Forscher suchen weiterhin nach Möglichkeiten, die Genauigkeit linearer Positioniersysteme zu verbessern, Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren und die Bedienung dieser Geräte zu vereinfachen. Hier ein Überblick über aktuelle Entwicklungen.

Unabhängig davon, ob eine geringe oder große lineare Bewegung erforderlich ist, zählen Positioniergenauigkeit und Zuverlässigkeit zu den wichtigsten Eigenschaften linearer Systeme. Zwei Forschungszentren, die häufig Produkte für den Einsatz im Weltraum entwickeln – das Marshall Space Flight Center in Alabama und das Lewis Research Center in Cleveland – haben lineare Positioniergeräte mit verbesserten Eigenschaften entwickelt. Eines dieser Geräte wurde ursprünglich für den Einsatz im Weltraum, das andere für Anwendungen auf der Erde entwickelt. Beide bieten jedoch Vorteile für die Energieübertragungsindustrie.

Die Ingenieure des Marshall Space Flight Center benötigten einen Linearantrieb für Raumfahrzeuge. Dieser Antrieb bewegt die Düsenanordnung des Haupttriebwerks eines Raumfahrzeugs. In Kombination mit einem weiteren, um 90 Grad gedrehten Antrieb in derselben horizontalen Ebene steuern die Antriebe die Nick-, Roll- und Gierbewegungen des Fahrzeugs. Die Toleranzen dieser Bewegungen betragen ±0,050 Zoll.

Funktionell muss der Aktor diese großen Objekte präzise inkrementelle lineare Bewegungen ausführen und die Position auch unter hohen Lasten halten. Die Lösung war ein elektromechanischer Linearaktuator. Er ermöglicht inkrementelle Bewegungen bis maximal 152 mm (6 Zoll). Sein minimaler Hub beträgt weniger als 0,0127 mm (0,00050 Zoll). Er kann Lasten bis zu 20.413 kg (45.000 lb) halten.

Durch die Umwandlung von Dreh- in Linearbewegung ist dieser Aktor ein sauberes und einfaches Gerät, das hydraulische Aktoren in Anwendungen ersetzen kann, die eine kraftvolle und gleichzeitig kontrollierte Bewegung erfordern. Das Gerät ist zudem wartungsarm und trägt dazu bei, die Qualifizierungszeit des Flugsystems zu verkürzen.

Diese Konstruktion nutzt einen Resolver und eine relativ neue Funktion, eine spielfreie Verzahnung. Der Resolver misst die schrittweise Winkelbewegung, welche die schrittweise Linearbewegung steuert. Seine Genauigkeit beträgt 6 Bogenminuten. Das Verhältnis zwischen Rotation und Translation ergibt sich aus den Übersetzungsverhältnissen und der Gewindesteigung.

Das zweite Merkmal ist eine spielfreie Verzahnung. Sie gewährleistet, dass die Zahnradzähne sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn stets in Kontakt stehen.

Um diesen Kontakt herzustellen, müssen die Wellenmittelpunkte präzise ausgerichtet sein. Bei der Fertigung werden die Wellen an jeder Baugruppe bearbeitet.

Aktuatorkomponenten
Der elektromechanische Aktor besteht aus vier Baugruppen: 1) zwei 25-PS-Gleichstrommotoren, 2) einem Getriebe, 3) einem Linearkolben und 4) einem Gehäuse. Die Gleichstrommotoren treiben das Getriebe an und übertragen die Drehbewegung auf eine Rollengewindespindel. Diese wandelt die Drehbewegung in eine lineare Bewegung über den Abtriebskolben um. Die Motoren liefern ein Drehmoment von 34,6 oz-in./A. Sie werden mit 125 A betrieben. An der Gewindespindel erzeugt die Einheit ein Drehmoment von 31.000 oz-in., was etwa 162 lb-ft entspricht.

Zwei bürstenlose Gleichstrommotoren sind auf einer Montageplatte befestigt. Diese Montageplatte ist mit dem Getriebe verbunden. Eine kleine Justierplatte ermöglicht die Bearbeitung während der Montage und damit die präzise Ausrichtung der Wellen. Diese Anordnung trägt außerdem zur Vermeidung von Zahnflankenspiel im Getriebe bei.

