בניית מפעילי תנועה ושלבי ייצור מאפס מאלצת מעצבים להזמין, לאחסן ולהרכיב מאות חלקים. זה גם מאריך את זמן היציאה לשוק ודורש טכנאים וציוד ייצור מיוחד. חלופה היא להזמין התקני תנועה מהונדסים מראש.

שלבים ומפעילים הם לעתים קרובות רק פריטים ברשימת החומרים של מכונה. אם הם מספקים את הכוח, המטען, המיקום והמהירות הנכונים, בוני מכונות אינם צריכים להשקיע זמן בהתחשבות נוספת בהם. אבל חברות יכולות למעשה לשפר את המכונות שלהן על ידי שימוש בשלבים ומפעילים מתוכננים מראש.

שלבים מהונדסים מראש כמו מפעיל ליניארי ServoBelt זה עולים בדרך כלל ב-25 עד 50% פחות מאשר עמיתיהם מבוססי הרכיבים, הודות לספירת חלקים מופחתת, במיוחד של סוגריים ומחברים. הם גם מקצצים עלויות הקשורות לתכנון ותחזוקת מלאי.
תת-מערכות תנועה שתוכננו מראש כראוי משתלבות במרחב פיזי מוגדר ומתחברות לבקרות המכונה. הן בדרך כלל מקבלות פקודות מממשק מחשב ברמה עליונה, כרטיס בקרה או בקר PLC. המערכות הפשוטות ביותר שתוכננו מראש מורכבות מעט יותר ממפעיל ומחברים. שלבים מורכבים שתוכננו מראש מוסיפים בקרים ואפילו אפקטורים קצה כדי להזיז מטענים.

שלבים מהונדסים מראש לעיתים קרובות עולים על מערכות בנויות מרכיבים מכיוון שהן מותאמות אישית. לעומת זאת, בוני מכונות רבים אינם מחזיקים בטכנאים מיומנים, במתקני ייצור, באינטרפרומטרים בלייזר ובציוד אחר ליישור שלבים (שלעתים קרובות יש להם סבילות יישור ציר לציר הנמדדות במיקרון).

אסטרטגיית הבקרה מכתיבה חלק מהתכנון, כך שלבים מהונדסים מראש לא תמיד פועלים לפי כללי התכנון המסורתיים. יש לקחת בחשבון אי-התאמה באינרציה. כלל אצבע טיפוסי הוא לשמור על יחס האינרציה של המטען לאינרציה של המנוע מתחת ל-20:1 כדי למנוע בעיות בעת שימוש בקביעות מוגדרות מראש של שילובי מגבר ומנוע ארוזים מראש. אבל שלבים מהונדסים מראש רבים כוללים יחסים של 200:1 (או אפילו 4,500:1 על שולחנות סיבוביים, למשל) ועדיין מבצעים תנועות מדויקות ללא חריגה. כאן, היצרן משנה באופן דינמי את הגבר הכוונון של השלב ומאמת אותם באמצעות בדיקות פיזיות. זה מאפשר למנועים קטנים יותר לעשות את העבודה.

שלבים סיבוביים כמו זו משמשים בדרך כלל למיקום, אך מתאימים גם למכונות CNC. מכונות המשתמשות בשלבים מהונדסים מראש לרוב הן של מוליכים למחצה מותקנים, עבודה במעבדה רטובה, חיתוך לייזר, אריזה ואוטומציה של מעבדות.
שלבים מתוכננים מראש גם הם אמינים. בעת הפעלת מערכות תנועה חדשות, רכיבים בודדים, שנראים קטנים, אינם פועלים כראוי יחד. לדוגמה, מחבר פגום יכול להפיל מכונה שלמה. שלבים מתוכננים מראש מורכבים ונבדקים לפני שהם מוכנסים למכונות כדי שזה לא יקרה.

דוגמה: תנועה לינארית
חשבו על יישום שבו מנוע ליניארי מבצע שתי תנועות שונות. האחת היא מהלך ארוך במהירות של 400 מ"מ/שנייה, והשנייה היא ריצה מהירה של 13 מ"מ שחייבת להתיישב לטווח של 10 מיקרומטר ממיקום היעד תוך 150 מילישניות. המסה הנעה היא 38 ק"ג עם דיוק דו-כיווני של ±5 מיקרומטר בהתבסס על משוב ממקודד ליניארי אופטי של 1 מיקרומטר.

