要實現(xiàn)智慧製造的願景，數(shù)位化與電腦化是最關鍵的一環(huán)，而在精密製造領域也同樣如此，透過數(shù)位化和電腦化的數(shù)控工具機，將可依照已編程好的程式對任何產(chǎn)品和零部件直接進行加工了，而這就是「數(shù)控加工」。而數(shù)控加工廣泛應用在所有機械加工上，更是模具加工的重要發(fā)展趨勢。

從字面上看，「CNC」就是Computerized Numerical Control的縮寫，也就是電腦化的數(shù)位控制技術，是利用數(shù)位化的指令對工具機運動及加工過程進行控制的一種方法。運用數(shù)控技術的工具機，或者配備數(shù)控系統(tǒng)的工具機稱為數(shù)控工具機，其整個系統(tǒng)概略可分為：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進給裝置等。

圖1 : CNC數(shù)控技術涵蓋層面示意圖。（source:工研院）

而要實現(xiàn)對工具機的控制，就需要用幾何邏輯來描述刀具和工件間的相對運動，以及用製程資訊來描述工具機加工必須具備的一些製程參數(shù)，例如：進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、主軸正反轉(zhuǎn)、刀具轉(zhuǎn)換和冷卻液的開關等。

智慧、整合、多軸、機聯(lián)網(wǎng)四大趨勢

根據(jù)Gardner Research的研究數(shù)據(jù)顯示，2016年臺灣維持全球第七大工具機生產(chǎn)國，產(chǎn)值37.13億美元，較2015年40.4億美元，負成長7.9%。同年臺灣出口值達29億美元，為全球大五大出口國，出口比率達78%。目前國產(chǎn)工具機採用國產(chǎn)控制器，主要為放電加工機、磨床、具床等機型，由新代、寶元、臺達電及舜鵬等支援。至於綜合加工機、車削中心等中高階工具機占比不到10%。

「智慧製造下CNC數(shù)控技術發(fā)展趨勢有智能加值軟體化、精密機械與工業(yè)手臂整合化、多軸多系統(tǒng)化、工業(yè)4.0機聯(lián)網(wǎng)化等四大趨勢。」工業(yè)技術研究院智慧機械科技中心智慧機械技術組組長孫金柱指出，工研院將協(xié)助廠商把握這四大趨勢，在CNC數(shù)控技術維持領先。

圖2 : 工業(yè)技術研究院智慧機械科技中心智慧機械技術組組長孫金柱執(zhí)行CNC切削實機操控。（攝影／王景新）

採訪伊始，孫金柱迫不及待地介紹桌面上這兩個以五軸刀具中心點控制機能驗證產(chǎn)出的精巧葉片，由工研院研發(fā)的該工具機支援刀具中心點控制機能、Ｓ曲線加減速、自動轉(zhuǎn)角減速功能、相容於Fanuc G碼，G43.5，加工時間只要六分45秒，相較以往一個葉片須耗時兩三個小時，大幅縮短生產(chǎn)時間，並提高良率。

孫金柱解釋，Mazak、DMG MORI、Okuma等工具機大廠紛紛開發(fā)各式智能加值機能，讓使用者選用，驗證了智能加值軟體化是大勢所趨。「DMG MORI的CELOS，還有Okuma的Apps。」工研院自行研發(fā)的車銑複合機就導入了UI介面，讓各種參數(shù)一目了然，降低使用者門檻。

精密機械與工業(yè)手臂整合見諸日本Fanuc與德國西門子，均朝向精密機械與機器手臂整合控制。多軸多系統(tǒng)化可見Fanuc、三菱與西門子都將控制器的系統(tǒng)數(shù)與軸數(shù)同步向上提升，以因應CNC多軸自動車削中心等需求。「如Fanuc由10系統(tǒng)提升至15系統(tǒng)；西門子由10系統(tǒng)提升至30系統(tǒng)。」至於工業(yè)4.0機聯(lián)網(wǎng)化，孫金柱舉例，像Fanuc以FIELD System，Okuma以Smart Factory，提供智能化工廠控制解決方案。

