Створення актуаторів руху та сцен з нуля змушує дизайнерів замовляти, інвентаризувати та збирати сотні деталей. Це також збільшує час виходу на ринок і вимагає технічних спеціалістів і спеціалізованого виробничого обладнання. Альтернативою є замовлення готових пристроїв руху.

Ступені та приводи часто є просто елементами в описі матеріалів машини. Якщо вони забезпечують потрібну силу, корисне навантаження, позиціонування та швидкість, машинобудівникам не потрібно витрачати час на їх додаткову увагу. Але компанії насправді можуть покращити свої машини, використовуючи готові ступені та приводи.

Попередньо сконструйовані ступені, такі як цей лінійний привод ServoBelt, зазвичай коштують на 25–50% дешевше, ніж аналоги на основі компонентів, завдяки зменшеній кількості деталей, особливо кронштейнів і з’єднувачів. Вони також скорочують витрати, пов’язані з проектуванням і підтриманням запасів.
Належним чином розроблені підсистеми руху вписуються в певний фізичний простір і підключаються до елементів керування машини. Зазвичай вони приймають команди від комп’ютерного інтерфейсу верхнього рівня, плати керування або ПЛК. Найпростіші готові системи складаються лише з приводу та з’єднувачів. Складні попередньо розроблені етапи додають елементи керування та навіть кінцеві ефектори для переміщення корисного навантаження.

Попередньо сконструйовані ступені часто перевершують системи, побудовані з компонентів, оскільки вони налаштовані. Навпаки, багато машинобудівників не мають кваліфікованих техніків, приладів, лазерних інтерферометрів та іншого обладнання для вирівнювання столиків (які часто мають допуски вирівнювання осі до осі, що вимірюються в мікронах).

Стратегія управління диктує частину дизайну, тому попередньо спроектовані етапи не завжди відповідають традиційним правилам проектування. Розглянемо невідповідність інерції. Типове емпіричне правило полягає в тому, щоб співвідношення інерції корисного навантаження до інерції двигуна було нижче 20:1, щоб уникнути проблем під час використання попередніх налаштувань посилення готових комбінацій підсилювача та двигуна. Але багато попередньо сконструйованих ступенів мають співвідношення 200:1 (або навіть 4500:1 на поворотних столах, наприклад), і все одно роблять точні рухи без перерегулювання. Тут виробник динамічно змінює підсилення налаштування сцени та підтверджує їх за допомогою фізичних випробувань. Це дозволяє меншим двигунам виконувати роботу.

Ротаційні столи, як цей, зазвичай використовуються для позиціонування, але також підходять для верстатів з ЧПК. Машини, які найчастіше використовують попередньо сконструйовані стадії, це машини для вплавлених напівпровідників, мокрого стенда, лазерного різання, пакування та автоматизації лабораторій.
Попередньо сконструйовані ступені також надійні. Під час введення в експлуатацію нових систем руху окремі, здавалося б, другорядні компоненти не можуть належним чином працювати разом. Наприклад, несправний роз’єм може вивести з ладу цілу машину. Попередньо сконструйовані етапи збираються та перевіряються перед тим, як вставлятися в машини, щоб цього не сталося.

Приклад: прямолінійний рух
Розглянемо додаток, у якому лінійний привід робить два різні рухи. Один – це довгий хід зі швидкістю 400 мм/с, а інший – це швидкісний біг на 13 мм, який повинен досягти 10 мкм від цільового положення за 150 мс. Рухома маса становить 38 кг із цільовою двонаправленою точністю ±5 мкм на основі зворотного зв’язку від 1-мкм оптичного лінійного кодера.

Традиційні кулькові гвинтові ступені XY недостатньо точні, якщо тільки будівельник не вибере дорогі версії з нульовим люфтом. Іншим варіантом є лінійні двигуни, але для цього застосування вони будуть великими та дорогими, оскільки лише довга котушка двигуна відповідатиме вимогам до 300 Н постійної сили. Довга спіраль також вимагатиме кардинальних змін у загальному дизайні, що зробить її на 50% дорожчою за інші варіанти.

Цей попередньо сконструйований багатоосьовий ступінь на основі лінійних приводів ServoBelt тестується перед тим, як додати його до машини для виробництва напівпровідників. Стійка має нульовий люфт, тому дизайнер може налаштувати елементи керування відповідно до динамічних вимог. Це корисно, тому що єдиний спосіб зробити швидкі переміщення покажчиків у цій машині — замкнути сервоконтури за допомогою лінійного кодера, для чого необхідна трансмісія без люфту від двигуна до корисного навантаження.
Навпаки, готовий ступінь на основі ремінних приводів економічно вигідний. Йому не потрібне двоконтурне керування, оскільки воно може обійтися одноконтурним керуванням, використовуючи лише лінійний кодер. Привід також має високу механічну амортизацію, що дозволяє органам керування мати високий коефіцієнт підсилення (у чотири рази більше швидкості та позиційного підсилення) за короткий час встановлення. Навпаки, лінійні двигуни повинні імітувати демпфування в електроніці сервопідсилювача, що зменшує можливе позиційне посилення.

Приклад: Обертальний рух
Розглянемо інше застосування — тривісний настільний фрезерний верстат з ЧПУ. Вони зазвичай використовують системи лінійного руху для позиціонування ріжучого інструменту. Навпаки, попередньо сконструйований стіл поєднує поворотне та лінійне позиціонування. Тут два ротаційних пристрої з ремінним приводом несуть навантаження на поворотні підшипники великого діаметру та стикаються один з одним. Один несе шпиндель із пневматичним приводом зі швидкістю 150 000 об/хв. Інший утримує заготовку та обертає її на 180°, щоб ріжучий інструмент міг досягти будь-якої точки на поверхні заготовки в об’ємі 40 × 40 × 40 мм.

Цей фрезерний верстат із ЧПК використовує попередньо сконструйований етап, який не складніший, ніж має бути. Додатку потрібна хороша обробка поверхні, а не точність позиціонування, тому він відмовляється від кодувальників і запускає відкритий цикл (потенційно економлячи тисячі доларів на машину).
Лінійний привід із гвинтовим приводом приводить в рух лінійну вісь, але дозволяє поворотному пристрою з ріжучими головками переміщатися аксіально відносно пристрою, що утримує заготовку. Усі три пристрої рухаються синхронно. Лінійна вісь керує позиціонуванням осі Z і приводить ріжучий інструмент до поверхні заготовки.

Поворотна конструкція є жорсткою, що допомагає конструкції відповідати допускам обробки. Варіант змащення протягом усього терміну служби зменшує можливість забруднення, а ефектори на обох обертових ступенях проходять через прості обертові ущільнення в стінці камери різання. Ущільнення захищають внутрішню частину від ріжучої рідини та летючого керамічного пилу. На відміну від цього, ступені XYZ вимагають громіздких сильфонів і броненосців.

Поворотне позиціонування ріжучого інструменту та заготовки використовує полярні координати, а не декартові (як це характерно для кінематики ЧПК). Контролер приймає команди G-коду XYZ і перетворює їх у полярні координати в реальному часі. Вигода? Обертовий рух краще, ніж лінійний, для створення гладкої поверхні, оскільки навіть найкращі лінійні підшипники та кулькові гвинти «гуркочуть», коли кульки циркулюють у навантаженому стані та виходять із нього. Цей гуркіт відбивається через систему руху та може проявлятися на частинах у вигляді періодичних коливань якості поверхні.