Construir actuadores y etapas de movimiento desde cero obliga a los diseñadores a pedir, inventariar y ensamblar cientos de piezas. Además, 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 simplemente elementos en la lista de materiales de una máquina. Si proporcionan la fuerza, la carga útil, el posicionamiento y la velocidad adecuados, los fabricantes de máquinas no necesitan dedicar tiempo a prestarles mayor atención. Sin embargo, las empresas pueden mejorar sus máquinas utilizando etapas y actuadores prediseñados.

Las etapas prediseñadas, como este actuador lineal ServoBelt, suelen costar entre un 25 % y un 50 % menos que sus homólogos basados ​​en componentes, gracias a la reducción del número de piezas, especialmente de soportes y conectores. También reducen drásticamente los costos de diseño y mantenimiento de inventarios.
Los subsistemas de movimiento prediseñados correctamente se integran en un espacio físico definido y se integran con los controles de la máquina. Suelen aceptar comandos de una interfaz informática de alto nivel, una tarjeta de control o un PLC. Los sistemas prediseñados más sencillos constan de poco más que un actuador y conectores. Las etapas prediseñadas complejas añaden controles e incluso efectores finales para mover las cargas útiles.

Las etapas prediseñadas suelen superar a los sistemas prefabricados gracias a su personalización. Por el contrario, muchos fabricantes de máquinas carecen de técnicos cualificados, accesorios, interferómetros láser y otros equipos para alinear las etapas (cuyas tolerancias de alineación entre ejes se miden en micras).

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 es mantener la relación entre la inercia de la carga útil y la del motor por debajo de 20:1 para evitar problemas al usar los ajustes de ganancia predefinidos de las combinaciones preconfiguradas de amplificador y motor. Sin embargo, muchas etapas prediseñadas tienen relaciones de hasta 200:1 (o incluso 4500:1 en mesas giratorias, por ejemplo) y aun así realizan movimientos precisos sin sobreimpulso. En este caso, el fabricante modifica dinámicamente las ganancias de ajuste de la etapa y las valida con pruebas físicas. Esto permite que motores más pequeños realicen el trabajo.

Las platinas rotativas como esta se utilizan habitualmente para posicionamiento, pero también son adecuadas para máquinas CNC. Las máquinas que más utilizan platinas prediseñadas son las de semiconductores fundidos, de banco húmedo, de corte por láser, de empaquetado y de automatización de laboratorio.
Las etapas prediseñadas también son fiables. Al poner en marcha nuevos sistemas de movimiento, componentes individuales, aparentemente menores, no funcionan correctamente en conjunto. Por ejemplo, un conector defectuoso puede inutilizar toda una máquina. Las etapas prediseñadas se ensamblan y prueban antes de instalarlas en las máquinas para evitar que esto ocurra.

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 desplazamiento de alta velocidad de 13 mm que debe estabilizarse a 10 µm de la posición objetivo en 150 ms. La masa móvil 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 fabricante opte por versiones costosas sin holgura. Los motores lineales son otra opción, pero para esta aplicación serían grandes y costosos, ya que solo una bobina de motor larga cumpliría con 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 prediseñada, basada en actuadores lineales ServoBelt, se prueba antes de su incorporación a una máquina de fabricación de semiconductores. La etapa no presenta holgura, lo que permite al diseñador ajustar los controles a las necesidades dinámicas. Esto resulta útil, ya que la única manera de realizar movimientos de indexación rápidos en esta máquina es cerrar los servobucles mediante el codificador lineal, lo que requiere una transmisión sin holgura desde el motor hasta la carga útil.
En cambio, una etapa prediseñada basada en transmisiones por correa es rentable. No requiere control de doble lazo, ya que puede funcionar con un control de lazo único utilizando únicamente el codificador lineal. El variador también cuenta con una amortiguación mecánica inherentemente alta, lo que permite que los controles tengan altas ganancias de sintonización (hasta cuatro veces las ganancias de velocidad y posición) para tiempos de estabilización cortos. Por el contrario, los motores lineales deben simular la amortiguación en la electrónica del servoamplificador, lo que reduce la posible ganancia de posición.

Ejemplo: Movimiento rotatorio
Considere otra aplicación: una fresadora CNC de escritorio de tres ejes. Estas suelen utilizar sistemas de movimiento lineal para posicionar la herramienta de corte. En cambio, una plataforma prediseñada combina el posicionamiento rotatorio y lineal. En este caso, dos dispositivos rotatorios accionados por correa soportan cargas sobre cojinetes rotatorios de gran diámetro y se encuentran enfrentados. Uno lleva un husillo neumático de 150.000 rpm. El otro sujeta la pieza y la gira 180° para que la herramienta de corte pueda alcanzar cualquier punto de su superficie en un volumen de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza una etapa prediseñada que no presenta mayor complejidad de la necesaria. La aplicación requiere un buen acabado superficial en lugar de precisión de posicionamiento, por lo que prescinde de codificadores y opera en bucle abierto (lo que potencialmente ahorra miles de dólares por máquina).
Un actuador lineal accionado por tornillo acciona el eje lineal, pero permite que el dispositivo rotatorio con los cabezales de corte se desplace axialmente respecto al dispositivo que sujeta la pieza. Los tres dispositivos se mueven sincronizados. El eje lineal gestiona el posicionamiento en el eje Z y acerca la herramienta de corte a la cara de la pieza.

El diseño rotatorio es rígido, lo que ayuda a cumplir con las tolerancias de mecanizado. Una opción de lubricación permanente reduce la posibilidad de contaminación, y los efectores en ambas etapas rotatorias se extienden a través de sellos rotatorios simples en una pared de la cámara de corte. Los sellos protegen los mecanismos internos del fluido de corte y el polvo cerámico proyectado. Por el contrario, las etapas XYZ requieren fuelles voluminosos y cubiertas de armadillo.

El posicionamiento rotatorio de la herramienta de corte y la pieza utiliza coordenadas polares, no cartesianas (como es habitual en la cinemática CNC). El controlador recibe comandos de código G XYZ y los convierte a coordenadas polares en tiempo real. ¿La ventaja? El movimiento rotatorio es mejor que el lineal para crear acabados superficiales suaves, ya que incluso los mejores rodamientos lineales y husillos de bolas vibran al entrar y salir de un estado de carga. Este ruido reverbera en el sistema de movimiento y puede manifestarse en las piezas como variaciones periódicas en la calidad de la superficie.