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機械工業雜誌

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摘要

本研究針對高混合少量、交期緊迫及淨零碳排需求,提出結合物理建模、動態插補運動學、數位雙 生與生成式人工智慧 (GAI) 之智慧加工協作平台。系統採微服務架構,整合 NC-Code 加工時間估測、能 耗估測模型、輪廓誤差估測及切削力學分析,自動產生多組加工方案,並透過進給率與主軸轉速參數掃 描建立加工時間、能耗與輪廓誤差三維解空間。再結合 Pareto 多目標篩選進行決策分析,協助選擇代表 性的候選方案。最後將數位雙生模組封裝為 RESTful API,結合大型語言模型 (LLM) Tool Calling,自主調 用估測模型、數據分析、優化報告生成及 NC-Code 自動改寫,提升加工效率、降低能耗並兼顧加工品質。

Abstract

This study proposes an intelligent machining collaboration platform that integrates physics-based modeling, dynamic interpolation kinematics, digital twin technology, and Generative Artificial Intelligence (GAI) to address the challenges of high-mix low-volume production, short delivery cycles, and net-zero carbon emissions. The platform adopts a microservice architecture and integrates NC-code machining time estimation, energy consumption estimation, contour error estimation, and cutting mechanics analysis to automatically generate multiple candidate machining strategies. Through parameter sweeps of feed rate and spindle speed, the system constructs a three-dimensional solution space comprising machining time, energy consumption, and contour error. Pareto-based multi-objective screening is then applied for decision analysis to identify representative candidate solutions. Finally, the digital twin capabilities are encapsulated as RESTful APIs and integrated with Large Language Model (LLM) Tool Calling, enabling autonomous invocation of estimation models, data analysis, optimization report generation, and automatic NC-code rewriting, thereby improving machining efficiency, reducing energy consumption, and maintaining machining quality.

前言

隨著全球工業 4.0 轉型與永續製造意識抬頭,精密切削加工產業正面臨能源效率、低碳製造與高彈性生產需求的多重壓力[1][2]。工具機加工系統具有高能耗與低能源利用效率等特性,相關研究指出其加工過程仍具有顯著的節能改善潛力[1]。加工參數會影響能耗與表面品質[2][7];提高進給率也可能增加伺服追隨與輪廓誤差[3]。因此,如何有效縮短加工週期時間(Cycle Time)、降低工具機運轉過程中的電能消耗,並同步維持工件加工精度,已成為工具機製造商與精密加工廠的重要競爭力指標。

在實體產線的傳統操作中,切削參數的設定高度依賴資深技術人員之個人經驗,或是參考刀具廠商提供的靜態推薦手冊。然而,切削條件之間存在著複雜且高度耦合的物理權衡(Trade-off)關係。

第一,進給率與動態追隨之消長。過度提高進給率(Feed Rate)雖能顯著縮短加工程式執行時間,卻可能拉高切削力與軸向動態追隨誤差(Tracking Error),引發工具機伺服過載並導致工件輪廓精度惡化[3]。

第二,保守條件與待機能耗之累積。採用過於保守的切削條件雖能確保品質與刀具壽命,卻會導致機台長時間處於低效能運轉狀態,累積過高的待機功率(基礎功率)與主軸空轉功率,反而推升單位工件之碳足跡。

隨著資訊實體系統(CPS)與數位雙生(Digital Twin,DT)技術的快速發展,透過虛擬模擬預先驗證切削行為已成為降低現場試誤成本的重要途徑[1][5]。數位雙生可建立實體設備與虛擬模型之間的對應關係,支援跨生命週期的狀態分析與決策[6]。然而,現有加工分析工具仍常呈現分散狀態:切削力學分析、運動學加減速估測、機台能耗推估以及伺服驅動輪廓誤差預測各自獨立發展,資料格式與介面規範不一,形成工具整合與互通性的挑戰[5]。現場工程師因此難以在統一的時間與幾何基準上,對同一份加工程式進行多維度比較。

為突破傳統經驗調校與單點模擬之限制,本研究開發一套「加工製程數位雙生協作平台」。平台採用微服務架構,整合多項數位雙生模組與第三方切削優化軟體,透過兩階段解空間擴展機制,建構涵蓋加工時間、總能耗與輪廓誤差之三維決策空間。同時,本平台將各項數位雙生分析能力封裝為標準 RESTful API,使生成式 AI(GAI)代理人得以透過工具呼叫機制自主發起模擬、檢驗物理邊界約束,實現以數據驅動與人機協同為核心的智慧加工分析與優化流程。

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