Liiketoimilaitteiden ja -vaiheiden rakentaminen tyhjästä pakottaa suunnittelijat tilaamaan, varastoimaan ja kokoamaan satoja osia. Se myös pidentää markkinoille saattamista ja vaatii teknikkoja ja erikoistuneita tuotantolaitteita. Vaihtoehto on tilata valmiiksi suunniteltuja liikelaitteita.

Vaiheet ja toimilaitteet ovat usein vain koneen osaluettelossa olevia osia. Jos ne tuottavat oikean voiman, hyötykuorman, paikannuksen ja nopeuden, koneenrakentajien ei tarvitse käyttää aikaa niiden erityiseen pohtimiseen. Mutta yritykset voivat itse asiassa parantaa koneitaan käyttämällä valmiiksi suunniteltuja vaiheita ja toimilaitteita.

Tämän ServoBelt-lineaaritoimilaitteen kaltaiset esivalmistetut vaiheet maksavat tyypillisesti 25–50 % vähemmän kuin komponenttipohjaiset vastineensa pienemmän osamäärän ansiosta, erityisesti kiinnikkeiden ja liittimien osalta. Ne myös leikkaavat suunnitteluun ja varastojen ylläpitoon liittyviä kustannuksia.
Oikein esivalmistetut liikealijärjestelmät sopivat määriteltyyn fyysiseen tilaan ja liittyvät koneen ohjaimiin. Ne ottavat tyypillisesti vastaan ​​komentoja ylimmän tason tietokoneliittymästä, ohjauskortilta tai PLC:ltä. Yksinkertaisimmat esivalmistetut järjestelmät koostuvat lähinnä toimilaitteesta ja liittimistä. Monimutkaiset esivalmistetut vaiheet lisäävät ohjaimia ja jopa päätelaitteita hyötykuormien siirtämiseksi.

Valmiiksi suunnitellut lavat ovat usein komponenteista koottuja järjestelmiä parempia, koska ne on räätälöity. Sitä vastoin monilla koneenrakentajilla ei ole ammattitaitoisia teknikkoja, kiinnittimiä, laserinterferometrejä ja muita laitteita lavaen kohdistamiseen (joiden akselien väliset kohdistustoleranssit mitataan usein mikroneissa).

Ohjausstrategia sanelee osan suunnittelusta, joten esivalmistetut vahvistimet eivät aina noudata perinteisiä suunnittelusääntöjä. Ota huomioon inertian epäsuhta. Tyypillinen nyrkkisääntö on pitää hyötykuorman inertian ja moottorin inertian suhde alle 20:1, jotta vältetään ongelmat käytettäessä esivalmistettujen vahvistin- ja moottoriyhdistelmien vahvistusasetuksia. Mutta monien esivalmistettujen vahvistimien suhde on jopa 200:1 (tai jopa 4 500:1 esimerkiksi pyöröpöydillä), ja ne silti liikkuvat tarkasti ilman ylityksiä. Tässä tapauksessa valmistaja muuttaa dynaamisesti vahvistimen viritysvahvistuksia ja validoi ne fyysisillä testeillä. Tämä antaa pienempien moottoreiden hoitaa työn.

Tällaisia ​​pyöriviä vaiheita käytetään tyypillisesti paikannukseen, mutta ne sopivat myös CNC-koneisiin. Esivalmistettuja vaiheita käyttävät koneet ovat useimmin sulatetulla puolijohteella toimivia koneita, märkäpenkkikoneita, laserleikkauskoneita, pakkauskoneita ja laboratorioautomaatiokoneita.
Myös valmiiksi suunnitellut vaiheet ovat luotettavia. Uusia liikejärjestelmiä käyttöönotettaessa yksittäiset, näennäisesti pienet komponentit eivät toimi kunnolla yhdessä. Esimerkiksi viallinen liitin voi kaataa koko koneen. Valmiiksi suunnitellut vaiheet kootaan ja testataan ennen kuin ne asennetaan koneisiin, jotta näin ei tapahtuisi.

Esimerkki: Lineaarinen liike
Tarkastellaan sovellusta, jossa lineaarikäyttö tekee kaksi eri liikettä. Toinen on pitkä liike nopeudella 400 mm/s ja toinen on 13 mm:n suurnopeusliike, jonka on asetuttava 10 µm:n tarkkuudelle kohdeasemasta 150 millisekunnissa. Liikkuva massa on 38 kg ja kohteen kaksisuuntainen tarkkuus on ±5 µm 1 µm:n optisen lineaarianturin palautteen perusteella.

