研究者たちは、リニアポジショニングシステムの精度向上、バックラッシュの低減または解消、そして使いやすさの向上を目指して研究を続けている。ここでは、最近の進展について見ていこう。

必要な直線移動量が少量であろうと大量であろうと、位置決め精度と信頼性は、直線システムに不可欠な特性の一つです。宇宙空間で使用される製品の開発を数多く手がけてきたアラバマ州のマーシャル宇宙飛行センターとクリーブランドのルイス研究センターは、これらの特性を向上させた直線位置決め装置を開発しました。これらの装置のうち一つは当初宇宙空間での使用を想定して開発され、もう一つはより地上での用途を想定して開発されました。しかし、どちらも送電業界にとって有益な特性を備えています。

マーシャル宇宙飛行センターのエンジニアたちは、宇宙船用のリニアアクチュエータを必要としていました。このアクチュエータは、宇宙船のメインエンジンのノズルアセンブリを動かします。同じ水平面上にありながら90度回転させた別のアクチュエータと組み合わせることで、これらのアクチュエータは宇宙船のピッチ、ロール、ヨーの動きを制御します。これらの動きの許容誤差は±0.050インチです。

機能的には、アクチュエータはこれらの大型物体に正確な増分直線運動を提供し、重荷重に対して位置を保持する必要があります。解決策は電気機械式リニアアクチュエータでした。これは最大6インチの増分運動を提供し、最小ストロークは0.00050インチ未満です。45,000ポンドまでの荷重を保持できます。

回転運動を直線運動に変換するこのアクチュエータは、クリーンでシンプルな装置であり、強力かつ制御された動作が求められる用途において、油圧アクチュエータの代替として使用できます。また、清掃や点検のためのメンテナンス時間もほとんど不要で、飛行システムの認証に必要な時間を短縮するのに役立ちます。

この設計では、レゾルバと比較的新しい機能であるバックラッシュ防止ギア機構を採用しています。レゾルバは増分角運動を測定し、それによって増分直線運動を制御します。その精度は6秒角/分です。回転と並進の関係は、ギア比とねじピッチから求められます。

2つ目の特徴は、バックラッシュ防止機構を備えたギア機構です。これにより、ギアの歯が時計回りおよび反時計回りのどちらの方向にも常に接触した状態を維持します。

この接触を実現するためには、シャフトの中心を正確に位置合わせする必要があります。製造工程では、各アセンブリごとにシャフトが機械加工されます。

アクチュエータ部品
電気機械式アクチュエータは、1) 25 hp の DC モータ 2 台、2) ギアトレイン、3) リニアピストン、4) ハウジングの 4 つのアセンブリ セクションで構成されています。DC モータはギアトレインを回転させ、回転運動をローラースクリューに伝達し、ローラースクリューはその運動を出力ピストンを介して直線運動に変換します。モータのトルク定数は 34.6 oz-in./A です。モータは 125 A で動作します。スクリューでは、ユニットは 31,000 oz-in.、つまり約 162 lb-ft のトルクを発生します。

2つのブラシレスDCモーターが取付プレートに固定されています。取付プレートはギアシステムと接続されています。小型の調整プレートにより、組み立て時に機械加工が可能となり、シャフトの精密な位置合わせが容易になります。この構造は、ギアシステム内のバックラッシュを解消するのにも役立ちます。

ピニオンギアはモーターシャフトにキーで固定され、モーター内部のベアリングによって支持されています。ピニオンは、2つのギアを含むアイドラシャフトアセンブリと噛み合います。アイドラシャフトは回転速度を減速し、高トルクを出力ギアに伝達します。前述のとおり、アイドラギアの1つはシャフトに直接加工されています。

最初のアイドラギアは2つの部品で構成されており、システム内の回転遊びを取り除くための微調整を可能にする。

組み立て工程では、まず下部モーターをモーター取り付けプレートに取り付け、そのピニオンギアをアイドラシャフト上の調整可能なアイドラギアに噛み合わせます。次に、上部モーターをモーター調整プレートを使用して取り付けます。続いて、技術者がモーターシャフトを手動で回転させ、アイドラギアをシャフトに対して移動させて回転遊びを取り除きます。その後、上部モーターを取り外し、新しい調整プレートを正確な中心位置に加工します。この組み立て工程により、バックラッシュが解消されます。

各アイドラシャフトは両端でベアリングによって支持されています。出力ギアは、ねじ付きローラースクリューシャフトにキーで固定されています。シャフトとナット、および出力ピストンアセンブリは直線運動を実現します。出力ピストンを安定させるリニアベアリングにより、ミスアライメントが防止されます。

ロッドの端部と心押し台にある球面軸受アセンブリには、エンジンおよび構造部品に接続するための取り付け部が備えられている。

オプション
ピストンのストロークごとにレゾルバローターを1回転させ、シャフトの回転数を数​​える必要性をなくすために、NASAのエンジニアは、レゾルバにハーモニックドライブを使用できると述べている。このようなドライブは、ピストンの1ストロークごとにレゾルバローターが1回転するような減速比を持つ必要がある。

このアクチュエータの新型の飛行用バージョンでは、15馬力のモーターが4基使用されています。小型モーターを採用することで、重量と慣性モーメントが軽減されています。これらのモーターのトルク定数は16.8オンスインチ/Aで、100A、270Vで動作し、45,000ポンドの負荷を動かすのに必要な力を発揮します。

別のポジショニングデザイン
この3連式リードスクリューポジショナーは宇宙空間での使用を想定して開発されたものではありませんが、精度と信頼性の向上を実証しています。機械内での部品の正確な位置決め、プラットフォームの昇降、パッケージの精密な直角出し、レーザー装置や光学式高温計望遠鏡用のプラットフォームの水平維持にかかる時間を短縮します。

一般的なねじ位置決めシステムでは、3本または4本の固定ロッドに沿ってガイドされるセンター駆動式の手動制御装置を用いてプレートを移動させるのが一般的です。本設計では、主要な位置決め機構として3本のリードスクリューアセンブリを使用しています。このアセンブリは、プレート同士を平行に保ちながら、プレートを固定プレートに近づけたり遠ざけたりします。

このアセンブリは、27個の自作部品、ギアやベアリングなどの9個の購入部品、および65個の各種ボルト、キー溝、ナット、ワッシャーなどで構成されています。すべての部品は、3点制御ブラケットと1点駆動ブラケットに取り付けられます。これらのアセンブリは、キャビティのベースエンドプレート上の正確な駆動制御位置に取り付けられます。

ポジショナーは、駆動ピンのいずれかに取り付けられた手動クランク、またはリモートサーボモーター駆動装置のいずれかによって動作します。移動位置は、目盛、ポインター、またはLED表示で読み取ることができます。位置調整は0.1mm単位で制御可能です。