Sıfırdan hareket aktüatörleri ve sahneleri inşa etmek, tasarımcıları yüzlerce parçayı sipariş etmeye, envantere almaya ve birleştirmeye zorlar. Ayrıca pazara sunma süresini uzatır ve teknisyenler ve özel üretim ekipmanları gerektirir. Bir alternatif, önceden tasarlanmış hareket cihazları sipariş etmektir.

Aşamalar ve aktüatörler genellikle bir makinenin malzeme listesindeki öğelerdir. Doğru kuvveti, yükü, konumlandırmayı ve hızı sağlarlarsa, makine üreticilerinin bunlara ekstra önem vermek için zaman harcamasına gerek kalmaz. Ancak şirketler önceden tasarlanmış aşamalar ve aktüatörler kullanarak makinelerini gerçekten geliştirebilirler.

Bu ServoBelt doğrusal aktüatör gibi önceden tasarlanmış aşamalar, özellikle braketler ve konektörler olmak üzere parça sayılarının azaltılması sayesinde, bileşen tabanlı muadillerinden genellikle %25 ila %50 daha az maliyetlidir. Ayrıca tasarım ve envanter bakımıyla ilgili maliyetleri de düşürürler.
Uygun 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 fazlasından oluşur. Karmaşık önceden tasarlanmış aşamalar yükleri hareket ettirmek için kontroller ve hatta uç efektörler ekler.

Önceden tasarlanmış aşamalar genellikle özelleştirilmiş oldukları için bileşenle oluşturulmuş sistemlerden daha iyi performans gösterir. Buna karşılık, birçok makine üreticisinin aşamaları hizalamak için yetenekli teknisyenleri, fikstürleri, lazer interferometreleri ve diğer ekipmanları yoktur (genellikle eksenden eksene hizalama toleransları mikron cinsinden ölçülür).

Kontrol stratejisi tasarımın bir kısmını belirler, bu nedenle önceden tasarlanmış aşamalar her zaman geleneksel tasarım kurallarını takip etmez. Eylemsizlik uyumsuzluğunu göz önünde bulundurun. Tipik bir kural, önceden paketlenmiş amplifikatör ve motor kombinasyonlarının kazanç ön ayarlarını kullanırken sorunlardan kaçınmak için yük eylemsizliğinin motor eylemsizliğine oranını 20:1'in altında tutmaktır. Ancak birçok önceden tasarlanmış aşamanın oranları 200:1'dir (veya örneğin döner tablalarda 4.500:1'dir) ve yine de hiçbir aşırı atış olmadan hassas hareketler yapar. Burada, üretici aşamanın ayar kazançlarını dinamik olarak değiştirir ve bunları fiziksel testlerle doğrular. Bu, daha küçük motorların işi yapmasına olanak tanır.

Bunun gibi döner aşamalar genellikle konumlandırma için kullanılır, ancak CNC makineleri için de uygundur. Önceden tasarlanmış aşamaları en çok kullanan makineler, kaynaştırılmış yarı iletken, ıslak tezgah, lazer kesim, paketleme ve laboratuvar otomasyonudur.
Önceden tasarlanmış aşamalar da güvenilirdir. Yeni hareket sistemleri devreye alınırken, ayrı ayrı, görünüşte önemsiz bileşenler birlikte düzgün bir şekilde çalışmaz. Örneğin, arızalı bir konektör tüm bir makineyi çökertebilir. Önceden tasarlanmış aşamalar, makinelere yerleştirilmeden önce monte edilir ve test edilir, böylece böyle bir şey olmaz.

Örnek: Doğrusal hareket
Doğrusal bir sürücünün iki farklı hareket yaptığı bir uygulamayı düşünün. Biri 400 mm/sn'de uzun bir seyahat, diğeri ise 150 ms'de hedef pozisyonuna 10 µm mesafede yerleşmesi gereken 13 mm'lik yüksek hızlı bir jog. Hareket eden kütle 38 kg'dır ve 1-µm optik doğrusal kodlayıcıdan gelen geri bildirime göre hedef çift yönlü doğruluğu ±5 µm'dir.

Geleneksel XY bilyalı vidalı kademeler, üretici 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 karşılayacaktır. Uzun bir bobin ayrıca genel tasarımda kapsamlı değişiklikler gerektirecektir ve bu da onu diğer seçeneklerden %50 daha maliyetli hale getirecektir.

