يُجبر بناء محركات ومراحل الحركة من الصفر المصممين على طلب مئات القطع وجردها وتجميعها. كما يُطيل هذا الأمر وقت طرحها في السوق ويتطلب فنيين ومعدات إنتاج متخصصة. البديل هو طلب أجهزة حركة مُصممة مسبقًا.

غالبًا ما تكون المراحل والمحركات مجرد عناصر في قائمة مواد الآلة. فإذا وفرت القوة والحمولة والموضع والسرعة المناسبة، فلن يحتاج مصنعو الآلات إلى إضاعة الوقت في الاهتمام بها. ولكن يمكن للشركات تحسين آلاتها باستخدام المراحل والمحركات المُصممة مسبقًا.

عادةً ما تكون تكلفة المراحل المُصممة مسبقًا، مثل مُشغل ServoBelt الخطي، أقل بنسبة 25% إلى 50% من نظيراتها القائمة على المكونات، وذلك بفضل انخفاض عدد القطع، وخاصةً الأقواس والموصلات. كما أنها تُقلل التكاليف المتعلقة بالتصميم وصيانة المخزون.
تتناسب أنظمة الحركة الفرعية المُهندسة مسبقًا بشكل صحيح مع مساحة مادية محددة، وترتبط بعناصر تحكم الآلة. وعادةً ما تتلقى الأوامر من واجهة حاسوبية عالية المستوى، أو بطاقة تحكم، أو وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC). تتكون أبسط الأنظمة المُهندسة مسبقًا من مُشغل وموصلات فقط. أما المراحل المُهندسة مسبقًا المُعقدة، فتُضيف عناصر تحكم، وحتى مُنفذات طرفية، لتحريك الحمولات.

غالبًا ما تتفوق المراحل المُصممة مسبقًا على الأنظمة المُصنّعة بمكوناتها نظرًا لتخصيصها. في المقابل، يفتقر العديد من مُصنّعي الآلات إلى الفنيين المهرة، والتجهيزات، وأجهزة قياس التداخل بالليزر، وغيرها من المعدات اللازمة لمحاذاة المراحل (والتي غالبًا ما تكون تفاوتات محاذاة المحاور فيها مُقاسة بالميكرون).

تُملي استراتيجية التحكم بعض جوانب التصميم، لذا لا تتبع المراحل المُصممة مسبقًا قواعد التصميم التقليدية دائمًا. خذ في الاعتبار عدم تطابق القصور الذاتي. القاعدة العامة هي الحفاظ على نسبة قصور الحمولة إلى قصور المحرك أقل من 20:1 لتجنب المشاكل عند استخدام إعدادات الكسب المسبقة لمجموعات المُضخّمات والمحركات المُجهزة مسبقًا. لكن العديد من المراحل المُصممة مسبقًا تصل نسبها إلى 200:1 (أو حتى 4500:1 على الطاولات الدوارة، على سبيل المثال) ولا تزال تُجري حركات دقيقة دون تجاوز. هنا، يُغيّر المُصنّع مكاسب ضبط المرحلة ديناميكيًا ويُثبتها من خلال الاختبارات الفيزيائية. هذا يُتيح للمحركات الأصغر أداءً جيدًا.

تُستخدم المراحل الدوارة، مثل هذه، عادةً لتحديد المواقع، ولكنها مناسبة أيضًا لآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC). الآلات التي تستخدم المراحل المُصممة مسبقًا هي أشباه الموصلات المُدمجة، وآلات الحفر الرطب، والقطع بالليزر، والتغليف، وأتمتة المختبرات.
تتميز المراحل الهندسية المسبقة بالموثوقية أيضًا. عند تشغيل أنظمة حركة جديدة، قد تتعطل بعض المكونات الصغيرة ظاهريًا. على سبيل المثال، قد يؤدي عطل في الموصل إلى تعطل آلة كاملة. يتم تجميع المراحل الهندسية المسبقة واختبارها قبل تركيبها في الآلات لتجنب حدوث ذلك.

مثال: الحركة الخطية
لنفترض تطبيقًا يقوم فيه محرك خطي بحركتين مختلفتين. إحداهما حركة طويلة بسرعة 400 مم/ثانية، والأخرى حركة عالية السرعة مقدارها 13 مم، ويجب أن تستقر على بُعد 10 ميكرومتر من موضع الهدف خلال 150 مللي ثانية. كتلة الحركة 38 كجم، بدقة ثنائية الاتجاه للهدف ±5 ميكرومتر، بناءً على تغذية راجعة من مُرمِّز خطي بصري بدقة 1 ميكرومتر.

مراحل XY الكروية اللولبية التقليدية ليست دقيقة بما يكفي إلا إذا اختار المُصنِّع إصدارات باهظة الثمن خالية من رد الفعل العكسي. تُعدّ المحركات الخطية خيارًا آخر، ولكنها ستكون كبيرة ومكلفة في هذا التطبيق، حيث إن ملف محرك طويل فقط هو الذي يلبي متطلبات قوة مستمرة تبلغ 300 نيوتن. كما أن الملف الطويل يتطلب تغييرات جذرية في التصميم العام، مما يجعله أغلى بنسبة 50% من الخيارات الأخرى.

