從美中貿(mào)易戰(zhàn)到COVID-19大流行，再到全球供應鏈體系的不穩(wěn)定，以及全球推動ESG議題等，對製造業(yè)市場的全球性衝擊與挑戰(zhàn)不斷加劇。通過數(shù)位化轉型應對新的常態(tài)挑戰(zhàn)，並且提升競爭力，已成為當前企業(yè)的重要課題。

供應鏈系統(tǒng)的波動迫使公司必須不斷適應市場的挑戰(zhàn)，包括產(chǎn)品交期延宕、產(chǎn)品多樣性變化、現(xiàn)有產(chǎn)線效能迫切提升、來自客戶端的製程最佳化需求，以及導入嶄新科技的服務需求。

面對多方不同挑戰(zhàn)，以下為各種不同面向的解決方案：

一、數(shù)位化製造流程：製造流程數(shù)位化可以提高效率、精確度和品質，並且加速產(chǎn)品上市時間。

二、強化客戶體驗：使用數(shù)位方法行銷公司產(chǎn)品，例如虛擬現(xiàn)實、增強實境等技術提供更好的客戶體驗，並吸引更多潛在客戶。

三、強化虛擬測試：面對緊湊的開發(fā)時程，可以採用虛擬化測試技術，例如對比真機模擬的測試和驗證，來節(jié)省時間和成本。

四、導入智慧軟體：採用智慧軟體可以提高產(chǎn)能效率和品質，例如西門子的智慧軟體可以幫助客戶進行製造流程數(shù)位化，並提供即時的監(jiān)控、分析與智能化自動優(yōu)化產(chǎn)線。

五、建立遠端服務：使用遠端服務技術，例如基於雲(yún)端的遠端設備監(jiān)控和維修，以確保生產(chǎn)線的正常運轉。

圖1 : 數(shù)位雙胞胎：物聯(lián)網(wǎng)連接真實世界，精進產(chǎn)品製程（source：SIEMENS）

?

數(shù)位化的過程可以協(xié)助將企業(yè)流程、資訊、裝置和人員結合在一起，以提高效率、創(chuàng)造價值和改善客戶體驗。西門子數(shù)位化軟體解決方案可以幫助機械製造業(yè)以及使用者兩者一同合作進行數(shù)位轉型，透過虛實整合，打造永續(xù)競爭力。這種解決方案可以解決在生產(chǎn)環(huán)境中的痛點，並創(chuàng)造雙贏局面，以提高生產(chǎn)力和客戶滿意度。

一般而言，產(chǎn)品設計和生產(chǎn)過程中，每個工程步驟都需要涉及企業(yè)內(nèi)多個運作流程，因此部門之間的溝通和協(xié)調至關重要。數(shù)位化工具的導入可以幫助人員在流程中發(fā)生問題時，快速辨識問題的根本原因，從而準確排除問題。透過高效率的生產(chǎn)計劃和優(yōu)化產(chǎn)能，提高部門之間的協(xié)作效率，將是保持競爭優(yōu)勢的關鍵因素之一。

產(chǎn)業(yè)變革帶來數(shù)位轉型驅動力

為實現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)能和永續(xù)性發(fā)展的目標，數(shù)位化軟體工具將扮演重要的角色。透過軟體的輔助來完整掌握設計和製造流程，包括機臺生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，提高資訊透明度，使工程人員能靈活運用數(shù)據(jù)，快速反應突發(fā)的問題，並利用流程改善的反饋，形成有效改善生產(chǎn)力的正向循環(huán)，讓突發(fā)的問題可以被有效地掌握與處理。

數(shù)據(jù)不僅重要，更需要透過數(shù)據(jù)來挖掘可改善的流程，才能發(fā)揮其關鍵的作用。數(shù)位轉型和數(shù)位生產(chǎn)流程就是為此而生，正確地活用數(shù)據(jù)，為企業(yè)帶來永續(xù)性發(fā)展的生產(chǎn)優(yōu)勢（圖2）。

