Diseñar actuadores y plataformas de movimiento desde cero obliga a los diseñadores a pedir, almacenar y ensamblar cientos de piezas. Además, aumenta el tiempo de comercialización y requiere técnicos y equipos de producción especializados. Una alternativa es encargar dispositivos de movimiento prediseñados.

Las plataformas y los actuadores suelen ser simplemente elementos de la lista de materiales de una máquina. Si proporcionan la fuerza, la carga útil, el posicionamiento y la velocidad adecuados, los fabricantes no necesitan dedicarles tiempo a un análisis más profundo. Sin embargo, las empresas pueden mejorar sus máquinas utilizando plataformas y actuadores prediseñados.

Las etapas prefabricadas, como este actuador lineal ServoBelt, suelen costar entre un 25 % y un 50 % menos que sus equivalentes basados ​​en componentes, gracias a la menor cantidad de piezas, especialmente de soportes y conectores. Además, reducen drásticamente los costes relacionados con el diseño y el mantenimiento de inventarios.
Los subsistemas de movimiento prediseñados se adaptan a un espacio físico definido y se integran con los controles de la máquina. Generalmente, reciben comandos de una interfaz informática de nivel superior, una tarjeta de control o un PLC. Los sistemas prediseñados más sencillos constan de un actuador y conectores. Las etapas prediseñadas más complejas incorporan controles e incluso efectores finales para mover cargas útiles.

Las plataformas prefabricadas suelen ofrecer un rendimiento superior al de los sistemas construidos con componentes, gracias a su personalización. En cambio, muchos fabricantes de maquinaria carecen de técnicos especializados, utillaje, interferómetros láser y demás equipos necesarios para alinear las plataformas (cuyas tolerancias de alineación entre ejes suelen medirse en micras).

La estrategia de control condiciona parte del diseño, por lo que las etapas prediseñadas no siempre siguen las reglas de diseño tradicionales. Consideremos 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 preestablecidos de las combinaciones de amplificador y motor preconfiguradas. 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 sobreoscilación. En este caso, el fabricante modifica dinámicamente las ganancias de sintonización de la etapa y las valida mediante pruebas físicas. Esto permite que motores más pequeños realicen la tarea.

Las plataformas giratorias como esta se utilizan normalmente para el posicionamiento, pero también son adecuadas para máquinas CNC. Las máquinas que más utilizan plataformas prediseñadas son las de semiconductores integrados, las de mecanizado húmedo, las de corte por láser, las de empaquetado y las de automatización de laboratorios.
Las etapas prefabricadas también son fiables. Al poner en marcha nuevos sistemas de movimiento, algunos componentes, aparentemente menores, pueden fallar y no funcionar correctamente en conjunto. Por ejemplo, un conector defectuoso puede provocar la avería de toda una máquina. Las etapas prefabricadas se ensamblan y prueban antes de su instalación en las máquinas para evitar que esto ocurra.

Ejemplo: Movimiento lineal
Consideremos una aplicación en la que un accionamiento lineal realiza dos movimientos distintos. Uno es un desplazamiento largo a 400 mm/s y el otro es un movimiento rápido de 13 mm que debe estabilizarse a menos de 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 de husillo de bolas XY tradicionales no son lo suficientemente precisas a menos que el fabricante opte por versiones costosas de cero holgura. Los motores lineales son otra opción, pero para esta aplicación serían grandes y costosos, ya que solo una bobina larga cumpliría con el requisito de 300 N de fuerza continua. Una bobina larga también requeriría modificaciones sustanciales en el diseño general, lo que incrementaría el costo en un 50 % en comparación con otras opciones.

Esta plataforma multieje prediseñada, basada en actuadores lineales ServoBelt, se prueba antes de su integración en una máquina de fabricación de semiconductores. La plataforma carece de holgura, lo que permite al diseñador ajustar los controles a los requisitos dinámicos. Esto resulta útil, ya que la única forma de realizar movimientos de indexación rápidos en esta máquina es cerrar los servobucles mediante el encoder lineal, lo que exige una transmisión sin holgura entre el motor y la carga útil.
En cambio, una etapa prefabricada basada en transmisiones por correa resulta rentable. No requiere control de doble lazo, ya que puede funcionar con control de lazo simple utilizando únicamente el encoder lineal. La transmisión también presenta una alta amortiguación mecánica intrínseca, 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 ganancia de posición posible.

Ejemplo: Movimiento rotatorio
Consideremos 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 rotativo y lineal. En este caso, dos dispositivos rotativos accionados por correa soportan las cargas sobre cojinetes rotativos de gran diámetro y se enfrentan entre sí. Uno de ellos acciona un husillo neumático de 150 000 rpm. El otro sujeta la pieza de trabajo y la hace girar 180° para que la herramienta de corte pueda alcanzar cualquier punto de la superficie de la pieza en un volumen de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza una plataforma prediseñada con la complejidad justa. La aplicación prioriza un buen acabado superficial sobre la precisión de posicionamiento, por lo que prescinde de encoders y funciona en bucle abierto (lo que puede suponer un ahorro de miles de dólares por máquina).
Un actuador lineal accionado por tornillo controla el eje lineal, pero permite que el dispositivo rotatorio con los cabezales de corte se desplace axialmente con respecto al dispositivo que sujeta la pieza. Los tres dispositivos se mueven sincronizados. El eje lineal controla el posicionamiento en el eje Z y coloca la herramienta de corte frente a la pieza.

El diseño rotatorio es rígido, lo que facilita el cumplimiento de las tolerancias de mecanizado. La opción de lubricación permanente reduce la posibilidad de contaminación, y los efectores de ambas etapas rotatorias se extienden a través de juntas rotatorias sencillas en la pared de la cámara de corte. Estas juntas protegen los componentes internos del fluido de corte y del polvo cerámico proyectado. En cambio, las etapas XYZ requieren fuelles voluminosos y cubiertas tipo armadillo.

El posicionamiento rotatorio de la herramienta de corte y la pieza de trabajo utiliza coordenadas polares, no cartesianas (como es habitual en la cinemática CNC). El controlador recibe comandos G-code XYZ y los convierte a coordenadas polares en tiempo real. ¿La ventaja? El movimiento rotatorio es superior al lineal para lograr acabados superficiales lisos, ya que incluso los mejores rodamientos lineales y husillos de bolas presentan vibraciones al circular las bolas bajo carga y descarga. Estas vibraciones se propagan por todo el sistema de movimiento y pueden manifestarse en las piezas como variaciones periódicas en la calidad de la superficie.