Forscher suchen weiterhin nach Möglichkeiten, die Genauigkeit linearer Positionierungssysteme zu verbessern, das Spiel zu reduzieren oder zu eliminieren und die Verwendung solcher Geräte zu vereinfachen. Hier ein Blick auf die jüngsten Entwicklungen

Unabhängig davon, ob die erforderliche lineare Bewegung gering oder groß ist, gehören Positionierungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu den erforderlichen 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 Positionierungsgeräte entwickelt, die Verbesserungen in diesen Eigenschaften aufweisen. Eines dieser Geräte wurde ursprünglich für den Einsatz im Weltraum entwickelt, das andere für eher erdgebundene Anwendungen. Beide bieten jedoch Vorteile für die Energieübertragungsindustrie.

Die Ingenieure des Marshall Space Flight Center benötigten einen Linearantrieb für Raumfahrzeuge. Der Aktuator bewegt die Düsenbaugruppe des Hauptmotors eines Raumfahrzeugs. In Kombination mit einem anderen Aktuator in derselben horizontalen Ebene, jedoch um 90 Grad gedreht, steuern die Aktuatoren die Nick-, Roll- und Gierbewegungen des Fahrzeugs. Die Toleranzen dieser Bewegungen betragen ±0,050 Zoll.

Funktionell muss der Aktuator diesen großen Objekten präzise inkrementelle lineare Bewegungen ermöglichen und die Position auch bei schweren Lasten halten. Die Lösung war ein elektromechanischer Linearantrieb. Er ermöglicht schrittweise Bewegungen bis zu einem Maximum von 6 Zoll. Sein minimaler Hub beträgt weniger als 0,00050 Zoll. Er kann Lasten bis zu 45.000 Pfund tragen.

Dieser Aktuator wandelt Drehbewegungen in lineare Bewegungen um und ist ein sauberes, einfaches Gerät, das hydraulische Aktuatoren in Anwendungen ersetzen kann, die solch kraftvolle und dennoch kontrollierte Bewegungen erfordern. Dieses Gerät erfordert außerdem nur wenig Wartungszeit für Reinigung und Inspektion und trägt dazu bei, den Zeitaufwand für die Qualifizierung des Flugsystems zu reduzieren.

Dieses Design verwendet einen Resolver und eine relativ neue Funktion, eine spielfreie Getriebeanordnung. Der Resolver misst die inkrementelle Winkelbewegung, die die inkrementelle lineare Bewegung steuert. Seine Genauigkeit beträgt 6 Bogen/min. Der Zusammenhang zwischen Rotation und Translation ist aus Übersetzungsverhältnissen und Gewindesteigung bekannt.

Das zweite Merkmal ist eine spielfreie Getriebeanordnung. Es stellt sicher, dass die Zähne des Zahnrads im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in ständigem Kontakt sind.

Um diesen Kontakt zu erreichen, müssen die Wellenmitten genau ausgerichtet sein. Bei der Herstellung werden die Wellen an jeder Baugruppe bearbeitet.

Aktorkomponenten
Der elektromechanische Aktuator besteht aus vier Baugruppen: 1) zwei 25-PS-Gleichstrommotoren, 2) einem Getriebezug, 3) einem Linearkolben und 4) einem dazugehörigen Gehäuse. Die Gleichstrommotoren drehen das Getriebe und übertragen die Drehbewegung auf eine Rollenschraube, die diese Bewegung über den Abtriebskolben in eine lineare Bewegung umwandelt. Die Motoren bieten eine Drehmomentkonstante von 34,6 oz-in./A. Die Motoren werden mit 125 A betrieben. An der Schnecke entwickelt das Gerät ein Drehmoment von 31.000 oz-in. oder etwa 162 lb-ft.

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

Das Ritzel ist auf der Motorwelle verkeilt und wird durch Lager im Motorinneren getragen. Das Ritzel passt zur Zwischenwellenbaugruppe, die zwei Zahnräder umfasst. Die Zwischenwelle reduziert die Drehzahl und überträgt hohe Drehmomente auf das Abtriebsrad. Wie bereits erwähnt, ist eines der Zwischenräder direkt in die Welle eingearbeitet.