Das Ritzel ist auf der Motorwelle verzahnt und im Motorinneren gelagert. Es greift in die Zwischenwellenbaugruppe ein, die zwei Zahnräder umfasst. Die Zwischenwelle reduziert die Drehzahl und überträgt hohe Drehmomente auf das Abtriebszahnrad. Wie bereits erwähnt, ist eines der Zwischenzahnräder direkt in die Welle eingearbeitet.

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

Bei der Montage wird der untere Motor an der Motormontageplatte befestigt, wobei sein Ritzel mit den verstellbaren Zwischenrädern auf den Zwischenwellen in Eingriff kommt. Anschließend wird der obere Motor mithilfe der Motorverstellplatte montiert. Danach drehen die Techniker die Motorwellen manuell und verschieben die Zwischenräder relativ zu ihren Wellen, um jegliches Spiel zu beseitigen. Der obere Motor wird dann demontiert und eine neue Verstellplatte mit exakter Zentrierung gefertigt. Dieses Montageverfahren beseitigt das Zahnflankenspiel.

Lager stützen jede Leerlaufwelle an beiden Enden. Das Abtriebszahnrad ist mit einer Gewindespindel mit Rollengewinde verbunden. Welle, Mutter und Abtriebskolben ermöglichen lineare Bewegungen. Ein Linearlager, das den Abtriebskolben stabilisiert, verhindert Fluchtungsfehler.

Die Kugelgelenklager am Ende der Stange und im Reitstock umfassen Befestigungselemente zur Verbindung mit dem Motor und den Strukturbauteilen.

Optionen
Um eine Umdrehung des Resolverrotors pro Kolbenhub zu erreichen und die Notwendigkeit, die Wellenumdrehungen zu zählen, zu eliminieren, geben NASA-Ingenieure an, dass sie einen Harmonic Drive mit einem Resolver verwenden können. Ein solcher Antrieb sollte ein Untersetzungsverhältnis aufweisen, das es dem Resolverrotor ermöglicht, eine Umdrehung pro vollem Kolbenhub auszuführen.

Eine neuere, für den Flugbetrieb optimierte Version dieses Aktuators verwendet vier 15-PS-Motoren. Die kleineren Motoren reduzieren sowohl das Gewicht als auch die Motorträgheit. Die Drehmomentkonstante dieser Motoren beträgt 16,8 oz-in./A bei einem Betrieb mit 100 A und 270 V, um die benötigte Kraft zum Bewegen einer Last von 45.000 lb bereitzustellen.

Ein weiteres Positionierungsdesign
Obwohl dieser Positionierer mit dreifacher Gewindespindel nicht für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde, zeigt er Verbesserungen hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Er verkürzt die Zeit für die präzise Positionierung von Teilen in Maschinen, das Anheben und Absenken von Plattformen, das exakte Ausrichten von Bauteilen und die Gewährleistung der Nivellierung von Plattformen für Lasergeräte und optische Pyrometrie-Teleskope.

Ein typisches Positioniersystem mit Spindelantrieb verwendet eine zentrisch angetriebene manuelle Steuerung, die über drei oder vier stationäre Stangen geführt wird, um eine Platte zu bewegen. Diese Konstruktion nutzt eine Dreifach-Spindel als Hauptpositioniermechanismus. Sie bewegt eine Platte auf eine feste Platte zu oder von ihr weg, wobei die Platten parallel zueinander bleiben.

Die Baugruppe besteht aus 27 Eigenbauteilen, neun Zukaufteilen wie Zahnrädern und Lagern sowie 65 verschiedenen Schrauben, Keilnuten, Muttern, Unterlegscheiben usw. Alle Komponenten werden auf der Dreipunkt-Steuerhalterung und der Einpunkt-Antriebshalterung montiert. Diese Baugruppen werden in einer präzisen Antriebs- und Steuerposition auf der Grundplatte des Gehäuses befestigt.

Der Positionierer wird entweder manuell über eine Handkurbel an einem der Antriebszapfen oder über einen externen Servomotor betrieben. Die Verfahrposition wird auf einer Skala, einem Zeiger oder einer LED-Anzeige abgelesen. Die Positionsgenauigkeit beträgt 0,1 mm.