שלבי בורג כדוריים XY מסורתיים אינם מדויקים מספיק אלא אם כן הקבלן בוחר בגרסאות יקרות ללא חופש פעולה. מנועים ליניאריים הם אופציה נוספת, אך עבור יישום זה יהיו גדולים ויקרים, מכיוון שרק סליל מנוע ארוך יעמוד בדרישה של 300 ניוטון של כוח רציף. סליל ארוך יחייב גם שינויים גורפים בתכנון הכללי, מה שהופך אותו ליקר ב-50% מאפשרויות אחרות.

שלב רב-צירי זה, שתוכנן מראש ומבוסס על מפעילים ליניאריים של ServoBelt, נבדק לפני הוספתו למכונה לייצור מוליכים למחצה. לשלב אין חופש תנועה, כך שהמתכנן יכול לכוונן את הבקרות לדרישות דינמיות. זה מועיל מכיוון שהדרך היחידה לבצע תנועות אינדקס מהירות במכונה זו היא לסגור את לולאות הסרוו באמצעות המקודד הליניארי, הדורש מערכת הנעה ללא חופש תנועה מהמנוע למטען.
לעומת זאת, שלבה מהונדסת מראש המבוססת על הנעות רצועה היא חסכונית. היא אינה זקוקה לבקרת לולאה כפולה מכיוון שניתן להסתדר עם בקרת לולאה יחידה באמצעות מקודד ליניארי בלבד. להינע יש גם ריסון מכני גבוה באופן טבעי, המאפשר לבקרות רווחי כוונון גבוהים (עד פי ארבעה מהגברי המהירות והמיקום) לזמני התייצבות קצרים. לעומת זאת, מנועים ליניאריים חייבים לדמות ריסון באלקטרוניקה של מגבר הסרוו, מה שמפחית את הגבר המיקום האפשרי.

דוגמה: תנועה סיבובית
קחו לדוגמה יישום נוסף - מכונת כרסום CNC שולחנית בעלת שלושה צירים. אלה בדרך כלל משתמשות במערכות תנועה ליניארית כדי למקם את כלי החיתוך. לעומת זאת, שלבה מהונדסת מראש משלבת מיקום סיבובי ומיקום ליניארי. כאן, שני התקנים סיבוביים מונעי רצועה נושאים עומסים על מיסבים סיבוביים בקוטר גדול ופונים זה לזה. אחד נושא ציר המונע על ידי אוויר במהירות של 150,000 סל"ד. השני מחזיק את חומר העבודה ומסובב אותו ב-180 מעלות כך שכלי החיתוך יכול להגיע לכל נקודה על פני חומר העבודה בנפח של 40 × 40 × 40 מ"מ.

מכונת כרסום CNC זו משתמשת בשלב מהונדס מראש שאינו מורכב יותר מהנדרש. היישום דורש גימור פני שטח טוב ולא דיוק מיקום, ולכן מוותרת על מקודדים ומפעילה בלולאה פתוחה (מה שחוסך פוטנציאלית אלפי דולרים לכל מכונה).
מפעיל ליניארי המונע על ידי בורג מניע את הציר הליניארי אך מאפשר להתקן הסיבובי עם ראשי החיתוך לנוע צירית יחסית להתקן המחזיק את חומר העבודה. שלושת ההתקנים נעים בסנכרון. הציר הליניארי מטפל במיקום ציר ה-Z ומביא את כלי החיתוך אל פני חומר העבודה.

העיצוב הסיבובי קשיח, מה שעוזר לעיצוב לעמוד בסבולות עיבוד שבבי. אפשרות משומן לכל החיים מפחיתה את האפשרות לזיהום, ואפקטורים בשני השלבים הסיבוביים יוצאים דרך אטמים סיבוביים פשוטים בדופן תא החיתוך. האטמים מגנים על פעולות פנימיות מפני נוזל חיתוך ואבק קרמי מעופף. לעומת זאת, שלבי XYZ דורשים מפוחים מגושמים וכיסויי ארמדילו.

המיקום הסיבובי של כלי החיתוך וחומר העבודה משתמש בקואורדינטות קוטביות, לא בקרטזיות (כפי שמקובל בקינמטיקה של CNC). הבקר קולט פקודות קוד G XYZ וממיר אותן לקואורדינטות קוטביות בזמן אמת. היתרון? תנועה סיבובית עדיפה על תנועה לינארית ליצירת גימורי משטח חלקים, מכיוון שאפילו המיסבים הליניאריים וברגי הכדור הטובים ביותר "רועמים" כאשר הכדורים מסתובבים פנימה והחוצה ממצב טעון. רעם זה מהדהד במערכת התנועה ויכול להופיע על חלקים כשינויים תקופתיים באיכות המשטח.