CNC數(shù)控技術涵蓋層面包括智能化全數(shù)位中衛(wèi)體系，整合伺服、SI、五軸組件、機器人、iCAM、線上量測等，提供產(chǎn)業(yè)智能控制total solution。孫金柱說，國際標準全數(shù)位架構，以製程系統(tǒng)、伺服與週邊國際標準介面，實現(xiàn)資料擷取、應用與交換無縫通信的控制架構。

航太級龍門五軸加工機正是產(chǎn)業(yè)推動成果案例，搭載進階智慧加值功能，加裝工研院智能化sensor模組，合作開發(fā)客製化功能軟體，「包括：加工顫振抑制、加工歷程記錄、健康預兆診斷等。」

國產(chǎn)EtherCAT數(shù)位控制器 開發(fā)智慧控制機能

此外，導入國產(chǎn)EtherCAT全數(shù)位控制器，開發(fā)智能控制機能，搭配龍馬內(nèi)藏式主軸及正頻高響應CS主軸驅(qū)動器，完成高智能車銑複合加工機開發(fā)。顫振抑制系統(tǒng)、對話式程式、遠端監(jiān)控、快速加工模擬等智能App嵌入EtherCAT全數(shù)位車削控制器。透過一層層的技術堆疊，成功打造出國產(chǎn)全數(shù)位高智能車銑複合加工機。

圖3 : 以前要花兩三小時完成的葉片，使用新機型不到七分鐘即可產(chǎn)出。（攝影／王景新）

同時，工研院整合立式五軸加工機、6KW雷射源、送粉機、同軸噴粉加工頭、CAD/CAM軟體與雷射複合控制器，建置CNC五軸動態(tài)LMD試製平臺，同時建立高效率與高品質(zhì)LMD製程技術，可針對金屬元件與模具，進行3D表面披覆、二次加工強化及再生修補等功能，達到更耐磨、更抗蝕、壽命延長功效，甚至可直接成型製造高複雜、結構強且質(zhì)輕的金屬零組件，彌補減法加工限制。

工研院並強調(diào)，其試製平臺歡迎國內(nèi)金屬模具、航太、鋼鐵、石化、機械五金等，產(chǎn)學研各界合作使用。工研院雷射與積層製造科技中心已引進全臺首座6000瓦高功率雷射設備，於六甲院區(qū)建置雷射金屬沉積（LMD）3D列印試製平臺，提供國內(nèi)產(chǎn)業(yè)從設計、模擬分析與複合製程完整金屬3D列印整合驗證方案。

軟體方面，工研院研發(fā)的Vmx Host為一智能化App執(zhí)行環(huán)境，提供感測通訊、控器通訊、大數(shù)據(jù)庫存取、操作日誌、ERP介面等底層服務，大幅簡化智能化軟體開發(fā)的技術門檻，用戶可自行開發(fā)專屬的人機介面風格。

孫金柱表示，CNC數(shù)控技術在智慧製造的布局重點應著重在工業(yè)4.0高階智動化控制平臺。例如：高整合性開放式多軸多系統(tǒng)控制平臺，具備三（五）軸與車銑控制核心，整合性伺服與Windows人機。無縫通信是以製程系統(tǒng)與週邊國際標準資訊介面，實現(xiàn)資料擷取、應用與交換無縫通信的控制架構。虛實整合控制部分，以精密控制核心整合加值軟體與感測器，實現(xiàn)虛體與線上雙回饋的虛實整合控制。

高智能單機與智動化系統(tǒng)控制平臺也同等重要，整合製程化人機與智能控制應用Apps，實現(xiàn)單機智能化與系統(tǒng)彈性智動化的高階智能化控制平臺，提供工具機、產(chǎn)業(yè)機械及工業(yè)robot等精密設備產(chǎn)業(yè)導入應用。

而在智慧化的趨勢下，工研院也將會持續(xù)研發(fā)高階控制器，推動智慧製程軟體、高荷重robot以及高階車、銑控制器自主，支援智慧製造示範場域建構。同時，針對航太、汽機車、自行車與精密機械零件等產(chǎn)業(yè)建立金屬加工示範產(chǎn)線，推動整合應用服務平臺。