Forscher suchen weiterhin nach Möglichkeiten, die Genauigkeit linearer Positionierungssysteme zu verbessern, das Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren und die Bedienung solcher Geräte zu vereinfachen. Hier ein Überblick über die neuesten Entwicklungen

Unabhängig davon, ob die benötigte Linearbewegung gering oder groß ist, zählen Positioniergenauigkeit und Zuverlässigkeit zu den wichtigsten Eigenschaften linearer Systeme. Zwei Forschungszentren, die häufig Produkte für den Weltraum entwickeln, das Marshall Space Flight Center in Alabama und das Lewis Research Center in Cleveland, haben lineare Positionierungsgeräte entwickelt, die diese Eigenschaften verbessern. Eines dieser Geräte wurde ursprünglich für den Weltraum entwickelt, das andere für eher erdgebundene Anwendungen. Beide bieten jedoch Vorteile für die Antriebsindustrie.

Die Ingenieure des Marshall Space Flight Center benötigten einen Linearantrieb für Raumfahrzeuge. Der Antrieb bewegt die Düsenanordnung des Haupttriebwerks eines Raumfahrzeugs. In Kombination mit einem weiteren Antrieb in derselben horizontalen Ebene, jedoch um 90 Grad gedreht, steuern die Antriebe die Nick-, Roll- und Gierbewegungen des Fahrzeugs. Die Toleranzen dieser Bewegungen betragen ±0,127 mm.

Funktionell muss der Aktuator präzise inkrementelle Linearbewegungen dieser großen Objekte ermöglichen und die Position auch bei hohen Lasten halten. Die Lösung war ein elektromechanischer Linearaktuator. Er ermöglicht inkrementelle Bewegungen bis zu 15 cm. Sein minimaler Hub beträgt weniger als 12,7 mm. Er kann Lasten bis zu 2045 kg tragen.

Dieser Aktuator wandelt Drehbewegungen in lineare Bewegungen um und ist ein sauberes, einfaches Gerät, das hydraulische Aktuatoren in Anwendungen ersetzen kann, die eine ebenso kraftvolle wie kontrollierte Bewegung erfordern. Das Gerät benötigt zudem nur wenig Wartungszeit für Reinigung und Inspektion und trägt dazu bei, die Zeit für die Qualifizierung des Flugsystems zu reduzieren.

Dieses Design verwendet einen Resolver und eine relativ neue Funktion, ein spielfreies Getriebe. Der Resolver misst die inkrementelle Winkelbewegung, die die inkrementelle Linearbewegung steuert. Seine Genauigkeit beträgt 6 Bogenminuten. Der Zusammenhang zwischen Rotation und Translation ist durch Übersetzungsverhältnisse und Gewindesteigung bekannt.

Das zweite Merkmal ist eine spielfreie Verzahnung. Sie sorgt dafür, dass die Zähne des Zahnrads sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn ständig in Kontakt sind.

Um diesen Kontakt zu erreichen, müssen die Wellenmitten präzise ausgerichtet sein. Während der Fertigung werden die Wellen bei jeder Baugruppe bearbeitet.

Antriebskomponenten
Der elektromechanische Aktuator besteht aus vier Baugruppen: 1) zwei 25-PS-Gleichstrommotoren, 2) einem Getriebe, 3) einem Linearkolben und 4) einem zugehörigen Gehäuse. Die Gleichstrommotoren drehen das Getriebe und übertragen die Drehbewegung auf eine Rollenspindel, die diese Bewegung in eine Linearbewegung durch den Ausgangskolben umsetzt. Die Motoren liefern ein konstantes Drehmoment von 34,6 oz-in./A. Die Motoren werden mit 125 A betrieben. An der Spindel entwickelt die Einheit ein Drehmoment von 31.000 oz-in. bzw. ca. 162 lb-ft.

Zwei bürstenlose Gleichstrommotoren sind auf einer Montageplatte befestigt. Die Montageplatte ist mit dem Getriebe verbunden. Eine kleine Einstellplatte ermöglicht die Bearbeitung während der Montage, was die präzise Ausrichtung der Wellen erleichtert. Diese Anordnung trägt auch dazu bei, Spiel im Getriebe zu vermeiden.

