從美中貿易戰到COVID-19大流行，再到全球供應鏈體系的不穩定，以及全球推動ESG議題等，對製造業市場的全球性衝擊與挑戰不斷加劇。通過數位化轉型應對新的常態挑戰，並且提升競爭力，已成為當前企業的重要課題。

供應鏈系統的波動迫使公司必須不斷適應市場的挑戰，包括產品交期延宕、產品多樣性變化、現有產線效能迫切提升、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，以下為各種不同面向的解決方案：

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

二、強化客戶體驗：使用數位方法行銷公司產品，例如虛擬現實、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，來節省時間和成本。

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

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

圖1 : 數位雙胞胎：物聯網連接真實世界，精進產品製程（source：SIEMENS）

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

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

產業變革帶來數位轉型驅動力

為實現持續優化產能和永續性發展的目標，數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，包括機台生產過程所產生的數據，提高資訊透明度，使工程人員能靈活運用數據，快速反應突發的問題，並利用流程改善的反饋，形成有效改善生產力的正向循環，讓突發的問題可以被有效地掌握與處理。

數據不僅重要，更需要透過數據來挖掘可改善的流程，才能發揮其關鍵的作用。數位轉型和數位生產流程就是為此而生，正確地活用數據，為企業帶來永續性發展的生產優勢（圖2）。

圖2 : 數位轉型過程涵蓋企業流程逐步改善形成正向循環

目前西門子提供多種數位化軟體工具，例如數位雙胞胎（Digital Twin）、人工智慧（AI）、工業5G、邊緣運算（Edge Computing）和物聯網（IoT）等，這些工具已經在許多大型企業得到廣泛應用。然而，對於多數尚未投入轉型的重要客戶來說，如何在現有的人力基礎上選擇適合的數位化解決方案，實現數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位體驗，以最創新的技術、最貼心的服務與企業一同邁入轉型之路。

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

以客戶價值鏈為基礎的數位原生控制器發展策略

近年來，工具機產業生態已由過去的大量生產單一機種轉變為機械客製化生產。此外，新機種的上市時間也被客戶大量壓縮，過往流程開發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、機構設計和軟體規劃、電控系統的調適和程式規劃、實機的操作和試?，最後串聯到售後服務，形成完整的新機開發價值鏈，如圖3所示。

圖3 : 設備開發商內部價值鏈涵蓋研發、調適到售後服務

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

例如，以數位軟體協助機械設計、模擬、測試等流程，提前獲得實作的結果，從而提高開發效率和產品品質。同時也可以透過數位軟體提供數據分析、監控、維護等服務，幫助企業實現智能化生產和服務，提高競爭力。因此，數位化軟體成為了產業實現升級和轉型的關鍵。

數位原生控制器大幅強化機台生產力

SINUMERIK ONE是西門子推出的全球首款數位原生控制器。該控制器通過頂級的PLC和CNC性能，大幅強化機台的生產力；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循環運算能力，更可最大程度地減少非生產時間。它還具備智慧優化軟體和加工優化策略，可使模具加工性能水平提高25%以上。操作系統方面，SINUMERIK ONE針對多點觸摸進行了優化，與現代智慧手機操作相似，並支持多種實體加工和數位技術應用。

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

隨著實體生產流程的自動化，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，而透過產品和生產流程的端到端數位化和虛擬化可以進一步優化潛力。數位原生控制器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位原生CNC控制系統-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機電整合技術來優化新機台的設計，減少30%的新機開發時間。在客戶的數位轉型需求下，於2019年推出全球首款數位原生控制器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，用以串聯機構設計、電控調適以及試車服務，並成為企業數位轉型的典範。

西門子至今於產業內推動相關數位化發展技術，持續與多家OEM廠商合作，推廣利用數位化工具進行新機開發。這些工具將協助OEM廠商進行以虛擬化技術進行優化的高性能機台開發，以提高產品開發效率，同時提供更多附加價值。

實現統一的診斷和工程設計

透過TIA Portal統一開發平台能夠簡化工程設計和診斷。尤其當產線的周邊系統（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的跨機台解決方案可在TIA Portal的支持下方便地實施、優化、規劃和診斷。此外，透過網絡上的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，甚至簡化跨生產區域的軟體維護。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台。機台開發及高效率生產製造是可以透過數位雙胞胎來進一步優化生產計劃的。西門子一直關注並挖掘製造未來的發展趨勢，並致力於尋找新方法和數位軟體工具，以幫助企業導入數位製造，並實現數位轉型目標（圖5）。

圖5 : Create MyVirtual Machine平台涵蓋全數位工具機開發的關鍵

數位雙胞胎融合CNC性能應用於產品開發

SINUMERIK ONE作為數位原生的CNC，能夠幫助機台製造商開發、優化和調試其作為數位雙胞胎的機台，然後將結果傳輸到實際機台中。西門子透過可擴展的軟體產品組合—CMVM和RMVM的支持，可藉由1：1的機台虛擬化技術，真正地將數位化落實到生產流程中。其中憑藉著RMVM的模擬功能，使用者可以在PC上以1：1的虛擬化環境與3D機台模型，呈現與測試原本需要實際機台才能執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化及設置製程，並在測試新零件製程時降低發生碰撞的風險。

