Sıfırdan hareket aktüatörleri ve aşamaları oluşturmak, tasarımcıları yüzlerce parçayı sipariş etmeye, envanterini çıkarmaya ve monte etmeye zorlar. Aynı zamanda pazara sunma süresini de arttırır ve teknisyenler ile özel üretim ekipmanı gerektirir. Bir alternatif, önceden tasarlanmış hareket cihazları sipariş etmektir.

Aşamalar ve aktüatörler genellikle bir makinenin malzeme listesinde yer alan öğelerdir. Doğru gücü, taşıma yükünü, konumlandırmayı ve hızı sağlarlarsa makine üreticilerinin bunlara ekstra önem vererek zaman harcamasına gerek kalmaz. Ancak şirketler aslında önceden tasarlanmış aşamaları ve aktüatörleri kullanarak makinelerini geliştirebilirler.

Bu ServoBelt lineer aktüatör gibi önceden tasarlanmış aşamalar, özellikle braketler ve konektörler olmak üzere azaltılmış parça sayıları sayesinde genellikle bileşen bazlı muadillerine göre %25 ila %50 daha düşük maliyetlidir. Ayrıca stokların tasarlanması ve bakımıyla ilgili maliyetleri de azaltırlar.
Düzgün bir şekilde önceden tasarlanmış hareket alt sistemleri, tanımlanmış bir fiziksel alana sığar ve makinenin kontrollerine bağlanır. Genellikle üst düzey bir bilgisayar arayüzünden, kontrol kartından veya PLC'den gelen komutları kabul ederler. En basit önceden tasarlanmış sistemler, bir aktüatör ve konektörlerden biraz daha fazlasını içerir. Önceden tasarlanmış karmaşık aşamalar, yükleri taşımak için kontroller ve hatta uç efektörler ekler.

Önceden tasarlanmış aşamalar, özelleştirilmiş oldukları için çoğu zaman bileşenle oluşturulmuş sistemlerden daha iyi performans gösterir. Buna karşılık, pek çok makine üreticisi, aşamaları hizalayacak yetenekli teknisyenlere, donanımlara, lazer interferometrelere ve diğer ekipmanlara (çoğunlukla mikron cinsinden ölçülen eksenden eksene hizalama toleranslarına sahiptir) sahip değildir.

Kontrol stratejisi tasarımın bir kısmını belirler, dolayısıyla önceden tasarlanmış aşamalar her zaman geleneksel tasarım kurallarına uymaz. Atalet uyumsuzluğunu düşünün. Tipik bir temel kural, önceden paketlenmiş amplifikatör ve motor kombinasyonlarının kazanç ön ayarlarını kullanırken sorunları önlemek için yük ataletinin motor ataletine oranını 20:1'in altında tutmaktır. Ancak önceden tasarlanmış birçok sahnenin oranları 200:1'e (hatta örneğin döner tablalarda 4.500:1'e) sahiptir ve yine de aşım olmadan hassas hareketler yapar. Burada üretici, sahnenin akort kazanımlarını dinamik olarak değiştiriyor ve bunları fiziksel testlerle doğruluyor. Bu, daha küçük motorların işi yapmasını sağlar.

Bunun gibi döner aşamalar genellikle konumlandırma için kullanılır, ancak aynı zamanda CNC makineleri için de uygundur. Önceden tasarlanmış aşamaları en çok kullanan makineler, kaynaşmış yarı iletken, ıslak tezgah, lazer kesim, paketleme ve laboratuvar otomasyonudur.
Önceden tasarlanmış aşamalar da güvenilirdir. Yeni hareket sistemlerini devreye alırken, tek tek, görünüşte küçük bileşenler birlikte düzgün şekilde çalışmaz. Örneğin hatalı bir konnektör tüm makineyi çökertebilir. Böyle bir durumun yaşanmaması için önceden tasarlanmış aşamalar makinelere yerleştirilmeden önce monte edilir ve test edilir.

Örnek: Doğrusal hareket
Doğrusal bir sürücünün iki farklı hareket yaptığı bir uygulamayı düşünün. Bunlardan biri 400 mm/sn'lik uzun bir yolculuk, diğeri ise 150 msn'de hedef pozisyonun 10 µm yakınına yerleşmesi gereken 13 mm'lik yüksek hızlı bir yavaşlamadır. Hareketli kütle 38 kg'dır ve 1 µm'lik optik doğrusal kodlayıcıdan gelen geri bildirime dayalı olarak ±5 µm'lik hedef çift yönlü doğruluk sağlar.

