Liiketoimilaitteiden ja vaiheiden rakentaminen tyhjästä pakottaa suunnittelijat tilaamaan, inventoimaan ja kokoamaan satoja osia. Se myös pidentää markkinoilletuloaikaa ja vaatii teknikoita ja erikoistuneita tuotantolaitteita. Vaihtoehtona on tilata valmiiksi suunniteltuja liikelaitteita.

Vaiheet ja toimilaitteet ovat usein vain kohteita koneen materiaaliluettelossa. Jos ne tarjoavat oikean voiman, hyötykuorman, asennon ja nopeuden, koneenrakentajien ei tarvitse käyttää aikaa niiden huomioimiseen. Mutta yritykset voivat itse asiassa parantaa koneitaan käyttämällä esisuunniteltuja vaiheita ja toimilaitteita.

Esisuunnitellut vaiheet, kuten tämä ServoBelt-lineaarinen toimilaite, maksavat tyypillisesti 25–50 % vähemmän kuin niiden komponenttipohjaiset vastineet, koska osamäärät, erityisesti kiinnikkeet ja liittimet, ovat pienemmät. Ne myös leikkaavat varastojen suunnitteluun ja ylläpitoon liittyviä kustannuksia.
Oikein esisuunnitellut liikkeen osajärjestelmät sopivat määriteltyyn fyysiseen tilaan ja liittyvät koneen ohjaimiin. Ne hyväksyvät yleensä komentoja huipputason tietokoneliitännästä, ohjauskortista tai PLC:stä. Yksinkertaisimmat esisuunnitellut järjestelmät koostuvat vain toimilaitteesta ja liittimistä. Monimutkaiset esisuunnitellut vaiheet lisäävät ohjaimia ja jopa päätetehosteita hyötykuormien siirtämiseksi.

Esisuunnitellut vaiheet ovat usein tehokkaampia kuin komponenteista rakennetut järjestelmät, koska ne ovat räätälöityjä. Sitä vastoin monilla koneenrakentajilla ei ole ammattitaitoisia teknikoita, kiinnikkeitä, laserinterferometrejä ja muita laitteita vaiheiden kohdistamiseen (joilla on usein akselien väliset kohdistustoleranssit mitattuna mikroneina).

Ohjausstrategia sanelee osan suunnittelusta, joten valmiiksi suunnitellut vaiheet eivät aina noudata perinteisiä suunnittelusääntöjä. Harkitse inertiaeroa. Tyypillinen nyrkkisääntö on pitää hyötykuorman hitaussuhde moottorin inertiaan alle 20:1, jotta vältetään ongelmat käytettäessä valmiiksi pakattujen vahvistimen ja moottorin yhdistelmien vahvistuksen esiasetuksia. Mutta monien esisuunniteltujen vaiheiden suhteet ovat 200:1 (tai jopa 4 500:1 esimerkiksi pyörivillä pöydillä), ja ne tekevät silti tarkkoja liikkeitä ilman ylitystä. Tässä valmistaja muuttaa dynaamisesti lavan viritysvahvistuksia ja validoi ne fyysisillä testeillä. Näin pienet moottorit hoitavat tehtävänsä.

Tämän kaltaisia ​​pyöriviä vaiheita käytetään tyypillisesti asemointiin, mutta ne soveltuvat myös CNC-koneisiin. Eniten esisuunniteltuja vaiheita käyttävät koneet ovat sulatettu puolijohde, märkäpenkki, laserleikkaus, pakkaus ja laboratorioautomaatio.
Esisuunnitellut vaiheet ovat myös luotettavia. Uusia liikejärjestelmiä otettaessa käyttöön yksittäiset, näennäisesti pienet komponentit eivät toimi kunnolla yhdessä. Esimerkiksi viallinen liitin voi tuhota koko koneen. Esisuunnitellut vaiheet kootaan ja testataan ennen koneisiin laittamista, jotta sitä ei tapahdu.

Esimerkki: Lineaarinen liike
Harkitse sovellusta, jossa lineaarinen käyttölaite tekee kaksi eri liikettä. Toinen on pitkä matka nopeudella 400 mm/s, ja toinen on nopea 13 mm:n juoksu, jonka on asettuttava 10 µm:n etäisyydelle kohdeasemasta 150 ms:ssa. Liikkuva massa on 38 kg ja kaksisuuntainen tavoitetarkkuus ±5 µm perustuen 1 µm optisen lineaarisen kooderin takaisinkytketykseen.

