Costruire attuatori e stadi di movimento da zero costringe i progettisti a ordinare, inventariare e assemblare centinaia di componenti. Inoltre, aumenta il time-to-market e richiede tecnici e attrezzature di produzione specializzate. Un'alternativa è ordinare dispositivi di movimento pre-ingegnerizzati.

Stadi e attuatori sono spesso solo elementi presenti nella distinta base di una macchina. Se forniscono la forza, il carico utile, il posizionamento e la velocità corretti, i costruttori di macchine non hanno bisogno di dedicare tempo a considerarli ulteriormente. Ma le aziende possono effettivamente migliorare le proprie macchine utilizzando stadi e attuatori pre-ingegnerizzati.

Le fasi preingegnerizzate come questo attuatore lineare ServoBelt costano in genere dal 25 al 50% in meno rispetto alle loro controparti basate su componenti, grazie al ridotto numero di componenti, in particolare staffe e connettori. Riducono anche i costi di progettazione e gestione delle scorte.
I sottosistemi di movimento opportunamente preingegnerizzati si inseriscono in uno spazio fisico definito e si collegano ai controlli della macchina. In genere, accettano comandi da un'interfaccia computerizzata di livello superiore, da una scheda di controllo o da un PLC. I sistemi preingegnerizzati più semplici consistono in poco più di un attuatore e dei connettori. Le fasi preingegnerizzate più complesse aggiungono controlli e persino dispositivi terminali per spostare i carichi utili.

Le piattaforme preingegnerizzate spesso superano in prestazioni i sistemi costruiti con componenti perché sono personalizzate. Al contrario, molti costruttori di macchine non dispongono di tecnici qualificati, attrezzature, interferometri laser e altre apparecchiature per allineare le piattaforme (che spesso hanno tolleranze di allineamento asse-asse misurate in micron).

La strategia di controllo detta parte della progettazione, quindi gli stadi pre-ingegnerizzati non sempre seguono le regole di progettazione tradizionali. Considerate il disallineamento dell'inerzia. Una regola empirica tipica è quella di mantenere il rapporto tra l'inerzia del carico utile e quella del motore al di sotto di 20:1 per evitare problemi quando si utilizzano i preset di guadagno delle combinazioni pre-assemblate di amplificatore e motore. Tuttavia, molti stadi pre-ingegnerizzati hanno rapporti fino a 200:1 (o persino 4.500:1 sulle tavole rotanti, ad esempio) e continuano a eseguire movimenti precisi senza sovraelongazioni. In questo caso, il produttore modifica dinamicamente i guadagni di sintonia dello stadio e li convalida con test fisici. Questo consente a motori più piccoli di svolgere il lavoro.

Le tavole rotanti come questa sono tipicamente utilizzate per il posizionamento, ma sono adatte anche per macchine CNC. Le macchine che utilizzano più frequentemente tavole preingegnerizzate sono quelle a semiconduttore fuso, a banco umido, per il taglio laser, per il confezionamento e per l'automazione di laboratorio.
Anche gli stadi pre-ingegnerizzati sono affidabili. Quando si mettono in servizio nuovi sistemi di movimento, singoli componenti apparentemente di scarsa importanza non riescono a funzionare correttamente insieme. Ad esempio, un connettore difettoso può causare il guasto di un'intera macchina. Gli stadi pre-ingegnerizzati vengono assemblati e testati prima di essere installati nelle macchine, in modo che ciò non accada.

Esempio: moto lineare
Si consideri un'applicazione in cui un azionamento lineare esegue due movimenti distinti. Uno è una corsa lunga a 400 mm/sec, e l'altro è un jog ad alta velocità di 13 mm che deve stabilizzarsi entro 10 µm dalla posizione target in 150 ms. La massa in movimento è di 38 kg con una precisione bidirezionale del target di ±5 µm, basata sul feedback di un encoder lineare ottico da 1 µm.

