从美中贸易战到COVID-19大流行，再到全球供应链体系的不稳定，以及全球推动ESG议题等，对制造业市场的全球性冲击与挑战不断加剧。通过数位化转型应对新的常态挑战，并且提升竞争力，已成为当前企业的重要课题。

供应链系统的波动迫使公司必须不断适应市场的挑战，包括产品交期延挎、产品多样性变化、现有产线效能迫切提升、来自客户端的制程最隹化需求，以及导入崭新科技的服务需求。面对多方不同挑战，以下为各种不同面向的解决方案：

一、数位化制造流程：制造流程数位化可以提高效率、精确度和品质，并且加速产品上市时间。

二、强化客户体验：使用数位方法行销公司产品，例如虚拟现实、增强实境等技术提供更好的客户体验，并吸引更多潜在客户。

三、强化虚拟测试：面对紧凑的开发时程，可以采用虚拟化测试技术，例如对比真机模拟的测试和验证，来节省时间和成本。

四、导入智慧软体：采用智慧软体可以提高产能效率和品质，例如西门子的智慧软体可以帮助客户进行制造流程数位化，并提供即时的监控、分析与智能化自动优化产线。

五、建立远端服务：使用远端服务技术，例如基於云端的远端设备监控和维修，以确保生产线的正常运转。

图1 : 数位双胞胎：物联网连接真实世界，精进产品制程（source：SIEMENS）

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数位化的过程可以协助将企业流程、资讯、装置和人员结合在一起，以提高效率、创造价值和改善客户体验。西门子数位化软体解决方案可以帮助机械制造业以及使用者两者一同合作进行数位转型，透过虚实整合，打造永续竞争力。这种解决方案可以解决在生产环境中的痛点，并创造双赢局面，以提高生产力和客户满意度。

一般而言，产品设计和生产过程中，每个工程步骤都需要涉及企业内多个运作流程，因此部门之间的沟通和协调至关重要。数位化工具的导入可以帮助人员在流程中发生问题时，快速辨识问题的根本原因，从而准确排除问题。透过高效率的生产计划和优化产能，提高部门之间的协作效率，将是保持竞争优势的关键因素之一。

产业变革带来数位转型驱动力

为实现持续优化产能和永续性发展的目标，数位化软体工具将扮演重要的角色。透过软体的辅助来完整掌握设计和制造流程，包括机台生产过程所产生的数据，提高资讯透明度，使工程人员能灵活运用数据，快速反应突发的问题，并利用流程改善的反??，形成有效改善生产力的正向循环，让突发的问题可以被有效地掌握与处理。

数据不仅重要，更需要透过数据来挖掘可改善的流程，才能发挥其关键的作用。数位转型和数位生产流程就是为此而生，正确地活用数据，为企业带来永续性发展的生产优势（图2）。

图2 : 数位转型过程涵盖企业流程逐步改善形成正向循环

目前西门子提供多种数位化软体工具，例如数位双胞胎（Digital Twin）、人工智慧（AI）、工业5G、边缘运算（Edge Computing）和物联网（IoT）等，这些工具已经在许多大型企业得到广泛应用。然而，对於多数尚未投入转型的重要客户来说，如何在现有的人力基础上选择适合的数位化解决方案，实现数位转型和绿色转型是一个重要课题。因此，西门子提供一连串完整的数位体验，以最创新的技术、最贴心的服务与企业一同迈入转型之路。

数位化和数位双胞胎是西门子继工业4.0展??後，提出的具体实践方法。简化流程包括三个步骤：产品设计、生产规划、实际生产。从这些面向出发，在不同的情境下套用已被验证过的数位化软体工具，其中不仅涵盖人员的技术能力、软体工具、现场机台的性能，还包括精准、快速的服务，提供贴近实际生产过程的完整解决方案。有了数位化软体的帮助，在导入数位化後的生产流程方法，可以提高设计规划阶段的生产力。这样做的目的是为了在最终售价中反映出杰出的生产实力。

以客户价值链为基础的数位原生控制器发展策略

近年来，工具机产业生态已由过去的大量生产单一机种转变为机械客制化生产。此外，新机种的上市时间也被客户大量压缩，过往流程开发越来越无法应对市场需求，将衍生出售服议题。一般机械厂开发流程可以透过价值链拆解为以下几个项目，包含新机概念雏形、机构设计和软体规划、电控系统的调适和程式规划、实机的操作和试?，最後串联到售後服务，形成完整的新机开发价值链，如图3所示。

