuàng)建最佳程序，同時檢查顯示於該公司CELOS控制器HMI的圖形，進(jìn)而搭配DMG MORI五軸、車/銑複合加工中心機(jī)，單機(jī)進(jìn)行正齒輪和外/內(nèi)齒輪加工，大幅縮減加工時間及誤差。

由於目前許多齒輪加工的研發(fā)能量都還在學(xué)界，西門子也為了未來五軸、銑車複合機(jī)種製造廠商，可望進(jìn)入齒輪加工領(lǐng)域而提早布局，盼建立泛用機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)而降低門檻。

隨著近年來還有越來越多歐系齒輪加工專用機(jī)大廠，為了加值應(yīng)用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務(wù)、導(dǎo)入數(shù)位分身（Digital Twins）等科技來驅(qū)動數(shù)位轉(zhuǎn)型。西門子也藉此引進(jìn)自2019年問世的SINUMERIK ONE數(shù)位原生控制器，以提供機(jī)械製造廠商全數(shù)位開發(fā)環(huán)境。

既可納入具備機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)、軟體與加工應(yīng)用knowhow的虛實客製化開發(fā)模組，在工程開發(fā)階段即導(dǎo)入彈性應(yīng)用，以縮短打造新機(jī)流程，加快30%上市時間。待完成後產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)車/銑工具機(jī)的3D模型，可供機(jī)械業(yè)加工測試及教育人才，並有效提高生產(chǎn)力，此概念最早也是源自滾齒專用機(jī)。

圖2 : 隨著近年來有越來越多歐系齒輪加工專用機(jī)大廠，為了加值應(yīng)用而開始推出整線/廠自動化Turnkey解決方案服務(wù)、導(dǎo)入數(shù)位分身等科技來驅(qū)動數(shù)位轉(zhuǎn)型。（source：i.ytimg.com）

如今還能經(jīng)西門子開放CNC數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D sl與旗下NX MCD、機(jī)電一體化系統(tǒng)軟體連結(jié)，以提供機(jī)械廠加工並整合自動上下料、機(jī)上量測等機(jī)構(gòu)及機(jī)電系統(tǒng)，已聯(lián)手約40家歐系大廠，都在同一平臺完成Turnkey加工應(yīng)用及二次開發(fā)HMI測試，約可縮短30~40%開發(fā)新機(jī)時間。

再加入2019年併購的OMATIVE自適應(yīng)切削技術(shù)，將能陸續(xù)具備加工製程最佳化（ACM）、機(jī)臺保護(hù)監(jiān)控（VCM）、生產(chǎn)製程監(jiān)控與改善（AVCM）等功能。不僅能藉此提升車/銑床加工效率最佳化、穩(wěn)定製程，以提高生產(chǎn)力、品質(zhì)和可用性，並維持於穩(wěn)定加工負(fù)載下，縮短加工時間；針對Power Skiving/Gear Skiving特別耗損刀具的缺點(diǎn)，透過檢知刀具破損來延長刀具壽命；進(jìn)而監(jiān)控主軸負(fù)載，防護(hù)機(jī)臺過載或碰撞，減少意外停機(jī)時間，現(xiàn)已逐漸受到航太、汽車製造業(yè)歡迎，用於滾/磨齒加工領(lǐng)域。

NUM引進(jìn)軟硬體解決方案　輔助建立齒輪加工knowhow

至於瑞士齒輪加工專用機(jī)CNC控制器大廠NUM，也提出相關(guān)開放性軟硬體NUMgear解決方案，已完全整合到目前Flexium⁺控制系統(tǒng)中，並提供了互動式人機(jī)介面，客戶僅需經(jīng)數(shù)小時培訓(xùn)，便能輸入工具機(jī)、刀具、工件資料及定義加工過程，開始在滾齒機(jī)、創(chuàng)成磨齒/珩齒機(jī)、圓筒磨床上採用各種不同的方法來生產(chǎn)齒輪。

一般來說，滾齒和創(chuàng)成研磨的連續(xù)加工是最高效率的生產(chǎn)方式，搭載NUM數(shù)控系統(tǒng)的工具機(jī)加工的齒輪精度，最高可分別達(dá)到創(chuàng)成研磨DIN-1、滾齒DIN-3標(biāo)準(zhǔn)。還可以在磨削時，修改不同齒面（輪廓）。