西門子的數位原生控制器SINUMERIK ONE在協助新機開發的過程中，其所產生的衍生機台數位模型，能進一步轉移至終端使用者，使終端使用者能使用此1:1的虛擬機台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的虛擬化環境還可以讓使用者在遠離機台的位置進行無風險的培訓，以保持真實機台生產力。此外，RMVM / 3D還可以在虛擬機台內導入刀把、夾治具等零部件模型來擴展數位雙胞胎應用，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台上製造，以及是否會有可能發生的碰撞風險、錯誤定義的安全距離。企業可預先優化整體製程並提高製程可靠性，減少非必要成本損失，實現綠色轉型，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工具機生產相關產業的企業而言，生產作業準備過程相對重要，包括準確預估工時以作為報價有利的依據、生產工藝導入涵蓋CNC加工程式建立、CNC現場生產模擬。使生產計劃的速度、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的競爭優勢（圖6）。

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

數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效率至關重要。

AMW / Toolpath還具有分析工業邊緣運算的高頻數據的能力。這些數據可以幫助企業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效率。AMW / Toolpath其實用的分析方法可以幫助企業優化其製造流程，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台，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系統本身的輸出、CAM系統或後處理器的輸出、CNC和驅動控制器的參數化、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平台：驗證加工流程碰撞干涉的重要性

高頻數據分析“garbage in, garbage out”效應

從CAD系統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據。因此，在系統性地尋找表面品質缺陷的原因時，必須仔細檢查各個系統部分的輸出數據：CAD系統的STL文件、CAM系統/後處理器的mpf文件、CNC在執行NC 加工程式期間產生的位置點的高頻數據紀錄，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據紀錄。這都需要使用適當的方法與工具，才能避免龐大數據所產生的“garbage in, garbage out”效應。西門子提供開放式控制器和數位化軟體工具AMW，以及邊緣運算電腦Industrial Edge，協助使用者進行高頻數據的蒐集和分析。

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

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），對於每個數據點顯示，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

當產品設計完成、程式品質驗證通過後，生產流程來到機台真實生產。在切削生產實務中，除了生產成本之外，刀具壽命與切削時間也是企業特別關注的議題。使用西門子的CNC-Shopfloor Management Software中的自適應控制與監測技術( Adaptive Control & Monitoring suite；ACM )，可以幫助使用者優化刀具壽命、縮短切削時間並穩定製程，進而降低營運成本，增加生產力。透過自適應控制與監測技術套件（ACM），從而提高生產力、降低廢料率、增加製程穩定性、並減少生產中斷。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智能切削優化與控制器完美整合

在機台操作時，西門子自適應控制與監測技術ACM可提供即時切削負載均質化的能力。在無人監控的狀態下，ACM可以自動提升加工速度，優化切削品質，同時保護工件、刀具和機台。ACM軟體能即時監控當前切削條件，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，將切削負載保持在最佳水平。如此就能確保刀具和機台使用壽命，同時提高生產力和產品品質。更重要的是，當ACM系統檢測到過載時，ACM演算法會減少進刀速率，面臨緊急狀況時暫停機台運作，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力，確保了更安全、更穩定的生產過程，同時減少了生產成本，實現了高效優化。

ACM系統可以根據實際生產要求和生產目標調整加工過程，以下是ACM系統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。不僅減少切削循環時間，同時保護功能可以最大限度地減少機台、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、刀具監控模式

刀具監控優化功能可以監控和保護刀具、主軸、零件和機台本身。ACM系統可以自動偵測刀具當前狀態，並視真實情況發出刀具狀態警報，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系統可以監控負載上限和下限，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。系統會提醒操作人員注意這些危險情況，從而在損壞發生之前，修正切削條件，確保生產製程持續穩定。

三、ACM報告和分析

ACM系統自動產生詳細報告，有助於生產製程工程人員分析加工資訊，改進和優化加工。配備ACM的機台可獲得以下數據報告：

‧ 切削負載

‧ 循環時間

‧ 時間節省百分比

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

結論

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

‧ Digital Twin可以利用虛擬模擬技術，將真實機台核心嵌入到虛擬化環境中，為優化生產流程提供更準確的資訊和解決方案。

‧ AMW可以將產品設計原型數位化，提供從生產設計、生產製造及品質控制的生產技術服務。

‧ ACM即時優化機台生產率，減少生產時間，並縮短交貨時間，提供更加彈性靈活的生產吞吐量。

‧ MindSphere雲端IoT解決方案，提供便利的數據蒐集，無伺服器維護工作，即時的通知功能與監控功能，能協助供應鏈中必要資訊的共享，提高精準的售後服務。

‧ Mcenter產線戰情管理平台是一款針對製造業的數位化平台，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。它能夠確保生產過程中的全面透明和資料一致性，提高生產效率和品質。

西門子工業軟體協助企業實現數位化轉型的過程，著重在協助企業流程改善，讓企業得以因應未來數位化工廠挑戰的需求。透過採用數位化技術和智慧化產品，工具機製造商可更有效率地生產高品質產品，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)