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本科學生畢業(yè)設計
智能全自動門設計
院系名稱： 機電工程學院
專業(yè)班級： 機械08-13班
學生姓名：
指導教師：
職 稱：
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Four Wings Automatic Revolving Door Mechanical and Electrical System
Candidate：Ding Yusen
Specialty：Mechanical and Electronic Engineering
Class：Mechanics 08-13
Supervisor：Associate Lecturer Guo Shaowen
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
目錄
第1章 緒 論 1
1.1 引言 1
1.2智能全自動門的優(yōu)缺點 1
1.3智能全自動門的發(fā)展 1
1.3.1智能全自動門發(fā)展的狀況 1
1.3.2我國智能全自動門技術的發(fā)展狀況 2
1.4智能全自動門的分類 2
1.4.1 智能全自動門的基本類型 2
1.4.2旋轉門具體方案的確定 3
第2章 門體結構設計 5
2.1確定門扇材料 6
2.1.1確定門扇玻璃 7
2.1.2確定門扇的尺寸. 7
2.2 曲壁部分設計 7
2.2.1確定材料 8
2.2.2確定材料尺寸 8
2.3華蓋的總體設計 9
2.4金屬盤與軸承支座的設計 11
2.4.1 金屬盤的設計 11
2.4.2 軸承座及防塵蓋的設計 11
2.5 本章小結 12
第3章 傳動系統(tǒng)的設計 13
3.1各扇門的質量計算 13
3.2 各部分轉動慣量的計算 13
3.3 選擇電機 14
3.4齒輪的設計 16
3.4.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 16
3.4.2按齒面接觸強度設計 16
3.4.3按齒根彎曲強度設計 18
3.4.4幾何尺寸計算 19
3.5軸與軸承的選擇 19
3.5.1 軸的尺寸確定 19
3.5.2軸承的選擇與驗算 20
3.5.3軸的校核 20
3.6 本章小結 22
第4章 控制部分總體設計 23
4.1控制系統(tǒng)的控制功能 23
4.2 變頻器的選擇 24
4.2.1驅動一臺電機 24
4.2.2指定變頻器啟動加速時間 24
4.2.3指定變頻器減速時間 25
4.3檢測裝置的選擇 27
4.4控制系統(tǒng)硬件設計 28
4.4.1 PLC的機型選擇 28
4.4.2分析控制系統(tǒng)的I/O接點數(shù) 29
4.4.3PLC外接電氣元件的選擇 30
4.4.4 輸入輸出口及端口的保護及分配 32
4.5 PLC的軟件設計 34
4.5.1鎖門程序設計與解釋 34
4.5.2直流制動程序設計與解釋 35
4.5.3報警程序設計與解釋。 37
4.5.4變頻器復位程序設計與解釋 38
4.5.5電動機起停程序設計與解釋 39
4.5.6速度控制程序與解釋 42
4.6 本章小結 43
結 論 44
參考文獻 45
致謝 47
附錄A：變頻器參數(shù) 48
附錄B：傳感器與接近開關的參數(shù) 50
附錄C：PLC控制總體語句表 54
第1章 緒 論
1.1 引言
智能全自動門設計是樓宇設備中的光機電一體化技術產品，它給人以親切大方的感覺，同時營造出奢華的氣氛，其全新的概念，寬敞的開放門面和高格調的設計，堪稱建筑物的點睛之筆，立足于建筑時代大潮的最前端。
1.2智能全自動門的優(yōu)缺點
