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。