歷經COVID-19疫情之後，臺灣工具機產業(yè)除了延續(xù)數(shù)位轉型腳步，以協(xié)助自身與終端加工業(yè)克服由來已久的缺工挑戰(zhàn)之外；未來還須同時維持產品在面對國內外節(jié)能低碳壓力下的競爭力，CNC數(shù)控系統(tǒng)將是關鍵，近年來也可見到諸多工具機大廠採用德系品牌。

延續(xù)自疫情過後的數(shù)位轉型腳步，臺灣工具機產業(yè)在2022年聯(lián)合舉行的TIMTOS x TMTS期間，便有整機廠開始展現(xiàn)與歐日系CNC數(shù)控系統(tǒng)廠商在數(shù)位分身（Digital twins）硬軟體技術上合作的成果。並在今（2023）年正式回歸實體形式的臺北國際工具機展（TIMTOS 2023），面臨國內外碳稅/費壓力更逼近一年之際，導入德系品牌控制器，進一步擴散其成熟應用，以協(xié)助上下游產業(yè)鏈加速跨越減碳門檻。

如今包括加工性能、二氧化碳足跡、數(shù)位化等，都是現(xiàn)今工具機產業(yè)裡OEM設備製造廠商（Maker）與終端加工使用者（End User）之間共同的熱門話題，希望其生產的機器能在最短時間內，移除更多材料的高效生產；同時利用最低閒置時間，達到更高的機械利用率及加工品質，於高度自動化量產的首件階段就能產出最佳結果。

圖1 : 2023年正式回歸實體形式的臺北國際工具機展（TIMTOS 2023），又有整機廠積極導入歐日系品牌控制器，進一步協(xié)助上下游產業(yè)鏈跨越減碳門檻。（攝影：陳念舜）

西門子數(shù)位原生控制器　貫通工具機產業(yè)鏈上下游應用

尤其是國際工業(yè)4.0趨勢的重要推手西門子公司（Siemens）推廣數(shù)位化多年，如今製造業(yè)更因為能源、缺工、永續(xù)等話題討論熱烈，且墊高成本而迫不及待，期望經由數(shù)位化解決方案來克服目前環(huán)境面臨的諸多挑戰(zhàn)；工具機廠商也盼在原製程中導入數(shù)位化來打造永續(xù)工具機，從而精進加工技術，提供節(jié)能落地解決方案，藉以提升效率及縮短週期時間。

其中導入的數(shù)位分身概念，更同時適用於業(yè)界設備製造廠商、終端加工應用客戶，最終都是為了產出產品，所以必須要透過數(shù)位化管控生產方式和流程，而不能只靠老師傅經驗。此不僅有別於前者傳統(tǒng)開發(fā)機器的連續(xù)流程，必須先經過設計製圖及開木模、組裝電（數(shù)）控系統(tǒng)完成後，才能以實機驗證是否開發(fā)成功；後者也希望量產首件即成功，否則若過程中有環(huán)節(jié)出錯，就必須要浪費時間從頭開始。

西門子進一步分析，現(xiàn)今智能化應用時代對應的工具機產業(yè)需求，製造加工流程已從辦公室PC產生程式到現(xiàn)場施工，進而回饋到CAD/CAM修改及優(yōu)化，過去相當仰賴老師傅經驗。如今則面臨必須導入新技術來吸引新晉人才，以數(shù)據驅動智能學習，協(xié)助持續(xù)優(yōu)化生產，藉以延續(xù)臺灣第三大兆元產業(yè)、機械之母的重要地位。

圖2 : 現(xiàn)今智能化應用時代對應的工具機產業(yè)需求，製造加工流程已從辦公室PC產生程式到現(xiàn)場施工，進而回饋到CAD/CAM修改及優(yōu)化。（source：industrialmachinerydigest.com）

西門子為此推出全世界首臺數(shù)位原生CNC控制器Sinumerik One，則除了提升效率外，讓工具機產業(yè)持續(xù)改進生產；還能無縫銜接數(shù)位分身虛實整合資訊並享受其優(yōu)勢，因實現(xiàn)軟體模擬而蒐集大量數(shù)據資料，讓使用機臺更為簡便。至今已導入臺灣30家整機廠的高階機種，約有90%原來使用上一代Sinumerik 840D高階機種的老客戶已平順完成系統(tǒng)轉移，從而提升加工生產力。進而將之區(qū)分為如下3大技術領域：

（1） 虛擬化及邊緣運算技術，包含AMW工件數(shù)位分身（Analyze MyWorkpiece / Toolpath）、工具機數(shù)位分身（Create MyVirtual Machine＋RMVM, Run MyVirtual Machine；CMVM）、邊緣運算以智能化切削優(yōu)化技術（Adaptive Control and Monitoring Suite；ACM Suite），通用於機臺製造和終端加工業(yè)者。

