Construir atuadores e estágios de movimento do zero obriga os projetistas a encomendar, inventariar e montar centenas de peças. Isso também aumenta o tempo de lançamento no mercado e exige técnicos e equipamentos de produção especializados. Uma alternativa é encomendar dispositivos de movimento pré-projetados.

Estágios e atuadores costumam ser 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 precisam perder tempo considerando-os. Mas as empresas podem, na verdade, aprimorar suas máquinas usando estágios e atuadores pré-projetados.

Estágios pré-projetados como este atuador linear ServoBelt costumam custar de 25% a 50% menos do que seus equivalentes baseados em componentes, graças à redução no número de peças, especialmente de suportes e conectores. Eles também reduzem os custos relacionados ao projeto e à manutenção de estoques.
Subsistemas de movimento devidamente pré-projetados se encaixam em um espaço físico definido e se conectam aos controles da máquina. Normalmente, eles aceitam comandos de uma interface de computador de nível superior, placa de controle ou CLP. Os sistemas pré-projetados mais simples consistem em pouco mais do que um atuador e conectores. Estágios pré-projetados complexos adicionam controles e até mesmo efetores finais para movimentar cargas úteis.

Estágios pré-projetados frequentemente superam os sistemas construídos com componentes porque são personalizados. Em contrapartida, muitos fabricantes de máquinas não possuem técnicos qualificados, fixações, interferômetros a laser e outros equipamentos para alinhar os estágios (que geralmente têm tolerâncias de alinhamento entre eixos medidas em mícrons).

A estratégia de controle dita parte do projeto, portanto, 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-embaladas de amplificador e motor. Mas muitos estágios pré-projetados têm relações de até 200:1 (ou até 4.500:1 em mesas rotativas, por exemplo) e ainda realizam movimentos precisos sem overshoot. Aqui, o fabricante altera dinamicamente os ganhos de ajuste do estágio e os valida com testes físicos. Isso permite que motores menores façam o trabalho.

Mesas rotativas como esta são normalmente usadas para posicionamento, mas também são adequadas para máquinas CNC. As máquinas que mais utilizam mesas pré-projetadas são as de semicondutores fundidos, bancadas úmidas, corte a laser, embalagens e automação de laboratório.
Estágios pré-projetados também são confiáveis. Ao comissionar novos sistemas de movimento, componentes individuais, aparentemente insignificantes, não funcionam corretamente em conjunto. Por exemplo, um conector defeituoso pode derrubar uma máquina inteira. 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 longo percurso a 400 mm/seg, e o outro é um deslocamento de alta velocidade de 13 mm que deve se estabilizar a 10 µm da posição alvo em 150 mseg. A massa em movimento é de 38 kg com uma precisão bidirecional de ±5 µm, com base no feedback de um codificador linear óptico de 1 µm.

Os estágios tradicionais de fuso de esferas XY não são precisos o suficiente, a menos que o fabricante opte por versões caras e sem folga. Motores lineares são outra opção, mas para esta aplicação seriam grandes e caros, pois apenas uma bobina longa do motor atenderia ao requisito de 300 N de força contínua. Uma bobina longa também exigiria mudanças radicais no projeto 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 estágio possui folga zero, permitindo que o projetista ajuste os controles às necessidades dinâmicas. Isso é útil porque a única maneira de realizar movimentos de indexação rápidos nesta máquina é fechar os servoloops usando o encoder linear, o que requer uma 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 malha dupla, pois pode funcionar com controle de malha única usando apenas o encoder linear. O acionamento também possui amortecimento mecânico inerentemente alto, o que permite que os controles tenham altos ganhos de sintonia (até quatro vezes os ganhos de velocidade e posicionamento) para tempos de estabilização curtos. Em contraste, os motores lineares precisam 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. Estas geralmente utilizam sistemas de movimento linear para posicionar a ferramenta de corte. Em contraste, uma mesa pré-projetada combina posicionamento rotativo e linear. Aqui, dois dispositivos rotativos acionados por correia suportam 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 a gira 180° para que a ferramenta de corte possa alcançar qualquer ponto da superfície da peça em um volume de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza um estágio pré-projetado que não é mais complexo do que o necessário. A aplicação exige um bom acabamento superficial em vez de precisão de posicionamento, dispensando codificadores e operando em malha aberta (o que pode economizar 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 se mova 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 no eixo Z e traz a ferramenta de corte para a face da peça de trabalho.

O design rotativo é rígido, o que ajuda a atender às tolerâncias de usinagem. A opção de lubrificação permanente reduz a possibilidade de contaminação, e os efetores em ambos os estágios rotativos se estendem por meio de vedações rotativas simples em uma parede da câmara de corte. As vedações protegem o mecanismo interno contra fluido de corte e poeira cerâmica projetada. Em contraste, os estágios XYZ exigem foles volumosos e tampas de proteção.

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 XYZ do código G e os converte em coordenadas polares em tempo real. A vantagem? O movimento rotativo é melhor do que o linear para criar acabamentos de superfície suaves, pois mesmo os melhores rolamentos lineares e fusos de esferas "ruem" conforme as esferas circulam para dentro e para fora de um estado carregado. Esse ruído reverbera por todo o sistema de movimento e pode se manifestar nas peças como variações periódicas na qualidade da superfície.