Perinteiset XY-kuularuuvimoottorit eivät ole riittävän tarkkoja, ellei rakentaja valitse kalliita välyksettömiä versioita. Lineaarimoottorit ovat toinen vaihtoehto, mutta tähän sovellukseen ne olisivat suuria ja kalliita, koska vain pitkä moottorin käämi täyttäisi 300 N:n jatkuvan voiman vaatimuksen. Pitkä käämi edellyttäisi myös laajoja muutoksia koko suunnitteluun, mikä tekisi siitä 50 % kalliimman kuin muut vaihtoehdot.

Tämä ServoBelt-lineaariaktuaattoreihin perustuva esivalmistettu moniakselinen työvaihe testataan ennen sen lisäämistä puolijohdevalmistuskoneeseen. Työvaiheessa ei ole välystä, joten suunnittelija voi virittää ohjaukset dynaamisten vaatimusten mukaisesti. Tämä on hyödyllistä, koska ainoa tapa tehdä nopeita indeksointiliikkeitä tässä koneessa on sulkea servosilmukat lineaarikooderin avulla, mikä edellyttää välyksetöntä voimansiirtoa moottorista hyötykuormaan.
Sitä vastoin hihnakäyttöisiin käyttöihin perustuva esivalmistettu vaihe on kustannustehokas. Se ei tarvitse kaksoissilmukkaohjausta, koska se pärjää yksisilmukkaohjauksella käyttämällä vain lineaarianturia. Käyttölaitteella on myös luonnostaan ​​korkea mekaaninen vaimennus, jonka ansiosta ohjaimilla on suuret viritysvahvistukset (jopa nelinkertainen nopeus- ja sijaintivahvistus) lyhyitä asettumisaikoja varten. Lineaarimoottoreiden on sitä vastoin simuloitava vaimennusta servovahvistimen elektroniikassa, mikä vähentää mahdollista sijaintivahvistusta.

Esimerkki: Pyörivä liike
Tarkastellaan toista sovellusta – kolmiaksiaalista CNC-pöytäjyrsintä. Nämä käyttävät yleensä lineaariliikejärjestelmiä leikkaustyökalun asemointiin. Sitä vastoin esivalmistettu vaihe yhdistää pyörivän ja lineaarisen asemoinnin. Tässä kaksi hihnakäyttöistä pyörivää laitetta kantaa kuormia suurihalkaisijaisten pyörivien laakereiden varassa ja on vastakkain. Toisessa on 150 000 rpm:n ilmakäyttöinen kara. Toinen pitää työkappaletta paikallaan ja pyörittää sitä 180°, jotta leikkaustyökalu voi yltää mihin tahansa pisteeseen työkappaleen pinnalla 40 × 40 × 40 mm:n tilavuudessa.

Tämä CNC-jyrsinkone käyttää valmiiksi suunniteltua vaihetta, joka ei ole monimutkaisempi kuin sen on oltava. Sovellus vaatii hyvää pinnanlaatua pikemminkin kuin paikannustarkkuutta, joten siinä ei tarvita pulsseja ja käytetään avoimen piirin menetelmiä (mikä voi säästää tuhansia dollareita konetta kohden).
Ruuvikäyttöinen lineaaritoimilaite käyttää lineaariakselia, mutta antaa pyörivän laitteen leikkuupäineen siirtyä aksiaalisesti työkappaletta pitelevään laitteeseen nähden. Kaikki kolme laitetta liikkuvat synkronoidusti. Lineaariakseli hoitaa Z-akselin asemoinnin ja tuo leikkuutyökalun työkappaleen pintaan.

Pyörivä rakenne on jäykkä, mikä auttaa täyttämään koneistustoleranssit. Kestovoitelu vähentää kontaminaatioriskiä, ​​ja molempien pyörivien vaiheiden efektorit ulottuvat leikkauskammion seinämässä olevien yksinkertaisten pyörivien tiivisteiden läpi. Tiivisteet suojaavat sisäosia leikkuunesteeltä ja lentävältä keraamiselta pölyltä. XYZ-vaiheet sitä vastoin vaativat tilaa vieviä palkeita ja vyötiäissuojia.

Leikkaustyökalun ja työkappaleen pyörivässä paikoituksessa käytetään napakoordinaatteja, ei karteesisia koordinaatteja (kuten CNC-kinematiikassa on tyypillistä). Ohjain ottaa vastaan ​​XYZ-G-koodikomennot ja muuntaa ne napakoordinaatteihin reaaliajassa. Hyöty? Pyörivä liike on lineaarista liikettä parempi sileiden pinnanlaatujen luomiseen, koska jopa parhaat lineaarilaakerit ja kuularuuvit "jyrisevät", kun kuulat kiertävät kuormitettua tilaa ja pois siitä. Tämä jyrinä kaikuu koko liikejärjestelmässä ja voi näkyä kappaleissa säännöllisinä pinnanlaadun vaihteluina.