对面向未来的 CNC 设备应用 COM Express 模块化标准

August 21, 2017 Kenton Williston

与在比较干净且温度可控的环境中使用的大多数计算系统不同,计算机数控 (CNC) 机器会受到振动、热量、灰尘、液体和电力波动的影响。 如此具有挑战性的环境会导致电子系统出现故障。

鉴于重型机床的费用和典型使用寿命,人们有强烈的动机要求更换电子器件而非整个机器。

一种办法是研发搭载有现代处理器技术、可让 CNC 机器在恶劣环境中运行的自定义主板。 但是,如果产量少于 5,000 台,设计这种自定义主板的费用会变得极不合理。

一种备选方案是转为采用模块化嵌入式计算技术,随时间推移升级硬件和软件。 但是,设计人员必须选择合适的模块技术,确保获得强大的生态系统支持,同时避免出现供应商锁定等问题。

生产时面临的使用寿命挑战

CNC 机器基本上都是由计算机控制的制造设备。 通常包括车床、铣床、刳刨机和研磨机。

虽然 CNC 机器在工业环境中应用相当普遍,但此类机器的产量仍相对较低。 由于 CNC 机器的使用寿命通常达十年甚至更久,因此在根据其设计机器的芯片组变得过时时,机器自身很快也会变成旧系统。 市场需要发展,而这会限制机器的效用。 因此,需要一种既包含嵌入式计算,又具有可交换芯片组还可满足发展需要的模块化方案。

模块化设计总有一天也会被淘汰。 此设计便于机器轻松更换损坏部件,而对于制造工具来说,部件受损这种情况经常出现。

虽然任意模块化计算平台均可从理论上提供 CNC 机器需要的升级能力和面向未来的处理器路线图,但制造商必须对供应商锁定问题保持警惕,以防价格被人为抬高。 CNC 设备操作员可以转为使用 PCI 工业计算机制造组织 (PICMG) 的模块计算机 (COM) 标准 COM Express 来防止出现这种情况。

COM Express:对 CNC 机器进行推陈出新、革故鼎新的改造

COM Express 是于 10 年前根据英特尔® 架构 (IA) 设计的一个开放标准。 通过使用此标准,在需要进行升级时,客户不会被某一主板供应商锁定,并且可以借助大量行业经验。

COM Express 规格定义了一系列工业级处理器模块,它们可插入基板(称为“载板”)中,可满足特定应用程序的独特 I/O 需求,例如 IEI Integration Corp. 的 ICE-ULT3-C-R10 模块(图 1)。 这种 Type 6 模块采用英特尔® 赛扬® 处理器 3955U,它是新的高性能产品系列的一部分(之前称为 Skylake)。

图 1. ICE-ULT3-C-R10 采用最新的英特尔® 赛扬® 处理器。 (来源:IEI Integration Corp.)

COM Express 载板(切勿与 COM Express 模块混淆)包含 COM Express 处理器模块与 CNC 机器交互所需的所有连接器。 实际上,这意味着载板可以生产多年,并且在受技术限制以及需要时可以对其相对应的 COM Express 模块进行更换和升级。

COM Express 模块背后的生态系统既保证提供升级,又保证未来模块能够与原始载板交互。 这意味着在部件变得过时时,操作员只需替换上新的改良 COM Express 模块即可,无需废弃 CNC 设计抑或是重新设计整个计算系统。

与自定义设计不同的是,由于 COM Express 主板存在伸缩的可能性,因此所有这些优势均能够以较低的价格实现。

遵守(更多)行业标准,最大限度地提高可靠性

通过使用 COM Express 技术,IEI Integration Corp. 等原始设备制造商 (OEM) 会借助几个步骤来确保 CNC 客户的系统一直能够经受住在恶劣制造环境中运行所面临的挑战。 更换速度要快,以最大限度地减少生产中断和降低更换成本。

例如,为了防止有时进入 CNC 机器中的灰尘和污垢进入 COM Express 模块,IEI 采取了涂抹防护涂层的措施来确保延长组件的使用寿命。 此外,主板经过特殊设计,可以应对 CNC 过程中固有的振动,包括避免使用跳线之类的技术。 模块振动容限经测试符合 IEC 60068-2-6:2007 标准。

为减少与充满电气噪声的工业环境关联的电磁干扰 (EMI) 问题,IEI 在针对集成 COM Express 解决方案进行电源线布线开发设计时也采取了特殊举措。 例如,公司注重接地问题和电磁兼容性 (EMC) 测试,产品符合 EN 55022 Class B IEC 61000-4 标准。

虽然这些举措可帮助延长 CNC 机器的使用寿命,但 IEI 仍建议客户维持备件/替换件和材料供应,以便能够迅速从可能发生的任何系统损坏中恢复,从而最大限度地减少昂贵的停机时间。

IEI 采取的一个额外措施是借助英特尔凌动® 处理器使 CNC 机器维持可行的最高级别的可靠性,此处理器的架构已经证实在要求苛刻的制造环境中表现优异。 搭载 COM Express 技术,再加上英特尔凌动® 片上系统 (SoC) 产品系列提供的低功耗和 15 年支持,从外形、适用性和功能上都完美贴合 CNC 机器的要求,客户可以依靠它来展望美好未来。

英特尔凌动® 处理器可延长产品使用寿命

随着时间推移,最终用户需求和先进技术都会发生变化。 跟上技术发展步伐的一个行之有效的办法是与已建立的模块化规格(如 COM Express)保持一致。 通过使用设计经过行业校准检验的加固板,制造商能够保证其机器可应对 CNC 环境侵扰,并且未来很容易获取替换件或升级件。

作者简介

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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