
數位雙生平台 虛擬工具機
文◆ 工研院智慧機械科技中心 智慧製造技術組 智慧製造試營運部
研發經理 李建毅、副工程師 莊佳瑾、楊善荏、林上鈞、經理 黃少谷
根據IOT ANALYTIC調查,29%全球製造業已實施數位雙生技術,IT廠商AWS使用IoT TwinMaker加速工業廠商SIEMENS Xcelerator 提供數位雙生解決方案,而國際控制器大廠(如FANUC與SIEMENS等)數位雙生平台受限專用廠牌控制器,雖可透過虛擬控制內核進行模擬但缺少工具機結構特性,無法提升機台運動精度預測準確度。虛擬工具機數位雙生平台整合數控模擬器、伺服傳動系統、運動學與結構動態等多種數位雙生模型,提供五軸工具機模擬與主軸溫升補償以縮短運動調試時間並維持機台熱補償精度。
五軸虛擬工具機數位雙生平台
虛擬工具機數位雙生平台透過多軸虛擬工具機構型與整合商用數控模擬器,藉由導入數位雙生技術於多軸加工前整機虛擬模擬,進行工具機產品開發前虛擬調試與試打樣加工前品質模擬,預期可降低機台干涉與避免加工程式錯誤而導致工具機撞機與加工品質不良。虛擬工具機數位雙生平台提供數位雙生模組有虛擬工具機構型、數控模擬器、碰撞干涉檢查、機電一體化與AI主軸熱變位預測補償等數位雙生模組。平台可依據商用控制器(含PC-based控制器)自訂義通訊協議進行機聯網,亦可基於工業4.0國際共通標準規範OPC UA與實際控制器進行硬體迴路(Hardware-in-the-loop)同步連線,於虛擬控制器或真實控制器讀取加工程式機械座標值並將運動座標匯入五軸虛擬工具機運動學構型模組,使五軸工具機3D 模型與數控連動而在虛擬工具機數位雙生平台上達成五軸整機測試與五軸加工模擬[1]。
透過數位分身工具機軟體平台,使用者可預先測試複雜工具機設備運動行為並進行加工模擬,大幅縮短實際工具機和電控系統調試時間,並進行加工時間預測與加工精度估測進而實現精準製造。透過工具機數位雙生平台中主傳動/進給/輔助/切削等數位雙生模型建立工具機功率數位雙生模型優化調控以節省周邊輔助能耗與主軸空轉能耗。研發數位雙生協作機制,以製程、整機、控制數位雙生進行效率優化;以主軸、運動軸、冷卻系統、油壓、空壓、切屑收集模組數位雙生進行能耗優化,減少製程調適階段能耗以邁向永續節能與減碳目標[2]。
虛擬工具機構型數位雙生模組
為可視化五軸加工模擬過程,可透過虛擬工具機構型數位雙生模組呈現工具機不同構型運作情形,其中3D模型由機台零件STL(STereoLithography)檔案格式建構,多軸工具機運動鏈組合件由動件組成:如立柱、主軸頭、機身(含底座)、工作臺及線軌鞍座等零組件。運動鏈建立需考量五軸工具機運動方向相互關係(如加工行程範圍、刀具方向與刀具支援類別(端銑刀、球刀)、工件位置與素材類型(方塊、圓柱)、各移動軸向原點位置、運動方式(直線或旋轉)等參數)[3],如圖2示。
數控模擬器數位雙生模組
工研院虛擬工具機數位雙生平台也開發數控內核數位雙生模組,其中運動產生單元提供點對點與曲線位置/速度/加速度/急衝度(Jerk)設定,軸向伺服控制單元提供伺服進給剛體動力學模型與多種控制法則挑選(如比例-積分微分控制、領先-落後控制、零相位追蹤誤差控制、滑動模式控制等),分析單元提供頻域響應、軸追蹤與輪廓誤差等結果,如圖3所示。目前國內工具機業者普遍採用日系FANUC或歐系SIEMENS控制器大廠行虛擬工具機數位分身系統與實體機台設備串接,因而受限於特定廠牌的數位雙生平台軟體及其受限該廠硬體工控設備,且加值研發權限取得不易。工研院開發虛擬工具機數位雙生平台中數控模擬器數位雙生模組不侷限特定廠牌控制器,可用於連結多廠牌數控模擬器與真實工具機控制器,商用控制器整合如FANUC NCGuide[4](圖1)或SIEMENS SinuTrain[5](圖 4)所示。