Le tradizionali tavole XY con vite a ricircolo di sfere non sono sufficientemente precise, a meno che il costruttore non scelga costose versioni a gioco zero. I motori lineari sono un'altra opzione, ma per questa applicazione sarebbero ingombranti e costosi, poiché solo una bobina lunga soddisferebbe il requisito di 300 N di forza continua. Una bobina lunga richiederebbe inoltre modifiche radicali al design complessivo, rendendola più costosa del 50% rispetto ad altre opzioni.

Questo stadio multiasse preingegnerizzato basato su attuatori lineari ServoBelt viene testato prima di essere installato su una macchina per la produzione di semiconduttori. Lo stadio è privo di gioco, consentendo al progettista di adattare i controlli ai requisiti dinamici. Questo è utile perché l'unico modo per eseguire rapidi movimenti di indicizzazione in questa macchina è chiudere i servoloop utilizzando l'encoder lineare, il che richiede una trasmissione senza gioco dal motore al carico utile.
Al contrario, uno stadio preingegnerizzato basato su azionamenti a cinghia è conveniente. Non necessita di controllo a doppio anello perché può cavarsela con un controllo a singolo anello utilizzando solo l'encoder lineare. L'azionamento presenta inoltre un elevato smorzamento meccanico intrinseco, che consente ai controlli di ottenere elevati guadagni di sintonia (fino a quattro volte i guadagni di velocità e posizione) per tempi di assestamento brevi. Al contrario, i motori lineari devono simulare lo smorzamento nell'elettronica del servoamplificatore, il che riduce il possibile guadagno di posizione.

Esempio: moto rotatorio
Consideriamo un'altra applicazione: una fresatrice CNC da tavolo a tre assi. Queste macchine di solito utilizzano sistemi di movimento lineare per posizionare l'utensile da taglio. Al contrario, una piattaforma pre-ingegnerizzata combina il posizionamento rotativo e quello lineare. In questo caso, due dispositivi rotanti azionati da cinghia supportano carichi su cuscinetti rotanti di grande diametro e sono posizionati uno di fronte all'altro. Uno supporta un mandrino pneumatico da 150.000 giri/min. L'altro sostiene il pezzo in lavorazione e lo fa ruotare di 180° in modo che l'utensile da taglio possa raggiungere qualsiasi punto della superficie del pezzo in un volume di 40 × 40 × 40 mm.

Questa fresatrice CNC utilizza una fase pre-ingegnerizzata che non è più complessa del necessario. L'applicazione richiede una buona finitura superficiale piuttosto che precisione di posizionamento, quindi rinuncia agli encoder e lavora in anello aperto (con un potenziale risparmio di migliaia di dollari per macchina).
Un attuatore lineare a vite aziona l'asse lineare, ma consente al dispositivo rotante con le teste di taglio di traslare assialmente rispetto al dispositivo che sorregge il pezzo. Tutti e tre i dispositivi si muovono in sincronia. L'asse lineare gestisce il posizionamento sull'asse Z e porta l'utensile da taglio sulla superficie del pezzo.

Il design rotativo è rigido, il che contribuisce al rispetto delle tolleranze di lavorazione. Un'opzione di lubrificazione a vita riduce il rischio di contaminazione e gli effettori su entrambi gli stadi rotativi si estendono attraverso semplici guarnizioni rotanti inserite in una parete della camera di taglio. Le guarnizioni proteggono i meccanismi interni dal fluido da taglio e dalla polvere di ceramica in sospensione. Al contrario, gli stadi XYZ richiedono soffietti ingombranti e coperture a armadillo.

Il posizionamento rotatorio dell'utensile da taglio e del pezzo in lavorazione utilizza coordinate polari, non cartesiane (come avviene tipicamente nella cinematica CNC). Il controller acquisisce i comandi G-code XYZ e li converte in coordinate polari in tempo reale. Il vantaggio? Il movimento rotatorio è migliore di quello lineare per creare finiture superficiali lisce, perché anche i migliori cuscinetti lineari e viti a sfere "vibrano" quando le sfere circolano dentro e fuori dallo stato di carico. Questo "vibrare" si ripercuote attraverso il sistema di movimento e può manifestarsi sui pezzi sotto forma di variazioni periodiche della qualità superficiale.