Разработка приводов и сцен с нуля вынуждает конструкторов заказывать, хранить и собирать сотни деталей. Это также увеличивает время вывода продукции на рынок и требует привлечения технических специалистов и специализированного производственного оборудования. Альтернативой является заказ готовых приводов.

Ступени и приводы часто являются лишь пунктами в спецификации оборудования. Если они обеспечивают необходимое усилие, полезную нагрузку, позиционирование и скорость, машиностроителям не нужно тратить время на их дополнительное рассмотрение. Однако компании могут фактически усовершенствовать свои машины, используя готовые ступени и приводы.

Готовые ступени, такие как этот линейный привод ServoBelt, обычно стоят на 25–50% дешевле, чем их компоненты, благодаря уменьшению количества деталей, особенно кронштейнов и соединителей. Они также сокращают расходы, связанные с проектированием и поддержанием запасов.
Правильно спроектированные подсистемы движения помещаются в определённое физическое пространство и подключаются к системе управления машины. Обычно они принимают команды от компьютерного интерфейса верхнего уровня, платы управления или ПЛК. Простейшие готовые системы состоят лишь из привода и разъёмов. Сложные готовые системы включают в себя элементы управления и даже рабочие органы для перемещения полезной нагрузки.

Сборные платформы часто превосходят системы, собранные из отдельных компонентов, поскольку они изготавливаются по индивидуальному заказу. В то же время, у многих производителей машин нет квалифицированных специалистов, приспособлений, лазерных интерферометров и другого оборудования для юстировки платформ (допуски на юстировку которых между осями часто измеряются микронами).

Стратегия управления диктует некоторые особенности конструкции, поэтому готовые ступени не всегда следуют традиционным правилам проектирования. Учитывайте несоответствие моментов инерции. Типичное практическое правило — поддерживать соотношение инерции полезной нагрузки к инерции двигателя ниже 20:1, чтобы избежать проблем при использовании предустановленных коэффициентов усиления готовых комбинаций усилителя и двигателя. Однако многие готовые ступени имеют коэффициенты усиления до 200:1 (или даже 4500:1, например, на поворотных столах) и при этом обеспечивают точные перемещения без перерегулирования. В данном случае производитель динамически изменяет коэффициенты усиления ступени и подтверждает их натурными испытаниями. Это позволяет использовать двигатели меньшего размера.

Подобные поворотные столы обычно используются для позиционирования, но также подходят для станков с ЧПУ. Наиболее часто такие столы используются в станках с плавлеными полупроводниками, в мокрых испытательных стендах, в лазерной резке, упаковочных машинах и в лабораторной автоматизации.
Сборные ступени также надёжны. При вводе в эксплуатацию новых систем движения отдельные, казалось бы, незначительные компоненты могут работать некорректно. Например, неисправный разъём может вывести из строя всю машину. Сборные ступени собираются и тестируются перед установкой в машину, чтобы этого не произошло.

Пример: линейное движение
Рассмотрим пример, в котором линейный привод выполняет два различных движения. Одно из них — длительное перемещение со скоростью 400 мм/с, а другое — высокоскоростное толчковое перемещение на 13 мм, которое должно быть выполнено с точностью до 10 мкм от заданного положения за 150 мс. Масса движущегося объекта составляет 38 кг, а заданная двунаправленная точность позиционирования — ±5 мкм, что достигается за счёт обратной связи от оптического линейного энкодера с точностью 1 мкм.

Традиционные шарико-винтовые приводы XY недостаточно точны, если производитель не выбирает дорогие версии с нулевым люфтом. Линейные двигатели также могут быть вариантом, но для данного применения они громоздки и дороги, поскольку только длинная катушка двигателя может обеспечить постоянное усилие 300 Н. Кроме того, длинная катушка потребует кардинальных изменений в конструкции, что делает её на 50% дороже других вариантов.

Этот готовый многоосевой стол на базе линейных приводов ServoBelt проходит испытания перед установкой на машину для производства полупроводников. Стол имеет нулевой люфт, что позволяет разработчику настраивать управление в соответствии с динамическими требованиями. Это полезно, поскольку единственный способ быстро перемещать грузы по оси координат в этом станке — замыкать сервоконтуры с помощью линейного энкодера, что требует безлюфтовой передачи от двигателя к полезной нагрузке.
В отличие от этого, сборный модуль на основе ременных приводов экономически эффективен. Ему не требуется двухконтурное управление, поскольку он может обойтись одноконтурным, используя только линейный энкодер. Привод также обладает высоким изначально механическим демпфированием, что позволяет системе управления достигать высоких коэффициентов усиления (до четырёхкратного превышения коэффициентов усиления по скорости и положению) при коротком времени установления. В отличие от этого, линейные двигатели должны имитировать демпфирование в электронике сервоусилителя, что снижает возможный коэффициент усиления по положению.

Пример: вращательное движение
Рассмотрим ещё один пример применения — трёхкоординатный настольный фрезерный станок с ЧПУ. В них обычно используются линейные системы позиционирования режущего инструмента. В отличие от этого, сборный стол сочетает в себе вращательное и линейное позиционирование. Здесь два поворотных устройства с ременным приводом несут нагрузку на подшипниках большого диаметра и расположены друг напротив друга. Одно из них несёт пневматический шпиндель с частотой вращения 150 000 об/мин. Другое удерживает заготовку и вращает её на 180°, что позволяет режущему инструменту достигать любой точки на поверхности заготовки в объёме размером 40 × 40 × 40 мм.

Этот фрезерный станок с ЧПУ использует готовый стол, который не сложнее, чем требуется. Для данной области применения важна не точность позиционирования, а высокое качество поверхности, поэтому он отказывается от энкодеров и использует открытый контур (что потенциально экономит тысячи долларов на каждом станке).
Линейный привод с винтовым приводом приводит в движение линейную ось, но позволяет поворотному устройству с режущими головками перемещаться в осевом направлении относительно устройства, удерживающего заготовку. Все три устройства движутся синхронно. Линейная ось обеспечивает позиционирование по оси Z и подводит режущий инструмент к торцу заготовки.

Жесткая конструкция ротора обеспечивает соблюдение допусков обработки. Опция смазки на весь срок службы снижает вероятность загрязнения, а исполнительные механизмы обеих роторных ступеней проходят через простые поворотные уплотнения в стенке рабочей камеры. Уплотнения защищают внутренние механизмы от попадания смазочно-охлаждающей жидкости и летящей керамической пыли. В отличие от этого, для ступеней XYZ требуются громоздкие сильфоны и защитные кожухи.

Поворотное позиционирование режущего инструмента и заготовки осуществляется в полярных, а не в декартовых координатах (как это типично для кинематики ЧПУ). Контроллер принимает команды G-кода XYZ и преобразует их в полярные координаты в режиме реального времени. Преимущество? Вращательное движение лучше линейного для создания гладких поверхностей, поскольку даже самые лучшие линейные подшипники и шарико-винтовые передачи «грохотают» при движении шариков под нагрузкой. Этот грохот отражается в системе перемещения и может проявляться на деталях в виде периодических колебаний качества поверхности.