연구자들은 선형 위치 결정 시스템의 정확도를 향상시키고, 백래시를 줄이거나 없애는 동시에 이러한 장치를 더 쉽게 사용할 수 있도록 하는 방법을 계속해서 모색하고 있습니다. 최근의 연구 개발 동향을 살펴보겠습니다.

필요한 선형 이동량이 작든 크든, 위치 정확도와 신뢰성은 선형 시스템에 필수적인 속성입니다. 우주 분야에 사용되는 제품을 자주 개발하는 두 연구 기관인 미국 앨라배마주 마셜 우주비행센터와 미국 클리블랜드주 루이스 연구센터는 이러한 속성을 개선한 선형 위치 결정 장치를 개발했습니다. 이 장치 중 하나는 원래 우주용으로 개발되었고, 다른 하나는 지상용으로 개발되었지만, 두 장치 모두 전력 전송 산업에 유용한 이점을 제공합니다.

마셜 우주비행센터의 엔지니어들은 우주선에 사용할 선형 액추에이터가 필요했습니다. 이 액추에이터는 우주선 주 엔진의 노즐 어셈블리를 움직이는 역할을 합니다. 동일한 수평면에 있지만 90도 회전된 다른 액추에이터와 함께 작동하여 우주선의 피치, 롤, 요우 운동을 제어합니다. 이러한 운동의 허용 오차는 ±0.050인치입니다.

기능적으로, 액추에이터는 이러한 대형 물체에 정확한 단계적 선형 운동을 제공하고 무거운 하중에도 위치를 유지해야 합니다. 해결책은 전기 기계식 선형 액추에이터였습니다. 이 액추에이터는 최대 6인치까지 단계적 운동을 제공하며, 최소 스트로크는 0.00050인치 미만입니다. 또한 최대 45,000파운드의 하중을 견딜 수 있습니다.

회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 이 액추에이터는 강력하면서도 정밀한 움직임이 필요한 분야에서 유압 액추에이터를 대체할 수 있는 깔끔하고 간단한 장치입니다. 또한 청소 및 검사에 필요한 유지보수 시간이 거의 없으며, 비행 시스템 검증에 필요한 시간을 단축하는 데 도움이 됩니다.

이 설계는 리졸버와 비교적 새로운 기능인 역회전 방지 기어 장치를 사용합니다. 리졸버는 증분 각도 운동을 측정하여 증분 선형 운동을 제어합니다. 정확도는 6 arc/min입니다. 회전과 병진 운동 사이의 관계는 기어비와 나사산 피치로부터 알 수 있습니다.

두 번째 특징은 백래시 방지 기어 장치입니다. 이 장치는 기어 톱니가 시계 방향과 반시계 방향으로 항상 접촉하도록 보장합니다.

이러한 접촉을 이루려면 축 중심이 정확하게 정렬되어야 합니다. 제조 과정에서 각 조립품의 축을 정밀 가공합니다.

액추에이터 구성 요소
전기기계식 액추에이터는 1) 25마력 직류 모터 2개, 2) 기어 트레인, 3) 선형 피스톤, 4) 하우징의 네 부분으로 구성됩니다. 직류 모터는 기어 트레인을 회전시켜 회전 운동을 롤러 스크류에 전달하고, 롤러 스크류는 이 회전 운동을 출력 피스톤을 통해 선형 운동으로 변환합니다. 모터의 토크 상수는 34.6 oz-in./A이며, 125A로 작동됩니다. 스크류에서 발생하는 토크는 31,000 oz-in. 또는 약 162 lb-ft입니다.

두 개의 브러시리스 DC 모터가 장착판에 고정되어 있습니다. 이 장착판은 기어 시스템과 연결됩니다. 작은 조정판을 통해 조립 상태에서 가공이 가능하여 축의 정밀한 정렬을 용이하게 합니다. 이러한 구조는 또한 기어 시스템 내의 백래시를 제거하는 데 도움이 됩니다.

피니언 기어는 모터 샤프트에 키로 고정되어 있으며 모터 내부의 베어링에 의해 지지됩니다. 피니언은 두 개의 기어를 포함하는 아이들러 샤프트 어셈블리와 맞물립니다. 아이들러 샤프트는 회전 속도를 줄이고 높은 토크를 출력 기어로 전달합니다. 앞서 언급했듯이, 아이들러 기어 중 하나는 샤프트에 직접 가공되어 있습니다.

