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。