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 требуемого линейного перемещения, точность и надежность позиционирования являются одними из необходимых характеристик линейных систем. Два исследовательских центра, часто разрабатывающие продукцию для использования в космосе, — Космический центр имени Маршалла в Алабаме и Исследовательский центр имени Льюиса в Кливленде, — разработали устройства линейного позиционирования с улучшенными характеристиками в этих областях. Одно из этих устройств изначально разрабатывалось для использования в космосе, другое — для более наземных применений. Однако оба устройства могут принести пользу отрасли передачи энергии.

Инженерам Космического центра им. Маршалла потребовался линейный актуатор для космических аппаратов. Актуатор будет перемещать сопло основного двигателя космического аппарата. В сочетании с другим актуатором, расположенным в той же горизонтальной плоскости, но повернутым на 90 градусов, эти актуаторы будут управлять движениями аппарата по тангажу, крену и рысканию. Допуски этих движений составляют ±0,050 дюйма.

С функциональной точки зрения, привод должен точно обеспечивать линейные перемещения с шагом в одну точку для этих крупных объектов и удерживать положение под воздействием больших нагрузок. Решением стал электромеханический линейный привод. Он обеспечивает перемещение с шагом в одну точку на максимальное расстояние в 6 дюймов. Его минимальный ход составляет менее 0,00050 дюйма. Он может удерживать нагрузку до 45 000 фунтов.

Преобразуя вращательное движение в линейное, этот привод представляет собой простое и удобное устройство, способное заменить гидравлические приводы в тех областях применения, где требуется такое мощное, но контролируемое движение. Кроме того, это устройство требует минимального времени на техническое обслуживание, включая очистку и осмотр, и помогает сократить время, необходимое для проверки работоспособности системы.

В этой конструкции используется резольвер и относительно новая функция — зубчатая передача с защитой от люфта. Резольвер измеряет приращения углового перемещения, которое управляет приращениями линейного перемещения. Его точность составляет 6 угловых минут. Связь между вращением и перемещением известна из передаточных чисел и шага резьбы.

Вторая особенность — это зубчатая передача с защитой от люфта. Она обеспечивает постоянный контакт зубьев шестерни как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

Для обеспечения такого контакта центры валов должны быть точно выровнены. В процессе производства валы обрабатываются на каждом узле.

Компоненты исполнительного механизма
Электромеханический привод состоит из четырех узлов: 1) двух двигателей постоянного тока мощностью 25 л.с., 2) редуктора, 3) линейного поршня и 4) соответствующего корпуса. Двигатели постоянного тока вращают редуктор, передавая вращательное движение на роликовый винт, который преобразует это движение в линейное перемещение через выходной поршень. Двигатели обеспечивают постоянный крутящий момент 34,6 унций-дюйм/А. Двигатели работают при токе 125 А. На винте устройство развивает крутящий момент 31 000 унций-дюйм, или приблизительно 162 фунт-фута.

Два бесщеточных двигателя постоянного тока закреплены на монтажной пластине. Монтажная пластина взаимодействует с зубчатой ​​передачей. Небольшая регулировочная пластина позволяет производить механическую обработку непосредственно во время сборки, что облегчает точное выравнивание валов. Такая конструкция также помогает устранить люфт в зубчатой ​​передаче.

Шестерня закреплена на валу двигателя с помощью шпонки и поддерживается подшипниками внутри двигателя. Шестерня соединяется с валом промежуточного подшипника, который включает в себя две шестерни. Вал промежуточного подшипника снижает скорость вращения и передает высокие крутящие моменты на выходную шестерню. Как упоминалось ранее, одна из шестерен промежуточного подшипника выточена непосредственно в валу.

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

При сборке нижний двигатель крепится к монтажной пластине, соединяя свою шестерню с регулируемыми промежуточными шестернями на валах промежуточных шестерен. Затем верхний двигатель устанавливается с помощью регулировочной пластины двигателя. Далее инженеры вручную вращают валы двигателя, перемещая промежуточные шестерни относительно их валов, чтобы устранить люфт. После этого верхний двигатель снимается, и изготавливается новая регулировочная пластина с точным центрированием. Этот процесс сборки исключает люфт.

Подшипники поддерживают каждый промежуточный вал с обоих концов. Выходная шестерня закреплена шпонкой на резьбовом роликовом валу. Вал, гайка и узел выходного поршня обеспечивают линейное перемещение. Несоосность предотвращается линейным подшипником, который стабилизирует выходной поршень.

Сферические подшипниковые узлы, расположенные на конце штока и в задней бабке, включают в себя крепежные элементы для соединения с двигателем и конструктивными элементами.

Параметры
Для достижения одного оборота ротора резольвера за один ход поршня и исключения необходимости подсчета оборотов вала инженеры НАСА предлагают использовать гармонический привод с резольвером. Такой привод должен иметь передаточное число, позволяющее ротору резольвера совершать один оборот за полный ход поршня.

В более новой, предназначенной для использования в полётах версии этого актуатора используются четыре двигателя мощностью 15 л.с. Меньшие по размеру двигатели уменьшают вес, а также инерцию. Коэффициент крутящего момента этих двигателей составляет 16,8 унций-дюйм/А при токе 100 А и напряжении 270 В, что обеспечивает необходимую силу для перемещения груза весом 45 000 фунтов.

Еще один вариант размещения
Хотя этот позиционер с трехсекционным ходовым винтом не был разработан для использования в космосе, он демонстрирует повышение точности и надежности. Он сокращает время, необходимое для точного позиционирования деталей в станках, подъема или опускания платформ, точного выравнивания упаковок и обеспечения горизонтального положения платформ для лазерного оборудования и телескопов оптической пирометрии.

Типичная система винтового позиционирования может использовать ручное управление с центральным приводом, перемещающееся по трем или четырем неподвижным стержням, для перемещения пластины. В данной конструкции в качестве основного механизма позиционирования используется тройной ходовой винт. Он перемещает пластину к неподвижной пластине или от нее, сохраняя при этом параллельность пластин друг другу.

Узел состоит из 27 деталей, изготовленных в цеху, девяти приобретенных деталей, таких как шестерни и подшипники, и 65 различных болтов, шпоночных пазов, гаек, шайб и т. д. Все компоненты собраны на трехточечном кронштейне управления и одноточечном кронштейне привода. Эти узлы устанавливаются в точно заданном положении управления приводом на торцевой пластине основания полости.

Позиционер приводится в действие либо ручным вращением рукоятки на одном из приводных штифтов, либо с помощью дистанционного сервопривода. Положение перемещения считывается по шкале, на указательном устройстве или с помощью светодиодного дисплея. Точность регулировки положения может достигать 0,1 мм.