La progettazione e la realizzazione di attuatori e piattaforme di movimento partendo da zero obbliga i progettisti a ordinare, immagazzinare e assemblare centinaia di componenti. Inoltre, allunga i tempi di commercializzazione e richiede tecnici specializzati e attrezzature di produzione specifiche. Un'alternativa è quella di ordinare dispositivi di movimento pre-ingegnerizzati.

Le fasi e gli attuatori sono spesso solo elementi presenti nella distinta base di una macchina. Se garantiscono la forza, il carico utile, il posizionamento e la velocità richiesti, i costruttori di macchine non hanno bisogno di dedicare loro ulteriore attenzione. Tuttavia, le aziende possono effettivamente migliorare le proprie macchine utilizzando fasi e attuatori preingegnerizzati.

Gli stadi pre-ingegnerizzati come questo attuatore lineare ServoBelt costano in genere dal 25 al 50% in meno rispetto alle loro controparti basate su componenti, grazie alla riduzione del numero di parti, soprattutto di staffe e connettori. Riducono inoltre drasticamente i costi relativi alla progettazione e alla gestione delle scorte.
I sottosistemi di movimento pre-ingegnerizzati correttamente si adattano a uno spazio fisico definito e si integrano con i comandi della macchina. In genere, ricevono comandi da un'interfaccia computerizzata di livello superiore, una scheda di controllo o un PLC. I sistemi pre-ingegnerizzati più semplici sono costituiti da poco più di un attuatore e dei connettori. Gli stadi pre-ingegnerizzati più complessi aggiungono comandi e persino effettori terminali per movimentare i carichi utili.

Le piattaforme pre-ingegnerizzate spesso offrono prestazioni superiori rispetto ai sistemi realizzati con componenti assemblati, perché sono personalizzate. Al contrario, molti costruttori di macchine non dispongono di tecnici specializzati, attrezzature, interferometri laser e altre apparecchiature necessarie per allineare le piattaforme (che spesso presentano tolleranze di allineamento asse-asse misurate in micron).

La strategia di controllo influenza in parte la progettazione, pertanto gli stadi pre-ingegnerizzati non sempre seguono le regole di progettazione tradizionali. Si consideri, ad esempio, la discrepanza di inerzia. Una regola empirica tipica 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 i preset di guadagno delle combinazioni di amplificatori e motori preassemblati. Tuttavia, molti stadi pre-ingegnerizzati hanno rapporti fino a 200:1 (o addirittura 4.500:1 su tavole rotanti, ad esempio) e riescono comunque a eseguire movimenti precisi senza overshoot. In questo caso, il produttore modifica dinamicamente i guadagni di sintonizzazione dello stadio e li convalida con test fisici. Ciò consente di utilizzare motori più piccoli.

Le piattaforme rotanti come questa sono tipicamente utilizzate per il posizionamento, ma sono adatte anche alle macchine CNC. Le macchine che utilizzano maggiormente piattaforme pre-ingegnerizzate sono quelle per la fusione di semiconduttori, i banchi a umido, il taglio laser, il confezionamento e l'automazione di laboratorio.
Le fasi preassemblate sono anche affidabili. Durante la messa in servizio di nuovi sistemi di movimentazione, singoli componenti, apparentemente di secondaria importanza, possono non funzionare correttamente insieme. Ad esempio, un connettore difettoso può mandare in tilt un'intera macchina. Le fasi preassemblate vengono assemblate e testate prima di essere installate nelle macchine, in modo che ciò non accada.

Esempio: moto lineare
Consideriamo un'applicazione in cui un azionamento lineare esegue due movimenti differenti. Il primo è una corsa lunga a 400 mm/sec, mentre il secondo è un rapido spostamento di 13 mm che deve stabilizzarsi entro 10 µm dalla posizione target in 150 ms. La massa mobile è di 38 kg con una precisione bidirezionale target di ±5 µm, basata sul feedback di un encoder lineare ottico da 1 µm.

I tradizionali sistemi di posizionamento XY con viti a ricircolo di sfere non sono sufficientemente precisi, a meno che il costruttore non opti per costose versioni a gioco zero. I motori lineari rappresentano un'altra opzione, ma per questa applicazione risulterebbero ingombranti e costosi, poiché solo un avvolgimento lungo soddisferebbe il requisito di una forza continua di 300 N. Un avvolgimento lungo richiederebbe inoltre modifiche sostanziali al progetto complessivo, rendendolo il 50% più costoso rispetto ad altre opzioni.

Questo stadio multiasse pre-ingegnerizzato, basato su attuatori lineari ServoBelt, viene testato prima di essere integrato in una macchina per la produzione di semiconduttori. Lo stadio non presenta gioco, consentendo al progettista di calibrare i controlli in base alle esigenze dinamiche. Ciò è particolarmente utile perché l'unico modo per effettuare spostamenti rapidi di indicizzazione in questa macchina è chiudere i circuiti di controllo tramite l'encoder lineare, il che richiede una trasmissione senza gioco tra motore e carico utile.
Al contrario, una piattaforma pre-ingegnerizzata basata su trasmissioni a cinghia è economicamente vantaggiosa. Non necessita di controllo a doppio anello perché può funzionare con un controllo a singolo anello utilizzando solo l'encoder lineare. L'azionamento presenta inoltre un'elevata smorzatura meccanica intrinseca, che consente ai controlli di avere elevati guadagni di regolazione (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 guadagno di posizione possibile.

Esempio: moto rotatorio
Consideriamo un'altra applicazione: una fresatrice CNC da banco a tre assi. Queste macchine utilizzano solitamente sistemi di movimento lineare per posizionare l'utensile da taglio. Al contrario, una piattaforma pre-ingegnerizzata combina il posizionamento rotativo e lineare. In questo caso, due dispositivi rotanti azionati a cinghia, posizionati uno di fronte all'altro, supportano i carichi su cuscinetti rotanti di grande diametro. Uno di essi aziona 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 piattaforma pre-ingegnerizzata, semplice e senza complessità superflua. L'applicazione richiede una buona finitura superficiale piuttosto che una precisione di posizionamento, pertanto non sono necessari encoder e il sistema funziona ad anello aperto (con un potenziale risparmio di migliaia di dollari per macchina).
Un attuatore lineare a vite aziona l'asse lineare, consentendo al contempo 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 sull'asse Z e porta l'utensile di taglio sulla superficie del pezzo.

Il design rotante è rigido, il che contribuisce a rispettare le tolleranze di lavorazione. Un'opzione di lubrificazione 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 componenti interni dal fluido di taglio e dalla polvere ceramica. Al contrario, gli stadi XYZ richiedono soffietti ingombranti e coperture a "armadillo".

Il posizionamento rotatorio dell'utensile di taglio e del pezzo in lavorazione utilizza coordinate polari, non cartesiane (come avviene tipicamente nella cinematica CNC). Il controllore riceve comandi G-code XYZ e li converte in coordinate polari in tempo reale. Il vantaggio? Il movimento rotatorio è migliore di quello lineare per ottenere finiture superficiali lisce, perché anche i migliori cuscinetti lineari e le viti a ricircolo di sfere "ronzano" quando le sfere entrano ed escono da uno stato di carico. Questa vibrazione si propaga attraverso il sistema di movimentazione e può manifestarsi sui pezzi come variazioni periodiche della qualità superficiale.