Costruire attuatori e stadi di movimento da zero costringe i progettisti a ordinare, inventariare e assemblare centinaia di parti. Aumenta inoltre il time-to-market e richiede tecnici e attrezzature di produzione specializzate. Un'alternativa è ordinare dispositivi di movimento preingegnerizzati.

Gli stadi e gli attuatori sono spesso solo elementi presenti nella distinta base di una macchina. Se forniscono la giusta forza, carico utile, posizionamento e velocità, i costruttori di macchine non hanno bisogno di dedicare loro ulteriore attenzione. Ma le aziende possono effettivamente migliorare le proprie macchine utilizzando stadi e attuatori preingegnerizzati.

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 numero ridotto di parti, in particolare di staffe e connettori. Inoltre riducono i costi legati alla progettazione e al mantenimento delle scorte.
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 connettori. Le complesse fasi preingegnerizzate aggiungono controlli e persino effettori finali per spostare i carichi utili.

Le fasi preingegnerizzate spesso superano le prestazioni dei 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 fasi (che spesso hanno tolleranze di allineamento da asse a asse misurate in micron).

La strategia di controllo determina parte della progettazione, quindi le fasi preingegnerizzate non sempre seguono le regole di progettazione tradizionali. Considera il disadattamento dell'inerzia. Una tipica regola empirica è quella di mantenere il rapporto tra l'inerzia del carico utile e l'inerzia del motore al di sotto di 20:1 per evitare problemi quando si utilizzano le preimpostazioni di guadagno delle combinazioni preconfezionate di amplificatore e motore. Ma molti stadi preingegnerizzati hanno rapporti fino a 200:1 (o addirittura 4.500:1 su tavole rotanti, per esempio) e continuano a eseguire movimenti precisi senza superamenti. Qui, il produttore altera dinamicamente i guadagni di accordatura del palco e li convalida con test fisici. Ciò consente ai motori più piccoli di svolgere il lavoro.

Le tavole rotanti come questa vengono generalmente utilizzate per il posizionamento, ma sono adatte anche per macchine CNC. Le macchine che utilizzano maggiormente fasi preingegnerizzate sono semiconduttori fusi, banco umido, taglio laser, imballaggio e automazione di laboratorio.
Anche gli stadi preingegnerizzati sono affidabili. Quando si mettono in servizio nuovi sistemi di movimento, singoli componenti, apparentemente minori, non riescono a funzionare correttamente insieme. Ad esempio, un connettore difettoso può mandare fuori uso un’intera macchina. Gli stadi preingegnerizzati vengono assemblati e testati prima di essere inseriti nelle macchine in modo che ciò non accada.

Esempio: movimento lineare
Consideriamo un'applicazione in cui un azionamento lineare effettua due movimenti diversi. Uno è un lungo viaggio a 400 mm/sec e l'altro è uno spostamento ad alta velocità di 13 mm che deve stabilizzarsi entro 10 µm dalla posizione target in 150 msec. La massa in movimento è di 38 kg con una precisione bidirezionale target di ±5 µm basata sul feedback di un encoder lineare ottico da 1 µm.

Le tradizionali fasi 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 rappresentano un'altra opzione, ma per questa applicazione sarebbero grandi e costosi, poiché solo una bobina lunga del motore 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 sugli attuatori lineari ServoBelt viene testato prima di aggiungerlo a una macchina per la produzione di semiconduttori. Il palco non ha gioco, quindi il progettista può adattare i controlli ai requisiti dinamici. Ciò è utile perché l'unico modo per eseguire movimenti rapidi di indice in questa macchina è chiudere i servoloop utilizzando l'encoder lineare, che richiede una linea di trasmissione senza gioco dal motore al carico utile.
Al contrario, uno stadio preingegnerizzato basato su trasmissioni a cinghia è economicamente vantaggioso. Non necessita del controllo a doppio loop perché può cavarsela con il controllo a loop singolo utilizzando solo l'encoder lineare. L'azionamento dispone inoltre di uno smorzamento meccanico intrinsecamente elevato, che consente ai controlli di ottenere elevati guadagni di sintonizzazione (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: movimento rotatorio
Prendi in considerazione un'altra applicazione: una fresatrice desktop CNC a tre assi. Questi di solito utilizzano sistemi di movimento lineare per posizionare l'utensile da taglio. Al contrario, uno stadio preingegnerizzato combina il posizionamento rotatorio e lineare. Qui, due dispositivi rotanti azionati da cinghia trasportano carichi su cuscinetti rotanti di grande diametro e sono uno di fronte all'altro. Uno trasporta un mandrino azionato ad aria da 150.000 giri/min. L'altro tiene il pezzo in lavorazione e lo ruota 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 preingegnerizzata che non è più complessa di quanto dovrebbe essere. L'applicazione necessita di una buona finitura superficiale piuttosto che di precisione di posizionamento, quindi rinuncia agli encoder e utilizza il circuito aperto (potenzialmente risparmiando 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 sostiene il pezzo. Tutti e tre i dispositivi si muovono in sincronia. L'asse lineare gestisce il posizionamento dell'asse Z e porta l'utensile da taglio sulla faccia del pezzo.

Il design rotativo è rigido, il che aiuta il design a soddisfare le tolleranze di lavorazione. Un'opzione lubrificata a vita riduce la possibilità di contaminazione e gli effettori su entrambi gli stadi rotanti si estendono attraverso semplici guarnizioni rotanti in una parete della camera di taglio. Le guarnizioni proteggono i meccanismi interni dal fluido da taglio e dalla polvere ceramica volante. Al contrario, gli stadi XYZ richiedono soffietti ingombranti e coperture per armadilli.

Il posizionamento rotatorio dell'utensile da taglio e del pezzo utilizza coordinate polari e non cartesiane (come tipico della cinematica CNC). Il controller accetta i comandi del codice G 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 le viti a ricircolo di sfere “rimbombano” mentre le sfere circolano dentro e fuori da uno stato caricato. Questo rombo risuona attraverso il sistema di movimento e può manifestarsi sulle parti come variazioni periodiche della qualità della superficie.