モーションアクチュエータやステージをゼロから構築する場合、設計者は数百もの部品を発注、在庫管理、組み立てを行う必要があります。また、市場投入までの時間も長くなり、技術者と特殊な製造設備が必要になります。代替案としては、既製のモーションデバイスを注文する方法があります。

ステージとアクチュエータは、多くの場合、機械の部品表上の単なる部品です。適切な力、可搬重量、位置決め、速度を提供できるのであれば、機械メーカーはそれらに特別な検討時間を費やす必要はありません。しかし、企業は事前に設計されたステージとアクチュエータを使用することで、実際に機械を改良することができます。

このServoBeltリニアアクチュエータのようなプレエンジニアリングステージは、ブラケットやコネクタなどの部品点数を削減することで、コンポーネントベースのステージに比べて通常25～50%のコスト削減を実現します。また、設計コストや在庫管理コストも大幅に削減します。
適切に事前設計されたモーションサブシステムは、定義された物理空間内に収まり、機械の制御システムと連携します。通常、最上位のコンピュータインターフェース、制御カード、またはPLCからのコマンドを受け入れます。最もシンプルな事前設計されたシステムは、アクチュエータとコネクタのみで構成されます。複雑な事前設計されたステージでは、ペイロードを移動するための制御機能やエンドエフェクタが追加されます。

プレエンジニアリングされたステージは、カスタマイズされているため、部品を組み込んだシステムよりも優れた性能を発揮することがよくあります。一方、多くの機械メーカーは、ステージ（多くの場合、軸間のアライメント公差はミクロン単位）を調整するための熟練した技術者、治具、レーザー干渉計などの機器を備えていません。

制御戦略は設計の一部を左右するため、プレエンジニアリングされたステージは必ずしも従来の設計ルールに従うとは限りません。慣性の不一致を考慮してください。一般的な経験則としては、パッケージ済みのアンプとモーターの組み合わせのゲインプリセットを使用する際に問題を回避するために、ペイロード慣性対モーター慣性比を20:1未満に保つことが挙げられます。しかし、多くのプレエンジニアリングされたステージは、200:1（例えば回転テーブルでは4,500:1）の比率を実現しながらも、オーバーシュートのない正確な動作を実現しています。このような場合、メーカーはステージのチューニングゲインを動的に変更し、物理試験で検証します。これにより、より小型のモーターでも動作が可能になります。

このような回転ステージは、通常は位置決めに使用されますが、CNC工作機械にも適しています。プレエンジニアリングされたステージが最も多く使用される機械は、半導体、ウェットベンチ、レーザー切断、パッケージング、ラボオートメーションなどです。
プレエンジニアリングされたステージは信頼性も優れています。新しいモーションシステムの試運転では、一見些細な部品であっても、正常に動作しないことがあります。例えば、コネクタの故障で機械全体が停止してしまうこともあります。プレエンジニアリングされたステージは、機械に組み込む前に組み立てとテストが済んでいるため、そのような事態は発生しません。

例:直線運動
リニアドライブが2つの異なる動作を行うアプリケーションを考えてみましょう。1つは400mm/秒の長距離移動、もう1つは13mmの高速ジョグで、150ミリ秒以内に目標位置の10µm以内に収束する必要があります。移動質量は38kgで、1µmの光学式リニアエンコーダからのフィードバックに基づき、目標双方向精度は±5µmです。

従来のXYボールねじステージは、高価なゼロバックラッシュタイプを選択しない限り、十分な精度が得られません。リニアモーターも選択肢の一つですが、この用途では大型で高価になります。300Nの連続出力要件を満たすには長いモーターコイルしか使えないからです。コイルを長くすると、全体的な設計を大幅に変更する必要があり、他の選択肢よりも50%もコストが高くなります。

ServoBeltリニアアクチュエータをベースにしたこのプレエンジニアリングされた多軸ステージは、半導体製造装置に組み込む前にテストされています。ステージはバックラッシュがゼロであるため、設計者は動的要件に合わせて制御を調整できます。これは、この装置で高速なインデックス動作を行う唯一の方法が、リニアエンコーダを使用してサーボループを閉じることであるため、モータからペイロードまでのバックラッシュのない駆動ラインが必要となるため、非常に便利です。
対照的に、ベルト駆動ドライブをベースにしたプレエンジニアリングステージはコスト効率に優れています。リニアエンコーダのみを使用したシングルループ制御で済むため、デュアルループ制御は不要です。また、このドライブは本質的に高い機械的ダンピング特性を備えているため、制御は高いチューニングゲイン（速度ゲインと位置ゲインの4倍）を実現し、整定時間を短縮できます。一方、リニアモーターではサーボアンプの電子回路でダンピングをシミュレートする必要があるため、位置ゲインの実現可能性が低下します。

例: 回転運動
別の用途として、3軸CNCデスクトップフライス盤を考えてみましょう。これらのフライス盤では通常、直線運動システムを用いて切削工具を位置決めします。一方、プレエンジニアリングされたステージは、回転と直線の位置決めを組み合わせています。このステージでは、2つのベルト駆動式回転装置が大径回転ベアリングを介して荷重を支え、互いに向かい合っています。1つは150,000rpmの空気駆動スピンドルを搭載しています。もう1つはワークピースを保持し、180°回転させることで、切削工具が40×40×40mmの体積内でワークピース表面の任意の点に到達できるようにします。

このCNCフライス盤は、必要以上に複雑にならないように設計されたステージを採用しています。このアプリケーションでは位置決め精度よりも良好な表面仕上げが求められるため、エンコーダを使わずオープンループで動作させることで、機械1台あたり数千ドルのコスト削減が期待できます。
ネジ駆動式のリニアアクチュエータが直線軸を駆動し、切削ヘッドを備えた回転装置はワークピースを保持する装置に対して軸方向に移動します。3つの装置はすべて同期して動きます。直線軸はZ軸の位置決めを行い、切削工具をワークピースの表面に近づけます。

回転式ステージは剛性が高く、加工公差を満たす設計となっています。潤滑油交換不要オプションにより汚染の可能性を低減し、両回転ステージのエフェクタは切削室の壁にあるシンプルな回転シールを通して伸びています。シールは切削液や飛散するセラミック粉塵から内部機構を保護します。一方、XYZステージにはかさばるベローズとアルマジロカバーが必要です。

切削工具とワークピースの回転位置決めには、CNC機構で一般的な直交座標ではなく、極座標を使用します。コントローラはXYZ Gコードコマンドを受け取り、リアルタイムで極座標に変換します。そのメリットとは？滑らかな表面仕上げを実現するには、直線運動よりも回転運動の方が適しているということです。なぜなら、最高のリニアベアリングやボールねじでさえ、ボールが負荷状態から負荷状態へと循環する際に「振動」が発生するからです。この振動はモーションシステム全体に響き渡り、部品の表面品質に周期的な変動として現れることがあります。