Создание приводов и сцен движения с нуля заставляет 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 элементами в спецификации машины. Если они обеспечивают правильную силу, полезную нагрузку, позиционирование и скорость, машиностроителям не нужно тратить время на их дополнительное рассмотрение. Но компании могут фактически улучшить свои машины, используя предварительно спроектированные ступени и приводы.

Предварительно спроектированные ступени, такие как этот линейный привод ServoBelt, обычно стоят на 25–50 % меньше, чем их компоненты-аналоги, благодаря уменьшению количества деталей, особенно кронштейнов и разъемов. Они также сокращают расходы, связанные с проектированием и поддержанием запасов.
Правильно спроектированные подсистемы движения вписываются в определенное физическое пространство и привязываются к элементам управления машины. Обычно они принимают команды от компьютерного интерфейса верхнего уровня, платы управления или ПЛК. Самые простые готовые системы состоят из немного большего, чем привод и разъемы. Сложные готовые этапы добавляют элементы управления и даже конечные эффекторы для перемещения полезных грузов.

Предварительно спроектированные этапы часто превосходят системы, построенные из компонентов, потому что они настраиваются. Напротив, многие производители машин не имеют квалифицированных техников, приспособлений, лазерных интерферометров и другого оборудования для выравнивания этапов (которые часто имеют допуски выравнивания между осями, измеряемые в микронах).

Стратегия управления диктует часть конструкции, поэтому предварительно спроектированные ступени не всегда следуют традиционным правилам проектирования. Учитывайте несоответствие инерции. Типичное практическое правило заключается в том, чтобы поддерживать отношение инерции полезной нагрузки к инерции двигателя ниже 20:1, чтобы избежать проблем при использовании предустановок усиления предварительно упакованных комбинаций усилителя и двигателя. Но многие предварительно спроектированные ступени имеют отношение до 200:1 (или даже 4500:1 на поворотных столах, например) и по-прежнему совершают точные движения без перерегулирования. Здесь производитель динамически изменяет усиление настройки ступени и проверяет их с помощью физических испытаний. Это позволяет более мелким двигателям выполнять эту работу.

Поворотные этапы, подобные этому, обычно используются для позиционирования, но также подходят для станков с ЧПУ. Станки, которые используют предварительно спроектированные этапы, чаще всего — это полупроводниковые, мокрые, лазерные, упаковочные и лабораторные.
Предварительно спроектированные этапы также надежны. При вводе в эксплуатацию новых систем движения отдельные, на первый взгляд незначительные компоненты не работают вместе должным образом. Например, неисправный соединитель 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 движения. Одно — это длинный ход со скоростью 400 мм/сек, а другое — высокоскоростной толчок на 13 мм, который должен установиться в пределах 10 мкм от целевого положения за 150 мс. Движущаяся масса составляет 38 кг с целевой двунаправленной точностью ±5 мкм на основе обратной связи от оптического линейного энкодера 1 мкм.

Традиционные шарико-винтовые ступени XY недостаточно точны, если только производитель не выбирает дорогие версии с нулевым люфтом. Линейные двигатели — еще один вариант, но для этого применения они будут большими и дорогими, так как только длинная катушка двигателя будет соответствовать требованию 300 Н непрерывной силы. Длинная катушка также потребует радикальных изменений в общей конструкции, что сделает ее на 50% дороже других вариантов.

Эта предварительно спроектированная многоосевая ступень на основе линейных приводов ServoBelt тестируется перед добавлением ее в машину для производства полупроводников. Ступень имеет нулевой люфт, поэтому конструктор может настроить элементы управления в соответствии с динамическими требованиями. Это полезно, поскольку единственный способ сделать быстрые индексные перемещения в этой машине — закрыть сервопетли с помощью линейного энкодера, для чего требуется безлюфтовая трансмиссия от двигателя до полезной нагрузки.
Напротив, предварительно спроектированная ступень на основе ременных приводов является экономически эффективной. Ей не нужно двухконтурное управление, поскольку она может обойтись одноконтурным управлением, используя только линейный энкодер. Привод также имеет изначально высокое механическое демпфирование, что позволяет элементам управления иметь высокие коэффициенты усиления настройки (до четырехкратного увеличения скорости и позиционного усиления) для коротких периодов установления. Напротив, линейные двигатели должны имитировать демпфирование в электронике сервоусилителя, что снижает возможный позиционный коэффициент усиления.

Пример: Вращательное движение
Рассмотрим еще одно применение — трехкоординатный настольный 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 вращающихся подшипниках большого диаметра и обращены друг к другу. Одно несет пневматический шпиндель со скоростью 150 000 об/мин. Другое удерживает заготовку и вращает ее на 180°, так что режущий инструмент может достичь любой точки на поверхности заготовки в объеме 40 × 40 × 40 мм.

Этот фрезерный станок с ЧПУ использует предварительно спроектированный этап, который не сложнее, чем нужно. Для приложения требуется хорошая отделка поверхности, а не точность позиционирования, поэтому он отказывается от энкодеров и работает по открытому контуру (потенциально экономя тысячи долларов на станок).
Линейный привод с винтовым приводом приводит в движение линейную ось, но позволяет вращающемуся устройству с режущими головками перемещаться в осевом направлении относительно устройства, удерживающего заготовку. Все три устройства движутся синхронно. Линейная ось управляет позиционированием оси Z и подводит режущий инструмент к поверхности заготовки.

Конструкция ротора жесткая, что помогает конструкции соответствовать допускам обработки. Опция со смазкой на весь срок службы снижает вероятность загрязнения, а эффекторы на обеих ступенях ротора проходят через простые уплотнения ротора в стенке камеры резки. Уплотнения защищают внутренние детали от смазочно-охлаждающей жидкости и летящей керамической пыли. Напротив, ступени XYZ требуют громоздких сильфонов и броненосных кожухов.

Вращательное позиционирование режущего инструмента и заготовки использует полярные координаты, а не декартовы (как это типично для кинематики ЧПУ). Контроллер принимает команды G-кода XYZ и преобразует их в полярные координаты в реальном времени. Преимущество? Вращательное движение лучше линейного для создания гладких поверхностей, потому что даже лучшие линейные подшипники и шариковые винты «грохотают», когда шарики циркулируют в нагруженном состоянии и из него. Этот грохот отражается через систему движения и может проявляться на деталях в виде периодических изменений качества поверхности.