ServoBelt doğrusal aktüatörlere dayalı bu önceden tasarlanmış çok eksenli aşama, bir yarı iletken üretim makinesine eklenmeden önce test edilir. Aşama sıfır geri tepmeye sahiptir, bu nedenle tasarımcı kontrolleri dinamik gereksinimlere göre ayarlayabilir. Bu yararlıdır çünkü bu makinede hızlı dizin hareketleri yapmanın tek yolu, motordan yüke geri tepmesiz bir tahrik hattı gerektiren doğrusal kodlayıcıyı kullanarak servo döngülerini kapatmaktır.
Buna karşılık, kayış tahrikli tahriklere dayalı önceden tasarlanmış bir aşama maliyet açısından etkilidir. Çift döngülü kontrole ihtiyaç duymaz çünkü yalnızca doğrusal kodlayıcıyı kullanarak tek döngülü kontrolle idare edebilir. Sürücü ayrıca, kontrollerin kısa yerleşme süreleri için yüksek ayar kazanımlarına (hız ve konumsal kazanımların dört katına kadar) sahip olmasını sağlayan doğal olarak yüksek mekanik sönümlemeye sahiptir. Buna karşılık, doğrusal motorlar servoamplifikatör elektroniğindeki sönümlemeyi simüle etmelidir, bu da olası konumsal kazancı azaltır.

Örnek: Döner hareket
Başka bir uygulamayı ele alalım — üç eksenli bir CNC masaüstü freze makinesi. Bunlar genellikle kesme aletini konumlandırmak için doğrusal hareket sistemleri kullanır. Buna karşılık, önceden tasarlanmış bir aşama döner ve doğrusal konumlandırmayı birleştirir. Burada, iki kayış tahrikli döner cihaz büyük çaplı döner yataklarda yük taşır ve birbirlerine bakar. Biri 150.000 rpm'lik hava tahrikli bir mil taşır. Diğeri iş parçasını tutar ve 180° döndürür, böylece kesme aleti iş parçasının yüzeyindeki 40 × 40 × 40 mm'lik bir hacimdeki herhangi bir noktaya ulaşabilir.

Bu CNC freze makinesi, olması gerekenden daha karmaşık olmayan önceden tasarlanmış bir aşama kullanır. Uygulama, konumlandırma doğruluğundan ziyade iyi bir yüzey kalitesi gerektirir, bu nedenle kodlayıcıları terk eder ve açık çevrim çalışır (makine başına binlerce dolar tasarruf etme potansiyeli).
Vida tahrikli doğrusal aktüatör doğrusal ekseni çalıştırır ancak kesme kafalarına sahip döner cihazın iş parçasını tutan cihaza göre eksenel olarak hareket etmesine izin verir. Üç cihaz da senkronize hareket eder. Doğrusal eksen Z ekseni konumlandırmasını yönetir ve kesme aracını iş parçasının yüzüne getirir.

Döner tasarım serttir, bu da tasarımın işleme toleranslarını karşılamasına yardımcı olur. Ömür boyu yağlanmış bir seçenek kirlenme olasılığını azaltır ve her iki döner aşamadaki efektörler kesme odasının bir duvarındaki basit döner contalardan geçer. Contalar iç işleyişleri kesme sıvısından ve uçan seramik tozundan korur. Buna karşılık, XYZ aşamaları hacimli körükler ve armadillo kapakları gerektirir.

Kesici takımın ve iş parçasının döner konumlandırması, Kartezyen (CNC kinematiği için tipik olduğu gibi) değil, kutupsal koordinatları kullanır. Kontrolör, XYZ G kodu komutlarını alır ve bunları gerçek zamanlı olarak kutupsal koordinatlara dönüştürür. Faydası nedir? Döner hareket, pürüzsüz yüzey kaplamaları oluşturmak için doğrusal hareketten daha iyidir, çünkü en iyi doğrusal yataklar ve bilyalı vidalar bile, bilyalar yüklü bir duruma girip çıktıkça "gürültü" yapar. Bu gürültü, hareket sistemi boyunca yankılanır ve parçalarda periyodik yüzey kalitesi değişimleri olarak ortaya çıkabilir.