藉此導入關鍵數(shù)位化軟體，並輔佐老師傅經驗，進行有系統(tǒng)性的科學分析，快速找出及排除問題、優(yōu)化整體製程。且從設計階段開始減少未來量產錯誤，將大幅簡化加工生產及製造流程，最終達到量產首件即成功，可有效減少廢料及能源成本，提升產能。。

（2） 高頻數(shù)據邊緣運算，深度利用ACM製造過程數(shù)據執(zhí)行Deep learning，協(xié)助使用者提高產量和能源使用效率；

（3） 低頻數(shù)據雲端整合，透過低頻撈取感測器資訊，再主動連結供應商，強化連結供應鏈體系服務。

西門子進一步指出，AMW係基於目前產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，包括：工件品質問題未知、執(zhí)行過程中更改G-code、控制器插補參數(shù)的影響難以可視化；以及真實切削時遭遇的摩擦、結構老化等物理現(xiàn)象，該如何在穩(wěn)定過程中找到優(yōu)化潛力？目前生產過程品質與產能的優(yōu)化流程，已不僅止於廠內機臺應用，更多的是在前端工程師耗時整合，通過即時評估新設備的概念，快速對應新市場需求。

因此須經由協(xié)同工程作業(yè)，縮短開發(fā)時間，至少先經過數(shù)位產出，優(yōu)化加工製程的速度和品質，從而利用NX於CAD/CAM軟體編程、模擬為基礎，降低商業(yè)風險時間；透過可視化分析G-code參數(shù)優(yōu)化路徑並輸出切削程式，以提高生產過程品質與產能，或將路徑轉換為3D表面渲染視覺直觀反饋，以初步瞭解可能的切削品質變化是否符合預期，並縮短設置時間，提升零件品質。甚至利用AMW改良現(xiàn)場，識別不穩(wěn)定或不正確的刀具路徑，藉可視化分析來避免有缺陷的程式。

當使用者首次輸出NC加工程式時，即可透過CMVM＋Edge賦予的「可視化」能力進行生產模擬，顯示分析CNC方向/刀具路徑分配不均勻的具體變化；再經由AMW回饋品質，在未正式生產前即不斷優(yōu)化切削工法和允差值。

接著使用機臺數(shù)位分身軟體，透過Edge自動擷取虛實兩端資料，並搭配NCK控制器核心碼的加減速等動態(tài)響應，加以平滑化、提高表面品質；經由同步工程強化產品發(fā)展，而更為精確納入結構因素後，於電腦上模擬，防止實機運動干涉、碰撞。

其產品優(yōu)勢在於可使用PC離線排除故障，並以不同視圖同步分析工件相關數(shù)據，例如.stl、NC程式與切削速度；進而快速辨識NC程式的錯誤、比較程式與實際NC路徑，都經過整合數(shù)據分析與可視化應用，進而由數(shù)位分身預知工件加工缺陷，改善製程與成本。

且有別於過去須由CAD/CAM產生切削路徑後，容易產生導溝路徑的轉折點，如今則可經過搜尋後排除，避免因此過切，縮短加工測試驗證流程、有效驗證程式品質；進而透過刀具路徑平滑化，提升五軸加工的表面品質。

接著結合實機上的SINUMERIK控制器的強大高速高精運動性能，以及SINUKERIK Advanced Surface或Top Surface切削控制技術實現(xiàn)切削優(yōu)化。藉此使用數(shù)位化軟體的優(yōu)化成果，業(yè)者即可以不必再反覆調機、改參數(shù)，確保從第一次加工開始，就獲得正確的工件，減少廢料及成本。

實際生產時，則以智能軟體（ACM Suite＋Tool Monitoring）自適應切削及監(jiān)控技術優(yōu)化製程，具有類似Machine Learning／Deep Learning人工智慧功能，學習製程切削特徵，挖掘優(yōu)化的潛力，輔助運動控制並提升加工速度，或保護機臺與刀具而延長使用壽命，提升效率及能源使用率。

透過AC Suite（Adaptive Control Suite）的動態(tài)即時優(yōu)化進給功能，將可在客戶首次加工時，即採用CNC控制器學習模式自主完成；並在過程中蒐集所有切削力（N-m）、負載等資訊，以便後續(xù)加工量產時優(yōu)化進給，改進加工工藝，提高能源效率。使之於加工期間時時記錄負載與程式關係，即時監(jiān)控當前切削情況與切削力變化，並自動將進給速度調整到最佳，即利用固定扭力而產生不同的切削速度改善加工製程，而不必使用者費心操作，估計將能提升約10~20%效率，縮短加工時間。

