Der Aufbau von Bewegungsaktuatoren und Bühnen von Grund auf zwingt Konstrukteure dazu, Hunderte von Teilen zu bestellen, zu lagern und zusammenzubauen. Außerdem verlängert sich die Zeit bis zur Markteinführung und es sind Techniker und spezielle Produktionsanlagen erforderlich. Eine Alternative besteht darin, vorgefertigte Bewegungsgeräte zu bestellen.

Tische und Aktuatoren sind oft nur Elemente auf der Stückliste einer Maschine. Wenn sie die richtige Kraft, Nutzlast, Positionierung und Geschwindigkeit liefern, müssen Maschinenbauer keine Zeit damit verschwenden, sie besonders zu berücksichtigen. Aber Unternehmen können ihre Maschinen tatsächlich verbessern, indem sie vorgefertigte Bühnen und Aktuatoren verwenden.

Vorgefertigte Tische wie dieser ServoBelt-Linearaktuator kosten in der Regel 25 bis 50 % weniger als ihre komponentenbasierten Gegenstücke, dank der geringeren Anzahl von Teilen, insbesondere von Halterungen und Anschlüssen. Sie senken auch die Kosten für Design und Lagerhaltung.
Korrekt vorgefertigte Bewegungssubsysteme passen in einen definierten physischen Raum und sind in die Steuerungen der Maschine eingebunden. Sie akzeptieren normalerweise Befehle von einer Computerschnittstelle der obersten Ebene, einer Steuerkarte oder einer SPS. Die einfachsten vorgefertigten Systeme bestehen aus kaum mehr als einem Aktuator und Anschlüssen. Komplexe vorgefertigte Bühnen fügen Steuerungen und sogar Endeffektoren zum Bewegen von Nutzlasten hinzu.

Vorgefertigte Stufen übertreffen oft aus Komponenten bestehende Systeme, weil sie individuell angepasst sind. Im Gegensatz dazu verfügen viele Maschinenbauer nicht über die qualifizierten Techniker, Vorrichtungen, Laserinterferometer und andere Geräte, um Tische auszurichten (bei denen häufig Ausrichtungstoleranzen von Achse zu Achse in Mikrometern gemessen werden).

Die Steuerungsstrategie bestimmt einen Teil des Designs, sodass vorgefertigte Stufen nicht immer den traditionellen Designregeln folgen. Berücksichtigen Sie die Nichtübereinstimmung der Trägheit. Eine typische Faustregel besteht darin, das Verhältnis von Nutzlastträgheit zu Motorträgheit unter 20:1 zu halten, um Probleme bei der Verwendung der Verstärkungsvoreinstellungen vorgefertigter Verstärker- und Motorkombinationen zu vermeiden. Aber viele vorgefertigte Tische haben Übersetzungsverhältnisse von bis zu 200:1 (oder beispielsweise sogar 4.500:1 bei Drehtischen) und führen dennoch präzise Bewegungen ohne Überschwingen aus. Dabei verändert der Hersteller die Abstimmverstärkungen der Stufe dynamisch und validiert sie durch physikalische Tests. Dadurch können kleinere Motoren die Arbeit erledigen.

Drehtische wie dieser werden typischerweise zur Positionierung eingesetzt, eignen sich aber auch für CNC-Maschinen. Zu den Maschinen, die am häufigsten vorgefertigte Stufen verwenden, gehören eingeschmolzene Halbleitermaschinen, Nassbankmaschinen, Laserschneidmaschinen, Verpackungsmaschinen und Laborautomatisierungsmaschinen.
Auch vorgefertigte Stufen sind zuverlässig. Bei der Inbetriebnahme neuer Bewegungssysteme kommt es vor, dass einzelne, scheinbar unbedeutende Komponenten nicht richtig zusammenarbeiten. Beispielsweise kann ein defekter Stecker eine ganze Maschine lahmlegen. Vorgefertigte Bühnen werden zusammengebaut und getestet, bevor sie in Maschinen eingebaut werden, damit das nicht passiert.

Beispiel: Lineare Bewegung
Stellen Sie sich eine Anwendung vor, bei der ein Linearantrieb zwei verschiedene Bewegungen ausführt. Bei der einen handelt es sich um einen langen Verfahrweg mit 400 mm/Sek. und bei der anderen um einen Hochgeschwindigkeits-Tippvorgang von 13 mm, der innerhalb von 150 mSek. auf 10 µm von der Zielposition abgeglichen werden muss. Die bewegte Masse beträgt 38 kg mit einer angestrebten bidirektionalen Genauigkeit von ±5 µm, basierend auf der Rückmeldung eines optischen 1-µm-Linearencoders.