圖2 : 數(shù)位轉型過程涵蓋企業(yè)流程逐步改善形成正向循環(huán)

目前西門子提供多種數(shù)位化軟體工具，例如數(shù)位雙胞胎（Digital Twin）、人工智慧（AI）、工業(yè)5G、邊緣運算（Edge Computing）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等，這些工具已經(jīng)在許多大型企業(yè)得到廣泛應用。然而，對於多數(shù)尚未投入轉型的重要客戶來說，如何在現(xiàn)有的人力基礎上選擇適合的數(shù)位化解決方案，實現(xiàn)數(shù)位轉型和綠色轉型是一個重要課題。因此，西門子提供一連串完整的數(shù)位體驗，以最創(chuàng)新的技術、最貼心的服務與企業(yè)一同邁入轉型之路。

數(shù)位化和數(shù)位雙胞胎是西門子繼工業(yè)4.0展望後，提出的具體實踐方法。簡化流程包括三個步驟：產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、實際生產(chǎn)。從這些面向出發(fā)，在不同的情境下套用已被驗證過的數(shù)位化軟體工具，其中不僅涵蓋人員的技術能力、軟體工具、現(xiàn)場機臺的性能，還包括精準、快速的服務，提供貼近實際生產(chǎn)過程的完整解決方案。有了數(shù)位化軟體的幫助，在導入數(shù)位化後的生產(chǎn)流程方法，可以提高設計規(guī)劃階段的生產(chǎn)力。這樣做的目的是為了在最終售價中反映出傑出的生產(chǎn)實力。

以客戶價值鏈為基礎的數(shù)位原生控制器發(fā)展策略

近年來，工具機產(chǎn)業(yè)生態(tài)已由過去的大量生產(chǎn)單一機種轉變?yōu)闄C械客製化生產(chǎn)。此外，新機種的上市時間也被客戶大量壓縮，過往流程開發(fā)越來越無法應對市場需求，將衍生出售服議題。一般機械廠開發(fā)流程可以透過價值鏈拆解為以下幾個項目，包含新機概念雛形、機構設計和軟體規(guī)劃、電控系統(tǒng)的調適和程式規(guī)劃、實機的操作和試?，最後串聯(lián)到售後服務，形成完整的新機開發(fā)價值鏈，如圖3所示。

圖3 : 設備開發(fā)商內(nèi)部價值鏈涵蓋研發(fā)、調適到售後服務

過往流程依然是工具機產(chǎn)業(yè)開發(fā)新機的基礎，但隨著市場需求的改變和客戶期望的提高，單純依靠經(jīng)驗，面對不確定性，已經(jīng)難以滿足需求。因此，利用數(shù)位軟體的方式，對以經(jīng)驗為核心的流程進行升級和優(yōu)化，讓經(jīng)驗在軟體的輔助下更發(fā)揮出其價值。

例如，以數(shù)位軟體協(xié)助機械設計、模擬、測試等流程，提前獲得實作的結果，從而提高開發(fā)效率和產(chǎn)品品質。同時也可以透過數(shù)位軟體提供數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控、維護等服務，幫助企業(yè)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)和服務，提高競爭力。因此，數(shù)位化軟體成為了產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)升級和轉型的關鍵。

數(shù)位原生控制器大幅強化機臺生產(chǎn)力

SINUMERIK ONE是西門子推出的全球首款數(shù)位原生控制器。該控制器通過頂級的PLC和CNC性能，大幅強化機臺的生產(chǎn)力；整合SIMATIC S7-1500F PLC的PLC週期時間比其過往版本快10倍，不僅提升PLC循環(huán)運算能力，更可最大程度地減少非生產(chǎn)時間。它還具備智慧優(yōu)化軟體和加工優(yōu)化策略，可使模具加工性能水平提高25%以上。操作系統(tǒng)方面，SINUMERIK ONE針對多點觸摸進行了優(yōu)化，與現(xiàn)代智慧手機操作相似，並支持多種實體加工和數(shù)位技術應用。

