연구자들은 선형 위치 시스템의 정확도를 향상시키고, 백래시를 줄이거나 없애고, 이러한 장치의 사용을 더욱 용이하게 하는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다. 최근 개발 동향을 살펴보겠습니다.

필요한 선형 운동이 적든 많든, 위치 정확도와 신뢰성은 선형 시스템에 필수적인 특성입니다. 우주용 제품을 자주 개발하는 두 연구 센터인 앨라배마주 마셜 우주 비행 센터와 클리블랜드주 루이스 연구 센터는 이러한 특성이 향상된 선형 위치 장치를 개발했습니다. 이 장치 중 하나는 원래 우주용으로, 다른 하나는 지구에 더 가까운 용도로 개발되었습니다. 하지만 두 장치 모두 전력 송전 산업에 제공할 수 있는 이점을 가지고 있습니다.

마셜 우주 비행 센터의 엔지니어들은 우주선용 선형 액추에이터가 필요했습니다. 이 액추에이터는 우주선 주 엔진의 노즐 어셈블리를 움직입니다. 같은 수평면에 있지만 90도 회전된 다른 액추에이터와 함께 작동하여 우주선의 피치, 롤, 요 운동을 제어합니다. 이러한 운동의 허용 오차는 ±0.050인치입니다.

기능적으로 액추에이터는 이러한 대형 물체에 점진적인 선형 운동을 정확하게 제공하고 무거운 하중에도 위치를 유지해야 합니다. 해결책은 전기기계식 선형 액추에이터였습니다. 이 액추에이터는 최대 6인치(15cm)까지 점진적인 운동을 제공하며, 최소 스트로크는 0.00050인치(0.00050인치) 미만입니다. 최대 45,000파운드(18,000kg)의 하중을 견딜 수 있습니다.

회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 이 액추에이터는 강력하면서도 제어된 운동이 필요한 응용 분야에서 유압 액추에이터를 대체할 수 있는 깔끔하고 간단한 장치입니다. 또한, 이 장치는 청소 및 점검에 필요한 유지 보수 시간이 거의 필요하지 않으며, 비행 시스템 적격성 평가에 필요한 시간을 단축하는 데 도움이 됩니다.

이 설계는 리졸버와 비교적 새로운 기능인 백래시 방지 기어 장치를 사용합니다. 리졸버는 증분 각운동량을 측정하여 증분 직선 운동을 제어합니다. 정확도는 분당 6각입니다. 회전과 이동 사이의 관계는 기어비와 나사산 피치를 통해 알 수 있습니다.

두 번째 특징은 백래시 방지 기어 배열입니다. 이는 기어 톱니가 시계 방향과 반시계 방향으로 항상 접촉하도록 보장합니다.

이러한 접촉을 위해서는 샤프트 중심을 정밀하게 정렬해야 합니다. 제조 과정에서 샤프트는 각 조립품에 맞춰 가공됩니다.

액추에이터 구성 요소
전기기계식 액추에이터는 네 개의 조립 부분으로 구성됩니다. 1) 25마력 DC 모터 2개, 2) 기어 트레인, 3) 선형 피스톤, 그리고 4) 부속 하우징입니다. DC 모터는 기어 트레인을 회전시켜 회전 운동을 롤러 스크류로 전달하고, 롤러 스크류는 이 운동을 출력 피스톤을 통한 선형 운동으로 변환합니다. 모터는 34.6 oz-in./A의 토크 상수를 제공합니다. 모터는 125A로 구동됩니다. 스크류에서 장치는 31,000 oz-in. 또는 약 162 lb-ft.의 토크를 발생시킵니다.

두 개의 브러시리스 DC 모터가 장착판에 고정되어 있습니다. 장착판은 기어 시스템과 연결됩니다. 작은 조절판은 조립 중 가공을 가능하게 하여 샤프트의 정밀한 정렬을 용이하게 합니다. 이러한 배치는 기어 시스템 내부의 백래시를 제거하는 데에도 도움이 됩니다.

