Создание приводов движения и сцен с нуля вынуждает дизайнеров заказывать, инвентаризировать и собирать сотни деталей. Это также увеличивает время выхода на рынок и требует технических специалистов и специализированного производственного оборудования. Альтернативой является заказ готовых устройств движения.

Ступени и приводы часто являются просто позициями в спецификации машины. Если они обеспечивают правильную силу, полезную нагрузку, позиционирование и скорость, машиностроителям не нужно тратить время на их дополнительное внимание. Но на самом деле компании могут улучшить свои машины, используя предварительно спроектированные ступени и приводы.

Предварительно спроектированные ступени, такие как этот линейный привод ServoBelt, обычно стоят на 25–50 % дешевле, чем их компонентные аналоги, благодаря меньшему количеству деталей, особенно кронштейнов и соединителей. Они также сокращают затраты, связанные с проектированием и поддержанием запасов.
Правильно спроектированные подсистемы движения помещаются в определенное физическое пространство и связаны с элементами управления машиной. Обычно они принимают команды от компьютерного интерфейса верхнего уровня, карты управления или ПЛК. Простейшие предварительно спроектированные системы состоят не более чем из привода и разъемов. В сложные предварительно спроектированные этапы добавляются элементы управления и даже конечные исполнительные механизмы для перемещения полезной нагрузки.

Предварительно спроектированные этапы часто превосходят по производительности системы, построенные на компонентах, поскольку они индивидуализированы. Напротив, у многих машиностроителей нет квалифицированных технических специалистов, приспособлений, лазерных интерферометров и другого оборудования для выравнивания столиков (которые часто имеют допуски на выравнивание по осям, измеряемые в микронах).

Стратегия управления диктует некоторые аспекты проектирования, поэтому предварительно спроектированные этапы не всегда следуют традиционным правилам проектирования. Учитывайте несоответствие инерции. Типичное эмпирическое правило — поддерживать соотношение инерции полезной нагрузки к инерции двигателя ниже 20:1, чтобы избежать проблем при использовании предустановок усиления готовых комбинаций усилителя и двигателя. Но многие предварительно спроектированные платформы имеют передаточное отношение 200:1 (или даже 4500:1 на поворотных столах, например) и при этом выполняют точные перемещения без перерегулирования. Здесь производитель динамически изменяет коэффициенты усиления каскада и проверяет их с помощью физических испытаний. Это позволяет двигателям меньшего размера выполнять эту работу.

Поворотные этапы, подобные этому, обычно используются для позиционирования, но также подходят для станков с ЧПУ. Машины, в которых чаще всего используются предварительно спроектированные этапы, — это вплавленные полупроводники, станки для мокрой обработки, лазерная резка, упаковка и автоматизация лабораторий.
Предварительно спроектированные ступени также надежны. При вводе в эксплуатацию новых систем движения отдельные, казалось бы, незначительные компоненты не могут правильно работать вместе. Например, неисправный разъем может вывести из строя всю машину. Предварительно спроектированные этапы собираются и тестируются перед установкой в ​​машины, чтобы этого не произошло.

Пример: линейное движение
Рассмотрим приложение, в котором линейный привод выполняет два разных перемещения. Один из них — это длинное перемещение со скоростью 400 мм/с, а другой — высокоскоростной толчок со скоростью 13 мм, который должен установиться в пределах 10 мкм от заданного положения за 150 мс. Перемещаемая масса составляет 38 кг с целевой двунаправленной точностью ±5 мкм на основе обратной связи от оптического линейного энкодера 1 мкм.

Традиционные XY-шариковые ступени недостаточно точны, если только производитель не выберет дорогие версии с нулевым люфтом. Линейные двигатели являются еще одним вариантом, но для этого применения они будут большими и дорогими, поскольку только длинная катушка двигателя будет соответствовать требованию непрерывной силы 300 Н. Длинная катушка также потребует радикальных изменений в общей конструкции, что сделает ее на 50% дороже, чем другие варианты.

Этот заранее сконструированный многоосный столик на основе линейных приводов ServoBelt тестируется перед установкой его на машину для производства полупроводников. Сцена имеет нулевой люфт, поэтому дизайнер может настроить элементы управления в соответствии с динамическими требованиями. Это полезно, потому что единственный способ сделать быстрое перемещение индекса на этой машине — это замкнуть сервоконтуры с помощью линейного энкодера, для чего требуется безлюфтовая трансмиссия от двигателя к полезной нагрузке.
Напротив, предварительно спроектированная ступень на основе ременного привода является экономически эффективной. Ему не требуется двухконтурное управление, поскольку можно обойтись одноконтурным управлением, используя только линейный энкодер. Привод также имеет высокое механическое демпфирование, что позволяет органам управления иметь высокие коэффициенты усиления настройки (в четыре раза превышающие коэффициенты скорости и положения) при коротком времени стабилизации. Напротив, линейные двигатели должны имитировать демпфирование в электронике сервоусилителя, что снижает возможный позиционный выигрыш.

Пример: вращательное движение
Рассмотрим еще одно применение — трехкоординатный настольно-фрезерный станок с ЧПУ. Обычно они используют системы линейного перемещения для позиционирования режущего инструмента. Напротив, предварительно спроектированный столик сочетает в себе вращательное и линейное позиционирование. Здесь два вращающихся устройства с ременным приводом несут нагрузку на поворотных подшипниках большого диаметра и обращены друг к другу. Один оснащен шпинделем с пневматическим приводом со скоростью 150 000 об/мин. Другой удерживает заготовку и вращает ее на 180°, так что режущий инструмент может достичь любой точки поверхности заготовки в объеме 40 × 40 × 40 мм.

В этом фрезерном станке с ЧПУ используется заранее сконструированный этап, который не более сложен, чем должен быть. Приложению требуется хорошее качество поверхности, а не точность позиционирования, поэтому он отказывается от энкодеров и работает с открытым контуром (потенциально экономя тысячи долларов на машине).
Линейный привод с винтовым приводом приводит в движение линейную ось, но позволяет вращательному устройству с режущими головками перемещаться в осевом направлении относительно устройства, удерживающего заготовку. Все три устройства работают синхронно. Линейная ось управляет позиционированием оси Z и подводит режущий инструмент к поверхности заготовки.

Вращающаяся конструкция является жесткой, что позволяет конструкции соответствовать допускам механической обработки. Вариант со смазкой на весь срок службы снижает вероятность загрязнения, а исполнительные механизмы на обеих вращающихся ступенях проходят через простые вращающиеся уплотнения в стенке режущей камеры. Уплотнения защищают внутренние детали от смазочно-охлаждающей жидкости и летящей керамической пыли. Напротив, для ступеней XYZ требуются громоздкие сильфоны и кожухи броненосца.

Вращательное позиционирование режущего инструмента и заготовки использует полярные координаты, а не декартовые (как это типично для кинематики ЧПУ). Контроллер принимает команды XYZ G-кода и преобразует их в полярные координаты в реальном времени. Выгода? Вращательное движение лучше, чем линейное, для создания гладкой поверхности, потому что даже лучшие линейные подшипники и шарико-винтовые передачи «грохочут», когда шарики циркулируют в нагруженном состоянии и из него. Этот грохот отражается на всей системе перемещения и может проявляться на деталях в виде периодических изменений качества поверхности.