SINUMERIK ONE可搭配採用CMVM軟體建立機臺控制器和相關的數(shù)位雙胞胎，實現(xiàn)了硬體和軟體的無縫整合，有助於推動工具機產(chǎn)業(yè)的數(shù)位化轉型。該控制器不僅代表著強大的硬體創(chuàng)新，也加速了基於虛擬和現(xiàn)實世界之間的互動創(chuàng)新。可預先模擬機臺行為，進行無風險最佳化開發(fā)，並獲得更高效的加工性能和品質。

隨著實體生產(chǎn)流程的自動化，設備商需要更加靈活、反應更快、更具成本效益以及更良好的應用其資源，而透過產(chǎn)品和生產(chǎn)流程的端到端數(shù)位化和虛擬化可以進一步優(yōu)化潛力。數(shù)位原生控制器SINUMERIK ONE是世界上第一款高階且可滿足使用者需求、連結真實硬體與數(shù)位雙胞胎的CNC控制器，帶給工具機廠商和使用者廣泛的附加價值（圖4）。

圖4 : 西門子推出全球首款數(shù)位原生CNC控制系統(tǒng)-SINUMERIK ONE

虛擬化技術提升速度、品質和使用者體驗的高性能CNC控制器

西門子自2015年開始與客戶合作，使用840D sl和MCD軟體進行機電一體化，並透過HiL機電整合技術來優(yōu)化新機臺的設計，減少30%的新機開發(fā)時間。在客戶的數(shù)位轉型需求下，於2019年推出全球首款數(shù)位原生控制器SINUMERIK ONE，將原生的控制器核心轉化為軟體CMVM / RMVM ( Create / Run MyVirtual Machine）之核心，用以串聯(lián)機構設計、電控調適以及試車服務，並成為企業(yè)數(shù)位轉型的典範。

西門子至今於產(chǎn)業(yè)內(nèi)推動相關數(shù)位化發(fā)展技術，持續(xù)與多家OEM廠商合作，推廣利用數(shù)位化工具進行新機開發(fā)。這些工具將協(xié)助OEM廠商進行以虛擬化技術進行優(yōu)化的高性能機臺開發(fā)，以提高產(chǎn)品開發(fā)效率，同時提供更多附加價值。

實現(xiàn)統(tǒng)一的診斷和工程設計

透過TIA Portal統(tǒng)一開發(fā)平臺能夠簡化工程設計和診斷。尤其當產(chǎn)線的周邊系統(tǒng)（例如托盤搬運）也可藉由SIMATIC PLC控制時，其包含安全相關功能在內(nèi)的跨機臺解決方案可在TIA Portal的支持下方便地實施、優(yōu)化、規(guī)劃和診斷。此外，透過網(wǎng)絡上的Web服務器，診斷也變得更加便捷，進一步減少了培訓工作的需要，甚至簡化跨生產(chǎn)區(qū)域的軟體維護。SINUMERIK ONE亦能夠提供一致且高效的診斷服務，讓使用者更加輕鬆地管理和維護其機臺。機臺開發(fā)及高效率生產(chǎn)製造是可以透過數(shù)位雙胞胎來進一步優(yōu)化生產(chǎn)計劃的。西門子一直關注並挖掘製造未來的發(fā)展趨勢，並致力於尋找新方法和數(shù)位軟體工具，以幫助企業(yè)導入數(shù)位製造，並實現(xiàn)數(shù)位轉型目標（圖5）。

圖5 : Create MyVirtual Machine平臺涵蓋全數(shù)位工具機開發(fā)的關鍵

數(shù)位雙胞胎融合CNC性能應用於產(chǎn)品開發(fā)

SINUMERIK ONE作為數(shù)位原生的CNC，能夠幫助機臺製造商開發(fā)、優(yōu)化和調試其作為數(shù)位雙胞胎的機臺，然後將結果傳輸?shù)綄嶋H機臺中。西門子透過可擴展的軟體產(chǎn)品組合—CMVM和RMVM的支持，可藉由1：1的機臺虛擬化技術，真正地將數(shù)位化落實到生產(chǎn)流程中。其中憑藉著RMVM的模擬功能，使用者可以在PC上以1：1的虛擬化環(huán)境與3D機臺模型，呈現(xiàn)與測試原本需要實際機臺才能執(zhí)行的工作準備項目和驗證NC程式的步驟。如此，使用者可以提前或與正在進行處理並行地優(yōu)化及設置製程，並在測試新零件製程時降低發(fā)生碰撞的風險。