피니언 기어는 모터 축에 고정되어 있으며 모터 내부의 베어링에 의해 지지됩니다. 피니언은 두 개의 기어로 구성된 아이들러 샤프트 어셈블리와 결합합니다. 아이들러 샤프트는 속도를 줄이고 출력 기어에 높은 토크를 전달합니다. 앞서 언급했듯이 아이들러 기어 중 하나는 샤프트에 직접 가공됩니다.

첫 번째 아이들러 기어는 시스템의 회전 여유를 제거하기 위해 미세한 조정을 가능하게 하는 두 개의 부품으로 구성됩니다.

조립 시, 하부 모터는 모터 장착판에 장착되고 피니언 기어는 아이들러 샤프트의 조절 가능한 아이들러 기어에 결합됩니다. 그런 다음 모터 조절판을 사용하여 상부 모터를 장착합니다. 다음으로, 엔지니어는 모터 샤프트를 수동으로 회전시켜 아이들러 기어를 샤프트에 대해 이동시켜 회전 유격을 제거합니다. 그런 다음 상부 모터를 제거하고 새로운 조절판을 정확한 중심에 가공합니다. 이 조립 공정을 통해 백래시가 제거됩니다.

베어링은 각 아이들러 샤프트의 양쪽 끝을 지지합니다. 출력 기어는 나사산 롤러 스크류 샤프트에 고정되어 있습니다. 샤프트와 너트, 그리고 출력 피스톤 어셈블리는 선형 운동을 제공합니다. 출력 피스톤을 안정화하는 선형 베어링은 정렬 불량을 방지합니다.

막대 끝과 테일스톡에 있는 구형 베어링 조립체에는 엔진과 구조적 구성 요소를 연결하기 위한 장착 부착물이 포함되어 있습니다.

옵션
피스톤 행정당 리졸버 로터가 한 바퀴 회전하도록 하고, 샤프트의 회전 수를 세는 필요성을 없애기 위해, NASA 엔지니어들은 리졸버에 하모닉 드라이브를 사용할 수 있다고 주장합니다. 이러한 드라이브는 피스톤 행정당 리졸버 로터가 한 바퀴 회전할 수 있도록 감속비를 가져야 합니다.

이 액추에이터의 최신 비행 버전은 15마력 모터 4개를 사용합니다. 더 작은 모터는 무게와 모터 관성을 줄입니다. 이 모터의 토크 상수는 16.8 oz-in./A이며, 100A, 270V로 작동하여 45,000파운드(약 21,000kg)의 하중을 움직이는 데 필요한 힘을 제공합니다.

또 다른 포지셔닝 디자인
이 3중 리드 스크류 포지셔너는 우주용으로 개발된 것은 아니지만, 정확도와 신뢰성이 향상되었습니다. 기계 내 부품의 정확한 위치 지정, 플랫폼의 상승 또는 하강, 패키지의 정밀한 사각화, 레이저 장비 및 광학 고온계 망원경의 플랫폼 수평 유지에 걸리는 시간을 단축합니다.

일반적인 나사 위치 조정 시스템은 3개 또는 4개의 고정 막대에 의해 유도되는 중앙 구동식 수동 제어 장치를 사용하여 플레이트를 이동합니다. 이 설계는 주요 위치 조정 메커니즘으로 삼중 리드 나사 어셈블리를 사용합니다. 이 장치는 플레이트를 고정된 플레이트에 가까이 또는 멀리 이동시키는 동시에 플레이트를 서로 평행하게 유지합니다.

조립품은 27개의 자체 제작 부품, 기어 및 베어링과 같은 9개의 구매 부품, 그리고 65개의 다양한 볼트, 키홈, 너트, 와셔 등으로 구성됩니다. 모든 부품은 3점 제어 브래킷과 1점 구동 브래킷에 조립됩니다. 이 어셈블리들은 캐비티의 베이스 엔드 플레이트에서 구동 제어가 정확한 위치에 장착됩니다.

포지셔너는 구동 핀 중 하나에 있는 수동 크랭크 또는 원격 서보 모터 구동 장치에 의해 작동합니다. 이동 위치는 눈금, 포인터 부착물 또는 LED 표시창을 통해 판독됩니다. 위치 조정은 0.1mm까지 가능합니다.