工具機數位雙生模組協作體系

摘要：本文以工具機數位雙生模組協作體系的發展進行探討，其主要於工具機的製造業中，使用數位雙生技術來建立虛擬模型，用以模擬和監控實際工具機的運作狀態和效能。這種系統的目的是透過數位化的方式來提升生產效率、降低成本以及改善製造過程的可控性與可預測性。數位雙生模組為系統核心，建立了實際工具機的虛擬模組，包括其幾何結構、機械特性、電氣系統、控制系統等。這個虛擬模組會不斷地從實際工具機中獲取數據，用來模擬和預測其運行狀態。基於數位雙生模型的模擬，系統可以優化工具機的運行參數，以實現更高的生產效率和品質。同時，自動化的控制策略也可以基於模型的分析結果來實現。
Abstract：The development of the collaborative system for the digital twin module in the field of machine tools involves the utilization of digital twin technology to establish virtual models, aiming to simulate and monitor the operational state and performance of actual machine tools within the manufacturing industry. The primary purpose of this system is to enhance production efficiency, reduce costs, and improve the controllability and predictability of the manufacturing process through digitization. The digital twin module serves as the core of the system, constructing virtual replicas of real machine tools, encompassing their geometric structures, mechanical characteristics, electrical systems, and control mechanisms. This virtual module continuously acquires data from the actual machine tools to simulate and predict their operational statuses. Based on the simulations derived from the digital twin model, the system can optimize the operational parameters of the machine tools to achieve heightened production efficiency and quality. Additionally, automated control strategies can be implemented based on the analytical results of the model.

關鍵詞：數位雙生模型、工具機、協作體系
Keywords：Digital twin model, CNC machine tool, Collaborative system

前言
在科技迅速發展的時代，製造業經歷了數位化和自動化的轉型。其中一項突破性創新是「工具機數位雙生協作體系」的開發和應用。這個系統已經徹底改變了工具機的設計、操作和優化方式，帶來了生產效率的提升、成本的降低以及製造過程預測能力的增強。本文探討了工具機數位雙生協作體系的複雜性，其組成部分、優勢以及對製造業的重大影響。工具機數位雙生協作體系代表了製造業的一個創新發展。它結合了數位雙生概念與協作工具，為工具機的設計、監控和優化創建了一個強大的框架。本文深入探討了這個系統的各個方面，其基本原理以及對製造業帶來的優勢。
數位雙生概念說明
為了要理解工具機數位雙生協作體系，理解數位雙生的概念是至關重要的。此部分解釋了數位雙生是什麼、如何運作數位雙生、以及在製造業中的重要性。
數位雙生（Digital Twin）是一個相對新興的概念，它起源於物聯網 ( Internet of Things, IoT )和數據科學的領域，但現在已經廣泛應用於多個領域，包括製造業、建築、醫療保健等。數位雙生是指在虛擬世界中建立的一個精確的、虛擬的實體或系統的模型，該模型可以即時反應和模擬現實世界中的對應實體或系統的狀態和行為。數位雙生概念可包含虛擬模型、即時的數據連接、模擬和預測以及相關應用領域：
虛擬模型：數位雙生的核心是建立一個精確的虛擬模型，這個模型是對現實世界中實體或系統的精確複製。這個虛擬模型包括了實體或系統的所有重要特徵，包括結構、性能、行為、傳感器數據等等。
即時數據連接：數位雙生模型不僅僅是一個靜態的虛擬模型，它還與實際對應的物理實體或系統保持即時數據連接。這意味著它能夠不斷地接收來自現實世界的數據，如傳感器數據、操作數據等，以及傳送命令和指令回到現實世界中的對應實體或系統。
模擬和預測：基於虛擬模型和即時數據，數位雙生具有模擬和預測的能力。這意味著它可以模擬實體或系統的行為，並預測未來的狀態。這對於優化運營、預測維護需求、提高效率等方面都非常有用。
應用領域：數位雙生在多個領域都有廣泛的應用。在製造業中，它可以用於模擬和優化機器的運行，提高生產效率。在醫療保健領域，它可以用於模擬人體器官的功能，協助手術規劃。在城市規劃中，它可以用於模擬城市的交通流量和能源消耗，改善城市設施[1]。
工具機數位雙生協作組成
工具機數位雙生協作體系的組成部分包含數位雙生模型、數據蒐集與監控模組、通訊模組、數位雙生協作平台、數據分析與預測模組、使用者介面與視覺化模組。其中數位雙生模型為數位雙生協作系統的主要核心，通常用以模擬實際工具機的物理特性以及行為，如機械結構、電控系統等，仔細說明則包含控制內核模型、五軸工具機運動學模型、主軸/進給軸傳動系統動力學模型以及刀具運動模型等。數據蒐集與監控模組則是用來蒐集實際工具機之數據，包含各種感測器與監控裝置，以偵測工具機的運作的狀態、溫度、振動與壓力等數據。通訊模組主要為數位雙生模型的數據傳輸方法，主要以實現即時數據的傳輸。數位雙生協作平台是一種集成模組，其涵蓋各種數位雙生模組、數據分析工具、優化演算法等，確保不同模組之間的協作方式。使用者介面與視覺化模組主要用以顯示工具機數位雙生系統給使用者，包含可視化介面、顯示數據、模擬結果與警報訊息等[1-2]。
工具機數位雙生協作進展
在全球溫室效應造成升溫，導致極端氣候頻繁出現，世界各國開始訂定淨零減碳計畫，而工具機在工業製造生產中扮演了重要的角色，工具機產品生命週期長(以德國工具機平均壽命為10.5年)，工具機報廢後的回收，因工具機主要為金屬材料，故回收部分較無問題，惟如何降低工具機在服役期間從事製造生產的能耗已成為重要議題，其中歐盟業者在節省能耗部分的研發，主要以工具機能源管理，並積極研發降低能耗的功能。
於節能減碳的趨勢下，促使國內外工具廠在機台設計的過程中就需要考慮碳排放量。所以不只是產品，從一開始的設計就要著手規劃配合綠色製造，產品製造過程也要跟著調整，以工具機來說，其在用電量設計上，包括馬達、潤滑或冷卻等零組件，也都要考量。透過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，提供使用者優化效率與節能減碳。
近年來，歐洲工具機廠也開始運用數位雙生技術加速生產流程，如機台設計CAE模擬將機構、電氣與自動化系統從以往分散開發，改以數位化平台建立虛擬機台模型而加速初期開發流程，並開始支援新機台數位設計優化，以虛擬試運轉節省工具機製造商開發時間。以全球工具機龍頭DMG MORI為例，生產工具機的直接碳排放量只占整個生產過程的7%，但將供應商製造工程囊括進來的話，零件採購部分卻占整體的70%。因此由企業內部逐漸擴展至下游供應鏈，包括再生能源與相關配套機制，能源即服務解決方案興起及以生產效率帶動節能減碳，才有可能共創零碳生態系。德國控制器大廠西門子也提出SINUMERIK ONE，其透過虛擬控制器、操作面板、PLC、SimDrive、3D模擬等工具進行工具機數位雙生建置，提供機台虛擬測試與調校，加速綠色工具機虛擬整合製造技術發展[3]。