图3 : 设备开发商内部价值链涵盖研发、调适到售後服务

过往流程依然是工具机产业开发新机的基础，但随着市场需求的改变和客户期??的提高，单纯依靠经验，面对不确定性，已经难以满足需求。因此，利用数位软体的方式，对以经验为核心的流程进行升级和优化，让经验在软体的辅助下更发挥出其价值。

例如，以数位软体协助机械设计、模拟、测试等流程，提前获得实作的结果，从而提高开发效率和产品品质。同时也可以透过数位软体提供数据分析、监控、维护等服务，帮助企业实现智能化生产和服务，提高竞争力。因此，数位化软体成为了产业实现升级和转型的关键。

数位原生控制器大幅强化机台生产力

SINUMERIK ONE是西门子推出的全球首款数位原生控制器。该控制器通过顶级的PLC和CNC性能，大幅强化机台的生产力；整合SIMATIC S7-1500F PLC的PLC周期时间比其过往版本快10倍，不仅提升PLC循环运算能力，更可最大程度地减少非生产时间。它还具备智慧优化软体和加工优化策略，可使模具加工性能水平提高25%以上。操作系统方面，SINUMERIK ONE针对多点触摸进行了优化，与现代智慧手机操作相似，并支持多种实体加工和数位技术应用。

SINUMERIK ONE可搭配采用CMVM软体建立机台控制器和相关的数位双胞胎，实现了硬体和软体的无缝整合，有助於推动工具机产业的数位化转型。该控制器不仅代表着强大的硬体创新，也加速了基於虚拟和现实世界之间的互动创新。可预先模拟机台行为，进行无风险最隹化开发，并获得更高效的加工性能和品质。

随着实体生产流程的自动化，设备商需要更加灵活、反应更快、更具成本效益以及更良好的应用其资源，而透过产品和生产流程的端到端数位化和虚拟化可以进一步优化潜力。数位原生控制器SINUMERIK ONE是世界上第一款高阶且可满足使用者需求、连结真实硬体与数位双胞胎的CNC控制器，带给工具机厂商和使用者广泛的附加价值（图4）。

图4 : 西门子推出全球首款数位原生CNC控制系统-SINUMERIK ONE

虚拟化技术提升速度、品质和使用者体验的高性能CNC控制器

西门子自2015年开始与客户合作，使用840D sl和MCD软体进行机电一体化，并透过HiL机电整合技术来优化新机台的设计，减少30%的新机开发时间。在客户的数位转型需求下，於2019年推出全球首款数位原生控制器SINUMERIK ONE，将原生的控制器核心转化为软体CMVM / RMVM ( Create / Run MyVirtual Machine）之核心，用以串联机构设计、电控调适以及试车服务，并成为企业数位转型的典范。

西门子至今於产业内推动相关数位化发展技术，持续与多家OEM厂商合作，推广利用数位化工具进行新机开发。这些工具将协助OEM厂商进行以虚拟化技术进行优化的高性能机台开发，以提高产品开发效率，同时提供更多附加价值。

实现统一的诊断和工程设计

透过TIA Portal统一开发平台能够简化工程设计和诊断。尤其当产线的周边系统（例如托盘搬运）也可藉由SIMATIC PLC控制时，其包含安全相关功能在内的跨机台解决方案可在TIA Portal的支持下方便地实施、优化、规划和诊断。此外，透过网络上的Web服务器，诊断也变得更加便捷，进一步减少了培训工作的需要，甚至简化跨生产区域的软体维护。SINUMERIK ONE亦能够提供一致且高效的诊断服务，让使用者更加轻松地管理和维护其机台。机台开发及高效率生产制造是可以透过数位双胞胎来进一步优化生产计划的。西门子一直关注并挖掘制造未来的发展趋势，并致力於寻找新方法和数位软体工具，以帮助企业导入数位制造，并实现数位转型目标（图5）。

图5 : Create MyVirtual Machine平台涵盖全数位工具机开发的关键

数位双胞胎融合CNC性能应用於产品开发

SINUMERIK ONE作为数位原生的CNC，能够帮助机台制造商开发、优化和调试其作为数位双胞胎的机台，然後将结果传输到实际机台中。西门子透过可扩展的软体产品组合CMVM和RMVM的支持，可藉由1：1的机台虚拟化技术，真正地将数位化落实到生产流程中。其中凭藉着RMVM的模拟功能，使用者可以在PC上以1：1的虚拟化环境与3D机台模型，呈现与测试原本需要实际机台才能执行的工作准备项目和验证NC程式的步骤。如此，使用者可以提前或与正在进行处理并行地优化及设置制程，并在测试新零件制程时降低发生碰撞的风险。