AI主軸熱變位預測補償數位雙生模組
影響工具機加工精度原因很多,其中熱變位影響約佔整體誤差40~70%[6]。工研院虛擬工具機數位雙生平台研發AI主軸熱變位預測模型,透過溫度感測器的數值輸入並考量工具機運轉時所造成溫度變化與環境溫度變化,以AI 主軸熱變位預測模型預估機台運轉或加工時所產生熱變位,將熱變位數值以I/O介面透過虛擬工具機數位雙生平台補償至商用數控模擬器,AI主軸熱變位預測補償流程如圖5所示。
實際工廠內即使相同構型工具機更換不同轉速主軸,仍需重新蒐集訓練資料用以訓練主軸熱變位模型,進行模型測試預估熱變位後再做加工驗證,常需耗時兩至三週。本平台AI主軸熱變位預測模組同時採用遷移式學習技術(Transfer Learning),當更換不同轉速的主軸時,可降低重新蒐集訓練資料時間,其建立方式為:(1)不同轉速實驗數據蒐集、(2)建立多種AI主軸熱變位模型(如ANN、CNN、RNN、LSTM等)以決定採用哪一種AI 預訓練模型、(3)進行遷移學習的訓練及測試及(4)實際切削補償驗證,如圖6。



第三方加值軟體整合模組
SIEMENS RMVM[7]數位雙生軟體平台內建數控模擬器Sinumerik One、3D工具機構型運動模擬、PLC I/O輸入模組等一系列功能。工研院虛擬工具機數位雙生平台整合RMVM軟體,可基於採用SIEMENS工控系統進行虛擬機台開發、虛擬加工模擬、加工時間與品質預測,日後亦可將工研院所開發數位雙生模組掛載SIEMENS Xcelerator 提供雲端工具機數位雙生解決方案。
工研院虛擬工具機數位雙生平台亦整合ModuleWorks[8]3D 模擬軟體,如切削模擬與機台模擬等,其中NcEditor軟體可透過輸入加工程式,並設定虛擬五軸工具機運動構型與結合控制器單節預覽進行加工模擬功能並直接讀取加工程式以進行五軸工具機構型運動模擬。
工研院智慧製造技術驗證場域數位雙生模型驗證
於金屬切削製程4種設備(車削中心機、鑽孔攻牙機、銑削中心機與車銑複合機)建立各自對應運動學機構鏈與零組件數位雙生模組,透過機邊電腦進行跨平台資料交換、雲端自動佈署軟體與機台控制器國際標準資料通訊聯網,並以18種SaaS軟體服務應用程式進行金屬切削設備智慧應用服務串接驗證,如圖9。

結論
工研院開發國產工具機數位雙生平台,進行虛擬工具機加工程式碼、工具機構型、切削力學模擬、碰撞干涉檢查、主軸熱變位預測補償、數控模擬器制、結構動力學、傳動系統摩擦力與振動等多軸數位雙生模型開發,協助業者於加工接單前即提供客戶預估加工時間服務,加速現場調試流程,平台並整合商用控制器與第三方加值軟體擴大工具機產業生態系與協助臺灣工具機企業數位轉型。
誌謝
感謝經濟部產業技術司智慧設備暨系統雲端加值服務技術開發計畫-設備智慧化與系統整合應用驗證(P353CH2310)計畫的支持,使本計畫得以順利進行,特此致上感謝之意。
參考文獻:
[1] 李建毅、莊佳瑾、黃少谷,虛擬工具機數位雙生平台,機械工業雜誌,488期,pp. 12-18,2023.
[2] 李建毅、吳柏勳、黃少谷,羅佐良,工具機綠色智慧製造技術,工具機與零組件雜誌,144期,pp. 62-66,2022.
[3] MachineWorks. https://www.machineworks.com
[4] FANUC, CNC Guide. https://www.fanucamerica.com/products/cnc/cnc-software/programming-simulationsoftware/cnc-guide-simulation-software
[5] SIEMENS, SinuTrain for SINUMERIK Operate. https://xcelerator.siemens.com/global/en/industries/machinebuilding/machine-tools/cnc4you/sinutrainuebersicht.html
[6] Z. Zhang, F. Jian, M. Luo, B. Wu, D. Zhang and K. Tang, " Geometric error measuring, modeling, and compensation for CNC machine tools: A review." Chinese Journal of Aeronautics, 37(2), pp. 163-198, 2024.
[7] SIEMENS, Run MyVirtual Machine. https://www.siemens.com/global/en/markets/machinebuilding/machine-tools/cnc4you/fokus-digitalisierung/runmyvirtual-machine.html
[8] ModuleWorks. https://www.moduleworks.com