CNC加工的完美数位新世界
从技术进化的观点来看，CNC加工制造的效能要再提升，全面性的使用数位技术是目前唯一的方向。而数位技术的发展，则又以深度的虚拟与模拟为要点。...
从技术进化的观点来看，CNC加工制造的效能要再提升，全面性的使用数位技术是目前唯一的方向。而数位技术的发展，则又以深度的虚拟与模拟为要点。
CNC加工做为数位科技的工业应用之一，一直以来都是专注于物料加工的精度与准度的提升，以及作动工序的改良，使之可在一部机具里完成最多的生产流程，进而增进整体的生产效能，并改善成本。
然而随着数位技术的不断进化，加工品质的改良已不再是唯一的发展目标，现在还要把目光看得更远，甚至是在生产之前，也就是在设计端就开始着手。要怎么做到？如何达成？关键就是数位分身。
而数位分身应用正进入到它的高速成长，将会快速布署至以工业制造为首的各种领域之中。市场研究机构 ResearchAndMarkets就预期，至2030年，全球数位分身市场规模预计将达到1558.394亿美元，从2022年到2030年的复合年成长率为39.1%。主要应用在制造、航空航太和汽车领域的开发与部署，并投入在设计、元件模拟与双生系统上。
CNC的当代发展与主流技术
然而要知道数位分身与CNC加工制造的关系，还是得从CNC的基本技术原理和目前的主流发展瞭 解起。
CNC为「Computerized Numerical Control」的缩写，也就是数位控制技术，是透过电脑的数位化指令，自动控制机械设备及加工过程，它的出现取代了手动控制的方式。
一般熟悉的数控工具机主要有XYZ三个直缐坐标轴，而多轴是指一台工具机至少具备第四轴。通常所称的多轴数控加工是指四轴以上，其中具有代表性的是五轴。
CNC数位控制技术的应用，包含机具的智慧监控与缐上检测功能，或者透过运用更多的感测器来强化加工的品质与运行安全，并提供精确且高准度的施工数据，同时检测机台本身机件的寿命情况，达成预诊维修的目标，进而优化厂房稼动率与整体的产能。
另外，透过先进的数位控制器与精准的马达和螺桿性能，使CNC数控系统与机台具备更高程度的加工生产能力，以达到更多轴与多面向的制造可能，进而实现高速与高精度的切削与加工生产。而可视化的加工预览，以及自动化智能回馈也是重要辅助项目。
随着数控技术的成熟发展，在工业4.0及数位分身潮流的推波助澜下，传统CNC数控系统于齿轮/螺桿加工亦可灵活运作。包括国内外工具机等OEM设备制造厂商，也纷纷与欧系大厂Siemens、NUM结盟，开发客制化人机介面及模拟软体，以支援齿轮/螺纹磨削专业加工机，增效节能或数位转型需求。
为因应高阶精密制造、车铣复合或五轴加工的多轴应用需求，过去较为复杂的曲面加工，都须仰仗不断的试错开发制程。如今可透过软体技术发展，实现防碰撞侦测，而这也是未来虚实整合系统切入的重点。
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数位分身与CNC加工
数位分身（Digital Twin）又可称为数位孪生、数位双胞胎，透过蒐集歷史与即时数据资料，作为现实包括人、商品、流程、系统、机器或生产设备的各种参数，转移至数位平台上，建构一个完整的模型，模型涵盖众多面向及变数，变数之间相互影响，预演将发生的各种变化。
数位分身的应用，包括透过感测器数据判断机械手臂故障问题，并且利用互动式人机介面进行诊断进而调整；而在仓储AGV人机协作上，可以模拟整场物流、工序、排程、取物型态、动缐、人机协作、动态调整物流资源，以因应少量多样客制化订单需求。
而在CNC加工应用上，即在加工前可先透过数位分身模拟制程，或是透过预兆诊断系统，能让业者预知机台健康状态，清楚何时该维修或替换零件，得以提升设备稼动率，妥善规划生产排程。
