Construir atuadores e estágios de movimento do zero obriga os projetistas a encomendar, armazenar 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-fabricados.

Os estágios e atuadores são frequentemente 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 gastar tempo considerando-os adicionalmente. Mas as empresas podem, na verdade, melhorar suas máquinas usando estágios e atuadores pré-projetados.

Estágios pré-fabricados como este atuador linear ServoBelt normalmente custam de 25 a 50% menos do que suas contrapartes baseadas em componentes, graças à redução no número de peças, especialmente de suportes e conectores. Eles também reduzem drasticamente os custos relacionados ao projeto e à manutenção de estoques.
Os subsistemas de movimento pré-projetados adequadamente se encaixam em um espaço físico definido e se integram aos controles da máquina. Normalmente, eles recebem comandos de uma interface de computador de nível superior, placa de controle ou CLP (Controlador Lógico Programável). 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 atuadores finais para movimentar cargas úteis.

As plataformas pré-fabricadas geralmente apresentam desempenho superior aos sistemas construídos com componentes individuais, pois são personalizadas. Em contrapartida, muitos fabricantes de máquinas não possuem os técnicos especializados, dispositivos de fixação, interferômetros a laser e outros equipamentos necessários para alinhar as plataformas (que frequentemente apresentam tolerâncias de alinhamento entre eixos medidas em mícrons).

A estratégia de controle dita parte do projeto, portanto, os estágios pré-fabricados nem sempre seguem as regras de projeto tradicionais. Considere a incompatibilidade de inércia. Uma regra prática comum é manter a relação entre a inércia da carga útil e a inércia do motor abaixo de 20:1 para evitar problemas ao usar os ajustes de ganho predefinidos de conjuntos de amplificador e motor pré-fabricados. Mas muitos estágios pré-fabricados têm relações de até 200:1 (ou mesmo 4.500:1 em mesas rotativas, por exemplo) e ainda realizam movimentos precisos sem ultrapassagem. Nesses casos, o fabricante altera dinamicamente os ganhos de sintonia do estágio e os valida com testes físicos. Isso permite que motores menores executem a tarefa.

Mesas rotativas como esta são normalmente usadas para posicionamento, mas também são adequadas para máquinas CNC. As máquinas que mais utilizam mesas pré-fabricadas são as de semicondutores fundidos, bancadas úmidas, corte a laser, embalagens e automação laboratorial.
As plataformas pré-fabricadas também são confiáveis. Ao colocar em funcionamento novos sistemas de movimento, componentes individuais, aparentemente insignificantes, podem apresentar falhas de funcionamento em conjunto. Por exemplo, um conector defeituoso pode paralisar toda a máquina. As plataformas pré-fabricadas são montadas e testadas antes de serem instaladas nas máquinas, evitando que isso aconteça.

Exemplo: Movimento linear
Considere uma aplicação em que um atuador linear realiza dois movimentos distintos. Um deles é um longo deslocamento a 400 mm/s, e o outro é um pequeno deslocamento rápido de 13 mm que deve estabilizar a uma precisão de 10 µm da posição alvo em 150 ms. A massa em movimento é de 38 kg, com uma precisão bidirecional alvo de ±5 µm, baseada no feedback de um encoder linear óptico de 1 µm.

Os estágios tradicionais de fusos de esferas XY não são precisos o suficiente, a menos que o projetista opte por versões caras com folga zero. Motores lineares são outra opção, mas para esta aplicação seriam grandes e caros, já que apenas uma bobina longa atenderia à exigência de 300 N de força contínua. Uma bobina longa também exigiria alterações significativas no projeto geral, tornando-a 50% mais cara do que outras opções.

Esta plataforma multieixos pré-fabricada, baseada em atuadores lineares ServoBelt, é testada antes de ser adicionada a uma máquina de fabricação de semicondutores. A plataforma não possui folga, 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 laços de servo utilizando o encoder linear, o que exige uma transmissão sem folga entre o motor e a carga útil.
Em contraste, um estágio pré-projetado baseado em acionamentos por correia é economicamente vantajoso. 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 ganhos de ajuste elevados (até quatro vezes os ganhos de velocidade e posição) para tempos de estabilização curtos. Em contrapartida, os motores lineares precisam simular o amortecimento na eletrônica do servoamplificador, o que reduz o ganho de posição possível.

Exemplo: Movimento rotativo
Considere outra aplicação: uma fresadora CNC de mesa de três eixos. Normalmente, essas máquinas utilizam sistemas de movimento linear para posicionar a ferramenta de corte. Em contraste, uma plataforma pré-projetada combina posicionamento rotativo e linear. Nela, dois dispositivos rotativos acionados por correia suportam cargas em rolamentos rotativos de grande diâmetro e ficam posicionados um de frente para o outro. Um deles suporta um fuso pneumático de 150.000 rpm. O outro segura a peça de trabalho e a gira 180°, permitindo que a ferramenta de corte alcance qualquer ponto da superfície da peça em um volume de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza uma plataforma pré-projetada que não é mais complexa do que o necessário. A aplicação exige um bom acabamento superficial em vez de precisão de posicionamento, portanto, dispensa encoders e opera em malha aberta (o que pode gerar uma economia de milhares de dólares por máquina).
Um atuador linear acionado por parafuso movimenta o eixo linear, mas permite que o dispositivo rotativo com as cabeças de corte se desloque axialmente em relação ao dispositivo que segura a peça. Todos os três dispositivos se movem em sincronia. O eixo linear controla o posicionamento no eixo Z e aproxima a ferramenta de corte da face da peça.

O design rotativo é rígido, o que contribui para que o projeto atenda às tolerâncias de usinagem. Uma opção de lubrificação permanente reduz a possibilidade de contaminação, e os atuadores em ambos os estágios rotativos se estendem através de vedações rotativas simples em uma parede da câmara de corte. As vedações protegem os componentes internos do fluido de corte e da poeira cerâmica. Em contraste, os estágios XYZ requerem foles volumosos e coberturas rígidas.

O posicionamento rotativo da ferramenta de corte e da peça utiliza coordenadas polares, e não cartesianas (como é típico na cinemática CNC). O controlador recebe comandos G-code XYZ e os converte em coordenadas polares em tempo real. Qual a vantagem? O movimento rotativo é superior ao linear para criar acabamentos superficiais suaves, pois mesmo os melhores rolamentos lineares e fusos de esferas vibram à medida que as esferas entram e saem de um estado carregado. Essa vibração reverbera por todo o sistema de movimento e pode se manifestar nas peças como variações periódicas na qualidade da superfície.