هذه المرحلة متعددة المحاور، المُصممة مسبقًا والمبنية على مشغلات سيرفوبيلت الخطية، تُختبر قبل إضافتها إلى آلة تصنيع أشباه الموصلات. تتميز هذه المرحلة بعدم وجود أي ارتداد عكسي، ما يُمكّن المصمم من ضبط عناصر التحكم وفقًا للمتطلبات الديناميكية. وهذا مفيد لأن الطريقة الوحيدة لإجراء حركات مؤشر سريعة في هذه الآلة هي إغلاق عمليات سيرفوبيل باستخدام المُشفّر الخطي، والذي يتطلب خط نقل حركة خالٍ من أي ارتداد عكسي من المحرك إلى الحمولة.
في المقابل، يُعدّ المسرح المُصمّم مسبقًا والمُعتمد على محركات تعمل بالسير مُجديًا من حيث التكلفة. فهو لا يحتاج إلى تحكم ثنائي الحلقة، إذ يُمكنه الاعتماد على التحكم أحادي الحلقة باستخدام المُشفّر الخطي فقط. كما يتميز المحرك بتخميد ميكانيكي عالي بطبيعته، مما يُتيح لأدوات التحكم تحقيق مكاسب ضبط عالية (تصل إلى أربعة أضعاف مكاسب السرعة والمكاسب الموضعية) لفترات استقرار قصيرة. في المقابل، يجب أن تُحاكي المحركات الخطية التخميد في إلكترونيات مُضخّم السيرفو، مما يُقلّل من المكاسب الموضعية المُحتملة.

مثال: الحركة الدورانية
لنأخذ تطبيقًا آخر، وهو آلة تفريز سطح المكتب ثلاثية المحاور ذات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC). عادةً ما تستخدم هذه الآلات أنظمة حركة خطية لتحديد موضع أداة القطع. في المقابل، تجمع المرحلة المُصممة مسبقًا بين الوضع الدوراني والخطي. هنا، يحمل جهازان دواران يعملان بسير أحمالًا على محامل دوارة كبيرة القطر، ويواجهان بعضهما البعض. يحمل أحدهما مغزلًا هوائيًا بسرعة 150,000 دورة في الدقيقة. يحمل الآخر قطعة العمل ويدورها بزاوية 180 درجة، بحيث تصل أداة القطع إلى أي نقطة على سطحها بحجم 40 × 40 × 40 مم.

تستخدم آلة الطحن CNC هذه مرحلةً مُصممةً مسبقًا، وهي ليست أكثر تعقيدًا مما ينبغي. يتطلب التطبيق تشطيبًا سطحيًا جيدًا بدلًا من دقة تحديد المواقع، لذا فهي تتخلى عن المُشفرات وتعمل بنظام الحلقة المفتوحة (مما قد يوفر آلاف الدولارات لكل آلة).
يُشغّل مُشغّل خطي يعمل بالبراغي المحور الخطي، ولكنه يسمح للجهاز الدوار المزود برؤوس القطع بالتحرك محوريًا بالنسبة للجهاز الذي يحمل قطعة العمل. تتحرك الأجهزة الثلاثة بتزامن. يتولى المحور الخطي تحديد موضع المحور Z، ويُوجِّه أداة القطع إلى سطح قطعة العمل.

يتميز التصميم الدوار بالصلابة، مما يُمكّنه من تلبية متطلبات التشغيل. يُقلل خيار التزييت طويل الأمد من احتمالية التلوث، وتمتد المؤثرات في كلا المرحلتين الدوارتين عبر أختام دوارة بسيطة في جدار حجرة القطع. تحمي هذه الأختام الأجزاء الداخلية من سوائل القطع وغبار السيراميك المتطاير. في المقابل، تتطلب مراحل XYZ منفاخًا ضخمًا وأغطيةً من جلد الأرماديلو.

يعتمد تحديد موضع أداة القطع وقطعة العمل الدوراني على إحداثيات قطبية، وليس إحداثيات ديكارتية (كما هو معتاد في أنظمة التحكم الرقمي بالحاسوب). تستقبل وحدة التحكم أوامر XYZ G-code وتحولها إلى إحداثيات قطبية آنيًا. ما الفائدة؟ الحركة الدورانية أفضل من الحركة الخطية في الحصول على أسطح ناعمة، لأن حتى أفضل المحامل الخطية والبراغي الكروية تُصدر صوت "هدير" أثناء دوران الكرات داخل وخارج حالة التحميل. يتردد هذا الصوت عبر نظام الحركة، وقد يظهر على القطع كتغيرات دورية في جودة السطح.