西門子的數(shù)位原生控制器SINUMERIK ONE在協(xié)助新機開發(fā)的過程中，其所產(chǎn)生的衍生機臺數(shù)位模型，能進一步轉移至終端使用者，使終端使用者能使用此1:1的虛擬機臺模型進行加工製造的模擬與試驗。因此，RMVM作為此過程的重要關鍵軟體，與CMVM 互為不同使用者面向的虛擬化技術。

RMVM的虛擬化環(huán)境還可以讓使用者在遠離機臺的位置進行無風險的培訓，以保持真實機臺生產(chǎn)力。此外，RMVM / 3D還可以在虛擬機臺內(nèi)導入刀把、夾治具等零部件模型來擴展數(shù)位雙胞胎應用，以3D模擬切削量並進行計算的方式，真實地再現(xiàn)夾持設備、刀具和工件的夾持情況。使用者可以確認工件是否可以在特定的機臺上製造，以及是否會有可能發(fā)生的碰撞風險、錯誤定義的安全距離。企業(yè)可預先優(yōu)化整體製程並提高製程可靠性，減少非必要成本損失，實現(xiàn)綠色轉型，從而快速而真實地模擬工件的可製造性；提供非常精準的報價。

對於CNC工具機生產(chǎn)相關產(chǎn)業(yè)的企業(yè)而言，生產(chǎn)作業(yè)準備過程相對重要，包括準確預估工時以作為報價有利的依據(jù)、生產(chǎn)工藝導入涵蓋CNC加工程式建立、CNC現(xiàn)場生產(chǎn)模擬。使生產(chǎn)計劃的速度、品質和可靠度，都能被最佳的掌握，每一次的改善都將直接或間接提升企業(yè)的競爭優(yōu)勢（圖6）。

圖6 : Run MyVirtual Machine平臺：驗證加工流程碰撞干涉的重要性

數(shù)位雙胞胎提高複雜曲面零件製造的準確性與效率

西門子提供給客戶的另一款實用軟體AMW /Toolpath ( Analyze MyWorkpiece / Toolpath )，主要用於優(yōu)化涉及複雜曲面外形的製造工藝。這些製造工藝包括一般的金屬切削加工、3D積層製造和機器手臂應用等。AMW / Toolpath提供了直觀的圖形化3D檢測方法，能夠快速識別CAD-CAM-CNC過程中的問題和相應改進潛力。這對於預先進行G-code驗證以確保工件品質和生產(chǎn)效率至關重要。

AMW / Toolpath還具有分析工業(yè)邊緣運算的高頻數(shù)據(jù)的能力。這些數(shù)據(jù)可以幫助企業(yè)找出工藝性能不佳的根本原因。在找到根本原因之後，使用者可以採取相應的措施來解決問題，從而進一步提高工件的品質和生產(chǎn)效率。AMW / Toolpath其實用的分析方法可以幫助企業(yè)優(yōu)化其製造流程，對於那些需要處理複雜運動的製造工藝的企業(yè)來說尤其重要，因為這些工藝往往需要更高的技術水平和更複雜的機臺，可有效處理高複雜度的工藝。

當一個工件的表面品質無法達到預期時，工件從CAD系統(tǒng)到使用的切削刀具之間，幾乎所有站點都可能是導致品質下降的來源：CAD系統(tǒng)本身的輸出、CAM系統(tǒng)或後處理器的輸出、CNC和驅動控制器的參數(shù)化、機械結構、工具、冷卻液 - 理論上，甚至工件材料也可能是問題所在。

