COM Express 模組讓 CNC 設備能夠因應未來需求

August 21, 2017 Kenton Williston

電腦數位控制 (CNC) 機器與安裝在相對乾淨的控溫環境中的運算系統不同,CNC 機器暴露於充滿震動、高溫、灰塵、液體和電壓波動的嚴苛環境中, 很容易導致電子系統故障。

由於重工具機成本高昂、使用年限較長,因此業者傾向更換電子零件,而非整套機器。

其中一個方式是針對在嚴苛環境中作業的 CNC 機器,開發出配備現代處理器技術的客製化主機板。 數量不到 5 千片的客製化基板讓設計成本相對高昂,使業者難以接受。

替代方案則是改用可升級軟硬體的模組化嵌入式運算技術, 但若要獲得強大的價值鏈體系支援並避免被特定廠商綁定,設計師必須仔細選擇。

長壽的製造設備所帶來的挑戰

CNC 機器是電腦控制的製造設備, 例如車床、磨粉機、刨槽機與研磨機。

雖然 CNC 機械在工業環境中相當常見,但是這種機器的單位數量仍然相對稀少。 由於 CNC 機器的使用壽命經常在十年以上,作為設計基礎的晶片組一旦被淘汰,這些機器本身很快也會變成過時的系統, 而在市場需求變化時大幅降低機器的有效性。 這就是模組化方案大顯身手之處:這個方案包含了嵌入式運算技術,能在晶片組與需求有變動時進行抽換。

模組設計不僅能與時俱進, 還能讓機器更容易接納新零件(製造工具常以新零件來替代損壞的零件)。

雖然任何模組運算平台理論上都能提供 CNC 機器所需的升級能力,也能提供能因應未來需求的處理器藍圖,但業者必須特別注意被特定廠商綁定而導致的人為價格灌水問題。 因此 CNC 設備業者可改用 PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) 的模組電腦 (COM) 標準:COM Express。

COM Express:消弭 CNC 機器中新、舊、毀損設備的隔閡

COM Express 是十幾年前以 Intel® 架構 (IA) 為中心的開放式標準。 使用這套標準的客戶不會被特定的主機板廠商綁定,在出現升級需求時可以從大量的產業專業技術中進行選擇。

COM Express 規格定義了一系列的工業級處理器模組。這些模組可插到基板(也稱為「載板」)以滿足特定應用的獨特 I/O 需求。IEI 威強電工業電腦生產的 ICE-ULT3-C-R10 模組就是一個很好的例子(圖 1)。 這個 Type 6 模組搭載 Intel® Celeron® 處理器 3955U,此處理器是全新高效能產品 Skylake 系列的一員。

圖 1. ICE-ULT3-C-R10 搭載最新的 Intel® Celeron® 處理器。 (來源:IEI 威強電工業電腦)

COM Express 載板(與 COM Express 模組不同)包含 COM Express 處理器模組連接 CNC 機器所需的所有連接器。 這代表即使是出廠多年的載板,其對應的 COM Express 模組仍可視需求與技術發展狀況進行更換和升級。

COM Express 模組背後的價值鏈體系能提供升級的保證,並確保未來的模組能連接原始載板。 這表示零件一旦被淘汰,業者不需要放棄 CNC 設計或重新設計整套運算系統,只需以新改良過的 COM Express 模組更換即可。

與客製化設計不同,COM Express 基板的擴充性使其能以較低的成本實現所有優點。

符合(附加的)工業標準,提供最高可靠性

IEI 威強電工業電腦等原始設備製造商 (OEM) 使用 COM Express 技術,並採取若干步驟以確保 CNC 客戶的系統能在各種艱困的製造環境中正常作業, 快速更換零件、縮短中斷生產的時間、降低更換成本。

例如為保護 COM Express 模組不受侵入 CNC 機器的灰塵與塵垢損壞,威強電開發出添加保護塗層的程序,確保元件能長久使用。 此外,基板經過特殊設計可因應 CNC 製程固有的震動問題,其中包括避免使用跳線器的技術。 更依據 IEC 60068-2-6: 2007 測試模組的震動容忍度。

為了在充滿電子訊號的工業環境中降低電磁干擾 (EMI),威強電在開發整合式 COM Express 解決方案的電纜佈線設計時特別重視這個問題, 例如處理接地問題與依據 EN 55022 Class B,IEC 61000-4 標準進行電磁相容性 (EMC) 測試。

雖然這些程序能協助延長 CNC 機器的使用壽命,但是威強電仍建議客戶保留維修/替換的零件與材料,以迅速修復系統故障,減少成本高昂的停機時間。

為維持 CNC 機器的最高可靠性,威強電還採取了另一項額外措施,也就是採用能在嚴苛的製造環境中發揮優異效能的 Intel Atom® 處理器。 提供低功耗與長達 15 年支援的 Intel Atom® 系統單晶片 (SoC) 產品線與 COM Express 技術搭配使用,能充分滿足 CNC 機器在外型、適用性及功能性上從現在到未來的需求。

Intel Atom® 處理器延長產品使用年限

最終使用者的需求與可用的技術因時而異, 若要跟上最新的技術發展,最保險的方式就是採用 COM Express 等行之有年的模組化規格。 業者若使用符合工業標準、耐用的基板,就能確保機器能在 CNC 環境中正常作業,未來還能取得更換或升級零件。

作者簡介

Kenton Williston

Kenton Williston is the Editor-in-Chief of insight.tech and served as the editor of its predecessor publication, the Embedded Innovator magazine. Kenton received his B.S. in Electrical Engineering in 2000 and has been writing about embedded computing and IoT ever since.

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