Создание приводов и платформ с нуля вынуждает конструкторов заказывать, хранить на складе и собирать сотни деталей. Это также увеличивает время выхода на рынок и требует привлечения технических специалистов и специализированного производственного оборудования. Альтернативой является заказ готовых устройств привода.

Ступени и приводы часто являются просто элементами в спецификации оборудования. Если они обеспечивают необходимую силу, полезную нагрузку, позиционирование и скорость, производителям машин не нужно тратить время на их дополнительное внимание. Но компании могут фактически улучшить свои машины, используя предварительно спроектированные ступени и приводы.

Предварительно спроектированные узлы, такие как линейный актуатор ServoBelt, обычно стоят на 25–50% меньше, чем их аналоги, состоящие из отдельных компонентов, благодаря уменьшению количества деталей, особенно кронштейнов и соединителей. Они также значительно сокращают затраты, связанные с проектированием и поддержанием складских запасов.
Правильно спроектированные подсистемы движения размещаются в заданном физическом пространстве и подключаются к системе управления машины. Обычно они принимают команды от компьютерного интерфейса верхнего уровня, платы управления или ПЛК. Простейшие предварительно спроектированные системы состоят лишь из исполнительного механизма и разъемов. Сложные предварительно спроектированные платформы добавляют элементы управления и даже концевые захваты для перемещения полезной нагрузки.

Заранее разработанные платформы часто превосходят системы, собранные из отдельных компонентов, поскольку они изготавливаются по индивидуальному заказу. В то же время, многие производители оборудования не располагают квалифицированными специалистами, приспособлениями, лазерными интерферометрами и другим оборудованием для юстировки платформ (допуски на выравнивание которых часто измеряются в микронах).

Стратегия управления определяет некоторые аспекты проектирования, поэтому готовые каскады не всегда следуют традиционным правилам проектирования. Рассмотрим несоответствие инерции. Типичное эмпирическое правило заключается в том, чтобы поддерживать отношение инерции полезной нагрузки к инерции двигателя ниже 20:1, чтобы избежать проблем при использовании предустановленных значений усиления готовых комбинаций усилителей и двигателей. Но многие готовые каскады имеют соотношение до 200:1 (или даже 4500:1, например, на поворотных столах) и при этом обеспечивают точные перемещения без перерегулирования. В этом случае производитель динамически изменяет коэффициенты настройки каскада и проверяет их с помощью физических испытаний. Это позволяет использовать двигатели меньшей мощности.

Поворотные платформы, подобные этой, обычно используются для позиционирования, но также подходят для станков с ЧПУ. Чаще всего готовые поворотные платформы применяются в полупроводниковой промышленности, на производственных площадках с мокрым охлаждением, в лазерной резке, упаковке и автоматизации лабораторий.
Предварительно спроектированные платформы также надежны. При вводе в эксплуатацию новых систем перемещения отдельные, казалось бы, незначительные компоненты могут перестать работать должным образом. Например, неисправный соединитель может вывести из строя всю машину. Предварительно спроектированные платформы собираются и тестируются до установки в машины, поэтому этого не происходит.

Пример: Линейное движение
Рассмотрим задачу, в которой линейный привод совершает два разных перемещения. Одно — это перемещение на большое расстояние со скоростью 400 мм/сек, а другое — высокоскоростное перемещение на 13 мм, которое должно зафиксироваться в пределах 10 мкм от целевого положения за 150 мс. Масса перемещаемого объекта составляет 38 кг, а целевая двунаправленная точность — ±5 мкм, определяемая на основе обратной связи от оптического линейного энкодера с шагом 1 мкм.

Традиционные XY-винтовые механизмы недостаточно точны, если только производитель не выберет дорогостоящие версии с нулевым люфтом. Линейные двигатели — еще один вариант, но для данного применения они будут большими и дорогими, поскольку только длинная обмотка двигателя обеспечит требуемую непрерывную силу в 300 Н. Длинная обмотка также потребует существенных изменений в общей конструкции, что сделает ее на 50% дороже, чем другие варианты.

Эта предварительно спроектированная многоосевая платформа на основе линейных актуаторов ServoBelt проходит тестирование перед установкой на оборудование для производства полупроводников. Платформа имеет нулевой люфт, поэтому разработчик может настроить управление в соответствии с динамическими требованиями. Это полезно, поскольку единственный способ быстро перемещать курсор в этой машине — это замыкать сервопетли с помощью линейного энкодера, что требует наличия приводного вала без люфта от двигателя к полезной нагрузке.
В отличие от этого, предварительно спроектированная платформа на основе ременных приводов является экономически эффективной. Она не требует двухконтурного управления, поскольку может обойтись одноконтурным управлением, используя только линейный энкодер. Привод также обладает изначально высоким механическим демпфированием, что позволяет системе управления иметь высокие коэффициенты усиления (в четыре раза превышающие коэффициенты усиления скорости и положения) при коротком времени установления. В отличие от этого, линейные двигатели должны имитировать демпфирование в электронике сервоусилителя, что снижает возможный коэффициент усиления положения.

Пример: вращательное движение
Рассмотрим другое применение — трехкоординатный настольный фрезерный станок с ЧПУ. В таких станках обычно используются системы линейного перемещения для позиционирования режущего инструмента. В отличие от них, в предварительно спроектированной платформе сочетаются вращательное и линейное позиционирование. Здесь два вращающихся устройства с ременным приводом несут нагрузку на подшипниках большого диаметра и расположены друг напротив друга. Одно из них имеет шпиндель с пневматическим приводом, вращающийся со скоростью 150 000 об/мин. Другое удерживает заготовку и вращает ее на 180°, так что режущий инструмент может достичь любой точки на поверхности заготовки в объеме 40 × 40 × 40 мм.

Этот фрезерный станок с ЧПУ использует предварительно спроектированную платформу, сложность которой не превышает необходимой. Для данной задачи требуется высокое качество обработки поверхности, а не точность позиционирования, поэтому в нем отсутствуют энкодеры, и он работает в режиме разомкнутого контура (что потенциально позволяет сэкономить тысячи долларов на каждом станке).
Винтовой линейный актуатор приводит в движение линейную ось, но позволяет вращающемуся устройству с режущими головками перемещаться вдоль оси относительно устройства, удерживающего заготовку. Все три устройства движутся синхронно. Линейная ось отвечает за позиционирование по оси Z и подводит режущий инструмент к поверхности заготовки.

Конструкция вращающегося механизма отличается жесткостью, что позволяет ему соответствовать допускам обработки. Возможность смазки на весь срок службы снижает вероятность загрязнения, а исполнительные механизмы на обоих вращающихся механизмах проходят через простые вращающиеся уплотнения в стенке режущей камеры. Уплотнения защищают внутренние механизмы от смазочно-охлаждающей жидкости и летящей керамической пыли. В отличие от этого, для XYZ-механизмов требуются громоздкие сильфоны и защитные кожухи типа «броненосец».

Вращательное позиционирование режущего инструмента и заготовки осуществляется в полярных координатах, а не в декартовых (как это обычно бывает в кинематике станков с ЧПУ). Контроллер принимает команды G-кода XYZ и преобразует их в полярные координаты в реальном времени. В чем преимущество? Вращательное движение лучше линейного для создания гладкой поверхности, поскольку даже лучшие линейные подшипники и шариковые винты «гудят» при перемещении шариков в нагруженном состоянии. Этот гул передается по всей системе перемещения и может проявляться на деталях в виде периодических изменений качества поверхности.