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

Beim Zusammenbau wird der untere Motor an der Motormontageplatte montiert und sein Ritzel mit den einstellbaren Zwischenrädern auf den Zwischenwellen gepaart. Anschließend wird der obere Motor mithilfe der Motor-Einstellplatte montiert. Als nächstes drehen die Ingenieure die Motorwellen manuell und bewegen dabei die Zwischenräder relativ zu ihren Wellen, um das Rotationsspiel zu beseitigen. Anschließend wird der obere Motor entfernt und eine neue Einstellplatte exakt in der Mitte bearbeitet. Dieser Montagevorgang eliminiert das Spiel.

Lager stützen jede Zwischenwelle an beiden Enden. Das Abtriebsrad ist mit einer Rollengewindespindelwelle verkeilt. Die Baugruppe aus Welle, Mutter und Ausgangskolben sorgt für lineare Bewegungen. Eine Fehlausrichtung wird durch ein Linearlager verhindert, das den Abtriebskolben stabilisiert.

Die sphärischen Lagerbaugruppen am Ende der Stange und im Reitstock umfassen Montagebefestigungen zur Verbindung mit dem Motor und Strukturkomponenten.

Optionen
Um eine Umdrehung des Resolverrotors pro Kolbenhub zu erreichen und das Zählen der Wellenumdrehungen überflüssig zu machen, können NASA-Ingenieure einen harmonischen Antrieb mit einem Resolver verwenden. Ein solcher Antrieb sollte über ein Untersetzungsverhältnis verfügen, das es dem Resolverrotor ermöglicht, eine Umdrehung pro vollem Kolbenhub zu durchlaufen.

Eine neuere Flugversion dieses Aktuators verwendet vier 15-PS-Motoren. Die kleineren Motoren reduzieren das Gewicht und die Motorträgheit. Die Drehmomentkonstante dieser Motoren beträgt 16,8 oz-in./A und wird mit 100 A und 270 V betrieben, um die erforderliche Kraft zum Bewegen einer Last von 45.000 Pfund bereitzustellen.

Ein weiteres Positionierungsdesign
Obwohl dieser Dreigang-Spindelpositionierer nicht für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde, weist er Verbesserungen in der Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf. Es reduziert die Zeit, die benötigt wird, um Teile in Maschinen genau zu positionieren, Plattformen anzuheben oder abzusenken, Pakete präzise auszurichten und sicherzustellen, dass die Plattformen für Lasergeräte und optische Pyrometrie-Teleskope eben bleiben.

Ein typisches Schraubenpositionierungssystem könnte eine zentral angetriebene manuelle Steuerung verwenden, die von drei oder vier stationären Stangen geführt wird, um eine Platte zu bewegen. Bei dieser Konstruktion wird als Hauptpositionierungsmechanismus eine Dreifach-Leitspindelbaugruppe verwendet. Es treibt eine Platte zu einer festen Platte hin oder von dieser weg, während die Platten parallel zueinander gehalten werden.

Die Baugruppe besteht aus 27 in der Werkstatt gefertigten Teilen, neun Zukaufteilen wie Zahnrädern und Lagern sowie 65 verschiedenen Schrauben, Keilnuten, Muttern, Unterlegscheiben usw. Alle Komponenten werden an der Dreipunkt-Steuerungshalterung und dem Einpunkt-Antrieb montiert Halterung. Diese Baugruppen werden in einer präzisen Antriebssteuerungsposition auf der Basisendplatte des Hohlraums montiert.

Der Positionierer wird entweder über eine manuelle Handkurbel an einem der Antriebsstifte oder über einen ferngesteuerten Servomotorantrieb betrieben. Die Wegposition wird auf einer Skala, auf einem Zeigeraufsatz oder mit einer LED-Anzeige abgelesen. Die Positionsabstimmung kann auf 0,1 mm gesteuert werden.