西门子的数位原生控制器SINUMERIK ONE在协助新机开发的过程中，其所产生的衍生机台数位模型，能进一步转移至终端使用者，使终端使用者能使用此1:1的虚拟机台模型进行加工制造的模拟与试验。因此，RMVM作为此过程的重要关键软体，与CMVM 互为不同使用者面向的虚拟化技术。

RMVM的虚拟化环境还可以让使用者在远离机台的位置进行无风险的培训，以保持真实机台生产力。此外，RMVM / 3D还可以在虚拟机台内导入刀把、夹治具等零部件模型来扩展数位双胞胎应用，以3D模拟切削量并进行计算的方式，真实地再现夹持设备、刀具和工件的夹持情况。使用者可以确认工件是否可以在特定的机台上制造，以及是否会有可能发生的碰撞风险、错误定义的安全距离。企业可预先优化整体制程并提高制程可靠性，减少非必要成本损失，实现绿色转型，从而快速而真实地模拟工件的可制造性；提供非常精准的报价。

对於CNC工具机生产相关产业的企业而言，生产作业准备过程相对重要，包括准确预估工时以作为报价有利的依据、生产工艺导入涵盖CNC加工程式建立、CNC现场生产模拟。使生产计划的速度、品质和可靠度，都能被最隹的掌握，每一次的改善都将直接或间接提升企业的竞争优势（图6）。

图6 : Run MyVirtual Machine平台：验证加工流程碰撞干涉的重要性

数位双胞胎提高复杂曲面零件制造的准确性与效率

西门子提供给客户的另一款实用软体AMW /Toolpath ( Analyze MyWorkpiece / Toolpath )，主要用於优化涉及复杂曲面外形的制造工艺。这些制造工艺包括一般的金属切削加工、3D积层制造和机器手臂应用等。AMW / Toolpath提供了直观的图形化3D检测方法，能够快速识别CAD-CAM-CNC过程中的问题和相应改进潜力。这对於预先进行G-code验证以确保工件品质和生产效率至关重要。

AMW / Toolpath还具有分析工业边缘运算的高频数据的能力。这些数据可以帮助企业找出工艺性能不隹的根本原因。在找到根本原因之後，使用者可以采取相应的措施来解决问题，从而进一步提高工件的品质和生产效率。AMW / Toolpath其实用的分析方法可以帮助企业优化其制造流程，对於那些需要处理复杂运动的制造工艺的企业来说尤其重要，因为这些工艺往往需要更高的技术水平和更复杂的机台，可有效处理高复杂度的工艺。

当一个工件的表面品质无法达到预期时，工件从CAD系统到使用的切削刀具之间，几??所有站点都可能是导致品质下降的来源：CAD系统本身的输出、CAM系统或後处理器的输出、CNC和驱动控制器的叁数化、机械结构、工具、冷却液 - 理论上，甚至工件材料也可能是问题所在。

图7 : Run MyVirtual Machine平台：验证加工流程碰撞干涉的重要性

高频数据分析“garbage in, garbage out”效应

从CAD系统到工件之间的每个过程步骤的质量都取决於前一个过程步骤的输入数据。因此，在系统性地寻找表面品质缺陷的原因时，必须仔细检查各个系统部分的输出数据：CAD系统的STL文件、CAM系统/後处理器的mpf文件、CNC在执行NC 加工程式期间产生的位置点的高频数据纪录，以及驱动控制器在机械、刀具和工件的配合下生成的实际位置值的高频数据纪录。这都需要使用适当的方法与工具，才能避免庞大数据所产生的“garbage in, garbage out”效应。西门子提供开放式控制器和数位化软体工具AMW，以及边缘运算电脑Industrial Edge，协助使用者进行高频数据的搜集和分析。

Sinumerik Operate中的模具制造快速查看器可将零件程式中由CAD点云产生的路径以图形化方式实现可视化呈现。此功能可直接在机台的控制器中使用，并观看路径所构成的外形。而借助现代PC的运算能力，AMW /Toolpath软体能提供更深入的技术细节分析。

除了STL文件外，它还可以显示NC加工程式、CNC??补器输出的轨迹（IPO Trace），对於每个数据点显示，并且提供多种不同的分析方法，使用者有更多元的方式来找出需被改善的问题，协助使用者第一次就做出对的工件。