臺灣力盟公司業(yè)務(wù)經(jīng)理吳松憲進(jìn)一步指出，目前NUM與臺灣工具機(jī)等OEM設(shè)備製造廠商的合作模式，除了對於未具備齒輪加工專業(yè)knowhow者，能利用NUM公司的Flexium⁺ CNC數(shù)控系統(tǒng)、電子齒輪箱等功能；並基於Flexium CAM 編輯器建立獨(dú)有客製化HMI，整合內(nèi)/外徑研磨程式；還提供必要的研磨模擬技術(shù)，可供選擇提前於離線時，或在線上加工同時執(zhí)行。若有其他已具備相關(guān)knowhow的工具機(jī)製造業(yè)者，則能選擇搭配不同品牌控制器，再自行開發(fā)專屬HMI與循環(huán)。

例如因應(yīng)現(xiàn)今業(yè)界新興的緊湊型齒輪箱製造需求、高速精密的多軸同動工具機(jī)問世，即可透過NUMgear滾齒專用套裝軟體系列的Flexium⁺CNC平臺，在同部機(jī)器上完成滾齒和刮削工作，能更快速且有效地製造任何尺寸的內(nèi)/外齒輪，使得齒輪加工業(yè)者能在刀具空間受限於緊湊型齒輪箱時，在其中一軸滾削大齒輪，並為另一軸上的小齒輪提供動力。

該軟體還利用了Flexium⁺控制系統(tǒng)同時配備了高度靈活且功能強(qiáng)大的電子齒輪箱（EGB），直接整合到CNC內(nèi)核，改善了精度和速度，使刀具速度可高達(dá)25,000rpm，提高了生產(chǎn)率。其中，多群組電子齒輪箱（MLEGB）的高速和精密特性，由使用者自定義齒輪箱中的任何軸，都可以成為另一個引導(dǎo)軸或跟隨軸、直線軸或旋轉(zhuǎn)軸，以增強(qiáng)靈活性；靈活地控制刀具的運(yùn)動，甚至能在圓筒磨床上進(jìn)行非圓型同動控制，打造出非圓齒輪及特殊的齒面形狀。

圖3 : 瑞士齒輪加工機(jī)CNC控制器大廠NUM，也提出相關(guān)開放性軟硬體NUMgear解決方案，已完全整合到目前Flexium+控制系統(tǒng)中，並提供了互動式人機(jī)介面。（source：num.com）

此外，由於NUMgear完全採用模組化設(shè)計，得以根據(jù)客戶需要，整合不同的使用者介面、專有技術(shù)和計算模組或其它進(jìn)階功能，可任意在獨(dú)立工具機(jī)或公司聯(lián)網(wǎng)電腦的Windows系統(tǒng)上運(yùn)行，也代表其可從移動設(shè)備或辦公室電腦上，對多臺齒輪加工機(jī)校正，邁向工業(yè) 4.0。

當(dāng)然，NUM也有自家數(shù)位分身解決方案，或者讓客戶選擇搭配外部3D模擬系統(tǒng)軟體商，提供VR工具與NUM控制器結(jié)合，又將前者分為：硬體迴路（Hardware in the Loop；HiL）、軟體迴路（Software in the Loop；SiL）兩種類型。

在「硬體迴路」中的數(shù)位分身代表一具實體控制器，可通過傳輸線接收來自安裝數(shù)位分身軟體的電腦傳送資訊，讓當(dāng)前軟體版本與數(shù)位分生的虛擬模型交互執(zhí)行，並經(jīng)過3D視覺化顯示實體程式順序。「軟體迴路」的數(shù)位分身及虛擬控制器通信等整個功能均位於電腦上，適用於開發(fā)初期，連真正控制器都尚未產(chǎn)生的階段。

NUM也為此提供兩種控制用的數(shù)位分身版本，其一是「軟硬體迴路混合」方案，由Flexium⁺控制器整合PLC中的一個獨(dú)立機(jī)器模型，並使用預(yù)設(shè)組件來模擬單個機(jī)器元件，例如，感應(yīng)器、主軸、氣缸等，F(xiàn)lexium NCK負(fù)責(zé)執(zhí)行NC程式，並模擬機(jī)器各軸運(yùn)動的位置數(shù)據(jù)。另一項是「硬體迴路方案」，NUM使用ISG-virtuos軟體，可使用實體控制器對自動化系統(tǒng)執(zhí)行測試、調(diào)試和優(yōu)化，並通過EtherCAT在分身與Flexium⁺控制器即時通信。

