إن بناء مشغلات ومراحل الحركة من الصفر يجبر المصممين على طلب مئات الأجزاء وجردها وتجميعها. كما أنه يزيد من الوقت اللازم للتسويق ويتطلب فنيين ومعدات إنتاج متخصصة. والبديل هو طلب أجهزة الحركة سابقة الهندسة.

غالبًا ما تكون المراحل والمحركات مجرد عناصر في قائمة المواد الخاصة بالجهاز. إذا قاموا بتوفير القوة والحمولة وتحديد المواقع والسرعة المناسبة، فلن يحتاج صانعو الآلات إلى قضاء الوقت في منحهم المزيد من الاهتمام. ولكن يمكن للشركات في الواقع تحسين أجهزتها باستخدام المراحل والمحركات سابقة الهندسة.

تكلف المراحل التي تم تصميمها مسبقًا مثل المشغل الخطي ServoBelt هذا عادةً ما يقل بنسبة 25 إلى 50% عن نظيراتها القائمة على المكونات، وذلك بفضل انخفاض عدد الأجزاء، خاصة الأقواس والموصلات. كما أنها تخفض التكاليف المتعلقة بالتصميم وصيانة المخزون.
تتلاءم أنظمة الحركة الفرعية المُصممة مسبقًا بشكل صحيح مع مساحة مادية محددة وترتبط بعناصر التحكم في الماكينة. عادةً ما يقبلون الأوامر من واجهة كمبيوتر عالية المستوى أو بطاقة التحكم أو PLC. تتكون أبسط الأنظمة سابقة الهندسة من ما يزيد قليلاً عن مشغل وموصلات. تضيف المراحل المعقدة المُصممة مسبقًا عناصر تحكم وحتى مؤثرات نهائية لنقل الحمولات.

غالبًا ما تتفوق المراحل التي تم تصميمها مسبقًا على الأنظمة المبنية على المكونات لأنها مخصصة. في المقابل، لا يمتلك العديد من صانعي الآلات الفنيين المهرة، والتركيبات، ومقاييس التداخل الليزرية وغيرها من المعدات اللازمة لمحاذاة المراحل (والتي غالبًا ما يكون لها تفاوتات محاذاة من محور إلى محور تُقاس بالميكرونات).

تملي استراتيجية التحكم بعضًا من التصميم، لذا فإن المراحل المصممة مسبقًا لا تتبع دائمًا قواعد التصميم التقليدية. النظر في عدم تطابق الجمود. تتمثل القاعدة الأساسية النموذجية في الحفاظ على نسبة قصور الحمولة إلى القصور الذاتي للمحرك أقل من 20:1 لتجنب المشكلات عند استخدام إعدادات الكسب المسبقة لمكبر الصوت المعبأ مسبقًا ومجموعات المحركات. لكن العديد من المراحل التي تم تصميمها مسبقًا لها نسب تصل إلى 200:1 (أو حتى 4500:1 على الطاولات الدوارة، على سبيل المثال) ولا تزال تقوم بحركات دقيقة دون تجاوز. هنا، تقوم الشركة المصنعة بتغيير مكاسب ضبط المرحلة ديناميكيًا والتحقق من صحتها من خلال الاختبارات البدنية. وهذا يتيح للمحركات الصغيرة القيام بهذه المهمة.

عادةً ما يتم استخدام المراحل الدوارة مثل هذه لتحديد المواقع، ولكنها مناسبة أيضًا لآلات CNC. الآلات التي تستخدم المراحل سابقة الهندسة في أغلب الأحيان هي أشباه الموصلات المدمجة، والمقاعد الرطبة، والقطع بالليزر، والتعبئة، وأتمتة المختبرات.
كما أن المراحل المُصممة مسبقًا موثوقة أيضًا. عند تشغيل أنظمة حركة جديدة، تفشل المكونات الفردية التي تبدو بسيطة في العمل معًا بشكل صحيح. على سبيل المثال، قد يؤدي وجود موصل معيب إلى تعطل جهاز بأكمله. يتم تجميع المراحل سابقة الهندسة واختبارها قبل وضعها في الآلات حتى لا يحدث ذلك.

مثال: الحركة الخطية
فكر في تطبيق يقوم فيه محرك خطي بحركتين مختلفتين. أحدهما عبارة عن رحلة طويلة بسرعة 400 ملم/ثانية، والآخر عبارة عن هرول عالي السرعة يبلغ 13 ملم ويجب أن يستقر في حدود 10 ميكرومتر من موضع الهدف في 150 ميللي ثانية. تبلغ الكتلة المتحركة 38 كجم مع دقة ثنائية الاتجاه مستهدفة تبلغ ±5 ميكرومتر بناءً على التغذية المرتدة من جهاز تشفير خطي بصري 1 ميكرومتر.

