Construir atuadores de movimento e estágios do zero força os projetistas a solicitar, inventariar e montar centenas de peças. Também aumenta o tempo de colocação no mercado e requer técnicos e equipamentos de produção especializados. Uma alternativa é encomendar dispositivos de movimento pré-projetados.

Estágios e atuadores geralmente são apenas itens na lista de materiais de uma máquina. Se eles fornecerem a força, a carga útil, o posicionamento e a velocidade corretos, os fabricantes de máquinas não precisarão perder tempo dando-lhes consideração extra. Mas as empresas podem realmente melhorar suas máquinas usando estágios e atuadores pré-projetados.

Estágios pré-projetados como este atuador linear ServoBelt normalmente custam de 25 a 50% menos do que seus equivalentes baseados em componentes, graças à contagem reduzida de peças, especialmente de suportes e conectores. Eles também reduzem custos relacionados ao projeto e à manutenção de estoques.
Subsistemas de movimento adequadamente pré-projetados cabem em um espaço físico definido e se conectam aos controles da máquina. Eles normalmente aceitam comandos de uma interface de computador de nível superior, cartão de controle ou PLC. Os sistemas pré-projetados mais simples consistem em pouco mais que um atuador e conectores. Estágios complexos pré-projetados adicionam controles e até mesmo efetores finais para mover cargas úteis.

Os estágios pré-projetados geralmente superam os sistemas construídos por componentes porque são personalizados. Em contraste, muitos fabricantes de máquinas não possuem técnicos qualificados, acessórios, interferômetros a laser e outros equipamentos para alinhar estágios (que geralmente têm tolerâncias de alinhamento eixo a eixo medidas em mícrons).

A estratégia de controle determina parte do projeto, portanto os estágios pré-projetados nem sempre seguem as regras tradicionais de projeto. Considere a incompatibilidade de inércia. Uma regra prática típica é manter a relação entre a inércia da carga útil e a inércia do motor abaixo de 20:1 para evitar problemas ao usar as predefinições de ganho de combinações pré-empacotadas de amplificador e motor. Mas muitos estágios pré-projetados têm proporções de 200:1 (ou até 4.500:1 em mesas rotativas, por exemplo) e ainda fazem movimentos precisos sem overshoot. Aqui, o fabricante altera dinamicamente os ganhos de ajuste do palco e os valida com testes físicos. Isso permite que motores menores façam o trabalho.

Estágios rotativos como este são normalmente usados ​​para posicionamento, mas também são adequados para máquinas CNC. As máquinas que mais usam estágios pré-projetados são semicondutores fundidos, bancada úmida, corte a laser, embalagem e automação de laboratório.
Os estágios pré-projetados também são confiáveis. Ao comissionar novos sistemas de movimento, componentes individuais aparentemente menores não funcionam corretamente juntos. Por exemplo, um conector defeituoso pode derrubar uma máquina inteira. Os estágios pré-projetados são montados e testados antes de serem colocados nas máquinas, para que isso não aconteça.

Exemplo: movimento linear
Considere uma aplicação na qual um acionamento linear realiza dois movimentos diferentes. Um é um curso longo a 400 mm/s e o outro é um movimento de alta velocidade de 13 mm que deve se estabilizar dentro de 10 µm da posição alvo em 150 ms. A massa móvel é de 38 kg com uma precisão bidirecional alvo de ±5 µm com base no feedback de um codificador linear óptico de 1 µm.

Os estágios tradicionais de parafuso esférico XY não são precisos o suficiente, a menos que o construtor escolha versões caras com folga zero. Os motores lineares são outra opção, mas para esta aplicação seriam grandes e caros, pois apenas uma bobina de motor longa atenderia ao requisito de 300 N de força contínua. Uma bobina longa também exigiria mudanças radicais no design geral, tornando-a 50% mais cara do que outras opções.

Este estágio multieixo pré-projetado baseado em atuadores lineares ServoBelt é testado antes de ser adicionado a uma máquina de fabricação de semicondutores. O palco não tem folga, então o projetista pode ajustar os controles de acordo com os requisitos dinâmicos. Isso é útil porque a única maneira de fazer movimentos de índice rápidos nesta máquina é fechar os servoloops usando o codificador linear, o que requer uma linha de transmissão sem folga do motor à carga útil.
Em contraste, um estágio pré-projetado baseado em acionamentos por correia é econômico. Ele não precisa de controle de loop duplo porque pode funcionar com controle de loop único usando apenas o codificador linear. O drive também possui amortecimento mecânico inerentemente alto, o que permite que os controles tenham altos ganhos de ajuste (até quatro vezes a velocidade e os ganhos de posição) para tempos de ajuste curtos. Em contrapartida, os motores lineares devem simular o amortecimento na eletrônica do servoamplificador, o que reduz o possível ganho posicional.

Exemplo: movimento rotativo
Considere outra aplicação – uma fresadora CNC de mesa de três eixos. Geralmente usam sistemas de movimento linear para posicionar a ferramenta de corte. Em contraste, um estágio pré-projetado combina posicionamento rotativo e linear. Aqui, dois dispositivos rotativos acionados por correia transportam cargas em rolamentos rotativos de grande diâmetro e ficam frente a frente. Um deles carrega um fuso pneumático de 150.000 rpm. O outro segura a peça e gira-a 180° para que a ferramenta de corte possa atingir qualquer ponto da superfície da peça em um volume de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC usa um estágio pré-projetado que não é mais complexo do que o necessário. A aplicação precisa de um bom acabamento superficial em vez de precisão de posicionamento, portanto, dispensa codificadores e executa circuito aberto (potencialmente economizando milhares de dólares por máquina).
Um atuador linear acionado por parafuso aciona o eixo linear, mas permite que o dispositivo rotativo com as cabeças de corte transfira axialmente em relação ao dispositivo que segura a peça de trabalho. Todos os três dispositivos se movem em sincronia. O eixo linear controla o posicionamento do eixo Z e traz a ferramenta de corte para a face da peça de trabalho.

O projeto rotativo é rígido, o que ajuda o projeto a atender às tolerâncias de usinagem. Uma opção com lubrificação vitalícia reduz a possibilidade de contaminação, e os efetores em ambos os estágios rotativos se estendem através de vedações rotativas simples em uma parede da câmara de corte. As vedações protegem o funcionamento interno contra fluidos de corte e poeira cerâmica voadora. Em contraste, os estágios XYZ requerem foles volumosos e coberturas de tatu.

O posicionamento rotativo da ferramenta de corte e da peça utiliza coordenadas polares, não cartesianas (como é típico da cinemática CNC). O controlador recebe comandos do código G XYZ e os converte em coordenadas polares em tempo real. O benefício? O movimento rotativo é melhor do que o linear para criar acabamentos superficiais lisos, porque mesmo os melhores rolamentos lineares e fusos de esferas “fazem barulho” à medida que as esferas circulam dentro e fora de um estado carregado. Esse ruído reverbera através do sistema de movimento e pode aparecer nas peças como variações periódicas na qualidade da superfície.