圖7 : Run MyVirtual Machine平臺：驗證加工流程碰撞干涉的重要性

高頻數(shù)據(jù)分析“garbage in, garbage out”效應

從CAD系統(tǒng)到工件之間的每個過程步驟的質量都取決於前一個過程步驟的輸入數(shù)據(jù)。因此，在系統(tǒng)性地尋找表面品質缺陷的原因時，必須仔細檢查各個系統(tǒng)部分的輸出數(shù)據(jù)：CAD系統(tǒng)的STL文件、CAM系統(tǒng)/後處理器的mpf文件、CNC在執(zhí)行NC 加工程式期間產(chǎn)生的位置點的高頻數(shù)據(jù)紀錄，以及驅動控制器在機械、刀具和工件的配合下生成的實際位置值的高頻數(shù)據(jù)紀錄。這都需要使用適當?shù)姆椒ㄅc工具，才能避免龐大數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的“garbage in, garbage out”效應。西門子提供開放式控制器和數(shù)位化軟體工具AMW，以及邊緣運算電腦Industrial Edge，協(xié)助使用者進行高頻數(shù)據(jù)的蒐集和分析。

Sinumerik Operate中的模具製造快速查看器可將零件程式中由CAD點雲(yún)產(chǎn)生的路徑以圖形化方式實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)。此功能可直接在機臺的控制器中使用，並觀看路徑所構成的外形。而借助現(xiàn)代PC的運算能力，AMW /Toolpath軟體能提供更深入的技術細節(jié)分析。

除了STL文件外，它還可以顯示NC加工程式、CNC插補器輸出的軌跡（IPO Trace），對於每個數(shù)據(jù)點顯示，並且提供多種不同的分析方法，使用者有更多元的方式來找出需被改善的問題，協(xié)助使用者第一次就做出對的工件。

以自適應控制技術達到智慧切削加工效果

當產(chǎn)品設計完成、程式品質驗證通過後，生產(chǎn)流程來到機臺真實生產(chǎn)。在切削生產(chǎn)實務中，除了生產(chǎn)成本之外，刀具壽命與切削時間也是企業(yè)特別關注的議題。使用西門子的CNC-Shopfloor Management Software中的自適應控制與監(jiān)測技術( Adaptive Control & Monitoring suite；ACM )，可以幫助使用者優(yōu)化刀具壽命、縮短切削時間並穩(wěn)定製程，進而降低營運成本，增加生產(chǎn)力。透過自適應控制與監(jiān)測技術套件（ACM），從而提高生產(chǎn)力、降低廢料率、增加製程穩(wěn)定性、並減少生產(chǎn)中斷。西門子強大自適應控制技術來自OMATIVE，已廣泛應用於金屬切削領域近30年。（圖8）

圖8 : ACM Suite智能切削優(yōu)化與控制器完美整合

在機臺操作時，西門子自適應控制與監(jiān)測技術ACM可提供即時切削負載均質化的能力。在無人監(jiān)控的狀態(tài)下，ACM可以自動提升加工速度，優(yōu)化切削品質，同時保護工件、刀具和機臺。ACM軟體能即時監(jiān)控當前切削條件，包括軸向進給、主軸轉速及切削功率。

ACM演算法能自動調整CNC切削參數(shù)，將切削負載保持在最佳水平。如此就能確保刀具和機臺使用壽命，同時提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品品質。更重要的是，當ACM系統(tǒng)檢測到過載時，ACM演算法會減少進刀速率，面臨緊急狀況時暫停機臺運作，以達到保護工件和刀具。ACM即時智慧控制演算法提高了生產(chǎn)力，確保了更安全、更穩(wěn)定的生產(chǎn)過程，同時減少了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了高效優(yōu)化。

ACM系統(tǒng)可以根據(jù)實際生產(chǎn)要求和生產(chǎn)目標調整加工過程，以下是ACM系統(tǒng)的兩種操作模式和一種分析報告：

進給控制模式

ACM的進給率優(yōu)化技術可以在不更改加工程式的條件下，自動的在路徑無障礙時加快切削速度；當幾何形狀、材料硬度或刀具鋒利條件變化時，進給率優(yōu)化演算法可以謹慎地調整速度，以保護刀具與工件。不僅減少切削循環(huán)時間，同時保護功能可以最大限度地減少機臺、主軸和切削刀具的磨損，並帶來最高品質的零件加工成品。

