產業技術評析

一、2019中國國際工具機展概要(CIMT)
 

中國國際工具機展(以下簡稱CIMT)於2019年4月15日到4月20日，在北京中國國際展覽中心(新館)舉行，是由中國機床工具工業協會創辦於1989年，至今年已經是第16屆。隨著中國成為工具機的第一大消費市場，CIMT的重要性和影響不斷提升，已成為先進製造技術交流和貿易的場所，展示了全球及中國國產之裝備製造技術。
 

2019年CIMT展之主題為「融合共贏，智造未來」，使用展覽中心全部8個室內展館，以及6個臨時展館，展覽總面積14.2萬平方公尺。共有來自28個國家和地區的1,700多家工具機廠商參展，其中外國展商874家，展出面積約占50%左右。其中，捷克、法國、德國、印度、義大利、日本、西班牙、韓國、瑞士、英國、美國、臺灣和香港地區等12個國家的工具機協會和貿促機構組團於各自展區展示其技術及產品。
 

資料來源：CIMT官網
圖1 CIMT 2019展場分布圖
 

二、中國工具機相關技術發展趨勢
 

根據Gardner Research的報告顯示，中國不論是產值還是消費值都占全球市場3成的比重，但就工具機整體產業競爭來說，和傳統的工具機強國還是存在明顯差距，中國國內專家皆以「產業大而不強、品種多而不精、發展快而不優」的形容詞去描述目前中國的工具機產業。因此，在國家長期科學與技術發展規劃綱要中，特別針對工具機產業訂定了「高檔數控機床與基礎製造裝備」的重大科技專項(以下簡稱04專項)，希望針對航太、船舶、汽車及能源產業所需之工具機進行自主研發及製造，降低對外國設備的依賴。本次展會不論是工具機整機、零組件甚至物聯網等應用都可以看到中國正在積極掌握主導權。
 

(一)透過關鍵零組件自製，達成整機國產目標
 

1、濟南二機床集團國產五軸機台
 

濟南二機床集團在04專項中的成果包含高速龍門五軸聯動加工中心、雙擺角數控萬能銑頭。其中，雙擺角數控萬能銑頭涵蓋了五軸聯動數控機床的電主軸式、機械主軸式和力矩電機直驅式三種結構形式，分別用以實現高速高精切削或高效重型切削，可以滿足不同行業的各種工藝需求。而高速龍門五軸聯動加工中心，則是應用國產五軸聯動數控系統、自產雙擺角萬能銑頭及國產高速滾珠導螺桿等關鍵零組件達成整機國產的目標，累積銷售數量接近100台。
 

資料來源：工研院產科國際所(CIMT 2019)
圖2 濟南二機床集團展出四種雙擺角主軸頭
 

2、滾珠導螺桿及其製造裝備自主化
 

在科技重大專項成果專區中，南京工藝裝備製造研製了龍門加工中心專用的高速精密滾珠導螺桿、立式加工中心及斜床身數控車床使用的滾珠導螺桿，精密等級可達到中品級水準。山東博特精工針對高速高精度需求研發了KD系列產品，多數精度等級為P2，部分可達P1，快移速度也到64 m/min，噪音也小於72分貝，能滿足高速立臥式加工中心、五軸加工中心的需求；針對高載重的需求也推出額定淨載重可達286噸的CT重載滾珠導螺桿產品。
 

展會中針對滾珠導螺桿生產設備著墨較多的就是秦川工具機集團中的漢江機床，如下圖所示，SK7420×750GX高精高效數控螺桿磨床：採用螺紋磨床專用運動控制系统，控制四軸三連動，最大可磨直徑200mm，可磨螺紋螺距0.25～24mm，研磨滾珠導螺桿號稱可達P1級精度。SKR7612A内螺紋磨削中心主要用於螺母的精密磨削加工，一次裝夾工件後即可加工螺母外圓、端面及内螺紋的精密磨削加工，最大工件安裝長度125 mm，最大工件内螺紋磨削直徑為16 mm至60 mm、外圓直徑120 mm，搭配自動化周邊可大量生產滾珠導螺桿之零件加以組裝，相關成品也展出於零組件展區。
 

資料來源：工研院產科國際所整理(CIMT 2019)
圖3 漢江機床於CIMT展出滾珠導螺桿製造設備及成品
 

3、國產控制系統智能化程度提升
 

CIMT展中，華中數控的展示重點包括iNC智能數控系統和智慧工具機iNC-MT。運用感知層所蒐集來的數據利用人工智慧技術進行關聯分析和深度學習，達成智能工具機和零件加工的理論建模和模擬分析結果，透過輪廓誤差預測與補償形成智能工具機的優化控制策略和控制知識，自動積累經驗並將加工路徑最佳化。另外iNC Cloud數控雲管家展區也針對控制器及控制系統廠商、控制器用戶打造網絡化服務平台。
 

