Construire des actionneurs et des scènes de mouvement de A à Z oblige les concepteurs à commander, stocker et assembler des centaines de pièces. Cela allonge également les délais de mise sur le marché et nécessite des techniciens et des équipements de production spécialisés. Une alternative consiste à commander des dispositifs de mouvement pré-conçus.

Les platines et les actionneurs ne sont souvent que des éléments de la nomenclature d'une machine. S'ils fournissent la force, la charge utile, le positionnement et la vitesse adéquats, les constructeurs n'ont pas besoin d'y consacrer du temps. Pourtant, les entreprises peuvent améliorer leurs machines en utilisant des platines et des actionneurs pré-conçus.

Les étages pré-conçus comme cet actionneur linéaire ServoBelt coûtent généralement 25 à 50 % de moins que leurs homologues à composants, grâce à la réduction du nombre de pièces, notamment de supports et de connecteurs. Ils réduisent également considérablement les coûts de conception et de gestion des stocks.
Les sous-systèmes de mouvement correctement préconçus s'insèrent dans un espace physique défini et sont reliés aux commandes de la machine. Ils acceptent généralement les commandes d'une interface informatique de niveau supérieur, d'une carte de contrôle ou d'un automate programmable. Les systèmes préconçus les plus simples se composent simplement d'un actionneur et de connecteurs. Les étages préconçus plus complexes ajoutent des commandes et même des effecteurs terminaux pour déplacer les charges utiles.

Les platines préfabriquées sont souvent plus performantes que les systèmes à composants intégrés, car elles sont personnalisées. En revanche, de nombreux constructeurs de machines ne disposent pas des techniciens qualifiés, des dispositifs de montage, des interféromètres laser et autres équipements nécessaires pour aligner les platines (dont les tolérances d'alignement d'axe à axe sont souvent mesurées en microns).

La stratégie de contrôle dicte une partie de la conception ; les étages pré-conçus ne suivent donc pas toujours les règles de conception traditionnelles. Prenons l'exemple des inerties. Une règle générale consiste à maintenir le rapport inertie de la charge utile/inertie du moteur en dessous de 20:1 afin d'éviter tout problème lors de l'utilisation des préréglages de gain des combinaisons amplificateur-moteur pré-conçues. Cependant, de nombreux étages pré-conçus ont des rapports allant jusqu'à 200:1 (voire 4 500:1 sur des plateaux rotatifs, par exemple) et effectuent des mouvements précis sans dépassement. Dans ce cas, le fabricant modifie dynamiquement les gains de réglage de l'étage et les valide par des tests physiques. Cela permet aux moteurs plus petits de fonctionner correctement.

Les platines rotatives comme celle-ci sont généralement utilisées pour le positionnement, mais conviennent également aux machines CNC. Les machines les plus fréquemment équipées de platines pré-conçues sont celles des semi-conducteurs intégrés, des bancs humides, de la découpe laser, de l'emballage et de l'automatisation de laboratoire.
Les platines préfabriquées sont également fiables. Lors de la mise en service de nouveaux systèmes de mouvement, des composants individuels, apparemment mineurs, peuvent ne pas fonctionner correctement ensemble. Par exemple, un connecteur défectueux peut entraîner la panne d'une machine entière. Les platines préfabriquées sont assemblées et testées avant leur intégration dans les machines afin d'éviter ce problème.

Exemple : mouvement linéaire
Prenons l'exemple d'une application dans laquelle un entraînement linéaire effectue deux déplacements différents. L'un est une course longue à 400 mm/s, et l'autre est une course à grande vitesse de 13 mm devant se stabiliser à 10 µm de la position cible en 150 ms. La masse en mouvement est de 38 kg, avec une précision bidirectionnelle cible de ±5 µm, basée sur le retour d'un codeur linéaire optique de 1 µm.