也因此其核心除了具备模拟模型之外，与真实模型的连结是需要能够被量化，而其量化的基础可以被作为智慧化应用，甚至建立新兴商业模式。欧洲工具机厂也在产品生产过程中，导入数位分身技术，来活化加速机械产业中的生产流程，以及提供更多的商业模式。
以台湾的东台精机为例，该公司针对旗下的TD系列车铣复合机推出了数位分身应用，其最大的特色就是只需要一台笔电就能进行99%相符的加工模拟、干涉检查等，降低数位执行系统的负担。
另一家业者台湾力盟（NUM）也发表了用于CNC机床的数位分身技术，可在开发之前进行设计分析、测试和性能提升，减少机床开发时间和成本，使制造商大幅缩短上市时间。
而数位分身技术的领导者西门子（ SIEMENS）也推出一种新世代的数位原生CNC控制器SINUMERIK ONE，能够串接数位分身系统与实体产品，让机械设备制造商可藉由利用数位模拟来缩短调适时间，以便更迅速的进行机台开发，或是在虚拟环境中测试零件、改善效能。
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运用数位分身来改善设计与生产
从上述的几个业者案例可以看出，机具导入数位分身的功能或者与虚拟系统串接，已经是当前的重要发展趋势。而其主要的用途都在于改善设计，加速生产的时程。
在一个以工业4.0为基础的智慧制造与数位转型时代，数位分身是其中的重要环节，它能把开发设计逐渐整合至制造执行系统里，并且延伸到更多元的产业应用里。近年已有越来越多的欧系齿轮加工专用机大厂，为了提升产品应用的附加价值，而相继推出自动化解决方案服务，并结合数位分身等科技，以驱动数位转型。
一般来说，在一个标准的CNC机具里，只要将程式指令输入数控系统后，经由电脑编译计算，并透过位移控制系统，将资讯传至驱动器以驱动马达，使之来切削加工所设计之零件，并不会结合数位分身的应用。
由于过去数位分身应用大多以CAD/CAE为主，而机台的机械设计则多以CAE模拟为多，至整机的开发流程大多会分散开发，才可负荷单机大规模制造的生产模式。而近几年机具设备业也开始朝向如消费性电子产品式的发展，就是生命週期缩短，同时客制化需求上升，因此就需要透过先进的数位化功能的支援下，在产品开发流程的初期，就建立虚拟机台模型。
在开发初期导入数位分身的优势很多，最大的好处就在于客制化能力的提升。因为产品的设计与分析，都可以透过数位分身进行深入的模拟，除了可以提高与客户之间的沟通效率，也可以在物件加工之前，就能获取绝大多数的物件数据，提高良率也缩减误差。
而在工件实际加工后所得到的真实数据，也可以进一步回馈到数位虚拟模型里，再做进一步的优化与调整，再提升加工品质，或者调整设计。
所以CNC加工搭配数位分身不仅能直接反映在物件加工的品质上，同时也可以透过事前的模拟与分析，提升产品开发端的效益，甚至是拉高自身客制化的能力。若是再结合人工智慧与大数据的功能，还能让数位分身具备更多的自主性，届时产品的开发与生产将会进入全新的世代。
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结语
从技术进化的观点来看，CNC加工制造的效能要再提升，全面性的使用数位技术是目前唯一的方向。而数位技术的发展，则又以深度的虚拟与模拟为要点，换而言之，就是要让数位与实体密不可分，数位分身也就因应而生。
未来新一代的CNC机台都将会串接到数位的虚拟系统之上设计优化，从虚拟试运转、生产中磨合部件，乃至翻新与服务，都会是数位分身应用的优化对象。这将为机台制造商省下大量时间，并增进其机台从概念设计到生产过程的品质。
在全球数位化浪潮席捲之下，许多台湾业者已经开始进行数位转型，设备与技术功能不断提升，成本也不断下降，数位分身也将会成为最重要的五大科技趋势之一。
**刊头图(source: DP Technology)