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CNC數控技術的智慧化之路
自動化、數位化、智慧化 

【作者: 籃貫銘】   2020年05月05日 星期二

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要認識CNC,那就必須從NC開始。NC是「Numerical Control」的縮寫,中文翻譯為數值控制,因為是Numerical,清楚表明是使用數值來控制機械和設備的作動,並透過一些簡單的數位控制元件來達成,例如計數器和溫度計等。它的出現,就是為了取代手動控制的方式。


所以在NC數值控制的時代,是採用數值來控制,並非是目前的數位化概念。此時,也已經開始使用初步的電腦計算機工具,用來編程與設計切削工具機的路徑,會利用字母(Letter)、數字(Number)及符號(Symbol)等數值資料,編寫成加工指令,用來控制機器的運轉與動作,這些指令就被稱為加工程式或數控程式(NC Program)。


從NC到CNC 電腦帶來自動化變革

NC數值控制的起源約是在1940年代的美國,當時由於美國空軍要生產直升機螺旋槳,需要大量的精密加工。於是委託民間機械工程師進行相關的研發。到了1949年,麻省理工學院接受美國空軍的委託,開始研究數值控制,並與當時的Parsons公司合作,全力發展輪廓切削銑床的技術。沒多久,第一台數值控制工作母機就問世了(1950年代)。


而有了在切削銑床的成功經驗,數值控制技術也開始被廣泛的運用在其他的金屬加工領域,同時技術也不斷的被改良。


進入1970年代,半導體技術迅速的發展,計算機(個人電腦)也開始大規模進入消費者與商業市場,新型態的微控制處理晶片更被運用到NC機台中,至此,工具機的功能也更加的強大,各種多軸加工機台也陸續誕生,應用的加工領域也更加寬廣,於是CNC(Computer Numerical Control)的概念逐漸生成。



圖1 : 圖為1962年時一部美國NC工具機台,此時並沒有現在的電腦控制單元。(source: wimb.net)
圖1 : 圖為1962年時一部美國NC工具機台,此時並沒有現在的電腦控制單元。(source: wimb.net)

到了CNC的時代,加工製造的流程已經有所不同。由於電腦的運用,加工設計的流程已轉為更全面的數位化形式,它透過電腦先將指令與加工作動編輯完成,之後再傳送到自動化工具機進行加工。現行多數的工具機都已採用CNC機制,且電腦不僅在設計端就介入,同時也扮演整合控制與生產的角色。


而隨著電腦技術與應用的持續進步,更複雜的工件設計與製作也得以實現,尤其是CAD與CAM的應用,更進一步強化了CNC工具機整體的生產製造能力。這些軟體不僅可以進行工件的設計,也能運算各種加工過程中的移動指令,並透過工具機的電腦控制系統,將這些數位化的指令傳遞到加工機具中,並對馬達與各種驅動系統進行細緻與精確的控制,實現所謂的精密加工,甚至是更先進的超精密加工。


然而加工技術演化的腳步從未停歇,目前成熟的CNC技術也並非是其最終的完成式,特別是在大數據與物聯網技術加入後,CNC加工也進入了新的轉折,一個以工業4.0為基礎的智慧製造時代。


生產力4.0 台灣CNC進階智慧機械

至於台灣,CNC的發展約與全球的進度相當,但萌芽期約在1980年代,此時已有多家的機械廠陸續推出CNC機台,而工研院和部分業者也開始進行自有的CNC控制器的研發,專注於發展自有技術的產品。而隨著馬達技術的提升,台灣約在2010年代就完整具備關鍵元件的自製能力,並成為世界主要的機具出口國之一。


毫無疑問,智慧製造是CNC系統的下一個大趨勢,也是目前的正在進行式。對此,台灣的產官學界也已制定了相關的政策與方針,期望協助產業界能夠盡早因應,抓住這波變革,提升台灣工具機產業的競爭力。


而與CNC數控相關的產業技術,目前是被規劃在「生產力4.0 科技發展策略」中,該策略由行政院科技會報辦公室所推動,為一項跨部會、跨產業的產業策略,涉及的部會包含:經濟部、科技部、教育部、農委會、衛福部、勞動部等。


