I ricercatori continuano a cercare modi per migliorare la precisione dei sistemi di posizionamento lineare, ridurre o eliminare il gioco meccanico e rendere tali dispositivi più facili da usare. Ecco una panoramica degli sviluppi recenti.

Che lo spostamento lineare richiesto sia piccolo o grande, la precisione e l'affidabilità del posizionamento sono caratteristiche essenziali nei sistemi lineari. Due centri di ricerca che spesso sviluppano prodotti per l'impiego spaziale, il Marshall Space Flight Center in Alabama e il Lewis Research Center a Cleveland, hanno sviluppato dispositivi di posizionamento lineare che presentano miglioramenti in queste caratteristiche. Uno di questi dispositivi è stato inizialmente sviluppato per l'uso spaziale, l'altro per applicazioni più terrestri. Entrambi, tuttavia, offrono vantaggi anche al settore della trasmissione di energia.

Gli ingegneri del Marshall Space Flight Center necessitavano di un attuatore lineare per i veicoli spaziali. L'attuatore avrebbe dovuto muovere l'ugello del motore principale di un veicolo spaziale. In combinazione con un altro attuatore posizionato sullo stesso piano orizzontale ma ruotato di 90 gradi, gli attuatori avrebbero controllato i movimenti di beccheggio, rollio e imbardata del veicolo. Le tolleranze di questi movimenti erano di ±0,050 pollici.

Dal punto di vista funzionale, l'attuatore deve fornire movimenti lineari incrementali precisi a questi oggetti di grandi dimensioni e mantenere la posizione anche sotto carichi pesanti. La soluzione è stata un attuatore lineare elettromeccanico. Esso fornisce movimenti incrementali fino a un massimo di 6 pollici. La sua corsa minima è inferiore a 0,00050 pollici. Può sostenere carichi fino a 45.000 libbre.

Convertendo il movimento rotatorio in movimento lineare, questo attuatore è un dispositivo semplice ed elegante che può sostituire gli attuatori idraulici in applicazioni che richiedono un movimento potente ma controllato. Inoltre, richiede una manutenzione minima per la pulizia e l'ispezione, contribuendo a ridurre i tempi di qualificazione del sistema di volo.

Questo progetto utilizza un resolver e una caratteristica relativamente nuova, un sistema di ingranaggi anti-gioco. Il resolver misura il movimento angolare incrementale, che controlla il movimento lineare incrementale. La sua precisione è di 6 arc/min. La relazione tra rotazione e traslazione è nota grazie ai rapporti di trasmissione e al passo della filettatura.

La seconda caratteristica è un sistema di ingranaggi anti-gioco. Garantisce che i denti degli ingranaggi siano in costante contatto sia in senso orario che antiorario.

Per ottenere questo contatto, i centri degli alberi devono essere allineati con precisione. Durante la produzione, gli alberi vengono lavorati su ogni singolo gruppo.

Componenti dell'attuatore
L'attuatore elettromeccanico è costituito da quattro sezioni: 1) due motori a corrente continua da 25 CV, 2) un treno di ingranaggi, 3) un pistone lineare e 4) un alloggiamento corrispondente. I motori a corrente continua fanno ruotare il treno di ingranaggi, trasmettendo il moto rotatorio a una vite a rulli, che a sua volta converte tale moto in movimento lineare attraverso il pistone di uscita. I motori forniscono una coppia costante di 34,6 oz-in/A. I motori funzionano a 125 A. A livello della vite, l'unità sviluppa una coppia di 31.000 oz-in, ovvero circa 162 lb-ft.

Due motori brushless a corrente continua sono fissati a una piastra di montaggio. La piastra di montaggio si interfaccia con il sistema di ingranaggi. Una piccola piastra di regolazione consente la lavorazione in loco, facilitando l'allineamento preciso degli alberi. Questa configurazione contribuisce inoltre a eliminare il gioco all'interno del sistema di ingranaggi.