二、刀具監(jiān)控模式

刀具監(jiān)控優(yōu)化功能可以監(jiān)控和保護刀具、主軸、零件和機臺本身。ACM系統(tǒng)可以自動偵測刀具當前狀態(tài)，並視真實情況發(fā)出刀具狀態(tài)警報，確保僅在刀具已磨損或損壞時才更換刀具，最大限度地延長刀具的使用壽命。

ACM系統(tǒng)可以監(jiān)控負載上限和下限，以便同時跟蹤和檢測刀具過載、刀具破損、刀具或零件不正常切削、空載的情況。系統(tǒng)會提醒操作人員注意這些危險情況，從而在損壞發(fā)生之前，修正切削條件，確保生產(chǎn)製程持續(xù)穩(wěn)定。

三、ACM報告和分析

ACM系統(tǒng)自動產(chǎn)生詳細報告，有助於生產(chǎn)製程工程人員分析加工資訊，改進和優(yōu)化加工。配備ACM的機臺可獲得以下數(shù)據(jù)報告：

? 切削負載

? 循環(huán)時間

? 時間節(jié)省百分比

根據(jù)實際測試，ACM能夠提高生產(chǎn)製程效率，在多種工法中都能發(fā)揮相當好的性能，例如鑽孔測試中可達平均27%的時間節(jié)省效果，銑削測試中可提高約23%的生產(chǎn)效率。

結論

數(shù)位化轉型在製造業(yè)的重要性逐漸提高，許多企業(yè)已開始進行數(shù)位化轉型評估，為此，工具機產(chǎn)業(yè)的整體技術提升，還有很多項目要逐步投入。西門子提供完整的數(shù)位化解決方案，包括Shopfloor Software Management軟體組合與創(chuàng)新技術，使用數(shù)位雙胞胎（Digital Twin）、邊緣運算技術、AMW、ACM、MindSphere雲(yún)端IoT解決方案、Mcenter產(chǎn)線戰(zhàn)情管理平臺等智慧加值軟體，實現(xiàn)生產(chǎn)流程及效率改進，同時降低生產(chǎn)能耗，同步實現(xiàn)綠色轉型。其中，

? Digital Twin可以利用虛擬模擬技術，將真實機臺核心嵌入到虛擬化環(huán)境中，為優(yōu)化生產(chǎn)流程提供更準確的資訊和解決方案。

? AMW可以將產(chǎn)品設計原型數(shù)位化，提供從生產(chǎn)設計、生產(chǎn)製造及品質控制的生產(chǎn)技術服務。

? ACM即時優(yōu)化機臺生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)時間，並縮短交貨時間，提供更加彈性靈活的生產(chǎn)吞吐量。

? MindSphere雲(yún)端IoT解決方案，提供便利的數(shù)據(jù)蒐集，無伺服器維護工作，即時的通知功能與監(jiān)控功能，能協(xié)助供應鏈中必要資訊的共享，提高精準的售後服務。

? Mcenter產(chǎn)線戰(zhàn)情管理平臺是一款針對製造業(yè)的數(shù)位化平臺，用以解決製造資訊來自紙質記錄所帶來的資訊不透明和資料不一致等問題。它能夠確保生產(chǎn)過程中的全面透明和資料一致性，提高生產(chǎn)效率和品質。

西門子工業(yè)軟體協(xié)助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)位化轉型的過程，著重在協(xié)助企業(yè)流程改善，讓企業(yè)得以因應未來數(shù)位化工廠挑戰(zhàn)的需求。透過採用數(shù)位化技術和智慧化產(chǎn)品，工具機製造商可更有效率地生產(chǎn)高品質產(chǎn)品，並迅速應對市場需求的變化。

(資料來源:刊頭圖及上述圖片由西門子提供)