從技術(shù)進化的觀點來看，CNC加工製造的效能要再提升，全面性的使用數(shù)位技術(shù)是目前唯一的方向。而數(shù)位技術(shù)的發(fā)展，則又以深度的虛擬與模擬為要點。

CNC加工做為數(shù)位科技的工業(yè)應(yīng)用之一，一直以來都是專注於物料加工的精度與準度的提升，以及作動工序的改良，使之可在一部機具裡完成最多的生產(chǎn)流程，進而增進整體的生產(chǎn)效能，並改善成本。

然而隨著數(shù)位技術(shù)的不斷進化，加工品質(zhì)的改良已不再是唯一的發(fā)展目標，現(xiàn)在還要把目光看得更遠，甚至是在生產(chǎn)之前，也就是在設(shè)計端就開始著手。要怎麼做到？如何達成？關(guān)鍵就是數(shù)位分身。

而數(shù)位分身應(yīng)用正進入到它的高速成長，將會快速布署至以工業(yè)製造為首的各種領(lǐng)域之中。市場研究機構(gòu) ResearchAndMarkets就預(yù)期，至2030年，全球數(shù)位分身市場規(guī)模預(yù)計將達到1558.394億美元，從2022年到2030年的複合年成長率為39.1%。主要應(yīng)用在製造、航空航太和汽車領(lǐng)域的開發(fā)與部署，並投入在設(shè)計、元件模擬與雙生系統(tǒng)上。

CNC的當代發(fā)展與主流技術(shù)

然而要知道數(shù)位分身與CNC加工製造的關(guān)係，還是得從CNC的基本技術(shù)原理和目前的主流發(fā)展瞭 解起。

CNC為「Computerized Numerical Control」的縮寫，也就是數(shù)位控制技術(shù)，是透過電腦的數(shù)位化指令，自動控制機械設(shè)備及加工過程，它的出現(xiàn)取代了手動控制的方式。

一般熟悉的數(shù)控工具機主要有XYZ三個直線坐標軸，而多軸是指一臺工具機至少具備第四軸。通常所稱的多軸數(shù)控加工是指四軸以上，其中具有代表性的是五軸。

CNC數(shù)位控制技術(shù)的應(yīng)用，包含機具的智慧監(jiān)控與線上檢測功能，或者透過運用更多的感測器來強化加工的品質(zhì)與運行安全，並提供精確且高準度的施工數(shù)據(jù)，同時檢測機臺本身機件的壽命情況，達成預(yù)診維修的目標，進而優(yōu)化廠房稼動率與整體的產(chǎn)能。

另外，透過先進的數(shù)位控制器與精準的馬達和螺桿性能，使CNC數(shù)控系統(tǒng)與機臺具備更高程度的加工生產(chǎn)能力，以達到更多軸與多面向的製造可能，進而實現(xiàn)高速與高精度的切削與加工生產(chǎn)。而可視化的加工預(yù)覽，以及自動化智能回饋也是重要輔助項目。

隨著數(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，傳統(tǒng)CNC數(shù)控系統(tǒng)於齒輪/螺桿加工亦可靈活運作。包括國內(nèi)外工具機等OEM設(shè)備製造廠商，也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結(jié)盟，開發(fā)客製化人機介面及模擬軟體，以支援齒輪/螺紋磨削專業(yè)加工機，增效節(jié)能或數(shù)位轉(zhuǎn)型需求。

為因應(yīng)高階精密製造、車銑複合或五軸加工的多軸應(yīng)用需求，過去較為複雜的曲面加工，都須仰仗不斷的試錯開發(fā)製程。如今可透過軟體技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)防碰撞偵測，而這也是未來虛實整合系統(tǒng)切入的重點。

圖1 : 通常所稱的多軸數(shù)控加工是指四軸以上，其中具有代表性的是五軸。

數(shù)位分身與CNC加工

數(shù)位分身（Digital Twin）又可稱為數(shù)位孿生、數(shù)位雙胞胎，透過蒐集歷史與即時數(shù)據(jù)資料，作為現(xiàn)實包括人、商品、流程、系統(tǒng)、機器或生產(chǎn)設(shè)備的各種參數(shù)，轉(zhuǎn)移至數(shù)位平臺上，建構(gòu)一個完整的模型，模型涵蓋眾多面向及變數(shù)，變數(shù)之間相互影響，預(yù)演將發(fā)生的各種變化。

數(shù)位分身的應(yīng)用，包括透過感測器數(shù)據(jù)判斷機械手臂故障問題，並且利用互動式人機介面進行診斷進而調(diào)整；而在倉儲AGV人機協(xié)作上，可以模擬整場物流、工序、排程、取物型態(tài)、動線、人機協(xié)作、動態(tài)調(diào)整物流資源，以因應(yīng)少量多樣客製化訂單需求。

而在CNC加工應(yīng)用上，即在加工前可先透過數(shù)位分身模擬製程，或是透過預(yù)兆診斷系統(tǒng)，能讓業(yè)者預(yù)知機臺健康狀態(tài)，清楚何時該維修或替換零件，得以提升設(shè)備稼動率，妥善規(guī)劃生產(chǎn)排程。

也因此其核心除了具備模擬模型之外，與真實模型的連結(jié)是需要能夠被量化，而其量化的基礎(chǔ)可以被作為智慧化應(yīng)用，甚至建立新興商業(yè)模式。歐洲工具機廠也在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，導(dǎo)入數(shù)位分身技術(shù)，來活化加速機械產(chǎn)業(yè)中的生產(chǎn)流程，以及提供更多的商業(yè)模式。

