モーション アクチュエータとステージをゼロから構築すると、設計者は数百もの部品を注文、在庫確認し、組み立てる必要があります。また、市場投入までの時間が長くなり、技術者と特殊な生産設備が必要になります。別の方法として、事前に設計されたモーション デバイスを注文することもできます。

ステージとアクチュエーターは、多くの場合、機械の部品表に記載されている項目にすぎません。適切な力、積載量、位置決め、速度を提供できれば、機械メーカーはそれらについて特別な考慮を払うために時間を費やす必要はありません。しかし、企業は実際に、事前に設計されたステージとアクチュエーターを使用することで機械を改善できます。

この ServoBelt リニア アクチュエータのような事前設計されたステージは、特にブラケットやコネクタなどの部品点数が削減されたため、通常、コンポーネントベースのステージに比べてコストが 25 ～ 50% 低くなります。また、設計や在庫の維持にかかるコストも削減されます。
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、マシンの制御に結びつけられます。通常、これらはトップレベルのコンピュータ インターフェイス、コントロール カード、または PLC からのコマンドを受け入れます。最も単純な事前設計されたシステムは、アクチュエーターとコネクターだけで構成されています。複雑な事前設計されたステージには、ペイロードを移動するためのコントロールやエンドエフェクターも追加されます。

事前に設計されたステージはカスタマイズされているため、多くの場合、コンポーネントで構築されたシステムよりも優れたパフォーマンスを発揮します。対照的に、多くの機械製造業者は、ステージを位置合わせするための熟練した技術者、治具、レーザー干渉計やその他の機器を持っていません（多くの場合、ミクロン単位で測定される軸間の位置合わせ公差があります）。

制御戦略は設計の一部を決定するため、事前に設計されたステージは必ずしも従来の設計ルールに従っているとは限りません。慣性の不一致を考慮してください。一般的な経験則では、パッケージ化された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場合の問題を回避するには、ペイロードの慣性とモーターの慣性の比を 20:1 未満に保つ必要があります。しかし、多くの事前設計されたステージの比率は 200:1 (たとえば、回転テーブルでは 4,500:1) であり、オーバーシュートなしで正確な動きを実現します。ここで、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、物理テストで検証します。これにより、より小型のモーターで作業を行うことができます。

このような回転ステージは通常、位置決めに使用されますが、CNC 機械にも適しています。プレエンジニアリングステージを最もよく使用する機械は、融合半導体、ウェットベンチ、レーザー切断、パッケージング、およびラボオートメーションです。
事前に設計されたステージも信頼性があります。新しいモーション システムを試運転する場合、個々の、一見些細なコンポーネントが適切に連携して動作しません。たとえば、コネクタに欠陥があると、マシン全体が停止する可能性があります。事前に設計されたステージは、機械に組み込まれる前に組み立てられ、テストされるため、そのようなことは起こりません。

例：直線運動
リニアドライブが 2 つの異なる動きをするアプリケーションを考えてみましょう。 1 つは 400 mm/秒の長い移動で、もう 1 つは 150 ミリ秒以内に目標位置の 10 µm 以内に落ち着く必要がある 13 mm の高速ジョグです。移動質量は 38 kg で、1 µm 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いた目標の双方向精度は ±5 µm です。

従来の XY ボールネジ ステージは、製造者が高価なゼロ バックラッシュ バージョンを選択しない限り、十分な精度が得られません。リニア モーターも別の選択肢ですが、この用途では、300 N の連続力の要件を満たすのは長いモーター コイルだけであるため、大型で高価になります。また、コイルが長いと全体の設計を大幅に変更する必要があり、他のオプションよりもコストが 50% 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事前設計された多軸ステージは、半導体製造機に追加する前にテストされます。ステージにはバックラッシュがないため、設計者は動的な要件に合わせて制御を調整できます。この機械で高速インデックス移動を行う唯一の方法はリニア エンコーダを使用してサーボループを閉じることですが、これにはモーターからペイロードまでバックラッシュのないドライブラインが必要であるため、これは役に立ちます。
対照的に、ベルト駆動ドライブに基づいた事前設計されたステージはコスト効率が優れています。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必要ありません。また、ドライブには本質的に高い機械的ダンピングが備わっており、これにより、短い整定時間で制御に高いチューニング ゲイン (速度ゲインと位置ゲインの 4 倍まで) を持たせることができます。対照的に、リニア モーター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、位置ゲインが減少します。

例：回転運動
別のアプリケーションである 3 軸 CNC 卓上フライス盤を考えてみましょう。これらは通常、直線運動システムを使用して切削工具の位置を決めます。対照的に、プレエンジニアリングされたステージは、回転位置決めと直線位置決めを組み合わせています。ここでは、2 つのベルト駆動回転装置が大径回転軸受に荷重を担持し、互いに対向しています。 1 つは 150,000 rpm のエア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 度回転させて、切削工具がワークピース表面の 40 × 40 × 40 mm の範囲内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、必要以上に複雑ではない事前設計されたステージを使用しています。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必要なため、エンコーダーを省略してオープン ループを実行します (マシンあたり数千ドルを節約できる可能性があります)。
ネジ駆動のリニア アクチュエータは直線軸を駆動しますが、カッティング ヘッドを備えた回転装置をワークピースを保持する装置に対して軸方向に移動させます。 3 つのデバイスはすべて同期して動きます。直線軸は Z 軸の位置決めを処理し、切削工具をワークピースの面に近づけます。

ロータリー設計は剛性が高く、設計が機械加工公差を満たすのに役立ちます。永久潤滑オプションにより汚染の可能性が軽減され、両方の回転ステージのエフェクターは切断チャンバーの壁にある単純な回転シールを通って伸びています。シールは切削液や飛び散るセラミック粉塵から内部構造を保護します。対照的に、XYZ ステージにはかさばるジャバラとアルマジロ 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 運動学で一般的な) デカルト座標ではなく、極座標が使用されます。コントローラーは XYZ G コード コマンドを受け取り、それらをリアルタイムで極座標に変換します。メリットは？滑らかな表面仕上げを作成するには、直線運動よりも回転運動の方が優れています。これは、最高のリニア ベアリングやボールねじであっても、ボールが負荷状態に出入りする際に「振動」するためです。このランブルはモーション システムを通じて反響し、周期的な表面品質の変化として部品に現れることがあります。