المراحل التقليدية للكرة اللولبية XY ليست دقيقة بدرجة كافية ما لم يقم المنشئ باختيار إصدارات باهظة الثمن بدون رد فعل عنيف. المحركات الخطية هي خيار آخر ولكن لهذا التطبيق سيكون كبيرًا ومكلفًا، حيث أن ملف المحرك الطويل فقط هو الذي يلبي متطلبات 300 نيوتن من القوة المستمرة. يتطلب الملف الطويل أيضًا إجراء تغييرات شاملة على التصميم العام، مما يجعله أكثر تكلفة بنسبة 50% من الخيارات الأخرى.

يتم اختبار هذه المرحلة متعددة المحاور المُصممة مسبقًا والمعتمدة على المحركات الخطية ServoBelt قبل إضافتها إلى آلة تصنيع أشباه الموصلات. لا تحتوي المرحلة على أي رد فعل عكسي، لذلك يمكن للمصمم ضبط عناصر التحكم وفقًا للمتطلبات الديناميكية. وهذا مفيد لأن الطريقة الوحيدة لإجراء تحركات سريعة للمؤشر في هذه الآلة هي إغلاق حلقات المؤازرة باستخدام المشفر الخطي، الأمر الذي يتطلب مجموعة قيادة خالية من رد الفعل العكسي من المحرك إلى الحمولة.
وعلى النقيض من ذلك، فإن المرحلة التي تم تصميمها مسبقًا والتي تعتمد على محركات الأقراص المدفوعة بالحزام تعتبر فعالة من حيث التكلفة. لا يحتاج إلى تحكم مزدوج الحلقة لأنه يمكنه التحكم في حلقة واحدة باستخدام المشفر الخطي فقط. يتمتع محرك الأقراص أيضًا بتخميد ميكانيكي عالي بطبيعته، مما يتيح لعناصر التحكم الحصول على مكاسب ضبط عالية (إلى أربعة أضعاف السرعة والمكاسب الموضعية) لأوقات استقرار قصيرة. في المقابل، يجب على المحركات الخطية محاكاة التخميد في إلكترونيات المضخم المؤازر، مما يقلل من الكسب الموضعي المحتمل.

مثال: الحركة الدورانية
فكر في تطبيق آخر - آلة طحن سطح المكتب CNC ذات ثلاثة محاور. تستخدم هذه عادةً أنظمة الحركة الخطية لوضع أداة القطع. في المقابل، تجمع المرحلة المُصممة مسبقًا بين الوضع الدوار والوضع الخطي. هنا، يحمل جهازان دواران يعملان بالحزام الأحمال على محامل دوارة ذات قطر كبير ويواجهان بعضهما البعض. يحمل أحدهما مغزلًا يعمل بالهواء بسرعة 150.000 دورة في الدقيقة. والآخر يحمل قطعة الشغل ويدورها بزاوية 180 درجة بحيث يمكن لأداة القطع أن تصل إلى أي نقطة على سطح قطعة الشغل بحجم 40 × 40 × 40 مم.

تستخدم آلة الطحن CNC هذه مرحلة تم تصميمها مسبقًا وهي ليست أكثر تعقيدًا مما ينبغي. يحتاج التطبيق إلى تشطيب سطحي جيد بدلاً من الدقة في تحديد المواقع، لذلك يتخلى عن أجهزة التشفير ويدير حلقة مفتوحة (من المحتمل أن يوفر آلاف الدولارات لكل جهاز).
يقوم المحرك الخطي المثبت ببرغي بتشغيل المحور الخطي ولكنه يسمح للجهاز الدوار برؤوس القطع بالترجمة محوريًا بالنسبة للجهاز الذي يحمل قطعة العمل. تتحرك جميع الأجهزة الثلاثة بشكل متزامن. يتعامل المحور الخطي مع وضع المحور Z ويجلب أداة القطع إلى وجه قطعة العمل.

التصميم الدوار قوي، مما يساعد التصميم على تلبية تفاوتات التصنيع. يقلل خيار التشحيم مدى الحياة من احتمالية التلوث، وتمتد المؤثرات في كلتا المرحلتين الدوارتين من خلال أختام دوارة بسيطة في جدار غرفة القطع. تعمل الأختام على حماية الأعمال الداخلية من قطع السوائل وغبار السيراميك المتطاير. في المقابل، تتطلب مراحل XYZ منفاخًا ضخمًا وأغطية أرماديلو.

يستخدم الموضع الدوار لأداة القطع وقطعة العمل الإحداثيات القطبية، وليس الديكارتية (كما هو معتاد في حركيات CNC). تأخذ وحدة التحكم أوامر XYZ G-code وتحولها إلى إحداثيات قطبية في الوقت الفعلي. الفائدة؟ تعتبر الحركة الدوارة أفضل من الحركة الخطية لإنشاء تشطيبات سطحية ناعمة، لأنه حتى أفضل المحامل الخطية والبراغي الكروية "تقعقع" أثناء دوران الكرات داخل وخارج حالة التحميل. يتردد صدى هذا الدمدمة عبر نظام الحركة ويمكن أن يظهر على الأجزاء كتغيرات دورية في جودة السطح.