數位孿生已經來臨！
數位轉型改變了加工方式

文◆曾根勇也
出處◆生產財 2022.11

JIMTOF 展覽中令人關注的趨勢之一是數位轉型（DX, Digital Transformation）。在虛擬空間中複製和模擬真實空間中的事物，例如數位孿生、人工智慧 (AI)及物聯網(IoT)等，數位技術讓工具機及金屬加工不斷發展。各種關於數位化的流行語不斷誕生又被淘汰，但數位化在製造業中的重要性只會越來越大。

數位化是個緊迫的問題

日本經濟產業省發出「2025年斷崖」的警鐘。如果不善用數位數據、無法實現數位轉型，日本可能會在數位競爭中成為輸家。如果無法成功達到數位轉型，預估從2025年起，日本整體每年將遭受高達12兆日元的經濟損失。

即使只限於製造業，數位轉型的重要性仍然正在增加。日本勞動政策與培訓研究所(JILPT)今年5月發布的「製造業數位化技術利用與人力資源保障及培訓調查」中顯示，「有計劃在利用數位化技術方面做出新的努力、或預計強化數位技術活用的公司」的比例上，活用數位技術企業佔89.7%，未活用數位技術企業佔62.0%，這顯示潛在需求相當大。

另一方面，當被問及活用數位技術的挑戰時，「缺乏導入數位技術相關的專業知識」是最常見的回答，其中有59.5%為已活用數位技術的企業，及57.0%為未活用數位技術技術的企業。毫無疑問，製造業對無需特殊知識即可導入和利用的數位技術相關需求很高。

所有主要的機械製造商一起投入

企業對數位轉型投資的興趣正在增加。換言之，透過數位轉型投資擴大工廠自動化產業的產業規模，是難得的機會。所有主要工具機製造商都在努力提出數位化。數位轉型可以說是這次JIMTOF展覽中，與減輕環境負擔及自動化並駕齊驅的一大趨勢。

大隈（E6037）將「數位化」與「自動化/ 省人力化」及「脫碳」並列，首次推出新的控制裝置。該裝置除了提高可操作性外，還可以管理包括加工的前後工程，在展場可體驗其操作性。

DMG 森精機(E8017)也以「工程集約」、「自動化」和「數位轉型」等主題參展。以操作系統「CELOS」為主體，連接工具機、外圍設備、工廠和辦公室，可讓資訊可視化並加以分析。

美捷科公司( Y a m a z a k i M a z a k Corporation)( E5001) 將以「美捷科的碳中和數位製造解決方案」為主題，推廣其活用物聯網技術的服務「Mazak iCONNECT」。許多其他製造商也致力於利用數位技術的相關提案。

不僅是工具機製造商，數控裝置和軟體等與數位化直接相關的產品企業也在積極提出利用數位技術的解決方案。數位技術日新月異。每家公司的提案內容也與4年前的JIMTOF有很大不同。基於這個原因，每家公司都積極希望讓許多參觀者了解最新的解決方案。

真實導向的數位孿生

發那科株式會社(FANUC Corporation) (E4019) 將在 JIMTOF 會場展示一組用於優化加工工藝的數位孿生模型。亮點之一是「真實導向的數位孿生」。其使用「CNC Guide 2」軟體，能在個人電腦 (PC) 上進行加工預驗證。它可以在虛擬空間中模擬加工，無需實際移動工具機即可調整參數和加工條件。模擬所需時間是實際加工的1/10。安裝在實機上時，可以詳細模擬包括各軸伺服電機的反應，因此連加工面都能預測。在會場中將展示實際加工的樣品，用以顯示出數位估算結果與實際加工的接近程度。

此外，發那科亦將展出新開發的軟體「刀具路徑優化器（Tool Path optimizer）」，該軟體是根據CAD數據來輔助製作加工程序。從CAD數據製成加工程序時，可以透過對齊表面和拐角等特徵的命令點來實現提高表面品質。此外，發那科將展出「AI伺服調整」、「AI熱位移補正」、「AI伺服監控」等多項活用AI功能的產品。

工廠自動化事業本部長兼IoT研發本部長野田浩表示：「雖然加工本身的自動化程度越來越高，但加工條件的優化、試加工、加工評價等仍然需要大量的加工前後人力。我們希望利用真實導向技術和數位技術來解決這些問題」。

