近年來工具機技術越來越成熟，在加工應用的層面也變得多元。尤其近幾年針對高精度的加工應用有很大的需求，因此加工過程中的監控系統顯得格外重要。過去常使用商用動力計來量測加工過程中的切削力，但是經常受到價格和空間的限制。為了解決這個問題有許多學者開始自製切削力感測器，這些研究不外乎是根據壓阻材料、壓電材料以及電容式換能器的原理製作。然上述提及之文獻大多僅提出一模型，很少提及對於感測元件和電路的集成。因此本研究提出一解決方案，使用聚偏二氟乙烯薄膜作為感測元件且在不破壞刀具結構的狀態下嵌入導線以及製作一印刷電路板解決感測器走線的問題，達成在加工過程中量測切削力之目的。由於PVDF具有尺寸微小、韌性佳且頻帶寬的優勢，因此非常適合用來量測切削時的動態訊號，惟用於量測靜態響應時須使用後端電路進行補償，因此是一非常適宜的材料。
本研究先透過有限元素模擬分析在現有的商用車刀架上安裝壓電感測元件的最佳位置，接著安裝PVDF壓電薄膜後，透過訂製的壓板螺絲填入金屬埋線作為傳輸用之導線，並分別將車削刀具之刀片和墊片做為壓電薄膜的上、下電極，解決過去使用現成感測元件時電線裸露之問題。如此能免除改變刀把結構的疑慮，同時訊號較不受環境干擾，能提高訊號完整度(signal integrity)增加訊雜比。
透過頻譜響應可以發現，本研究使用之壓電感測薄膜之頻率可範圍高達10kHz，足以量測車床之動態切削力。除此之外，透過實際加工實驗也可以發現當改變切削參數時，由於壓電感測薄膜會產生不同數量的電荷因此透過電荷放大器後可以得到不一樣的輸出電壓，惟此輸出電壓需透過其他校正方式轉換為切削力訊號。本研究則使用荷重元與壓電感測器對壓得到輸出電壓與力的關係，再進一步利用此關係式得到加工時的即時切削力。
本研究簡述了一種新穎的集成方式，使用壓電薄膜來測量車刀在加工過程中的切削力。且本研究設計之印刷電路板除了可以讓訊號更為完整也有助於提升在工業製造中的實用性。未來期望將藍芽模組後端電路和感測結構整合，使其能夠進行即時的切削力量測以及透過無線傳輸。

面臨工業4.0這波浪潮的推移，智慧化一詞成為各產業間追求的目標，工具機產業也逐漸重視如何智慧化加工。近年來工具機產業不斷得進步，加工精度的要求不斷的上升，如何準確監控切削狀況便是首要議題，由於感測器的發達以及近年機器學習的火紅，開發出搭配上述兩者的工具機監控手法，以訓練大量數據建立模型為利器，達到監控切削狀態的目標。在刀具磨耗監控的部分，近年已開發利用動力計、加速度計、音洩感測器、麥克風與量測馬達電流等各式感測器與方法，配合決策樹、神經網絡與線性回歸等機器學習的模型，能夠監控刀具狀況甚至刀具磨耗，確保切削品質在容許的範圍之內，使得製造上維持相當穩定精度。針對客製化單品製造，加工過程的精確度要求甚高，對於切削瞬間的刀具狀況與刀尖位置控制相當嚴格，若透過相關感測器與機器學習模型監控切削當下的刀具狀態，此方法的即時性無法滿足客製化單品製造的需求。
為了在切削瞬間甚至在切削前得知刀具狀態，數位雙生(Digital Twin)容納了各特徵模組，包含切削力模組、刀具磨耗模組、溫度模組與切削動態模組等，能在切削前模擬出切削過程中的各個重要特徵，達到在切削前預測刀具狀況的目標，進一步隨時間補償刀尖位置與修改切削參數等，使切削精度與品質保持在佳的狀態。
本研究針對刀具磨耗預測與磨耗之刀尖位置補償，建立數位雙生系統，輸入資料為路徑規劃、轉速、切深、刀具等切削參數來預測刀具磨耗，並掛載在VMX系統當中，透過VMX來與控制器溝通，進行刀尖的補償。另外希望透過感測器的輔助，來修正數位雙生模型的不準確，建立虛實互補、虛實共生的工具機補償系統。

隨著產業對零組件之準確度的要求與日俱增，精密的零件製造技術和機器已然成為製造業必須的要求，而這必須仰賴高精度的CNC工具機。在加工過程中，振動是影響表面粗糙度以及刀具壽命的一個重要因素，因此工具機中如何監控並儘量減小振動程度便是必須重視的議題。本研究以東台VP-6三軸立式铣床作為實驗機台，切削工件材料為Al6061，並選擇搭配不同切削參數進行Y軸方向槽铣，實驗設計之切削參數包含主軸轉速5000、6500、8000 RPM；進給速率200、320 mm/min；切削深度1、2、3 mm。另外於切削實驗中使用三軸加速度計(KS943B.100, MMF; Manitoba, Canada)與超聲波麥克風(M500-384, Pettersson Elektronik; Uppsala, Sweden)收集切削過程中產生之震動與聲音訊號，並使用手持式表面輪廓儀(MarSurf PS 10, Mahr; Göttingen, Germany)收集工件槽铣過後槽底之表面粗糙度，分析震動與聲音訊號與表面粗糙度之關係。由本次實驗結果發現當主軸轉速越高時，工件表面粗糙度有下降的趨勢；而進給速率提高時，工件表面粗糙度有上升的趨勢；切削深度則沒有觀察到明顯之關係。另外觀察收集到之聲音訊號，可以發現主軸空轉時會發出頻率7000 Hz之聲音，當在切深1 mm、進給速率200 mm/min、三種轉速條件下開始切削時，皆會發出頻率20000 Hz之強度最強的超聲波。而於5000 RPM之轉速條件下，會發出頻率65000 Hz之強度次強的超聲波；於6500 RPM之轉速條件下，會發出頻率44000 Hz之強度次強的超聲波；於8000 RPM之轉速條件下，會發出頻率44000 Hz之強度次強的超聲波。