資料來源：工研院產科國際所(CIMT 2019)
圖4 華中數控展出搭載AI晶片的智慧數控系統
 

另外由科德數控、華中數控及華中科技大學在「數控機床互連通訊協議標準與試驗驗證」的項目成果NC-Link也展示在展場的專項發展成果中。
 

(二) 挾市場以令諸侯
 

中國以其龐大的市場作為後盾，讓國外廠商以合資或是當地設廠的方式生產工具機以因應國內的需求，或是以併購方式將海外廠商的技術和市場併為己用。「X國設計，本國製造」的標籤在展場中屢見不鮮。因此對於中國工具機的技術發展來說，除了觀察國產工具機及零組件的發展之外，也要同時留意這些在中國生產的國外工具機廠商在中國的策略布局。
 

1、德國EMAG
 

EMAG集團是倒立式車床的發明者，從2004年開始在中國投資設廠，目前太倉、江蘇、重慶都有分公司，其中太倉分公司以製造為主，而重慶和太倉本公司以技術服務為主，以9大核心工藝來提供整體解決方案，展會中以車床為主軸，提供客戶高效加工解決方案。
 

資料來源：工研院產科國際所(CIMT 2019)
圖5 EMAG展出多種車床應用於軸、盤類加工的產品
 

2、北ㄧ大隈
 

北一大隈（北京）機床有限公司是2003年由中國北一數控機床有限公司和日本大隈株式會社共同投資建設的數控機床生產基地，生產和銷售以日本大隈提供的技術的機床。主要產品有數控車床、立式加工中心、臥式加工中心。本次展出的MXR-460-e立式加工中心適合汽車、模具、動力機械等產業，主軸轉速為8,000 rpm，X、Y、Z快速進給為36及30 m/min，精度可達0.004 mm，重複定位精度為0.0015 mm。
 

中國獨資的北一機床也在本次展覽推出加減法複合工具機XKR40-Hybrid，利用五軸切削搭配雷射積層(包含CAM和量測技術)，完成複雜空間曲面的製造與修復。
 

資料來源：工研院產科國際所(CIMT 2019)
圖6 北一機床集團展出之立式加工中心 (左)北一機床 (右)北一大隈
 

三、智慧製造技術在工具機產業的應用
 

未來製造業的轉型已經勢不可擋，針對目前技術發展還在試水溫的一些新興智慧製造技術，包含關鍵零組件的感測、數位雙胞胎、AI製程改善和預防保養等技術在北京也有相關產品或應用展出。
 

(一)數位模擬加工
 

在不使用生產加工時間的情況下，運用數位化模擬大幅度加快加工參數最佳化速度，可為工件的加工程式設計提供更多保證和控制可能性，並提早在生產前發現程式中的任何錯誤，確實預防碰撞。這些相關的應用在展會中以控制器廠商和CAD/CAM廠商展出較多，而工具機的標竿廠商也有專區進行展示，如下圖所示。
 

資料來源：工研院產科國際所整理(CIMT 2019)
圖7 工具機整機廠商運用數位模擬加工進行規劃和同步模擬
 

(二)AI應用於工具機提高價值
 

人工智慧(Artificial Intelligence，AI)，是指以人工方式來實現人類所具有之智慧的技術。類別包含自然語言處理與語音辦識、影像處理、專家系統，而背後支持其應用的演算法包含深度學習、類神經網絡、決策樹、支持向量機、貝葉斯法、強化學習、蟻群演算法等。AI應用於工具機產業主要為製程(參數與程序)最佳化，設備運作保證(健康診斷、預測維護)。
 

控制器大廠FANUC除了應用AI監控機器手臂的減速機和工具機主軸（Robodrill）的狀態來達成預防保養之外，也在嘗試用人工智慧優化加工時的參數。例如工具機常常遇到的熱變位導致加工品質不佳的問題，已經可以利用機械學習去決定熱變化量的計算式並自動補償位移量確保加工精度。FANUC於2017年11月發布首台線切割放電加工機ROBOCUT應用AI熱變位補償功能之後，第二台應用該智慧製造技術的ROBODRILL也於2018年3月發布，與原有設備相比，加工精度提高了約40%。
 

AI伺服控制則是可以抑制加速度變化時的震動，提升加工精度，並且以機器學習可針對個別工具機進行加工參數優化，如下圖所示。
 

資料來源：工研院 產科國際所(CIMT 2019)
圖8 控制器大廠FANUC的AI伺服調整功能簡介
 

四、結論
 

本屆展會的主題是“融合共贏 智造未來”，代表未來製造業的發展趨勢會需要和資訊技術深度融合。隨著大數據、人工智慧、區塊鏈等數位技術的日漸成熟，產業競爭的戰場將由原先專注於生產擴散至各種層面，包含產品設計、製程改善、顧問服務等。
 

目前針對主要應用產業，中國扶植國產工具機與零組件廠商不遺餘力。由於有強大的內需市場練兵，展會中之國產品牌發展迅速，另外中國以國產控制系統建構通訊標準，也是展現未來多元產業資訊互通時所需要的基底。
 

人工智慧和先進製造技術深度融合的發展趨勢，已成為全球製造業的共識。雖然中國國際工具機展在國際展會的定位並不屬於展示全球創新技術或產品的展覽，但是多數具規模的國際廠商也有展出相關智慧製造科技。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)