Perinteiset XY kuularuuvivaiheet eivät ole riittävän tarkkoja, ellei rakentaja valitse kalliita nollajännitysversioita. Lineaarimoottorit ovat toinen vaihtoehto, mutta tähän sovellukseen ne olisivat suuria ja kalliita, koska vain pitkä moottorikela täyttäisi 300 N:n jatkuvan voiman vaatimuksen. Pitkä kela edellyttäisi myös laajoja muutoksia yleiseen suunnitteluun, mikä tekisi siitä 50 % kalliimman kuin muut vaihtoehdot.

Tämä ServoBeltin lineaarisiin toimimoottoreihin perustuva esisuunniteltu moniakselinen vaihe testataan ennen sen lisäämistä puolijohdevalmistuskoneeseen. Lavalla ei ole välystä, joten suunnittelija voi virittää säätimet dynaamisten vaatimusten mukaan. Se on hyödyllistä, koska ainoa tapa tehdä nopeita indeksiliikkeitä tässä koneessa on sulkea servolopit lineaarisen kooderin avulla, mikä vaatii välyksettömän voimansiirron moottorista hyötykuormaan.
Sitä vastoin hihnakäyttöön perustuva esisuunniteltu vaihe on kustannustehokas. Se ei tarvitse kaksisilmukaista ohjausta, koska se pärjää yhden silmukan ohjauksella käyttämällä vain lineaarista kooderia. Taajuusmuuttajassa on myös luonnostaan ​​korkea mekaaninen vaimennus, jonka ansiosta säätimillä on korkeat viritysvahvistukset (neljänkertaiset nopeuden ja aseman vahvistukset) lyhyitä asettumisaikoja varten. Sitä vastoin lineaarimoottorien on simuloitava vaimennusta servovahvistimen elektroniikassa, mikä vähentää mahdollista paikannusvahvistusta.

Esimerkki: Pyörivä liike
Harkitse toista sovellusta - kolmiakselista CNC-pöytäjyrsintä. Nämä käyttävät yleensä lineaariliikejärjestelmiä leikkuutyökalun sijoittamiseen. Sitä vastoin esisuunniteltu vaihe yhdistää pyörivän ja lineaarisen asemoinnin. Tässä kaksi hihnakäyttöistä pyörivää laitetta kuljettavat kuormia halkaisijaltaan suuriin pyöriviin laakereihin ja ovat vastakkain. Yhdessä on 150 000 rpm ilmakäyttöinen kara. Toinen pitää työkappaletta ja pyörittää sitä 180° niin, että leikkaustyökalu pääsee mihin tahansa kohtaan työkappaleen pinnalla 40 × 40 × 40 mm:n tilavuudessa.

Tämä CNC-jyrsinkone käyttää esisuunniteltua vaihetta, joka ei ole sen vaativampi. Sovellus vaatii hyvän pinnan viimeistelyn asemointitarkkuuden sijaan, joten se luopuu enkoodereista ja käyttää avointa silmukkaa (mahdollisesti säästää tuhansia dollareita konetta kohti).
Ruuvikäyttöinen lineaarinen toimilaite käyttää lineaarista akselia, mutta antaa pyörivän laitteen leikkuupäillä liikkua aksiaalisesti suhteessa työkappaletta pitävään laitteeseen. Kaikki kolme laitetta liikkuvat synkronoidusti. Lineaarinen akseli hoitaa Z-akselin paikantamisen ja tuo leikkuutyökalun työkappaleen pintaan.

Pyörivä rakenne on jäykkä, mikä auttaa muotoilua täyttämään koneistustoleranssit. Kestäväksi voideltu vaihtoehto vähentää saastumisen mahdollisuutta, ja molempien pyörivien vaiheiden tehostimet ulottuvat leikkuukammion seinässä olevien yksinkertaisten pyörivien tiivisteiden läpi. Tiivisteet suojaavat sisäosia leikkausnesteeltä ja lentävältä keraamiselta pölyltä. Sitä vastoin XYZ-vaiheet vaativat tilaa vieviä palkeita ja armadillo-suojuksia.

Leikkaustyökalun ja työkappaleen pyörivä paikoitus käyttää polaarisia koordinaatteja, ei suorakulmaista (kuten se on tyypillistä CNC-kinematiikalle). Ohjain ottaa vastaan ​​XYZ G-koodin komennot ja muuntaa ne napakoordinaateiksi reaaliajassa. Hyöty? Pyörivä liike on parempi kuin lineaarinen sileän pinnan viimeistelyyn, koska jopa parhaat lineaarilaakerit ja kuularuuvit "jyrisevät" pallojen kiertäessä kuormitettuun tilaan ja ulos. Tämä jyrinä kaikuu liikejärjestelmän läpi ja voi näkyä osissa säännöllisinä pinnanlaadun vaihteluina.