從技術進化的觀點來看，CNC加工製造的效能要再提升，全面性的使用數位技術是目前唯一的方向。而數位技術的發展，則又以深度的虛擬與模擬為要點。

CNC加工做為數位科技的工業應用之一，一直以來都是專注於物料加工的精度與準度的提升，以及作動工序的改良，使之可在一部機具裡完成最多的生產流程，進而增進整體的生產效能，並改善成本。

然而隨著數位技術的不斷進化，加工品質的改良已不再是唯一的發展目標，現在還要把目光看得更遠，甚至是在生產之前，也就是在設計端就開始著手。要怎麼做到？如何達成？關鍵就是數位分身。

而數位分身應用正進入到它的高速成長，將會快速布署至以工業製造為首的各種領域之中。市場研究機構 ResearchAndMarkets就預期，至2030年，全球數位分身市場規模預計將達到1558.394億美元，從2022年到2030年的複合年成長率為39.1%。主要應用在製造、航空航太和汽車領域的開發與部署，並投入在設計、元件模擬與雙生系統上。

CNC的當代發展與主流技術

然而要知道數位分身與CNC加工製造的關係，還是得從CNC的基本技術原理和目前的主流發展瞭 解起。

CNC為「Computerized Numerical Control」的縮寫，也就是數位控制技術，是透過電腦的數位化指令，自動控制機械設備及加工過程，它的出現取代了手動控制的方式。

一般熟悉的數控工具機主要有XYZ三個直線坐標軸，而多軸是指一台工具機至少具備第四軸。通常所稱的多軸數控加工是指四軸以上，其中具有代表性的是五軸。

CNC數位控制技術的應用，包含機具的智慧監控與線上檢測功能，或者透過運用更多的感測器來強化加工的品質與運行安全，並提供精確且高準度的施工數據，同時檢測機台本身機件的壽命情況，達成預診維修的目標，進而優化廠房稼動率與整體的產能。

另外，透過先進的數位控制器與精準的馬達和螺桿性能，使CNC數控系統與機台具備更高程度的加工生產能力，以達到更多軸與多面向的製造可能，進而實現高速與高精度的切削與加工生產。而可視化的加工預覽，以及自動化智能回饋也是重要輔助項目。

隨著數控技術的成熟發展，在工業4.0及數位分身潮流的推波助瀾下，傳統CNC數控系統於齒輪/螺桿加工亦可靈活運作。包括國內外工具機等OEM設備製造廠商，也紛紛與歐系大廠Siemens、NUM結盟，開發客製化人機介面及模擬軟體，以支援齒輪/螺紋磨削專業加工機，增效節能或數位轉型需求。

為因應高階精密製造、車銑複合或五軸加工的多軸應用需求，過去較為複雜的曲面加工，都須仰仗不斷的試錯開發製程。如今可透過軟體技術發展，實現防碰撞偵測，而這也是未來虛實整合系統切入的重點。

圖1 : 通常所稱的多軸數控加工是指四軸以上，其中具有代表性的是五軸。

數位分身與CNC加工

數位分身（Digital Twin）又可稱為數位孿生、數位雙胞胎，透過蒐集歷史與即時數據資料，作為現實包括人、商品、流程、系統、機器或生產設備的各種參數，轉移至數位平台上，建構一個完整的模型，模型涵蓋眾多面向及變數，變數之間相互影響，預演將發生的各種變化。

數位分身的應用，包括透過感測器數據判斷機械手臂故障問題，並且利用互動式人機介面進行診斷進而調整；而在倉儲AGV人機協作上，可以模擬整場物流、工序、排程、取物型態、動線、人機協作、動態調整物流資源，以因應少量多樣客製化訂單需求。

而在CNC加工應用上，即在加工前可先透過數位分身模擬製程，或是透過預兆診斷系統，能讓業者預知機台健康狀態，清楚何時該維修或替換零件，得以提升設備稼動率，妥善規劃生產排程。

也因此其核心除了具備模擬模型之外，與真實模型的連結是需要能夠被量化，而其量化的基礎可以被作為智慧化應用，甚至建立新興商業模式。歐洲工具機廠也在產品生產過程中，導入數位分身技術，來活化加速機械產業中的生產流程，以及提供更多的商業模式。

