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人工智慧引動CNC數控技術新趨勢
複合化、高精度、智慧化
[作者 木言]   2024年04月26日 星期五 瀏覽人次: [1485]

智慧製造為CNC數控技術帶來更多的市場機會,尤其是正在高速發展的新興亞洲。則將朝向高速化、智能化、多軸複合化、以及聯網化發展。特別是智能化的趨勢,將會帶來新的商業模式。


人工智慧的浪潮正在衝擊著各行各業,工具機領域也不會例外,特別是以數位控制為核心的CNC數控系統,也在此一趨勢下衍生出了新的解決方案與市場機會。根據財富商業洞察(Fortune Business Insights)的調查,全球CNC數控工具機市場預計在 2022 年至 2029 年成長至 1,407.8億美元,而其中最主要的成長驅力就是以數位轉型為主軸的智慧製造。


另一家市場研究機構GII也指出,CNC市場規模預計2024年為1007.8億美元,至2029年將達到1466.5億美元,複合年成長率為7.79%。而其成長的亮點, 就是使用先進的CNC 工具機可以減少生產時間,且大幅的減少人為錯誤,進而簡化許多業務流程,從而提高了對生產效率的需求。


另一方面,激烈的市場競爭也迫使企業必須更有效的提升製造技術,因此他們正試圖透過重新設計他們的生產設備(包括CNC工具機)來獲得競爭優勢。


複合、高精度、智慧化

因應上述這些市場與業者的需求,CNC數控系統也開始朝著下述幾個主要的發展趨勢前進。


複合化

當今的製造早已脫離大量統一規格的生產模式,取而代之的,是更多的客製化需求,而要同時滿足高客製化與量產的目標,複合化的加工就成了CNC產業的顯學,CNC數控系統也向著複合化的方向發展。例如,許多CNC數控系統都集成了刀具補償、斷刀保護、故障診斷等功能,提高了數控機床的綜合性能。


以目前熱門的五軸加工為例,這是一種複雜的加工技術,可以加工曲面或異形零件。在五軸加工中,CNC數控系統需要能夠實時協調各個軸的運動,以確保加工的精度和效率。


高速化、高精度化

為了提升製造的效率與品質,製造業對於加工效率和精度的要求也就不斷地提高,這也刺激CNC數控系統朝向著高速化、高精度化的方向發展。例如,在伺服系統方面,採用了高性能的伺服馬達、驅動器和編碼器,提高了伺服系統的控制精度和動態響應速度;在加工過程中,採用了高速切削、精密切削等加工技術,提高了加工效率和加工精度。


以高速銑削為例,它就是一種高速、高效的加工技術,可以顯著提高加工效率。在高速銑削中,CNC數控系統需要能夠實時監控加工過程,並根據加工情況進行調整,以確保加工的穩定性和精度。


智能化

隨著人工智慧、物聯網等技術的發展,CNC數控系統也向著智能化的方向發展。例如,一些CNC數控系統採用了優化演算法,可以自動優化加工參數,提高加工效率和加工質量。另外,新一代的CNC數控系統則導入了故障診斷系統,可以自動診斷數控機床的故障,提高維護效率。


而在智慧製造流程中,CNC數控系統更扮演著重要的角色,它需要能夠與其他智慧設備進行互聯互通,並即時分析加工數據,提供用戶進行決策的依據。


另一方面,為了滿足不同用戶的客製化需求,CNC數控系統也向著開放化的方向發展。例如,一些CNC數控系統提供了開放的介面,允許用戶自行開發客製化的功能。



圖一 : 複合化與智能化將是CNC數控的重要發展趨勢,圖為示意圖。
圖一 : 複合化與智能化將是CNC數控的重要發展趨勢,圖為示意圖。

亞洲扮CNC發展要角 歐日仍是技術領導者

從地域分布來看,亞太地區是全球最大的CNC數控系統市場,佔全球總市場的48%。其次是歐洲和北美,市場規模分別占全球總市場的24%和20%。


在亞洲方面,中國是全球最大的CNC數控系統市場之一,2022年市場規模約為50億美元。隨著中國製造業的持續發展,中國的CNC數控系統市場也將保持穩定的成長態勢。而從產業分布來看,汽車、機械、電子業等,是中國CNC數控系統市場的主要應用領域。


目前,中國CNC數控系統市場的主要供應商包括發那科(FANUC)、廣州數控、北京精雕、瀋陽機床、埃克馬等。其中,發那科是中國最大的CNC數控系統供應商,市場占有率約為35%。


美國是全球第二大CNC數控系統市場,市場規模約為220億美元。在應用產業方面,則以航太、汽車、機械等是美國CNC數控系統市場的主要應用領域。目前美國的CNC數控系統市場的主要供應商為發那科、三菱電機、西門子、法尼克、哈斯等。其中,發那科也是最大的CNC數控系統供應商,市場占有率約為40%。


日本是全球第三大CNC數控系統市場,但其市場呈現高度集中的狀況,單是發那科一家公司的市場占有率就超過70%,其次是三菱電機與山崎精機。而從產業分布來看,汽車、電子、機械業是日本CNC數控系統市場的主要應用領域。