Herkömmliche XY-Kugelumlaufspindeltische sind nicht präzise genug, es sei denn, der Hersteller wählt teure spielfreie Versionen. Linearmotoren sind eine weitere Option, wären für diese Anwendung jedoch groß und teuer, da nur eine lange Motorspule die Anforderung für eine Dauerkraft von 300 N erfüllen würde. Eine lange Spule würde außerdem weitreichende Änderungen am Gesamtdesign erfordern, wodurch sie 50 % teurer wäre als andere Optionen.

Dieser vorgefertigte mehrachsige Tisch auf Basis von ServoBelt-Linearaktuatoren wird getestet, bevor er in eine Halbleiterfertigungsmaschine eingebaut wird. Der Tisch hat kein Spiel, sodass der Designer die Steuerung an dynamische Anforderungen anpassen kann. Das ist hilfreich, denn die einzige Möglichkeit, schnelle Indexbewegungen in dieser Maschine durchzuführen, besteht darin, die Servoschleifen mithilfe des Linear-Encoders zu schließen, was einen spielfreien Antriebsstrang vom Motor zur Nutzlast erfordert.
Im Gegensatz dazu ist eine vorgefertigte Bühne mit Riemenantrieb kostengünstig. Es ist keine Dual-Loop-Steuerung erforderlich, da es mit einer Single-Loop-Steuerung auskommt, bei der nur der Linearencoder verwendet wird. Der Antrieb verfügt außerdem über eine inhärent hohe mechanische Dämpfung, die den Steuerungen hohe Abstimmungsverstärkungen (bis zum Vierfachen der Geschwindigkeits- und Positionsverstärkungen) für kurze Einschwingzeiten ermöglicht. Im Gegensatz dazu müssen Linearmotoren eine Dämpfung in der Servoverstärkerelektronik nachbilden, was die mögliche Positionsverstärkung reduziert.

Beispiel: Drehbewegung
Betrachten Sie eine andere Anwendung – eine dreiachsige CNC-Desktop-Fräsmaschine. Diese verwenden in der Regel Linearbewegungssysteme zur Positionierung des Schneidwerkzeugs. Im Gegensatz dazu kombiniert ein vorgefertigter Tisch rotierende und lineare Positionierung. Dabei tragen zwei riemengetriebene Drehvorrichtungen Lasten auf Drehlagern mit großem Durchmesser und stehen sich gegenüber. Einer trägt eine luftbetriebene Spindel mit 150.000 U/min. Der andere hält das Werkstück und dreht es um 180°, sodass das Schneidwerkzeug jeden Punkt auf der Werkstückoberfläche in einem 40 × 40 × 40 mm großen Volumen erreichen kann.

Diese CNC-Fräsmaschine verwendet eine vorgefertigte Bühne, die nicht komplexer ist als nötig. Für die Anwendung ist eine gute Oberflächengüte und nicht eine Positionierungsgenauigkeit erforderlich. Daher wird auf Encoder verzichtet und der Betrieb im offenen Regelkreis ausgeführt (was potenziell Tausende von Dollar pro Maschine einsparen kann).
Ein schraubenbetriebener Linearantrieb treibt die Linearachse an, ermöglicht jedoch eine axiale Verschiebung der Drehvorrichtung mit den Schneidköpfen relativ zu der das Werkstück haltenden Vorrichtung. Alle drei Geräte bewegen sich synchron. Die Linearachse übernimmt die Z-Achsen-Positionierung und bringt das Schneidwerkzeug an die Oberfläche des Werkstücks.

Das Rotationsdesign ist steif, was dazu beiträgt, dass das Design Bearbeitungstoleranzen einhält. Eine Option mit lebenslanger Schmierung verringert die Möglichkeit einer Kontamination, und die Effektoren auf beiden Drehtischen erstrecken sich durch einfache Drehdichtungen in einer Wand der Schneidkammer. Dichtungen schützen das Innenleben vor Schneidflüssigkeit und fliegendem Keramikstaub. Im Gegensatz dazu erfordern XYZ-Tische sperrige Bälge und Armadillo-Abdeckungen.

Die Drehpositionierung des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks erfolgt in Polarkoordinaten und nicht in kartesischen Koordinaten (wie es für CNC-Kinematiken typisch ist). Der Controller nimmt XYZ-G-Code-Befehle auf und wandelt sie in Echtzeit in Polarkoordinaten um. Der Vorteil? Für die Erzeugung glatter Oberflächen eignet sich eine Drehbewegung besser als eine lineare Bewegung, da selbst die besten Linearlager und Kugelumlaufspindeln „rumpeln“, wenn die Kugeln in einem belasteten Zustand hinein- und herauszirkulieren. Dieses Rumpeln hallt durch das Bewegungssystem wider und kann sich auf Teilen als periodische Schwankungen der Oberflächenqualität bemerkbar machen.