數位雙生應用於五軸加工驗證

摘要：本文開發一搭配西門子控制器之五軸工具機數位雙生系統，透過整合插補器、伺服傳動模型、結構動態分析等技術，用以預測五軸加工過程產生的輪廓誤差，並達到插補參數調整功能。首先透過西門子控制器自動伺服調機功能進行系統鑑別，求得伺服優化參數以及虛擬工具機模型，同時達到五軸插補匹配。接著推導位置轉移函數，求得直線與圓弧路徑的輪廓誤差解析解，再使用KAKINO標準路徑調教關鍵的插補參數。最後，使用NAS979切削測試驗證本文所提出的方法可以進一步提升五軸工具機之加工精度與品質。
Abstract：This article presents a digital twin system for a five-axis machine tool equipped with Siemens controllers. The system integrates techniques such as interpolation, servo drive modeling, and structural dynamic analysis to predict contour errors generated during the five-axis machining process and achieve interpolation parameter adjustments. Initially, the Siemens controller's automatic servo tuning function is employed for system identification, resulting in optimized servo parameters and a virtual machine tool model, while ensuring compatibility with five-axis interpolation. Subsequently, position transfer functions are derived to obtain analytical solutions for contour errors in linear and circular path trajectories, followed by the use of KAKINO standard path tuning to adjust key interpolation parameters. Finally, the NAS979 cutting test is employed to validate that the proposed method can further enhance the machining accuracy and quality of the five-axis machine tool.

關鍵詞：數位雙生、虛擬工具機、五軸加工
Keywords：Digital twin, Virtual machine tool, Five-axis machining

前言
在全球淨零碳排與數位轉型趨勢下，國際大廠皆逐漸透過數位轉型提升營運效能、加速布局差異化產品，讓製造業可以面對高度客製化、少量多樣、短交期、供應鏈減少等挑戰，提升供應鏈韌性。近年來日本JIMTOF工具機展、德國漢諾威工具機展的展場主題相繼聚焦於整合智慧製造與工業物聯網(IIoT)，串聯生產線設備與融合OT/IT數據，並運用智慧邊緣運算分析即時數據及優化產線，再上傳數據資料到雲端平台進行大數據分析，藉以打造製造現場的人工智慧(AI)模型，達到次世代的生產工藝與水準。高階控制器和先進工具機廠商為了滿足客戶端的高品質產品需求，相繼開發出次世代工具機先進技術[1]-[8]並提供給使用者選擇，如表1所示。
雖然臺灣工具機產業之應用開發製造技術成熟且供應鏈完整，但國內工具機廠商與加工業者對於高階控制器所提供的先進技術較不嫻熟，且技術手冊中並未詳細說明此功能背後運作的學理，近年來控制器越趨複雜的系統架構更讓使用者難以一窺其技術原理。雖然工具機廠商在機台出廠前為了符合加工性能都會先經過調教，且大都以多年來累積的現場經驗提供一組保守的控制器參數，但製造商無法掌握所有終端使用者的加工情境(如:加工件重量、刀具與材質、現場環境溫度等)，因此機台之加工品質與效能往往不盡理想。此外，機台出廠後機械經過長時間運作與磨耗，逐漸老化造成加工性能劣化時也需要重新調教，如此才能維持機台加工品質並延長使用壽命。若能為工具機機台建立一套數位雙生系統，於虛擬層面運行並透過感知訊號與實體設備互動，即可在實際加工前透過虛擬模擬的方式即時控制實體機台和優化加工程序，而不用經過現場實際機台的反覆測試及加工驗證，以達到節約能源與提升加工品質之目的。
表1中條列次世代工具機的各項先進技術(伺服調機、高品質加工、誤差補償)多數皆已具備人工智慧功能，數位雙生也逐漸內嵌成為工具機控制器之軟體套件。但若要實現長時間運轉下的高品質加工，就需要建立一套數位雙生系統將上述功能數位分身虛擬化。為了實現此目標，知名控制器與工具機廠陸續導入數位雙生系統，分別為Digital Twin for FANUC CNC、SINUMERIK ONE AI Digital Twin、MAZATROL TWINS、DMG MORI Digital Twin。其中新世代的西門子控制器SINUMERIK ONE，如圖1所示，宣稱不久的將來可同時整合數位雙生Digital Twin、人工智慧AI、智慧邊緣運算Edge Computing和雲端應用Cloud Application。

圖1 具備數位雙生技術之西門子控制器Sinumerik ONE

但大部分廠商目前僅是將虛擬工具機模型內嵌至控制器內，用以執行虛擬加工模擬功能(如:加工程序優化、加工時間估測、防碰撞預知、運動監控與加工程式除錯等)，西門子雖然可引入PLC機電程序、製造商與使用者協同任務，但仍無法在其控制器內建立工具機數位雙生模型，亦無考量控制器參數與調整對於系統動態響應的影響，更難以針對智能化模組(如:機台熱變位、主軸熱偏擺、元件預知保養)導入AI技術進行建模與補償。