첫 번째 아이들 기어는 시스템의 회전 유격을 제거하기 위한 미세 조정을 가능하게 하는 두 부분으로 구성됩니다.

조립 과정에서 하부 모터는 모터 장착판에 장착되고, 피니언 기어는 아이들러 샤프트의 조절식 아이들러 기어와 맞물립니다. 그런 다음 모터 조절판을 사용하여 상부 모터를 장착합니다. 이어서 엔지니어는 모터 샤프트를 수동으로 회전시켜 아이들러 기어를 샤프트에 대해 움직여 회전 유격을 제거합니다. 마지막으로 상부 모터를 제거하고 정확한 중심에 맞춰 새 조절판을 가공합니다. 이러한 조립 과정을 통해 백래시가 제거됩니다.

베어링은 각 아이들러 샤프트의 양쪽 끝을 지지합니다. 출력 기어는 나사산이 있는 롤러 스크류 샤프트에 키 방식으로 고정됩니다. 샤프트와 너트, 그리고 출력 피스톤 어셈블리는 직선 운동을 제공합니다. 선형 베어링이 출력 피스톤을 안정화시켜 정렬 불량을 방지합니다.

로드 끝단과 테일스톡에 있는 구형 베어링 어셈블리에는 엔진 및 구조 부품에 연결하기 위한 장착 부착 장치가 포함되어 있습니다.

옵션
피스톤 스트로크당 리졸버 로터가 한 바퀴 회전하도록 하고, 축 회전수를 셀 필요성을 없애기 위해 NASA 엔지니어들은 리졸버가 장착된 하모닉 드라이브를 사용할 수 있다고 밝혔습니다. 이러한 드라이브는 피스톤의 전체 스트로크당 리졸버 로터가 한 바퀴 회전할 수 있도록 하는 감속비를 가져야 합니다.

이 액추에이터의 최신 비행용 버전은 15마력 모터 4개를 사용합니다. 소형 모터를 사용함으로써 무게와 모터 관성을 줄였습니다. 이 모터의 토크 상수는 16.8온스-인치/암페어이며, 100암페어 및 270볼트에서 작동하여 45,000파운드의 하중을 움직이는 데 필요한 힘을 제공합니다.

또 다른 포지셔닝 디자인
이 3중 리드 스크류 포지셔너는 우주용으로 개발된 것은 아니지만, 정확성과 신뢰성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 이 장치를 사용하면 기계에서 부품을 정확하게 배치하고, 플랫폼을 올리거나 내리고, 포장을 정밀하게 직각으로 맞추고, 레이저 장비 및 광학-온도 측정 망원경의 플랫폼 수평을 유지하는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있습니다.

일반적인 스크류 위치 결정 시스템은 세 개 또는 네 개의 고정 로드를 따라 움직이는 중앙 구동식 수동 제어 장치를 사용하여 플레이트를 이동시킬 수 있습니다. 본 설계는 3개의 리드 스크류 어셈블리를 주요 위치 결정 메커니즘으로 사용합니다. 이 장치는 플레이트를 고정된 플레이트 쪽으로 또는 고정된 플레이트에서 멀어지도록 이동시키면서 두 플레이트가 서로 평행을 유지하도록 합니다.

이 조립품은 자체 제작 부품 27개, 기어 및 베어링과 같은 구매 부품 9개, 그리고 볼트, 키홈, 너트, 와셔 등 다양한 부품 65개로 구성됩니다. 모든 구성 요소는 3점 제어 브래킷과 1점 구동 브래킷에 조립됩니다. 이 조립품들은 캐비티 바닥면의 정확한 구동 제어 위치에 장착됩니다.

위치 조절 장치는 구동 핀 중 하나에 있는 수동 핸드 크랭크를 사용하거나 원격 서보 모터 구동 장치를 통해 작동합니다. 이동 위치는 눈금, 포인터 또는 LED 표시기를 통해 읽을 수 있습니다. 위치 조정은 0.1mm 단위로 제어할 수 있습니다.