虛擬工具機數位雙生平台

摘要：隨著歐盟於2023年1月正式公布碳關稅法案(CBAM)，並於2023年10月試行實施徵碳關稅，2026年正式生效，此法規加速全球淨零碳排的腳步，面對節能減碳的全球趨勢轉變，對以出口導向的國內工具機產業來說，將面臨新的挑戰與契機，因此，國內工具機產業積極布局節能減碳、工具機數位雙生、遠距模擬協作等陸續崛起的市場需求，加速相關技術的開發。本文以目前工具機產業中，重點開發的虛實整合技術為例，藉由生產過程中事先模擬加工與調適，確保產品上機加工後的品質要求，透過此技術，可降低人為參數調整及重複試加工的過程，提高加工效率，實現低碳智慧製造。本文將針對近年來於智慧製造技術中，工具機數位雙生技術的發展及開發案例進行說明，提供讀者在工具機數位雙生技術領域的參考。
Abstract：With the European Union's official announcement of the Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) in January 2023, and its trial implementation in October 2023, the regulation will accelerate the global pace towards net-zero emissions. For the export-oriented domestic machine tool industry, this will pose new challenges and opportunities. Therefore, the domestic machine tool industry is actively developing technologies such as energy conservation and emissions reduction, machine tool digital twins, and remote simulation collaboration. This article will take the virtual integration technology, which is a key development in the machine tool industry, as an example. By simulating and adjusting the machining process in advance during production, the quality requirements of the product after machining on the machine can be ensured. This technology can reduce the process of manual parameter adjustment and repeated trial machining, improve machining efficiency, and achieve low-carbon intelligent manufacturing. This article will explain the development and development cases of machine tool digital twin technology in recent years in intelligent manufacturing technology, providing readers with reference in the field of machine tool digital twin technology.

關鍵詞：工具機、數位雙生、智慧製造
Keywords：Machine tool, Digital twin, Intelligent manufacturing

前言
隨著疫情趨緩，2020年底歐美國家陸續解封，為刺激經濟活絡與消費力道，世界各國開始推動補助政策，於是2021年面臨製造產業的需求提升，導致半導體晶片缺貨、碼頭擁塞及運輸成本提高等現象，因此我國工具機2021年的出口值成長至27.82億美元，2022年國內工具機出口值呈現微幅獲利的狀況，其原因為2022年2月的俄烏戰爭，全球出現通貨膨脹的現象，且美國聯準會於同年3月份開始升息，美元貨幣轉強，帶動美債殖利率上升，新臺幣貶值的現象，如圖 1所示。引述全球經濟展望報告[1]，各國央行嘗試透過提高利率減緩通貨膨脹的速度，但因COVID-19後疫情時代與俄烏戰爭的供應鏈影響，推估 2023年全球工具機產業產值將衰退3％至5％，但我國工具機產業提前布局，於綠色能源發展，如風力發電等產業，且積極拓展新南向市場，因此2023年我國工具機出口產值應可微幅成長。

圖1 2019-2022臺灣工具機出口值 [1]
資料來源：臺灣機器公會、臺灣工具機暨零組件公會，工研院智慧機械科技中心繪製

在全球溫室效應造成升溫，導致極端氣候頻繁出現，且歐盟於2023年1月正式公布碳關稅法案(CBAM)，世界各國開始訂定淨零減碳計畫，其中，工具機在製造產業中扮演重要角色，傳統工具機的生產過程冗長，首先進行機構設計後，發包給鑄件廠製造，待鑄件完成後，由配電人員與電控人員，分別進行配電測試與控制器參數設定後，協作PLC控制動作撰寫，最後再進行機台試運轉與加工試切削，整個機台開發測試過程時間冗長。隨著碳關稅法案的政策趨動，國內外工具機廠在機台生產過程中，勢必加入碳排放量的考量。因此，於產品設計製造的過程中，對準綠色製造進行深度考量尤其重要，以工具機來說，可透過其用電量設計上，包括馬達、潤滑或冷卻等零組件，進行考量。過程中若可事先於電腦中工具機數位雙生平台，模擬實際機台加工情境與進行調校，降低不良品產出、避免重工所造成材料浪費，可提供使用者優化效率與節能減碳。
本文敘述分成三個部分，第一部分由虛擬工具機數位雙生平台開始說明，介紹如何於工具機開發階段前先進行虛擬調試與精準模擬，加速機台上市前故障排除的時間，並於加工接單前即提供客戶預估加工時間服務，加速現場調試流程；因國內工具機業者大都結合歐系與日系控制器大廠共同進行數位分身系統與實體機台設備串接，易受限於該廠牌封閉數位雙生平台，加值研發權限困難，本文藉由第二部分及第三部分的數位雙生模型建立，實現開放式虛擬工具機數位雙生平台。其中，第二部分說明虛擬工具機構型數位雙生模型，藉由模擬單機虛擬工具機3D模型機台運動情境，利用工研院自主開發的防碰撞模組，將機台各鑄件組合，避免人為或自動製造過程中不適當的碰撞發生。第三部分說明，虛擬工具機加工程式碼數位雙生模型，透過讀入具描述物件外型刀具路徑檔等資訊格式，直接轉換成工具機加工時所使用的數控程式碼，將數位雙生模型整合至虛擬工具機數位雙生平台，達到學研業界自主加值軟體開發，完成國內開放式虛擬工具機數位雙生平台，協助工具機與相關製造業業者具備未來淨零碳排時代的競爭優勢。