La construction d'actionneurs de mouvement et de scènes à partir de zéro oblige les concepteurs à commander, inventorier et assembler des centaines de pièces. Cela augmente 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 préfabriqués.

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 appropriés, les constructeurs de machines n'ont pas besoin de consacrer du temps à leur accorder une attention particulière. Mais les entreprises peuvent réellement améliorer leurs machines en utilisant des platines et des actionneurs préconçus.

Les platines préfabriquées comme cet actionneur linéaire ServoBelt coûtent généralement 25 à 50 % de moins que leurs homologues à base de composants, grâce au nombre réduit de pièces, en particulier de supports et de connecteurs. Ils réduisent également les coûts liés à la conception et à la maintenance des stocks.
Les sous-systèmes de mouvement correctement préconçus s'intègrent dans un espace physique défini et sont liés aux commandes de la machine. Ils acceptent généralement les commandes provenant d'une interface informatique de niveau supérieur, d'une carte de contrôle ou d'un automate. Les systèmes préconçus les plus simples ne comportent guère plus qu’un actionneur et des connecteurs. Des étapes préconçues complexes ajoutent des contrôles et même des effecteurs finaux pour déplacer les charges utiles.

Les étapes préconçues surpassent souvent les systèmes construits avec des composants car ils sont personnalisés. En revanche, de nombreux constructeurs de machines ne disposent pas de techniciens qualifiés, de montages, d'interféromètres laser et d'autres équipements pour aligner les platines (qui ont souvent des tolérances d'alignement axe à axe mesurées en microns).

La stratégie de contrôle dicte une partie de la conception, de sorte que les étapes préconçues ne suivent pas toujours les règles de conception traditionnelles. Considérez le décalage d'inertie. Une règle générale consiste à maintenir le rapport entre l'inertie de la charge utile et l'inertie du moteur en dessous de 20:1 pour éviter les problèmes lors de l'utilisation des préréglages de gain des combinaisons d'amplificateur et de moteur préemballées. Mais de nombreuses platines préfabriquées ont des rapports allant jusqu'à 200 : 1 (ou même 4 500 : 1 sur les tables rotatives, par exemple) et effectuent néanmoins des mouvements précis sans dépassement. Ici, le constructeur modifie dynamiquement les gains de réglage de l'étage et les valide par des tests physiques. Cela permet aux moteurs plus petits de faire le travail.

Les platines rotatives comme celle-ci sont généralement utilisées pour le positionnement, mais conviennent également aux machines CNC. Les machines qui utilisent le plus des étapes préfabriquées sont les semi-conducteurs fusionnés, les bancs humides, la découpe laser, l'emballage et l'automatisation des laboratoires.
Les platines préfabriquées sont également fiables. Lors de la mise en service de nouveaux systèmes de mouvement, des composants individuels, apparemment mineurs, ne fonctionnent pas correctement ensemble. Par exemple, un connecteur défectueux peut mettre hors service une machine entière. Les platines préfabriquées sont assemblées et testées avant d'être installées dans les machines afin que cela n'arrive pas.

Exemple : mouvement linéaire
Prenons une application dans laquelle un entraînement linéaire effectue deux mouvements différents. L'un est un long déplacement à 400 mm/s et l'autre est un déplacement à grande vitesse de 13 mm qui doit s'établir à moins de 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 étages à vis à billes XY traditionnels ne sont pas assez précis à moins que le constructeur ne choisisse des versions coûteuses sans jeu. Les moteurs linéaires sont une autre option, mais pour cette application, ils seraient volumineux et coûteux, car seule une longue bobine de moteur répondrait à l'exigence de 300 N de force continue. Une longue bobine nécessiterait également des modifications radicales de la conception globale, ce qui la rendrait 50 % plus coûteuse que les autres options.

Cette platine multiaxes préconçue basée sur des actionneurs linéaires ServoBelt est testée avant de l'ajouter à une machine de fabrication de semi-conducteurs. La scène n'a aucun jeu, ce qui permet au concepteur d'ajuster les commandes aux exigences dynamiques. C'est utile car la seule façon d'effectuer des mouvements d'index rapides dans 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 préfabriqué basé sur des entraînements par courroie est rentable. Il n'a pas besoin d'un contrôle à double boucle car il peut se contenter d'un contrôle à boucle unique en utilisant uniquement l'encodeur linéaire. Le variateur dispose également d'un amortissement mécanique intrinsèquement élevé, ce qui permet aux commandes d'avoir des gains de réglage élevés (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 possible.

Exemple : mouvement de rotation
Considérons une autre application : une fraiseuse de bureau CNC à trois axes. Ceux-ci utilisent généralement des systèmes de mouvement linéaire pour positionner l'outil de coupe. En revanche, une platine préconçue combine un positionnement rotatif et linéaire. Ici, deux appareils 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 platine préconçue qui n'est pas plus complexe qu'elle ne devrait l'être. L'application nécessite une bonne finition de surface plutôt qu'une précision de positionnement, elle renonce donc aux encodeurs et fonctionne en boucle ouverte (ce qui permet d'économiser des milliers de dollars par machine).
Un actionneur linéaire à vis entraîne l'axe linéaire mais laisse le dispositif rotatif avec les têtes de coupe se déplacer axialement par rapport au dispositif de maintien de la pièce. Les trois appareils se déplacent de manière synchronisée. L'axe linéaire gère le positionnement sur l'axe Z et amène l'outil de coupe vers la face de la pièce.

La conception rotative est rigide, ce qui permet à la conception de respecter les tolérances d'usinage. Une option lubrifiée à vie réduit le risque de contamination, et les effecteurs des deux étages rotatifs s'étendent à travers de simples joints rotatifs dans une paroi de la chambre de coupe. Les joints protègent les composants internes du liquide de coupe et de la poussière de céramique volante. En revanche, les platines XYZ nécessitent des soufflets et des couvercles de tatou volumineux.

Le positionnement rotatif de l'outil de coupe et de la pièce à usiner utilise des coordonnées polaires et non cartésiennes (comme c'est typique pour la cinématique CNC). Le contrôleur prend les commandes XYZ G-code et les convertit en coordonnées polaires en temps réel. L'avantage ? Le mouvement rotatif est meilleur que le mouvement linéaire pour créer des finitions de surface lisses, car même les meilleurs roulements linéaires et vis à billes « grondent » lorsque les billes circulent dans et hors d'un état de charge. Ce grondement se répercute dans tout le système de mouvement et peut apparaître sur les pièces sous forme de variations périodiques de la qualité de surface.