Das Ritzel ist auf der Motorwelle verkeilt und wird durch Lager im Motor gelagert. Das Ritzel ist mit der Zwischenwelle gekoppelt, die zwei Zahnräder enthält. Die Zwischenwelle reduziert die Drehzahl und überträgt hohe Drehmomente auf das Abtriebszahnrad. Wie bereits erwähnt, ist eines der Zwischenräder direkt in die Welle eingearbeitet.

Das erste Zwischenrad besteht aus zwei Teilen, die kleine Anpassungen ermöglichen, um das Drehspiel im System zu beseitigen.

Bei der Montage wird der untere Motor an der Motormontageplatte befestigt, wobei sein Ritzel mit den einstellbaren Zwischenrädern auf den Zwischenradwellen verbunden wird. Anschließend wird der obere Motor mithilfe der Motoreinstellplatte montiert. Anschließend drehen die Techniker die Motorwellen manuell und verschieben die Zwischenräder relativ zu ihren Wellen, um das Drehspiel zu beseitigen. Anschließend wird der obere Motor entfernt und eine neue Einstellplatte exakt zentriert gefertigt. Dieser Montageprozess eliminiert das Spiel.

Lager stützen jede Umlenkwelle an beiden Enden. Das Abtriebszahnrad ist mit einer Gewindespindelwelle verkeilt. Welle, Mutter und Abtriebskolben sorgen für lineare Bewegungen. Ein Linearlager, das den Abtriebskolben stabilisiert, verhindert Fehlausrichtungen.

Die Kugellagerbaugruppen am Ende der Stange und im Reitstock umfassen Montagevorrichtungen zur Verbindung mit dem Motor und den Strukturkomponenten.

Optionen
Um eine Umdrehung des Resolverrotors pro Kolbenhub zu erreichen und das Zählen der Wellenumdrehungen zu vermeiden, können NASA-Ingenieure einen Harmonic Drive mit Resolver verwenden. Ein solcher Antrieb sollte ein Untersetzungsverhältnis aufweisen, das dem Resolverrotor eine Umdrehung pro Kolbenhub ermöglicht.

Eine neuere Flugversion dieses Aktuators verwendet vier 15-PS-Motoren. Die kleineren Motoren reduzieren sowohl das Gewicht als auch die Trägheit des Motors. Die Drehmomentkonstante dieser Motoren beträgt 16,8 oz-in./A. Bei 100 A und 270 V liefert sie die nötige Kraft zum Bewegen einer Last von 45.000 lb.

Ein weiteres Positionierungsdesign
Obwohl dieser Dreifach-Gewindespindel-Positionierer nicht für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde, bietet er Verbesserungen in Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Er verkürzt die Zeit für die präzise Positionierung von Teilen in Maschinen, das Anheben und Absenken von Plattformen, die präzise Ausrichtung von Paketen und die waagerechte Ausrichtung von Plattformen für Lasergeräte und optische Pyrometrie-Teleskope.

Ein typisches Schraubpositionierungssystem verwendet eine zentral gesteuerte manuelle Steuerung, die auf drei oder vier stationären Stangen geführt wird, um eine Platte zu bewegen. Dieses Design verwendet eine Dreifach-Leitspindel als Hauptpositionierungsmechanismus. Sie bewegt eine Platte auf eine feste Platte zu oder von dieser weg, während die Platten parallel zueinander gehalten werden.

Die Baugruppe besteht aus 27 selbst gefertigten Teilen, neun Zukaufteilen wie Zahnrädern und Lagern sowie 65 verschiedenen Schrauben, Passfedern, Muttern, Unterlegscheiben usw. Alle Komponenten sind auf der Dreipunkt-Steuerhalterung und der Einpunkt-Antriebshalterung montiert. Diese Baugruppen werden in einer präzisen Antriebsposition an der Bodenendplatte des Hohlraums montiert.

Der Positionierer wird entweder über eine Handkurbel an einem der Antriebsstifte oder über einen externen Servomotorantrieb bedient. Die Hubposition wird auf einer Skala, einem Zeigeraufsatz oder einer LED-Anzeige abgelesen. Die Positionseinstellung kann auf 0,1 mm genau geregelt werden.