Il pignone è fissato all'albero motore tramite una chiavetta ed è supportato da cuscinetti all'interno del motore stesso. Il pignone si accoppia con l'albero intermedio, che comprende due ingranaggi. L'albero intermedio riduce la velocità e trasmette coppie elevate all'ingranaggio di uscita. Come accennato in precedenza, uno degli ingranaggi intermedi è ricavato direttamente nell'albero tramite lavorazione meccanica.

Il primo ingranaggio intermedio è costituito da due pezzi che consentono piccole regolazioni per eliminare il gioco di rotazione nel sistema.

Durante l'assemblaggio, il motore inferiore viene montato sulla piastra di fissaggio, accoppiando il suo pignone con gli ingranaggi folli regolabili sugli alberi folli. Il motore superiore viene quindi montato utilizzando la piastra di regolazione. Successivamente, i tecnici ruotano manualmente gli alberi motore, spostando gli ingranaggi folli rispetto ai rispettivi alberi per eliminare il gioco di rotazione. Il motore superiore viene quindi rimosso e una nuova piastra di regolazione viene lavorata con precisione fino al centro. Questo processo di assemblaggio elimina il gioco.

Ciascun albero folle è supportato da cuscinetti a entrambe le estremità. L'ingranaggio di uscita è accoppiato tramite chiavetta a un albero a vite a rulli filettato. L'albero, il dado e il gruppo pistone di uscita garantiscono movimenti lineari. Il disallineamento è impedito da un cuscinetto lineare che stabilizza il pistone di uscita.

I gruppi di cuscinetti sferici, all'estremità della biella e nella contropunta, includono dispositivi di fissaggio per il collegamento al motore e ai componenti strutturali.

Opzioni
Per ottenere una rotazione completa del rotore del resolver per ogni corsa del pistone ed eliminare la necessità di contare i giri dell'albero, gli ingegneri della NASA suggeriscono di utilizzare un riduttore armonico con un resolver. Tale riduttore dovrebbe avere un rapporto di riduzione che permetta al rotore del resolver di compiere una rotazione completa per ogni corsa completa del pistone.

Una versione più recente di questo attuatore, destinata al volo, utilizza quattro motori da 15 CV. I motori di dimensioni ridotte diminuiscono il peso e l'inerzia. La costante di coppia di questi motori è di 16,8 oz-in./A, con un funzionamento a 100 A e 270 V, per fornire la forza necessaria a movimentare un carico di 45.000 libbre.

Un altro progetto di posizionamento
Sebbene questo posizionatore a vite a tripla azione non sia stato sviluppato per l'uso nello spazio, dimostra miglioramenti in termini di precisione e affidabilità. Riduce il tempo necessario per posizionare con precisione i componenti nelle macchine, alzare o abbassare le piattaforme, squadrare con precisione i pacchi e garantire che le piattaforme rimangano in piano per le apparecchiature laser e i telescopi ottici-pirometrici.

Un tipico sistema di posizionamento a vite potrebbe utilizzare un comando manuale azionato centralmente, guidato su tre o quattro aste fisse, per spostare una piastra. Questo progetto utilizza un gruppo a tripla vite senza fine come meccanismo di posizionamento principale. Esso sposta una piastra verso o lontano da una piastra fissa, mantenendo le piastre parallele tra loro.

L'assemblaggio è composto da 27 componenti realizzati in officina, nove componenti acquistati, come ingranaggi e cuscinetti, e 65 bulloni, chiavette, dadi, rondelle e altri elementi di vario tipo. Tutti i componenti sono assemblati sulla staffa di comando a tre punti e sulla staffa di azionamento a un punto. Questi gruppi si montano in una posizione di controllo dell'azionamento precisa sulla piastra terminale di base della cavità.

Il posizionatore funziona tramite una manovella manuale su uno dei perni di azionamento oppure tramite un servomotore remoto. La posizione di spostamento viene visualizzata su una scala graduata, su un puntatore o su un display a LED. La regolazione della posizione può essere effettuata con una precisione di 0,1 mm.