依據科技會報辦公室的政策資料,台灣選擇進行生產力4.0 科技發展策略,主要是基於兩項趨勢,一個是全球智慧科技發展;一是人口老化的勞動力遞減。科技會報辦公室指出,目前美、日、中、德,全球工業領先的國家都正積極推動智慧製造的技術,以快速反應市場需求;其次,長期就業人口數下降已是先進國家的必然趨勢,因此智慧製造技術是因應此危機的重要手段。


細究此發展策略的內容與脈絡,則它是依據行政院所推動的「智慧型自動化產業發展方案」為基礎,進一步整合商業自動化與農業科技化,以期能夠從目前的生產力3.0(知識密集),邁向生產力4.0(智慧密集),以因應高齡化社會工作人口遞減的勞動需求。(1.0為勞力密集,2.0為技術密集)



圖2 : 台灣生產力4.0 科技發展策略,進一步整合商業自動化與農業科技化,以期能夠從目前的生產力3.0(知識密集),邁向生產力4.0(智慧密集)。
圖2 : 台灣生產力4.0 科技發展策略,進一步整合商業自動化與農業科技化,以期能夠從目前的生產力3.0(知識密集),邁向生產力4.0(智慧密集)。

結合物聯網與大數據 CNC系統迎來新轉折

其發展的重點有三,一是技術的發展,要在台灣既有電子、資訊及通訊等既有的技術優勢上,透過整合感測器、通訊網路與運算力,把計算、通訊與控制的功能用在製造業、農業等應用領域上;第二則是推動台灣中小企業的產業轉型;三是培養新興的智慧應用人力,培育具備智慧控制與管理能力的新一代未來人才。


而最關鍵的,當然是為首的技術發展,而具體所涉及的技術,則是以大數據、物聯網與智慧工廠為核心,而CNC數控則是所謂的「智慧機械」的範疇,它就一種結合感測器、物聯網與大數據的加工製造技術,它是發展智慧生產不可或缺的環節。


以目前的技術發展來說,一部具備「智慧」的CNC數控系統與機台,一定要能夠整合開發端的CAD數位設計軟體,能夠直接從軟體端就完成機器的建模與加工路徑,以加快加工製造的流程,同時也增加客製化生產的彈性與程度。這也是把開發設計整合至製造執行系統(Manufacturing Execution System,MES)裡,


第二點,CNC數控系統與機台要具備更高程度的加工生產能力,透過先進的數位控制器與更精準的馬達和螺桿的性能,來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。此外,可視化的加工預覽,以及自動化智能回饋和調教也是重要輔助項目。


第三點,CNC機具要擁有智慧監控與線上檢測的功能,它透過運用更多的感測器來強化加工的品質與運行安全,能夠提供精確且高準度的施工數據,同時也能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。



圖3 : 目前所謂的智慧型CNC數控,是一種結合感測器、物聯網與大數據的加工製造技術,它能帶來更佳的加工性能與精準度,且還具有自我診斷的功能。
圖3 : 目前所謂的智慧型CNC數控,是一種結合感測器、物聯網與大數據的加工製造技術,它能帶來更佳的加工性能與精準度,且還具有自我診斷的功能。

結語

CNC系統正站在另一波轉型的勢頭上,尤其在全球工業4.0趨勢的推動下, CNC業者勢必要跳脫傳統的應用框架,整合物聯網與人工智慧等技術,往上往下進一步延伸其市場的範疇,朝智慧機械與智慧製造的目標前進。


而這個發展並不是單一業者所能實現,將有賴整體的供應鏈才能達成,因其是一項整合資訊、電子與機械的跨領域應用,裡頭包含了關鍵元件的研發、先進電子系統的整合、全面性的物聯網布建,更重要的,則是市場應用思維的轉變,而這一切都有賴整體產官學研的共同投入,才能讓台灣的工具機產業站穩轉型的腳步,並進一步提升國際的競爭力。


**刊頭圖(source: wiki)


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