而隨著日本政府推動製造業智慧轉型,對高性能CNC數控系統的需求也將有所提升,預料也會推動日本的CNC市場成長。


從全球主要市場的CNC數控供應商來看,可知日系的業者仍是CNC數控解決方案領導者,尤其是發那科仍持續位居龍頭的地位,而西門子則是代表歐系廠商在CNC數控領域嶄露頭角。



圖二 : 日系的業者仍是CNC數控解決方案領導者,尤其是發那科仍持續位居龍頭的地位。(source:FANUC)
圖二 : 日系的業者仍是CNC數控解決方案領導者,尤其是發那科仍持續位居龍頭的地位。(source:FANUC)

至於台灣,儘管本身的製造業蓬勃發展,但市場規模並不大,無法主要的市場相提並論,整體的規模僅佔全球CNC數控系統市場總份額的0.4%。而在產業應用分布方面,台灣CNC數控系統的主要應用於電子、機械、汽車等。其中,電子產業是台灣CNC數控系統應用最廣泛的領域,市場占有率約為40%。


而台灣CNC數控系統市場的主要供應商包括:發那科、三菱電機、西門子等。其中,發那科是台灣最大的CNC數控系統供應商,市場占有率約為35%。


近幾年,受惠於美中貿易對抗,以及政府鼓勵業者回流的政策,台灣的製造業也出現明顯的成長。再加上,智慧製造與數位轉型等趨勢的刺激,因此推動了台灣CNC數控市場的成長。


在製造業升級方面,隨著台灣製造業朝向智慧化、數位化轉型,對CNC數控系統的高速化、高精度化、智能化的要求也不斷提高,因此帶動了新一波CNC數控系統市場的成長。另一方面,由於半導體與新能源等新興產業的發展,也擴大了對CNC數控系統的需求,這將有助於台灣整體CNC數控系統市場擴大它的成長空間。


也因此預計未來幾年,台灣CNC數控市場將保持穩定的成長態勢,並朝向高精度、複合加工、與智慧製造等趨勢前進。



圖三 : 全球CNC機台應用分布。(source:grandviewresearch)
圖三 : 全球CNC機台應用分布。(source:grandviewresearch)

數位分身與人工智慧的導入

人工智慧(AI)是全球顯學,在CNC數控領域也不例外。目前人工智慧技術與數位分身(Digital Twin)在CNC數控系統上的應用已越來越廣泛,主要體現在以下幾個方面:


製造模擬

透過建立數位分身模型,可以對CNC數控系統進行虛擬的模擬製造、測試和優化加工參數,以提高加工效率和加工質量。例如,在航太領域,可以使用數位分身模型來模擬飛機零件的加工過程,提前發現潛在的加工缺陷,避免造成實際加工中的損失。


預測維護

利用AI技術分析數位分身模型中的數據,可以預測CNC數控系統的故障,並制定維護計劃,提高維護效率和降低維護成本。例如,在汽車製造領域,可以使用AI技術來分析數控機床的振動數據,預測軸承的磨損程度,避免造成突然故障。


故障診斷

當CNC數控系統發生故障時,可以使用AI技術分析數位分身模型中的數據,快速準確地診斷故障原因,縮短故障排除時間。例如,在電子製造領域,可以使用AI技術來分析數控機床的電流數據,快速診斷馬達故障。利用AI技術,可以即時調整CNC數控系統的參數,使加工過程更加穩定和高效。例如,在半導體製造領域,可以使用AI技術來調整數控機床的進給速度,提高加工精度。


以西門子為例,透過在CNC加工中導入數位分身與AI技術,成功優化了汽車零件的加工參數,並將加工時間縮短了20%,同時加工精度也提高了10%。此外,也運用數位分身技術成功預測CNC加工機床的軸承故障,並及時進行維護,避免了機床故障造成生產線停產。


整體而言,與AI和數位身分技術結合將是CNC數控系統發展的重要方向,其主要的發展趨勢如下:


 數位分身模型將更加精確和完善:隨著感測技術和數據分析技術的發展,數位分身模型將更加精確和完善,能夠更真實地反映物理設備的狀態。


 AI技術將更加智能化:AI演算法將更加智能化,能夠更加有效地分析數位分身模型中的數據,並做出更準確的預測和決策。


 數位分身和AI技術將更加融合:數位分身和AI技術將更加融合,形成更加強大的智慧製造工具,幫助製造企業提高生產效率、降低生產成本、提高產品質量。



圖四 : 西門子提供數位分身的加工工具,提高製造生產的效益。(source:wisdom.com.tw)
圖四 : 西門子提供數位分身的加工工具,提高製造生產的效益。(source:wisdom.com.tw)

結語

總結來說.在智慧製造趨勢的推波助瀾之下,CNC數控技術仍將持續的發展,並帶來更多的市場機會,尤其是正在高速發展的新興亞洲。至於發展趨勢,則將朝向高速化、智能化、多軸複合化、以及聯網化發展。特別是智能化的趨勢,將會深度的結合大數據、雲端運算、人工智慧技術,進而帶來新的商業模式,智慧加值軟體服務等。同時新的技術也將提升CNC數控系統的智能化程度,實現自適應控制、故障預測、生產優化等功能。


另一方面,CNC數控技術也將會與精密機械、工業手臂深度整合,實現柔性製造、複合加工等功能,提高生產效率和加工精度,帶來更好的製造品質與生產效率。


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