Construir atuadores e estágios de movimento do zero obriga os projetistas a encomendar, armazenar e montar centenas de peças. Isso também aumenta o tempo de lançamento no mercado e exige técnicos e equipamentos de produção especializados. Uma alternativa é encomendar dispositivos de movimento pré-fabricados.

Os estágios e atuadores são frequentemente apenas itens na lista de materiais de uma máquina. Se eles fornecerem a força, a carga útil, o posicionamento e a velocidade corretos, os fabricantes de máquinas não precisam gastar tempo considerando-os adicionalmente. Mas as empresas podem, na verdade, melhorar suas máquinas usando estágios e atuadores pré-projetados.

Estágios pré-fabricados como este atuador linear ServoBelt normalmente custam de 25 a 50% menos do que suas contrapartes baseadas em componentes, graças à redução no número de peças, especialmente de suportes e conectores. Eles também reduzem drasticamente os custos relacionados ao projeto e à manutenção de estoques.
Os subsistemas de movimento pré-projetados adequadamente se encaixam em um espaço físico definido e se integram aos controles da máquina. Normalmente, eles recebem comandos de uma interface de computador de nível superior, placa de controle ou CLP (Controlador Lógico Programável). Os sistemas pré-projetados mais simples consistem em pouco mais do que um atuador e conectores. Estágios pré-projetados complexos adicionam controles e até mesmo atuadores finais para movimentar cargas úteis.

As plataformas pré-fabricadas geralmente apresentam desempenho superior aos sistemas construídos com componentes individuais, pois são personalizadas. Em contrapartida, muitos fabricantes de máquinas não possuem os técnicos especializados, dispositivos de fixação, interferômetros a laser e outros equipamentos necessários para alinhar as plataformas (que frequentemente apresentam tolerâncias de alinhamento entre eixos medidas em mícrons).

A estratégia de controle dita parte do projeto, portanto, os estágios pré-fabricados nem sempre seguem as regras de projeto tradicionais. Considere a incompatibilidade de inércia. Uma regra prática comum é manter a relação entre a inércia da carga útil e a inércia do motor abaixo de 20:1 para evitar problemas ao usar os ajustes de ganho predefinidos de conjuntos de amplificador e motor pré-fabricados. Mas muitos estágios pré-fabricados têm relações de até 200:1 (ou mesmo 4.500:1 em mesas rotativas, por exemplo) e ainda realizam movimentos precisos sem ultrapassagem. Nesses casos, o fabricante altera dinamicamente os ganhos de sintonia do estágio e os valida com testes físicos. Isso permite que motores menores executem a tarefa.

Mesas rotativas como esta são normalmente usadas para posicionamento, mas também são adequadas para máquinas CNC. As máquinas que mais utilizam mesas pré-fabricadas são as de semicondutores fundidos, bancadas úmidas, corte a laser, embalagens e automação laboratorial.
As plataformas pré-fabricadas também são confiáveis. Ao colocar em funcionamento novos sistemas de movimento, componentes individuais, aparentemente insignificantes, podem falhar e não funcionar corretamente em conjunto. Por exemplo, um conector defeituoso pode paralisar toda a máquina. As plataformas pré-fabricadas são montadas e testadas antes de serem instaladas nas máquinas, evitando que isso aconteça.

Exemplo: Movimento linear
Considere uma aplicação em que um atuador linear realiza dois movimentos distintos. Um deles é um longo deslocamento a 400 mm/s, e o outro é um pequeno deslocamento rápido de 13 mm que deve estabilizar a uma precisão de 10 µm da posição alvo em 150 ms. A massa em movimento é de 38 kg, com uma precisão bidirecional alvo de ±5 µm, baseada no feedback de um encoder linear óptico de 1 µm.

Os estágios tradicionais de fusos de esferas XY não são precisos o suficiente, a menos que o projetista opte por versões caras com folga zero. Motores lineares são outra opção, mas para esta aplicação seriam grandes e caros, já que apenas uma bobina longa atenderia à exigência de 300 N de força contínua. Uma bobina longa também exigiria alterações significativas no projeto geral, tornando-a 50% mais cara do que outras opções.

Esta plataforma multieixos pré-fabricada, baseada em atuadores lineares ServoBelt, é testada antes de ser adicionada a uma máquina de fabricação de semicondutores. A plataforma não possui folga, permitindo que o projetista ajuste os controles às necessidades dinâmicas. Isso é útil porque a única maneira de realizar movimentos de indexação rápidos nesta máquina é fechar os laços de servo utilizando o encoder linear, o que exige uma transmissão sem folga entre o motor e a carga útil.
Em contraste, um estágio pré-projetado baseado em acionamentos por correia é economicamente vantajoso. Ele não precisa de controle de malha dupla, pois pode funcionar com controle de malha única usando apenas o encoder linear. O acionamento também possui amortecimento mecânico inerentemente alto, o que permite que os controles tenham ganhos de ajuste elevados (até quatro vezes os ganhos de velocidade e posição) para tempos de estabilização curtos. Em contrapartida, os motores lineares precisam simular o amortecimento na eletrônica do servoamplificador, o que reduz o ganho de posição possível.

Exemplo: Movimento rotativo
Considere outra aplicação: uma fresadora CNC de mesa de três eixos. Normalmente, essas máquinas utilizam sistemas de movimento linear para posicionar a ferramenta de corte. Em contraste, uma plataforma pré-projetada combina posicionamento rotativo e linear. Nela, dois dispositivos rotativos acionados por correia suportam cargas em rolamentos rotativos de grande diâmetro e ficam posicionados um de frente para o outro. Um deles suporta um fuso pneumático de 150.000 rpm. O outro segura a peça de trabalho e a gira 180°, permitindo que a ferramenta de corte alcance qualquer ponto da superfície da peça em um volume de 40 × 40 × 40 mm.

Esta fresadora CNC utiliza uma plataforma pré-projetada que não é mais complexa do que o necessário. A aplicação exige um bom acabamento superficial em vez de precisão de posicionamento, portanto, dispensa encoders e opera em malha aberta (o que pode gerar uma economia de milhares de dólares por máquina).
Um atuador linear acionado por parafuso movimenta o eixo linear, mas permite que o dispositivo rotativo com as cabeças de corte se desloque axialmente em relação ao dispositivo que segura a peça. Todos os três dispositivos se movem em sincronia. O eixo linear controla o posicionamento no eixo Z e aproxima a ferramenta de corte da face da peça.

O design rotativo é rígido, o que contribui para que o projeto atenda às tolerâncias de usinagem. Uma opção de lubrificação permanente reduz a possibilidade de contaminação, e os atuadores em ambos os estágios rotativos se estendem através de vedações rotativas simples em uma parede da câmara de corte. As vedações protegem os componentes internos do fluido de corte e da poeira cerâmica. Em contraste, os estágios XYZ requerem foles volumosos e coberturas rígidas.

O posicionamento rotativo da ferramenta de corte e da peça utiliza coordenadas polares, e não cartesianas (como é típico na cinemática CNC). O controlador recebe comandos G-code XYZ e os converte em coordenadas polares em tempo real. Qual a vantagem? O movimento rotativo é superior ao linear para criar acabamentos superficiais suaves, pois mesmo os melhores rolamentos lineares e fusos de esferas vibram à medida que as esferas entram e saem de um estado carregado. Essa vibração reverbera por todo o sistema de movimento e pode se manifestar nas peças como variações periódicas na qualidade da superfície.