以自适应控制技术达到智慧切削加工效果

当产品设计完成、程式品质验证通过後，生产流程来到机台真实生产。在切削生产实务中，除了生产成本之外，刀具寿命与切削时间也是企业特别关注的议题。使用西门子的CNC-Shopfloor Management Software中的自适应控制与监测技术( Adaptive Control & Monitoring suite；ACM )，可以帮助使用者优化刀具寿命、缩短切削时间并稳定制程，进而降低营运成本，增加生产力。透过自适应控制与监测技术套件（ACM），从而提高生产力、降低废料率、增加制程稳定性、并减少生产中断。西门子强大自适应控制技术来自OMATIVE，已广泛应用於金属切削领域近30年。（图8）

图8 : ACM Suite智能切削优化与控制器完美整合

在机台操作时，西门子自适应控制与监测技术ACM可提供即时切削负载均质化的能力。在无人监控的状态下，ACM可以自动提升加工速度，优化切削品质，同时保护工件、刀具和机台。ACM软体能即时监控当前切削条件，包括轴向进给、主轴转速及切削功率。

ACM演算法能自动调整CNC切削叁数，将切削负载保持在最隹水平。如此就能确保刀具和机台使用寿命，同时提高生产力和产品品质。更重要的是，当ACM系统检测到过载时，ACM演算法会减少进刀速率，面临紧急状况时暂停机台运作，以达到保护工件和刀具。ACM即时智慧控制演算法提高了生产力，确保了更安全、更稳定的生产过程，同时减少了生产成本，实现了高效优化。

ACM系统可以根据实际生产要求和生产目标调整加工过程，以下是ACM系统的两种操作模式和一种分析报告：

进给控制模式

ACM的进给率优化技术可以在不更改加工程式的条件下，自动的在路径无障碍时加快切削速度；当几何形状、材料硬度或刀具锋利条件变化时，进给率优化演算法可以谨慎地调整速度，以保护刀具与工件。不仅减少切削循环时间，同时保护功能可以最大限度地减少机台、主轴和切削刀具的磨损，并带来最高品质的零件加工成品。

二、刀具监控模式

刀具监控优化功能可以监控和保护刀具、主轴、零件和机台本身。ACM系统可以自动侦测刀具当前状态，并视真实情况发出刀具状态警报，确保仅在刀具已磨损或损坏时才更换刀具，最大限度地延长刀具的使用寿命。

ACM系统可以监控负载上限和下限，以便同时跟踪和检测刀具过载、刀具破损、刀具或零件不正常切削、空载的情况。系统会提醒操作人员注意这些危险情况，从而在损坏发生之前，修正切削条件，确保生产制程持续稳定。

三、ACM报告和分析

ACM系统自动产生详细报告，有助於生产制程工程人员分析加工资讯，改进和优化加工。配备ACM的机台可获得以下数据报告：

· 切削负载

· 循环时间

· 时间节省百分比

根据实际测试，ACM能够提高生产制程效率，在多种工法中都能发挥相当好的性能，例如钻孔测试中可达平均27%的时间节省效果，铣削测试中可提高约23%的生产效率。

结论

数位化转型在制造业的重要性逐渐提高，许多企业已开始进行数位化转型评估，为此，工具机产业的整体技术提升，还有很多项目要逐步投入。西门子提供完整的数位化解决方案，包括Shopfloor Software Management软体组合与创新技术，使用数位双胞胎（Digital Twin）、边缘运算技术、AMW、ACM、MindSphere云端IoT解决方案、Mcenter产线战情管理平台等智慧加值软体，实现生产流程及效率改进，同时降低生产能耗，同步实现绿色转型。其中，

· Digital Twin可以利用虚拟模拟技术，将真实机台核心嵌入到虚拟化环境中，为优化生产流程提供更准确的资讯和解决方案。

· AMW可以将产品设计原型数位化，提供从生产设计、生产制造及品质控制的生产技术服务。

· ACM即时优化机台生产率，减少生产时间，并缩短交货时间，提供更加弹性灵活的生产吞吐量。

· MindSphere云端IoT解决方案，提供便利的数据搜集，无伺服器维护工作，即时的通知功能与监控功能，能协助供应链中必要资讯的共享，提高精准的售後服务。

· Mcenter产线战情管理平台是一款针对制造业的数位化平台，用以解决制造资讯来自纸质记录所带来的资讯不透明和资料不一致等问题。它能够确保生产过程中的全面透明和资料一致性，提高生产效率和品质。

西门子工业软体协助企业实现数位化转型的过程，着重在协助企业流程改善，让企业得以因应未来数位化工厂挑战的需求。透过采用数位化技术和智慧化产品，工具机制造商可更有效率地生产高品质产品，并迅速应对市场需求的变化。