將可實現(xiàn)短時間內最高負載、最短切削時間，降低機器能耗之外，再透過影像專家在機器前進行適應性調變，在節(jié)能方面還有助於延長刀具壽命，時時監(jiān)測主軸感測器，以即時real time在損及刀具前停機，藉此減少每部機器加工每個加工件的基本負載功耗。倘若檢測到切削力過載時，ACM就會降低進給率，並觸發(fā)警報以停機；或偵測到刀具破裂，以防止後續(xù)損害，延長刀具壽命及線上保護機臺。數(shù)位產出即可優(yōu)化加工時間，利用現(xiàn)有場地設備將生產率穩(wěn)定提高5%~40%。

最終以數(shù)位服務為基礎，產生新商業(yè)模式。實現(xiàn)數(shù)位企業(yè)在數(shù)據驅動型產業(yè)中，持續(xù)改進產品和生產。目前產業(yè)面臨的另一項挑戰(zhàn)是如何大幅增加工具機競爭力，但投入及磨合新設備與零件，需要相當長時間，以達到預期產出。

如今，透過SINUMERIK ONE控制器與CMVM數(shù)位產出，可將新設備啟動時間從12週縮減到3週，新零件上線的首次正確運行率可達到99%。因此，得以在工程開發(fā)階段即導入彈性應用，達到縮短開發(fā)流程，有別於傳統(tǒng)連續(xù)性開發(fā)流程。透過數(shù)位分身進行敏捷開發(fā)，以提升工程平行開發(fā)與驗證作業(yè)。

圖3 : 透過SINUMERIK ONE控制器與CMVM數(shù)位產出，得以在工程開發(fā)階段即導入彈性應用，透過數(shù)位分身進行敏捷開發(fā)，以提升工程平行開發(fā)與驗證作業(yè)。（攝影：陳念舜）

對於機械廠則能縮短50%工程開發(fā)時間，利用機械廠數(shù)位分身的虛擬3D模型，銜接使用者的數(shù)位分身，即可取得首次正確加工結果，提升其專業(yè)形象。產業(yè)挑戰(zhàn)在於如何提升既有設備的產能以長保競爭力，當安裝新軟體後，設備將保持原樣，且與新設備對比的差距正在穩(wěn)步增加，必須通過合理且可衡量的投資回報率提高加工輸出。

目前在臺灣導入CMVM（Create MyVirtual Machine）虛擬工具機分身技術的廠商，也已超過10家，藉此縮短機臺開發(fā)時程，讓所有部門同步起跑。一旦於此軟體工具環(huán)境內發(fā)現(xiàn)錯誤，也可即時修正而提升開發(fā)效率，並減少不必要的成本。

另一項數(shù)位分身軟體功能為Run MyVirtual Machine，以藉此協(xié)助客戶在PC上處理CNC訓練和程式設計，讓各家工具機廠商的應用部門不必再耗時釐清從CAD/CAM產出程式路徑到post後處理加工的品質符合預期，或等到實機驗證時才找出問題的準備工作，避免在加工或產生程式過程中碰撞，進而提供更快更好的諮詢服務，縮短加工時間並提高能源效率。現(xiàn)在還能透過Mcenter為機器數(shù)據和狀態(tài)創(chuàng)造了最大透明度，與系統(tǒng)整合軟體針對單一產線到單機提高OEE數(shù)據奠定了最佳基礎，減少停機時間與提高生產中的能源效率。

海德漢TNC7控制器　提升效能以兼顧永續(xù)需求

另一家德商海德漢公司（HEIDENHAIN）的核心價值，則在於如何更好、更合理地利用資源，促使工具機具備更有經濟效益的解決方案來追求極致效能，在提升產能、製程可靠度和資源利用率同時，降低永續(xù)性與系統(tǒng)的總持有成本（TCO）和碳足跡。並透過該公司推出的編碼器、光學尺、探針、刀具破損檢測器可為機臺性能最佳化與真實世界接軌，開拓了更多可能。

即使過去因臺灣工具機產業(yè)銷往中國大陸市場產品，大多以入門或小型標準機種為主，近年來飽受地緣政治波及和當?shù)厣a設備性能提升影響。但海德漢則鎖定高階機種應用，所受到影響的幅度較小，在今年三月舉行的TIMTOS也可見海德漢高層親自來訪臺灣多家工具機客戶，就雙邊未來合作進行交流，並持續(xù)投入研發(fā)高階機種，關注該公司產品的數(shù)位化功能於工具機產業(yè)的最新應用。