大廈在需要持續(xù)不斷的人流出入的同時，又要保持建筑物內良好的空氣循環(huán)及環(huán)境的優(yōu)美，這是建筑師所遇到的一大難題，而智能全自動門為大廈提供了理想的解決方案，它可有效地防風、防塵和隔音，從而改善了大廈入口附近的環(huán)境。智能全自動門的最大優(yōu)點在于它”永遠開門，又永遠關門”，即對于行人來說，門總可以打開，可對于建筑物來說門又總是關著。自動旋轉門由于其永遠開啟的同時又永遠關閉的特點，使其動態(tài)密封效果較好。在經濟飛速發(fā)展的中國，在我們高樓聳立的大都市，在大廈、賓館、酒店、銀行、商場和寫字樓，自動旋轉門已經是隨處可見。自動門不但能給我們帶來人員進出方便、節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音等好處，更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息。同時，隨著我國國民經濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，2008年北京申奧成功和WTO的加入。旋轉門的市場前景將越來越大。
但是智能全自動門也存在著缺點,第一它適用范圍有一定的局限性,它只能應用在一些高檔場合.第二如果控制系統(tǒng)設計不完善,可能出現(xiàn)傷人事件.。
1.3智能全自動門的發(fā)展
1.3.1智能全自動門發(fā)展的狀況
自1903年寶盾公司在荷蘭生產出第一座智能全自動門，智能全自動門至今已有一百年的歷史，發(fā)展到今天，旋轉門已具有可靠的安全系統(tǒng)和先進的驅動技術，其智能化高格調的設計為現(xiàn)代化樓宇建筑提供了完美的選擇。
國外自動旋轉門發(fā)展較早，其技術成熟。智能全自動門的傳動系統(tǒng)技術具有節(jié)能、低噪聲、傳動平穩(wěn)、壽命長、性能可靠等優(yōu)點；控制系統(tǒng)采用數(shù)字化設計的系統(tǒng)作為控制中樞，有功能更強大，操作更簡便等優(yōu)點；檢測安全系統(tǒng)采用先進的紅外與微波感應技術，用于感知物體的移動，操縱門體的動行，使用各種安全檢測傳感器，實現(xiàn)防擠、防夾和防撞功能。與此同時某些廠家生產的自動旋轉門還具有遠程控制和液晶顯示。利用當前先進的通信和網(wǎng)絡技術，當出現(xiàn)異常時，可準確傳回故障信息。
1.3.2我國智能全自動門技術的發(fā)展狀況
我國的智能全自動門技術來源于荷蘭、瑞典、日本等國。90年代后期旋轉門開始在我國建筑領域中得到迅速推廣和廣泛的使用。國內旋轉門生產專業(yè)廠家主要有：北京有凱必盛、寶盾、青木寶盾、信步、歐立寶盾、京躍等。上?？涤?、廣州盛維、青島福田等。
以京躍公司的產品為例，國內自動旋轉門在控制系統(tǒng)方面已有較大的發(fā)展，技術也趨于成熟主控部分基本可實現(xiàn)自主生產設計。但就節(jié)能方面的設計仍存在較多問題，如旋轉速度的調節(jié)和溫控系統(tǒng)設計等。
現(xiàn)代城市建筑物裝飾裝修中，將高科技應用到建筑物的外觀形象上，使城市建筑的入口體現(xiàn)出智能化。對門的選擇由單一的功用型向個性化、品位化發(fā)展，旋轉門以其全新的概念，寬敞開放的門面和高格調的設計，自然成為當代的建筑裝飾的主流，無可質疑的必選設施，堪稱建筑物的點睛之筆。因此，目前國內四翼自動旋轉門的發(fā)展趨勢主要有：新穎獨特的總體設計，高度的安全可靠性設計，多種運轉使用方式設計，故障即時顯示功能設計，樓宇消防智能化控制設計，停電使用功能設計，大通行能力設計，精巧靈敏的遙控控制系統(tǒng)設計，先進的驅動控制系統(tǒng)設計。
1.4智能全自動門的分類
1.4.1 智能全自動門的基本類型
(1) 自穩(wěn)定性自動旋轉門 三翼和四翼旋轉門軸通過軸承機構垂直安裝于地面，三個或四個門翼呈發(fā)散式固定在中心門軸上，各門扇之間的角度相等，人在內扇之間推動（按順時針）門扇，就成為一個手動旋轉門。中心門軸的上方安裝電動機及其他電氣控制部件，再配以感應裝置和安全裝置，就成為自動旋轉門。
