Construir escenarios y actuadores de movimiento desde cero obliga a los diseñadores a realizar pedidos, inventariar y ensamblar cientos de piezas. También aumenta el tiempo de comercialización y requiere técnicos y equipos de producción especializados. Una alternativa es pedir dispositivos de movimiento prediseñados.

Las etapas y los actuadores suelen ser sólo elementos de la lista de materiales de una máquina. Si ofrecen la fuerza, la carga útil, el posicionamiento y la velocidad adecuados, los fabricantes de máquinas no necesitan perder tiempo prestándoles más atención. Pero las empresas pueden mejorar sus máquinas utilizando etapas y actuadores prediseñados.

Las etapas prediseñadas como este actuador lineal ServoBelt generalmente cuestan entre un 25 y un 50 % menos que sus contrapartes basadas en componentes, gracias a la reducción del número de piezas, especialmente de soportes y conectores. También reducen los costos relacionados con el diseño y el mantenimiento de inventarios.
Los subsistemas de movimiento adecuadamente diseñados encajan dentro de un espacio físico definido y se vinculan con los controles de la máquina. Por lo general, aceptan comandos de una interfaz de computadora de nivel superior, una tarjeta de control o un PLC. Los sistemas prediseñados más simples constan de poco más que un actuador y conectores. Las etapas complejas prediseñadas agregan controles e incluso efectores finales para mover cargas útiles.

Las etapas prediseñadas a menudo superan a los sistemas construidos con componentes porque están personalizados. Por el contrario, muchos fabricantes de máquinas no cuentan con los técnicos capacitados, los accesorios, los interferómetros láser y otros equipos para alinear las etapas (que a menudo tienen tolerancias de alineación de eje a eje medidas en micrones).

La estrategia de control dicta parte del diseño, por lo que las etapas prediseñadas no siempre siguen las reglas de diseño tradicionales. Considere el desajuste de inercia. Una regla general típica es mantener la relación entre la inercia de la carga útil y la inercia del motor por debajo de 20:1 para evitar problemas al utilizar los ajustes preestablecidos de ganancia de las combinaciones de amplificador y motor preempaquetadas. Pero muchas etapas prediseñadas tienen proporciones de 200:1 (o incluso 4500:1 en mesas giratorias, por ejemplo) y aún así realizan movimientos precisos sin sobrepasarse. Aquí, el fabricante altera dinámicamente las ganancias de sintonización del escenario y las valida con pruebas físicas. Esto permite que motores más pequeños hagan el trabajo.

Las etapas giratorias como ésta se utilizan normalmente para posicionamiento, pero también son adecuadas para máquinas CNC. Las máquinas que más utilizan etapas prediseñadas son las de semiconductores fundidos, las de banco húmedo, las de corte por láser, las de embalaje y las de automatización de laboratorio.
Las etapas prediseñadas también son confiables. Al poner en marcha nuevos sistemas de movimiento, los componentes individuales, aparentemente menores, no funcionan correctamente en conjunto. Por ejemplo, un conector defectuoso puede provocar la avería de una máquina entera. Las etapas prediseñadas se ensamblan y prueban antes de colocarlas en las máquinas para que eso no suceda.

Ejemplo: movimiento lineal
Considere una aplicación en la que un accionamiento lineal realiza dos movimientos diferentes. Uno es un recorrido largo a 400 mm/s y el otro es un avance de alta velocidad de 13 mm que debe establecerse dentro de los 10 µm de la posición objetivo en 150 ms. La masa en movimiento es de 38 kg con una precisión bidireccional objetivo de ±5 µm basada en la retroalimentación de un codificador lineal óptico de 1 µm.

Las etapas tradicionales de husillo de bolas XY no son lo suficientemente precisas a menos que el constructor elija versiones costosas y sin juego. Los motores lineales son otra opción, pero para esta aplicación serían grandes y costosos, ya que sólo una bobina de motor larga cumpliría el requisito de 300 N de fuerza continua. Una bobina larga también requeriría cambios radicales en el diseño general, lo que la haría un 50% más costosa que otras opciones.

Esta etapa multieje prediseñadas basada en actuadores lineales ServoBelt se prueba antes de agregarla a una máquina de fabricación de semiconductores. El escenario no tiene reacción, por lo que el diseñador puede ajustar los controles a los requisitos dinámicos. Esto es útil porque la única forma de realizar movimientos de índice rápidos en esta máquina es cerrar los servobucles usando el codificador lineal, lo que requiere una línea motriz sin holgura desde el motor hasta la carga útil.
Por el contrario, una etapa prediseñadas basada en transmisiones por correa es rentable. No necesita control de bucle dual porque puede funcionar con control de bucle único usando solo el codificador lineal. El variador también tiene una amortiguación mecánica inherentemente alta, lo que permite que los controles tengan altas ganancias de sintonización (hasta cuatro veces la velocidad y las ganancias posicionales) para tiempos de estabilización cortos. Por el contrario, los motores lineales deben simular una amortiguación en la electrónica del servoamplificador, lo que reduce la posible ganancia posicional.

Ejemplo: movimiento giratorio
Considere otra aplicación: una fresadora de escritorio CNC de tres ejes. Suelen utilizar sistemas de movimiento lineal para posicionar la herramienta de corte. Por el contrario, una etapa prediseñadas combina posicionamiento giratorio y lineal. En este caso, dos dispositivos giratorios accionados por correa transportan cargas sobre cojinetes giratorios de gran diámetro y se enfrentan entre sí. Uno lleva un husillo accionado por aire de 150.000 rpm. El otro sostiene la pieza de trabajo y la gira 180° para que la herramienta de corte pueda alcanzar cualquier punto de la superficie de la pieza de trabajo en un volumen de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza una etapa prediseñadas que no es más compleja de lo necesario. La aplicación necesita un buen acabado superficial en lugar de precisión de posicionamiento, por lo que prescinde de codificadores y ejecuta un circuito abierto (lo que potencialmente ahorra miles de dólares por máquina).
Un actuador lineal accionado por tornillo impulsa el eje lineal pero permite que el dispositivo giratorio con los cabezales de corte se traslade axialmente con respecto al dispositivo que sostiene la pieza de trabajo. Los tres dispositivos se mueven sincronizados. El eje lineal maneja el posicionamiento del eje Z y lleva la herramienta de corte a la cara de la pieza de trabajo.

El diseño giratorio es rígido, lo que ayuda a que el diseño cumpla con las tolerancias de mecanizado. Una opción lubricada de por vida reduce la posibilidad de contaminación y los efectores en ambas etapas giratorias se extienden a través de sellos giratorios simples en una pared de la cámara de corte. Los sellos protegen el funcionamiento interno del fluido de corte y del polvo cerámico volador. Por el contrario, las etapas XYZ requieren fuelles voluminosos y cubiertas de armadillo.

El posicionamiento giratorio de la herramienta de corte y la pieza de trabajo utiliza coordenadas polares, no cartesianas (como es típico en la cinemática CNC). El controlador recibe comandos de código G XYZ y los convierte a coordenadas polares en tiempo real. ¿El beneficio? El movimiento giratorio es mejor que el lineal para crear acabados superficiales suaves, porque incluso los mejores rodamientos lineales y husillos de bolas "retumban" cuando las bolas circulan dentro y fuera de un estado cargado. Este ruido resuena a través del sistema de movimiento y puede aparecer en las piezas como variaciones periódicas de la calidad de la superficie.