Исследователи продолжают искать способы повышения точности систем линейного позиционирования, уменьшения или устранения люфта, а также упрощения использования таких устройств. Вот обзор последних разработок.

Независимо от того, насколько велико требуемое линейное перемещение, точность и надёжность позиционирования являются одними из необходимых характеристик линейных систем. Два исследовательских центра, часто разрабатывающих продукцию для использования в космосе, Центр космических полётов им. Маршалла в Алабаме и Исследовательский центр Льюиса в Кливленде, разработали устройства линейного позиционирования с улучшенными характеристиками. Одно из этих устройств изначально разрабатывалось для использования в космосе, другое – для более наземных применений. Однако оба устройства обладают преимуществами для отрасли передачи электроэнергии.

Инженерам Центра космических полётов имени Маршалла требовался линейный привод для космических аппаратов. Этот привод будет перемещать сопловой блок главного двигателя космического аппарата. В сочетании с другим приводом, расположенным в той же горизонтальной плоскости, но повернутым на 90 градусов, эти приводы будут управлять движением аппарата по тангажу, крену и рысканию. Допуски этих перемещений составляют ±0,050 дюйма.

С функциональной точки зрения, привод должен точно обеспечивать пошаговое линейное перемещение этих крупных объектов и удерживать положение при больших нагрузках. Решением стал электромеханический линейный привод. Он обеспечивает пошаговое перемещение максимум на 6 дюймов (15 см). Его минимальный ход составляет менее 0,00050 дюйма (0,00050 дюйма). Он может удерживать грузы весом до 45 000 фунтов (20,4 т).

Преобразуя вращательное движение в поступательное, этот привод представляет собой простое и понятное устройство, способное заменить гидравлические приводы в приложениях, требующих мощного, но при этом контролируемого движения. Кроме того, устройство требует минимального времени на обслуживание, включая очистку и осмотр, и помогает сократить время, необходимое для квалификации системы управления полётом.

В этой конструкции используется резольвер и относительно новая функция – безлюфтовая зубчатая передача. Резольвер измеряет угловое приращение, которое затем управляет линейным приращением. Его точность составляет 6 угловых углов/мин. Соотношение между вращением и поступательным движением определяется передаточными отношениями и шагом резьбы.

Вторая особенность — безлюфтовая конструкция зубчатой передачи. Она обеспечивает постоянный контакт зубьев шестерён по часовой стрелке и против неё.

Для достижения такого контакта необходимо точное совмещение осей валов. В процессе изготовления валы подвергаются механической обработке на каждом узле.

Компоненты привода
Электромеханический привод состоит из четырёх секций: 1) двух двигателей постоянного тока мощностью 25 л.с., 2) зубчатой передачи, 3) линейного поршня и 4) соответствующего корпуса. Двигатели постоянного тока вращают зубчатую передачу, передавая вращательное движение роликовому винту, который преобразует это движение в линейное перемещение через выходной поршень. Двигатели обеспечивают крутящий момент 34,6 унций-дюйм/А. Они работают при токе 125 А. На винте агрегат развивает крутящий момент 31 000 унций-дюйм, или приблизительно 162 фунт-фут.

Два бесщёточных двигателя постоянного тока закреплены на монтажной пластине. Монтажная пластина взаимодействует с системой передач. Небольшая регулировочная пластина позволяет производить обработку на месте сборки, что способствует точному выравниванию валов. Такая конструкция также помогает устранить люфт в системе передач.

Шестерня закреплена на валу двигателя шпонкой и поддерживается подшипниками внутри двигателя. Шестерня сопрягается с узлом промежуточного вала, состоящим из двух шестерен. Промежуточный вал снижает скорость и передает высокий крутящий момент на выходную шестерню. Как упоминалось ранее, одна из промежуточных шестерен врезана непосредственно в вал.

Первая промежуточная шестерня состоит из двух частей, которые позволяют производить небольшие регулировки для устранения люфта в системе.

При сборке нижний двигатель устанавливается на монтажную пластину, соединяя свою шестерню с регулируемыми промежуточными шестернями на промежуточных валах. Затем верхний двигатель устанавливается с помощью регулировочной пластины. Далее инженеры вручную вращают валы двигателей, перемещая промежуточные шестерни относительно их валов для устранения люфта. Затем верхний двигатель снимается, и устанавливается новая регулировочная пластина, обработанная с точным центрированием. Этот процесс сборки устраняет люфт.

Подшипники поддерживают каждый промежуточный вал с обоих концов. Выходная шестерня закреплена шпонкой на резьбовом ролико-винтовом валу. Вал с гайкой и выходной поршневой узел обеспечивают линейное перемещение. Линейный подшипник, стабилизирующий выходной поршень, предотвращает перекос.

Узлы сферических подшипников на конце штока и в задней бабке включают в себя монтажные приспособления для соединения с двигателем и конструктивными элементами.

Параметры
Чтобы обеспечить один оборот ротора резольвера за ход поршня и избежать необходимости подсчёта оборотов вала, инженеры НАСА предлагают использовать волновой привод с резольвером. Такой привод должен иметь передаточное отношение, позволяющее ротору резольвера совершать один оборот за полный ход поршня.

В новой, лётной версии этого привода используются четыре двигателя мощностью по 15 л.с. Меньшие двигатели снижают вес и инерцию. Постоянная крутящего момента этих двигателей составляет 16,8 унций-дюйм/А при токе 100 А и напряжении 270 В, что обеспечивает необходимое усилие для перемещения груза весом 45 000 фунтов.

Другой дизайн позиционирования
Хотя этот трёхсекционный винтовой позиционер не был разработан для использования в космосе, он демонстрирует повышенную точность и надёжность. Он сокращает время, необходимое для точного позиционирования деталей в станках, подъёма и опускания платформ, точного позиционирования корпусов и обеспечения горизонтального положения платформ для лазерного оборудования и оптических пирометрических телескопов.

Типичная система позиционирования винта может использовать ручное управление с центральным приводом, направляемое тремя или четырьмя неподвижными стержнями, для перемещения пластины. В этой конструкции в качестве основного механизма позиционирования используется узел с тремя ходовыми винтами. Он перемещает пластину к неподвижной пластине или от неё, сохраняя при этом их параллельность.

Сборка состоит из 27 деталей заводского изготовления, девяти покупных деталей, таких как шестерни и подшипники, а также 65 различных болтов, шпоночных пазов, гаек, шайб и т. д. Все компоненты собраны на трёхточечном кронштейне управления и одноточечном кронштейне привода. Эти узлы устанавливаются в точном положении для управления приводом на торцевой пластине основания полости.

Позиционер приводится в действие либо ручным приводом, вращаемым через один из направляющих штифтов, либо дистанционным сервоприводом. Положение перемещения считывается по шкале, стрелке или светодиодному индикатору. Точность настройки положения может составлять 0,1 мм.