La fabrication sur mesure d'actionneurs et de systèmes de mouvement oblige les concepteurs à commander, stocker et assembler des centaines de pièces. Elle allonge également les délais de mise sur le marché et requiert des techniciens ainsi que des équipements de production spécialisés. Une alternative consiste à commander des dispositifs de mouvement préfabriqués.

Les platines et les actionneurs figurent souvent simplement sur la nomenclature d'une machine. S'ils fournissent la force, la charge utile, le positionnement et la vitesse requis, les constructeurs de machines n'ont pas besoin de s'y attarder. Pourtant, les entreprises peuvent réellement améliorer leurs machines en utilisant des platines et des actionneurs préfabriqués.

Les systèmes préfabriqués comme cet actionneur linéaire ServoBelt coûtent généralement de 25 à 50 % moins cher que leurs équivalents composés de composants, grâce à un nombre réduit de pièces, notamment de supports et de connecteurs. Ils permettent également de réduire considérablement les coûts liés à la conception et à la gestion des stocks.
Les sous-systèmes de mouvement pré-conçus s'intègrent dans un espace physique défini et sont reliés aux commandes de la machine. Ils reçoivent généralement des commandes d'une interface informatique de haut niveau, d'une carte de contrôle ou d'un automate programmable. Les systèmes pré-conçus les plus simples se composent d'un simple actionneur et de connecteurs. Les systèmes pré-conçus plus complexes intègrent des commandes et même des effecteurs pour déplacer des charges utiles.

Les platines préfabriquées sont souvent plus performantes que les systèmes construits à partir de composants, car elles sont personnalisées. En revanche, de nombreux constructeurs de machines ne disposent pas des techniciens qualifiés, des dispositifs de fixation, des interféromètres laser et autres équipements nécessaires à l'alignement des platines (dont les tolérances d'alignement inter-axes se mesurent souvent en microns).

La stratégie de commande influence la conception, si bien que les étages préfabriqués ne suivent pas toujours les règles de conception traditionnelles. Prenons l'exemple du déséquilibre d'inertie. En règle générale, on recommande de maintenir le rapport entre l'inertie de la charge utile et celle du moteur en dessous de 20:1 afin d'éviter les problèmes lors de l'utilisation des préréglages de gain des amplificateurs et moteurs pré-assemblés. Or, de nombreux étages préfabriqués présentent des rapports allant jusqu'à 200:1 (voire 4 500:1 pour les plateaux tournants, par exemple) et assurent des déplacements précis sans dépassement. Dans ce cas, le fabricant ajuste dynamiquement les gains d'accord de l'étage et les valide par des tests physiques. Ceci permet d'utiliser des moteurs plus petits.

Les plateaux rotatifs comme celui-ci sont généralement utilisés pour le positionnement, mais conviennent également aux machines CNC. Les machines qui utilisent le plus souvent des plateaux préfabriqués sont celles qui utilisent la fusion de semi-conducteurs, les bancs de traitement humide, la découpe laser, l'emballage et l'automatisation de laboratoire.
Les étages préfabriqués sont également fiables. Lors de la mise en service de nouveaux systèmes de mouvement, il arrive que des composants individuels, même apparemment mineurs, ne fonctionnent pas correctement ensemble. Par exemple, un connecteur défectueux peut entraîner l'arrêt complet d'une machine. Les étages préfabriqués sont assemblés et testés avant leur intégration dans les machines, ce qui évite ce genre de problème.

Exemple : Mouvement linéaire
Considérons une application où un entraînement linéaire effectue deux mouvements distincts : un déplacement longitudinal à 400 mm/s et un déplacement rapide de 13 mm qui doit se stabiliser à moins de 10 µm de la position cible en 150 ms. La masse mobile est de 38 kg et la précision bidirectionnelle cible est de ±5 µm, mesurée par un codeur optique linéaire de 1 µm.

Les systèmes XY à vis à billes traditionnels ne sont pas suffisamment précis, à moins d'opter pour des versions sans jeu, plus onéreuses. Les moteurs linéaires constituent une autre solution, mais pour cette application, ils seraient volumineux et coûteux, car seule une bobine de grande longueur permettrait de fournir une force continue de 300 N. Une telle bobine impliquerait également des modifications importantes de la conception globale, ce qui augmenterait le coût de 50 % par rapport aux autres options.

Cette plateforme multiaxes préfabriquée, basée sur des actionneurs linéaires ServoBelt, est testée avant son intégration à une machine de fabrication de semi-conducteurs. L'absence de jeu permet au concepteur d'adapter les commandes aux exigences dynamiques. Ceci est crucial, car la seule façon d'effectuer des déplacements d'index rapides sur cette machine est de fermer les boucles d'asservissement à l'aide du codeur linéaire, ce qui requiert une transmission sans jeu entre le moteur et la charge utile.
À l'inverse, un étage préfabriqué à entraînement par courroie est économique. Il ne nécessite pas de commande à double boucle, car une commande à simple boucle, utilisant uniquement le codeur linéaire, suffit. L'entraînement présente également un amortissement mécanique intrinsèquement élevé, ce qui permet des gains de réglage importants (jusqu'à quatre fois les gains de vitesse et de position) pour des temps de réponse courts. En revanche, les moteurs linéaires doivent simuler l'amortissement dans l'électronique du servoamplificateur, ce qui réduit le gain de position possible.

Exemple : mouvement rotatif
Prenons l'exemple d'une autre application : une fraiseuse CNC de bureau à trois axes. Ces machines utilisent généralement des systèmes de mouvement linéaire pour positionner l'outil de coupe. À l'inverse, une platine préfabriquée combine positionnement rotatif et linéaire. Dans ce cas, deux dispositifs rotatifs entraînés par courroie supportent des charges sur des roulements rotatifs de grand diamètre et sont disposés face à face. L'un supporte une broche pneumatique de 150 000 tr/min. L'autre maintient la pièce à usiner et la fait pivoter de 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 table préfabriquée dont la complexité est réduite au strict nécessaire. L'application privilégiant un bon état de surface à la précision de positionnement, elle se passe d'encodeurs et fonctionne en boucle ouverte (ce qui permet d'économiser potentiellement des milliers de dollars par machine).
Un actionneur linéaire à vis entraîne l'axe linéaire, mais permet au dispositif rotatif muni des têtes de coupe de se déplacer axialement par rapport au dispositif supportant la pièce. Les trois dispositifs se déplacent de manière synchronisée. L'axe linéaire assure le positionnement selon 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 traversent des joints rotatifs simples intégrés à la paroi de la chambre de coupe. Ces joints protègent les mécanismes internes du fluide de coupe et des projections de poussières céramiques. À l'inverse, les étages XYZ nécessitent des soufflets et des capots de protection volumineux.

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 des machines CNC). La commande numérique reçoit des instructions G-code XYZ et les convertit en coordonnées polaires en temps réel. L'avantage ? Le mouvement rotatif est supérieur au mouvement linéaire pour obtenir des états de surface lisses, car même les meilleurs roulements linéaires et vis à billes génèrent des vibrations lorsque les billes passent d'un état chargé à un état déchargé. Ces vibrations se répercutent dans le système de mouvement et peuvent se traduire sur les pièces par des variations périodiques de la qualité de surface.