Les vis à billes XY traditionnelles ne sont pas suffisamment précises, sauf si le constructeur opte pour des versions coûteuses sans jeu. Les moteurs linéaires constituent une autre option, mais pour cette application, ils seraient encombrants et coûteux, car seule une longue bobine moteur permettrait de supporter une force continue de 300 N. Une telle bobine nécessiterait également des modifications importantes de la conception globale, ce qui la rendrait 50 % plus coûteuse que les autres options.

Cet étage multiaxes pré-conçu, basé sur des actionneurs linéaires ServoBelt, est testé avant d'être intégré à une machine de fabrication de semi-conducteurs. L'étage étant sans jeu, le concepteur peut adapter les commandes aux exigences dynamiques. C'est un atout, car la seule façon d'effectuer des mouvements d'indexation rapides sur cette machine est de fermer les boucles d'asservissement à l'aide du codeur linéaire, ce qui nécessite une transmission sans jeu entre le moteur et la charge utile.
En revanche, un étage pré-conçu basé sur des entraînements par courroie est économique. Il ne nécessite pas de régulation à double boucle, car il peut se contenter d'une régulation à simple boucle utilisant uniquement le codeur linéaire. L'entraînement dispose également d'un amortissement mécanique intrinsèquement élevé, ce qui permet aux commandes d'obtenir des gains de réglage importants (jusqu'à quatre fois les gains de vitesse et de position) pour des temps de stabilisation courts. En revanche, les moteurs linéaires doivent simuler l'amortissement dans l'électronique du servoamplificateur, ce qui réduit le gain de position potentiel.

Exemple : mouvement rotatif
Prenons une autre application : une fraiseuse CNC de bureau à trois axes. Celles-ci utilisent généralement des systèmes de mouvement linéaire pour positionner l'outil de coupe. À l'inverse, une platine pré-conçue combine positionnement rotatif et linéaire. Ici, deux dispositifs rotatifs entraînés par courroie supportent des charges sur des roulements rotatifs de grand diamètre et se font face. L'un porte une broche pneumatique de 150 000 tr/min. L'autre maintient la pièce et la fait tourner à 180° afin que l'outil de coupe puisse atteindre n'importe quel point de la surface de la pièce dans un volume de 40 × 40 × 40 mm.

Cette fraiseuse CNC utilise une étape pré-conçue, pas plus complexe que nécessaire. L'application requiert une bonne finition de surface plutôt qu'une précision de positionnement optimale ; elle renonce donc aux encodeurs et fonctionne en boucle ouverte (permettant ainsi d'économiser des milliers de dollars par machine).
Un actionneur linéaire à vis entraîne l'axe linéaire, mais permet au dispositif rotatif et aux têtes de coupe de se déplacer axialement par rapport au dispositif tenant la pièce. Les trois dispositifs se déplacent de manière synchronisée. L'axe linéaire gère le positionnement sur l'axe Z et amène l'outil de coupe sur la face de la pièce.

La conception rotative est rigide, ce qui permet de respecter les tolérances d'usinage. Une option de lubrification à vie réduit les risques de contamination, et les effecteurs des deux étages rotatifs s'étendent à travers de simples joints rotatifs dans la paroi de la chambre de coupe. Ces joints protègent les mécanismes internes du liquide de coupe et des projections de poussières céramiques. En revanche, les étages XYZ nécessitent des soufflets encombrants et des capots Armadillo.

Le positionnement rotatif de l'outil de coupe et de la pièce utilise des coordonnées polaires, et non cartésiennes (comme c'est généralement le cas pour la cinématique CNC). Le contrôleur reçoit les commandes XYZ en code G et les convertit en coordonnées polaires en temps réel. L'avantage ? Le mouvement rotatif est plus efficace que le mouvement linéaire pour obtenir des finitions de surface lisses, car même les meilleurs roulements linéaires et vis à billes « grondent » lorsque les billes entrent et sortent d'un état chargé. Ce grondement se répercute sur le système de mouvement et peut se traduire par des variations périodiques de l'état de surface des pièces.