CNC數控技術的智慧化之路
CNC數控技術的智慧化之路
2021.08.30
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，需要大量的精密零件加工。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。
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）
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。
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，需要大量的精密零件加工。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。
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）
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。
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