以臺灣的東臺精機為例，該公司針對旗下的TD系列車銑複合機推出了數(shù)位分身應(yīng)用，其最大的特色就是只需要一臺筆電就能進行99%相符的加工模擬、干涉檢查等，降低數(shù)位執(zhí)行系統(tǒng)的負擔。

另一家業(yè)者臺灣力盟（NUM）也發(fā)表了用於CNC機床的數(shù)位分身技術(shù)，可在開發(fā)之前進行設(shè)計分析、測試和性能提升，減少機床開發(fā)時間和成本，使製造商大幅縮短上市時間。

而數(shù)位分身技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者西門子（ SIEMENS）也推出一種新世代的數(shù)位原生CNC控制器SINUMERIK ONE，能夠串接數(shù)位分身系統(tǒng)與實體產(chǎn)品，讓機械設(shè)備製造商可藉由利用數(shù)位模擬來縮短調(diào)適時間，以便更迅速的進行機臺開發(fā)，或是在虛擬環(huán)境中測試零件、改善效能。

圖2 : NUM CNC系統(tǒng)的3D 模擬功能，能讓操作人員透過預(yù)覽與狀態(tài)顯示，充分掌握加工資訊。（source: NUM）

運用數(shù)位分身來改善設(shè)計與生產(chǎn)

從上述的幾個業(yè)者案例可以看出，機具導(dǎo)入數(shù)位分身的功能或者與虛擬系統(tǒng)串接，已經(jīng)是當前的重要發(fā)展趨勢。而其主要的用途都在於改善設(shè)計，加速生產(chǎn)的時程。

在一個以工業(yè)4.0為基礎(chǔ)的智慧製造與數(shù)位轉(zhuǎn)型時代，數(shù)位分身是其中的重要環(huán)節(jié)，它能把開發(fā)設(shè)計逐漸整合至製造執(zhí)行系統(tǒng)裡，並且延伸到更多元的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用裡。近年已有越來越多的歐系齒輪加工專用機大廠，為了提升產(chǎn)品應(yīng)用的附加價值，而相繼推出自動化解決方案服務(wù)，並結(jié)合數(shù)位分身等科技，以驅(qū)動數(shù)位轉(zhuǎn)型。

一般來說，在一個標準的CNC機具裡，只要將程式指令輸入數(shù)控系統(tǒng)後，經(jīng)由電腦編譯計算，並透過位移控制系統(tǒng)，將資訊傳至驅(qū)動器以驅(qū)動馬達，使之來切削加工所設(shè)計之零件，並不會結(jié)合數(shù)位分身的應(yīng)用。

由於過去數(shù)位分身應(yīng)用大多以CAD/CAE為主，而機臺的機械設(shè)計則多以CAE模擬為多，至整機的開發(fā)流程大多會分散開發(fā)，才可負荷單機大規(guī)模製造的生產(chǎn)模式。而近幾年機具設(shè)備業(yè)也開始朝向如消費性電子產(chǎn)品式的發(fā)展，就是生命週期縮短，同時客製化需求上升，因此就需要透過先進的數(shù)位化功能的支援下，在產(chǎn)品開發(fā)流程的初期，就建立虛擬機臺模型。

在開發(fā)初期導(dǎo)入數(shù)位分身的優(yōu)勢很多，最大的好處就在於客製化能力的提升。因為產(chǎn)品的設(shè)計與分析，都可以透過數(shù)位分身進行深入的模擬，除了可以提高與客戶之間的溝通效率，也可以在物件加工之前，就能獲取絕大多數(shù)的物件數(shù)據(jù)，提高良率也縮減誤差。

而在工件實際加工後所得到的真實數(shù)據(jù)，也可以進一步回饋到數(shù)位虛擬模型裡，再做進一步的優(yōu)化與調(diào)整，再提升加工品質(zhì)，或者調(diào)整設(shè)計。

所以CNC加工搭配數(shù)位分身不僅能直接反映在物件加工的品質(zhì)上，同時也可以透過事前的模擬與分析，提升產(chǎn)品開發(fā)端的效益，甚至是拉高自身客製化的能力。若是再結(jié)合人工智慧與大數(shù)據(jù)的功能，還能讓數(shù)位分身具備更多的自主性，屆時產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)將會進入全新的世代。

圖3 : CNC加工搭配數(shù)位分身不僅能直接反映在物件加工的品質(zhì)上，同時也可以透過事前的模擬與分析，提升產(chǎn)品開發(fā)端的效益。(source:kth.se)

結(jié)語

從技術(shù)進化的觀點來看，CNC加工製造的效能要再提升，全面性的使用數(shù)位技術(shù)是目前唯一的方向。而數(shù)位技術(shù)的發(fā)展，則又以深度的虛擬與模擬為要點，換而言之，就是要讓數(shù)位與實體密不可分，數(shù)位分身也就因應(yīng)而生。

未來新一代的CNC機臺都將會串接到數(shù)位的虛擬系統(tǒng)之上設(shè)計優(yōu)化，從虛擬試運轉(zhuǎn)、生產(chǎn)中磨合部件，乃至翻新與服務(wù)，都會是數(shù)位分身應(yīng)用的優(yōu)化對象。這將為機臺製造商省下大量時間，並增進其機臺從概念設(shè)計到生產(chǎn)過程的品質(zhì)。

在全球數(shù)位化浪潮席捲之下，許多臺灣業(yè)者已經(jīng)開始進行數(shù)位轉(zhuǎn)型，設(shè)備與技術(shù)功能不斷提升，成本也不斷下降，數(shù)位分身也將會成為最重要的五大科技趨勢之一。

**刊頭圖(source: DP Technology)