放眼齒輪加工前景　還須數(shù)位分身軟體加持

然而，在齒輪製造上，業(yè)者必須思考的是如何提高齒輪生產(chǎn)效率、精度，才能增加本身優(yōu)勢？前者必須在刀具使用和加工技術(shù)上不斷鑽研精進(jìn)，如採用滾齒或銑齒、捨棄式量產(chǎn)型刀具等。以內(nèi)齒輪來說，可以採?力刮齒或滾插製程來提高生產(chǎn)效率；或者藉著近幾年鍛造技術(shù)的突破，以鍛造方法大量生產(chǎn)齒輪。後者則須在設(shè)計階段加強(qiáng)齒輪設(shè)計軟體的強(qiáng)度及廣度，在製造階段則以研磨為必要採取的製程。

臺灣齒輪刀具製造商首推陸聯(lián)精密（邁萃斯精密前身），與和大工業(yè)CNC刮齒機(jī)和滾齒機(jī)行銷全球，惟論及這兩家廠商成功關(guān)鍵，皆與中正大學(xué)機(jī)械系教授馮展華密不可分，2000年初開始與陸聯(lián)和工研院機(jī)械所合作，結(jié)合產(chǎn)官學(xué)研的力量提出整合型計畫，研發(fā)CNC戟齒輪創(chuàng)成機(jī)及大型CNC成形砂輪磨齒機(jī)，並成功複製到和大開發(fā)CNC滾齒機(jī)。

且由於齒輪元件需要滿足空間嚙合理論，不管是設(shè)計或製造皆要大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此各種輔助齒輪設(shè)計計算的軟體就應(yīng)運(yùn)而生。在圓柱齒輪方面，臺灣廠商普遍使用由馮展華開發(fā)的齒輪設(shè)計軟體。至於傘齒輪若使用傳統(tǒng)加工機(jī)廠商提供的計算公式來設(shè)定製造所需的各項數(shù)據(jù)，既不方便且限制也多，不同批生產(chǎn)的傘齒輪也不具備互換性。

圖4 : 未來在齒輪製造上，業(yè)者必須思考的是如何提高齒輪生產(chǎn)效率、精度，分別在刀具使用和加工技術(shù)上不斷精進(jìn)，同時於設(shè)計階段增加齒輪設(shè)計軟體的強(qiáng)度及廣度。（source：pbs.twimg.com）

近期較先進(jìn)的做法，則是採用齒輪量測專用機(jī)搭配不同量測軟體，便可以量測圓柱齒輪、傘齒輪、蝸桿蝸輪、滾齒刀、刮齒刀和插齒刀等，透過傘齒輪設(shè)計軟體來補(bǔ)正切齒機(jī)械設(shè)定，取代以往由齒印機(jī)來回整修的方式，可以很快經(jīng)1~2次修正，就能非常精確生成齒輪，產(chǎn)品也具有互換性。

就有過去出身工研院體系，曾親身經(jīng)歷臺灣從自主開發(fā)齒輪加工機(jī)、刀具、軟體及PC-based控制器的過程，至今還投入開發(fā)諧波式減速機(jī)二次創(chuàng)業(yè)的業(yè)者便指出：「未來臺灣齒輪加工產(chǎn)業(yè)要持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，已不再只是單純採購硬體的軍備競賽，還希望能與設(shè)備製造廠商（Maker）共同開發(fā)。」

改為扮演終端加工業(yè)者的角色之後，他還是希望以相對容易溝通、掌握的臺製外圓/刀具磨削、銑車複合機(jī)、滾/插齒加工機(jī)為主，再搭配德國蔡司、瑞士品牌量測設(shè)備、材料供應(yīng)商，掌握核心關(guān)鍵能力。同時在投資軟體金額不比硬體少，用來建立內(nèi)部不同齒型、輸出/入設(shè)計與對手區(qū)隔，從設(shè)計理論開始，逐步累積、建立數(shù)學(xué)函式資料庫。

接著利用自主開發(fā)HMI、軟體編程及CAE分析，再經(jīng)過製造、委外熱處理回廠；最後進(jìn)行金相、材質(zhì)檢驗等程序比對，來確保與原始設(shè)計一致，符合客戶要求及穩(wěn)定品質(zhì)，也藉此博得客戶信賴，願意共同協(xié)力，跨足創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域。

**刊頭圖（source：welter-zahnrad.de）