以台灣的東台精機為例，該公司針對旗下的TD系列車銑複合機推出了數位分身應用，其最大的特色就是只需要一台筆電就能進行99%相符的加工模擬、干涉檢查等，降低數位執行系統的負擔。

另一家業者台灣力盟（NUM）也發表了用於CNC機床的數位分身技術，可在開發之前進行設計分析、測試和性能提升，減少機床開發時間和成本，使製造商大幅縮短上市時間。

而數位分身技術的領導者西門子（ SIEMENS）也推出一種新世代的數位原生CNC控制器SINUMERIK ONE，能夠串接數位分身系統與實體產品，讓機械設備製造商可藉由利用數位模擬來縮短調適時間，以便更迅速的進行機台開發，或是在虛擬環境中測試零件、改善效能。

圖2 : NUM CNC系統的3D 模擬功能，能讓操作人員透過預覽與狀態顯示，充分掌握加工資訊。（source: NUM）

運用數位分身來改善設計與生產

從上述的幾個業者案例可以看出，機具導入數位分身的功能或者與虛擬系統串接，已經是當前的重要發展趨勢。而其主要的用途都在於改善設計，加速生產的時程。

在一個以工業4.0為基礎的智慧製造與數位轉型時代，數位分身是其中的重要環節，它能把開發設計逐漸整合至製造執行系統裡，並且延伸到更多元的產業應用裡。近年已有越來越多的歐系齒輪加工專用機大廠，為了提升產品應用的附加價值，而相繼推出自動化解決方案服務，並結合數位分身等科技，以驅動數位轉型。

一般來說，在一個標準的CNC機具裡，只要將程式指令輸入數控系統後，經由電腦編譯計算，並透過位移控制系統，將資訊傳至驅動器以驅動馬達，使之來切削加工所設計之零件，並不會結合數位分身的應用。

由於過去數位分身應用大多以CAD/CAE為主，而機台的機械設計則多以CAE模擬為多，至整機的開發流程大多會分散開發，才可負荷單機大規模製造的生產模式。而近幾年機具設備業也開始朝向如消費性電子產品式的發展，就是生命週期縮短，同時客製化需求上升，因此就需要透過先進的數位化功能的支援下，在產品開發流程的初期，就建立虛擬機台模型。

在開發初期導入數位分身的優勢很多，最大的好處就在於客製化能力的提升。因為產品的設計與分析，都可以透過數位分身進行深入的模擬，除了可以提高與客戶之間的溝通效率，也可以在物件加工之前，就能獲取絕大多數的物件數據，提高良率也縮減誤差。

而在工件實際加工後所得到的真實數據，也可以進一步回饋到數位虛擬模型裡，再做進一步的優化與調整，再提升加工品質，或者調整設計。

所以CNC加工搭配數位分身不僅能直接反映在物件加工的品質上，同時也可以透過事前的模擬與分析，提升產品開發端的效益，甚至是拉高自身客製化的能力。若是再結合人工智慧與大數據的功能，還能讓數位分身具備更多的自主性，屆時產品的開發與生產將會進入全新的世代。

圖3 : CNC加工搭配數位分身不僅能直接反映在物件加工的品質上，同時也可以透過事前的模擬與分析，提升產品開發端的效益。(source:kth.se)

結語

從技術進化的觀點來看，CNC加工製造的效能要再提升，全面性的使用數位技術是目前唯一的方向。而數位技術的發展，則又以深度的虛擬與模擬為要點，換而言之，就是要讓數位與實體密不可分，數位分身也就因應而生。

未來新一代的CNC機台都將會串接到數位的虛擬系統之上設計優化，從虛擬試運轉、生產中磨合部件，乃至翻新與服務，都會是數位分身應用的優化對象。這將為機台製造商省下大量時間，並增進其機台從概念設計到生產過程的品質。

在全球數位化浪潮席捲之下，許多台灣業者已經開始進行數位轉型，設備與技術功能不斷提升，成本也不斷下降，數位分身也將會成為最重要的五大科技趨勢之一。

**刊頭圖(source: DP Technology)