Geleneksel XY bilyalı vidalı aşamalar, inşaatçının pahalı sıfır boşluklu versiyonları seçmediği sürece yeterince hassas değildir. Doğrusal motorlar başka bir seçenektir ancak bu uygulama için büyük ve pahalı olacaktır, çünkü yalnızca uzun bir motor bobini 300 N sürekli kuvvet gereksinimini karşılayabilir. Uzun bir bobin aynı zamanda genel tasarımda kapsamlı değişiklikler gerektirecektir ve bu da onu diğer seçeneklere göre %50 daha maliyetli hale getirecektir.

ServoBelt lineer aktüatörleri temel alan bu önceden tasarlanmış çok eksenli tabla, yarı iletken üretim makinesine eklenmeden önce test edilir. Sahnede sıfır boşluk vardır, böylece tasarımcı kontrolleri dinamik gereksinimlere göre ayarlayabilir. Bu faydalıdır çünkü bu makinede hızlı indeks hareketleri yapmanın tek yolu, motordan yüke kadar boşluksuz bir aktarma organı gerektiren doğrusal kodlayıcıyı kullanarak servo döngüleri kapatmaktır.
Buna karşılık, kayışla tahrik edilen tahriklere dayalı, önceden tasarlanmış bir aşama uygun maliyetlidir. Çift döngülü kontrole ihtiyaç duymaz çünkü yalnızca doğrusal kodlayıcıyı kullanarak tek döngülü kontrolü gerçekleştirebilir. Sürücü aynı zamanda doğası gereği yüksek mekanik sönümlemeye sahiptir, bu da kontrollerin kısa yerleşme süreleri için yüksek ayar kazanımlarına (hız ve konum kazanımlarının dört katına kadar) sahip olmasını sağlar. Buna karşılık, lineer motorlar servo amplifikatör elektroniğindeki sönümlemeyi simüle etmelidir, bu da olası konumsal kazancı azaltır.

Örnek: Dönme hareketi
Başka bir uygulamayı düşünün: üç eksenli bir CNC masaüstü frezeleme makinesi. Bunlar genellikle kesici takımı konumlandırmak için doğrusal hareket sistemlerini kullanır. Buna karşılık, önceden tasarlanmış bir sahne, döner ve doğrusal konumlandırmayı birleştirir. Burada iki kayış tahrikli döner cihaz, yükleri geniş çaplı döner yataklar üzerinde taşıyor ve birbirlerine bakıyor. Bunlardan biri 150.000 devir/dakika havayla tahrik edilen bir iş mili taşır. Diğeri iş parçasını tutar ve 180° döndürür, böylece kesici takım iş parçasının yüzeyindeki herhangi bir noktaya 40 × 40 × 40 mm hacimde ulaşabilir.

Bu CNC freze makinesi, olması gerekenden daha karmaşık olmayan, önceden tasarlanmış bir aşama kullanır. Uygulama, konumlandırma doğruluğundan ziyade iyi bir yüzey kalitesine ihtiyaç duyar, bu nedenle kodlayıcılardan vazgeçilir ve açık döngü çalıştırılır (potansiyel olarak makine başına binlerce dolar tasarruf sağlar).
Vidayla çalışan bir doğrusal aktüatör, doğrusal ekseni tahrik eder ancak kesme kafalarına sahip döner cihazın, iş parçasını tutan cihaza göre eksenel olarak hareket etmesine izin verir. Her üç cihaz senkronize olarak hareket eder. Doğrusal eksen, Z ekseni konumlandırmasını yönetir ve kesici takımı iş parçasının yüzüne getirir.

Döner tasarım serttir, bu da tasarımın işleme toleranslarını karşılamasına yardımcı olur. Ömür boyu yağlama seçeneği kirlenme olasılığını azaltır ve her iki döner kademedeki efektörler, kesme odasının duvarındaki basit döner contalardan uzanır. Contalar iç aksamı kesme sıvısından ve uçuşan seramik tozundan korur. Bunun aksine, XYZ aşamaları büyük körükler ve armadillo örtüleri gerektirir.

Kesici takımın ve iş parçasının döner konumlandırılması Kartezyen değil kutupsal koordinatlar kullanır (CNC kinematiğinde olduğu gibi). Kontrol cihazı XYZ G kodu komutlarını alır ve bunları gerçek zamanlı olarak kutupsal koordinatlara dönüştürür. Faydası mı? Pürüzsüz yüzey kaplamaları oluşturmak için dönme hareketi doğrusal hareketten daha iyidir, çünkü en iyi doğrusal yataklar ve bilyalı vidalar bile bilyalar yüklü bir duruma girip çıkarken "gürültü" yapar. Bu gürültü, hareket sistemi boyunca yankılanır ve parçalar üzerinde periyodik yüzey kalitesi değişiklikleri olarak ortaya çıkabilir.