五軸工具機數位雙生平台技術

前言

數位雙生平台目標為創建物理世界中的虛擬模型，從而實現精確模擬、監控並優化現實世界中的系統。這種技術廣泛應用於製造業，透過物聯網（IoT）設備不斷收集真實世界物理資訊，用這些數據來精確創建一個真實物件的虛擬分身，並且隨著時間的推移，持續蒐集資料以更新數位雙生模型，來反映出此真實物件的變化。數位雙生平台可以用來模擬和優化生產過程，減少設備故障時間，並提高整體生產效率。且平台持續收集和分析大量數據，可預測未來可能發生的問題，以便使用者及時採取行動，避免時間或財產損失。

虛擬工具機數位雙生平台透過整合工具機相關的虛擬系統，進行生產前模擬以加速生產開發流程，預測並確保產品品質，節省工具機製造商的時間成本。同時透過嵌入在工具機中的感測器以及物聯網技術，將真實機台的位置、速度、溫度等數據即時傳輸到數位平台，使模型能夠真實反映工具機的運行情況和狀態。隨資料蒐集量增加，數位雙生平台也能依據最新的數據進行調整虛擬模型參數，以保持與物理設備的一致性，並提前發現潛在的故障供維護人員進行檢查和維護，從而避免停機或設備損壞。

目前廠商使用的工具機數位雙生平台大多為國際控制器大廠（如：FANUC、SIEMENS）所開發，受限於其廠牌控制器，於軟體與實體機台的設備串接間，無預先制定好的通訊協定與互動機制，因此尚無法有效整合各種數位雙生功能模組。本文開發之數位雙生平台將支援不同廠牌控制器連線，根據不同工具機設定機台運動鏈以進行加工模擬，並藉由補償功能模組來提高模擬精準度。

五軸虛擬工具機數位雙生平台

虛擬工具機數位雙生平台核心功能為數控模擬器（CNC Simulator）與虛擬工具機構型，加工程式經數控模擬器解譯後得到加工機械座標，平台讀取座標使虛擬工具機構型從動，達成加工模擬來驗證或優化加工程式。導入數位雙生技術於加工前整機虛擬模擬，進行工具機加工產品開發階段的虛擬調試與精準模擬，提供預估產品加工精度的服務，預期可降低不良品的產出、避免重複加工所造成材料浪費。

五軸加工機是目前在高精度加工領域中最為普遍的加工中心機型，提供了三個直線運動軸和兩個旋轉軸，可在多個方向上進行切削。五軸加工相對於三軸加工具有更高的靈活性、精度和效率，能夠在單次夾緊中完成多面的加工，顯著提高加工效率，並且能夠處理更複雜的幾何形狀，能滿足大多數精密加工需求。數位雙生平台整合五軸控制器與虛擬工具機模型，模擬複雜且高精度零部件的加工模擬，對於航空航天、汽車製造、模具製造以及醫療器械等行業相當重要。
除了模擬加工功能，數位雙生平台也包含數種功能模組，如數控模擬器模組、虛擬工具機構型模組，使數位雙生平台能夠串接多家廠牌控制器、匯入不同工具機構型，根據不同工具機來建立數位雙生平台。另外還有主軸熱溫升補償模組，根據機台溫度以AI模型預測主軸偏移並進行座標補償。圖1為本文開發之五軸虛擬工具機數位雙生平台的軟體介面。

數控模擬器數位雙生模組

工具機的數控模擬器是一種專門設計用來模擬工具機控制器運行過程的軟體工具，數控模擬器能夠在一般電腦環境中模擬工具機的操作與運行，讓使用者在不實際加工的情況下，預先檢查和驗證加工程式（G代碼）的正確性和加工過程中的潛在問題（如過行程干涉），適合用於教育或是開發測試用途。

圖1 五軸虛擬工具機數位雙生平台軟體介面