例如現(xiàn)今針對航太零件的加工需要大量移除材料，並以產出零件所需的時間計算加工費用，如何提高效率便是對於加工業(yè)者極重要的課題，海德漢的Optimize Contour Milling功能即可針對此類加工需求；半導體零件加工則強調高精度優(yōu)勢，利用海德漢五軸控制器搭配光學尺的解決方案，即可協(xié)助業(yè)者達成此項需求。

圖4 : 2023年三月TIMTOS也可見海德漢公司高層親自來訪臺灣多家工具機客戶，關注新世代CNC控制器TNC7等產品的數(shù)位化功能於工具機產業(yè)的最新應用。（攝影：陳念舜）

適於近期推出新世代CNC控制器TNC7，為工具機使用者與製造廠商，帶來更多元完整的編程循環(huán)操作、智慧量測功能，以及圖形化6D工件與夾治具輔助設置等組裝機臺的全新方式，無論是在編程、機臺設定或者工件量測的當下，皆可提供最大限度的彈性。

經過符合操作直覺化、任務導向化趨勢與自定義介面設計顯示內容，重新打造與使用者之間的互動性，促使生產現(xiàn)場製程更為輕鬆、快速且可靠的新功能，以達到最大產出目標，包括諸多大廠也推出配置新一代TNC7的五軸工具機。

使用者可藉此從簡單易上手的機臺工作設定流程開始，執(zhí)行可靠的銑削加工過程，直到工件去毛邊為止的超高效率。只須透過TNC7量測功能，即可在量測過程中移動旋轉軸，逐步校準並快速完成量測各種複雜形狀、毛坯或預先加工過的工件；同時結合6D圖形化工件功能，快速輔助設置任何複雜不規(guī)則夾治具、工件，讓加工者不再需要記得每個工序必須對應執(zhí)行的量測功能，開啟了新應用方式的可能性。

對於使用新一代進階擺線切削功能（OCM）的加工者而言，就可以藉此儲存多組不同循環(huán)與刀具的組合參數(shù)，執(zhí)行內建精加工與去毛邊的循環(huán)，或在進行凸島與凹槽加工時自動規(guī)劃最佳切銷策略，讓用戶可以更有效率、可靠的切削參數(shù)加工，以實現(xiàn)更高產量與更少刀具磨耗的條件下，銑削加工更多樣工件。

海德漢還提供了具有最佳化光學元件的新一代LC光學尺與RCN角度編碼器，擁有高畫質的最佳化感測元件新設計，使之減低了對壓縮空氣供給正壓的需求，即使在有液體汙染或霧氣的場合中，編碼器/光學尺仍能良好運行應用；並通過省略密封空氣濾淨系統(tǒng)，降低了機臺最多達99%二氧化碳足跡與系統(tǒng)成本，享有全閉迴路位置量測帶來的好處。

並經由在海德漢編程站上的模擬數(shù)位模型，又稱為數(shù)位分身（Digital twin），可提供與生產現(xiàn)場實機相同的運動模型定義、參數(shù)及功能。讓使用者得以在辦公室進行設計、編程與模擬作業(yè)，省下須用實機設計、模擬與程式偵錯的時間，並提升製程可靠度與生產效率。已在TIMTOS 2023期間搭配工具機合作夥伴，展示增加製程可靠度（Process reliability）的相關新功能，避免錯誤無效加工所產生的廢料，增加不必要的碳排放，進而達到增效減碳的目標，獲得客戶的高度肯定與關注。

目前海德漢數(shù)位工廠還為整個生產製造鏈環(huán)境提供打造360度零死角，且完整數(shù)位化的單一來源解決方案與服務。用來蒐集CNC機臺實際運行的數(shù)據，以及NC程式、PLC訊號運行及刀具資訊分析進行數(shù)位化呈現(xiàn)，以即時監(jiān)控管理生產狀態(tài)的StateMonitor軟體，發(fā)掘機臺所有潛能，產生實際需求刀具的清單，且可支援FANUC控制系統(tǒng)的FOCAS通訊格式。

且在網路串連監(jiān)控不同建築、生產地點機器的基礎上，由PlantMonitor跨場域監(jiān)控軟體分析來自多組StateMonitor的生產數(shù)據，為TNC7製程監(jiān)控透明化，提供額外的製程可靠度保障，讓使用者應對變更及製程最佳化的能力更完善，用戶彈性地應對突發(fā)性生產計劃變更，以及輕鬆計算加工時間和成本。

進而推出兩款新軟體工具：JobManager可用於派工管理規(guī)劃，用來有效預估投產時間、零件製造與運輸時間、交期，進而掌握及提升機臺利用率。透過PartCalculator輕鬆管理製造時間和預估加工成本，使用者僅須輸入材料與生產數(shù)量，即使在分析階段也能報價。