關於物聯網，發那科將發布「F I E L D system Basic Package」。這個系統濃縮了過去的物聯網「FIELD系統」平台（platform）精華。無需系統集成商構建大型IT系統，能夠輕鬆從小處著手。將每個設備都連接到 FIELD system Basic Package，各設備的數據將以易於使用的形式匯總。透過分析數據，可以讓運作狀況或品質、維護等狀態可視化，有助於改善現場。由於該系統可以在不連接外部網路的情況下操作，能保證數據輸入/輸出的安全，安全性相當高。顯示的項目可以由用戶自行定義，也可以與製造執行系統（MES）等主機系統連動。

發那科野田專務表示：「該系統收集、整理整個工廠的狀態數據，使之可視化。這可謂是整個工廠的數位孿生」。

用於加工的數位科技

倍福自動化有限公司(Beckhoff)（橫濱市中區E5031，川野俊充社長）的展覽理念是「工具機的數位科學」。發表在一台工具機配備各種傳感器，取得的數據會立即被分析，且可提供實時反饋。

要獲取的數據包括切削過程中的溫度變化和形變、切削噪聲、圖像、電機電流、主軸旋轉相位和振動以及切削負載等。使用軟體「Twin-CAT」做分析數據，該軟體可在 Windows PC上作為NC或可程式化邏輯控制器 (PLC)，且能在最快62.5微秒內對控制動作進行反饋。

倍福自動化川野社長表示：「在研究層面，已經公佈各種解決切割問題的方法，但其中很多都沒有被投入實際應用。Twin-CAT 是以PC為基礎的控制軟體，因此可以使用最新的演算法（解決問題的程序或計算方式）來控制工具機」。

透過分析和利用數據，能夠預期廣泛的可能性。例如，在可能發生顫動時改變切削條件，或者將粗加工的切削效率提高到極限。這可以讓我們在問題發生之前立即預測並避免，而不是在問題出現後才處理。在不斷改變加工速度的同時，也能以「恆定負載」控制切削。川野社長表示「傳統加工方式是在工具機剛性上控制各種問題，而我們的方法不同於此，因此即使使用剛性較低的工具機也可以提高加工效率和精度。同時它還可以用於提高表面品質和延長刀具壽命。」

Twin-CAT 軟體適合希望專注於控制的工具機製造商使用。無論硬體如何，都可以做到獨立定制的控制。11日在會議大樓舉行的研討會上，倍福自動化計劃展示一部分關於如何定制、以及可以做到哪些事等相關的具體知識。

從上游直接到下游

西門子(Siemens)（E5013，日本法人= 東京都品川區，堀田邦彥社長）作為「工業 4.0」的旗手，一直在世界製造業推動數位轉型，並以「支援生產‧工具機業界數位轉型的端對端解決方案」為題參展。

西門子提供從上游到下游的“設計工程”、 “製造工程”、“製造執行”、“利用與服務”四個領域的數位化解決方案。僅在設計工程領域，西門子擁有廣泛的解決方案，例如用於機械設計和分析的「NX」、以及用於電氣設計和模擬的「Capital」、以及產品生命週期管理平台「Teamcenter」等。

西門子PLM軟體(Siemens Digital Industries Software)產品組合開發總部總監丸山貴弘表示：「在日本，我們經常為每個站點和流程選擇最好的數位工具，但這很難實現整體優化。而在國外，我們必須準備一個平台並在流程之間共享數據，以縮短時間及改革工作方式。我們也希望在日本推廣這一概念」。

可能引起特別關注的是製造工程領域的「Vi r tual Commissioning」提案。這是使用數位孿生技術在虛擬空間中對設備做試運行。通過使用NX和生產模擬軟體「Tecnomatix」，可以詳細驗證從單台機器到單元、生產線和整個工廠的所有內容。

在製造執行領域，西門子提供加工和3D測量的製程創建、治具設計、刀具管理和製造執行管理等解決方案。在使用和服務領域，西門子為每台機器提供物聯網系統、零件表管理和機器編號管理系統。

迄今為止，西門子在JIMTOF上主要展出的是機器控制器等控制硬體。這是第一次以軟體為主要焦點。丸山總監表示：「軟體的發展速度比硬體快，自上屆JIMTOF以來的4年裡，軟體發展的速度有了很大的提升。希望 JIMTOF的參觀者也能了解西門子最新軟體可實現的一系列解決方案」。