(2) 懸掛式自動旋轉門 （兩翼旋轉門）為進一步擴大旋轉門人員流量，擴大旋轉門門扇之間的距離，可以考慮將旋轉門的門扇數(shù)量減為兩個。中心門軸結構難以實現(xiàn)兩翼旋轉門的緊急打開功能。于是兩翼旋轉門采用了上部圓周導軌懸掛整個門體的設計，以一個或兩個電機驅動。
圖1.2懸掛式自動旋轉門
(3) 全玻璃自動旋轉門 從結構上看，全玻璃自動旋轉門與自穩(wěn)定性自動旋轉門一樣。也分三翼和四翼兩種。也是地面支撐的穩(wěn)定性結構。所不同的是，驅動裝置埋在地下。上部和下部各有一個連接門扇的金屬盤，金屬盤上有固定門扇的門夾，門扇玻璃在中間直接相結合，省略了中心門軸，極大地提高了門軸的通透性。
圖1.3全玻璃自動旋轉門
1.4.2旋轉門具體方案的確定
在選擇了旋轉門的類型后，本設計還必須確定其設計的具體方案。通過查閱大量的資料，本設計出以下幾種方案：
第一個方案：采用立柱式的旋轉門，控制系統(tǒng)采用單片機控制。
第二個方案：采用懸掛式的旋轉門，控制系統(tǒng)采用PLC控制。
第三個方案：采用中軸式的旋轉門，控制系統(tǒng)采用PLC控制。
對于第一個方案 由于采用立柱式的旋轉門，它在修建的時候必須把立柱修好。如果我們想改變一下旋轉門的位置必須另外修建一個立柱?？刂葡到y(tǒng)采用單片機控制，它在大規(guī)模生產旋轉門的情況下是非常實用的。
對于第二個方案 由于使用了懸掛式的旋轉門，故其旋轉門的每個分隔可以容納更多的人?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制，它適合于旋轉門的小批量生產。
對于第三種方案 由于采用了中軸式旋轉門，故旋轉門的每個分隔將可以容納較少的人，控制系統(tǒng)采用PLC控制，它適合于旋轉門的小批量生產。
由于設計的是一般的高檔賓館，其出入的人數(shù)比較少，并且要進行小批量的生產，故選用第三種方案，利用PLC控制。
第2章 門體結構設計
本設計選擇自穩(wěn)定性自動旋轉門的設計（四翼） 由于本設計設計的是一般高檔賓館大門，故必須滿足豪華、氣派的要求，而旋轉門剛好符合上述的條件。但是旋轉還分為幾大類，由于高檔賓館的出入人數(shù)不是很多，故選擇一般的自穩(wěn)定性旋轉門就滿足其要求了。并且它還具有穩(wěn)定性、可靠性很高，使用壽命長的特點。
四翼自動旋轉門的門體部分設計主要包括旋轉門體部分設計和固定部分曲壁設計，旋轉門體又包括中間旋轉門扇和中軸。其中旋轉門扇都由鋁型材框架和玻璃構成。曲壁是構成旋轉門體部分的旋轉空間，由進出門口和四塊弧形框玻璃構成。
根據(jù)文獻可以確定四翼自動旋轉門的尺寸，其具體尺寸如表2.1所示：
表2.1 四翼旋轉門尺寸表
門旋轉直徑E
3600mm
門凈高 A
2163mm
門總高 B
2633mm
門出入口尺寸 C
2427mm
門外徑D
3760mm
單扇門半徑DW
1005mm
圖2.1 四翼旋轉門結構尺寸圖
2.1確定門扇材料
門扇主要包括門扇骨架的材料和門扇玻璃.根據(jù)相關門體標準,可按90系列的推門進行設計。門扇骨架采用90系列推拉門專用鋁型材,根據(jù)文獻，確定門扇骨架鋁型材具體選擇如表2.2所示：
表2.2 90系列平開門鋁型材
類型
代號
光企
L090704
勾企
L090705
上橫
L090706
下橫
L090707
90系列鋁型材的截面如圖2.2所示：
（a） 光企截面圖 （b） 勾企截面圖
（c） 上橫截面圖 （d） 下橫截面圖
圖2.2 90系列鋁型材的截面
其它附加物體的，并且在上橫、下橫上安裝的毛條與一般的平開門的安裝方式是不由于90系列平開門與一般的旋轉門是有區(qū)別的，旋轉門是不用在勾企安裝一樣的，故我們旋轉門的截面圖都采用光企的截面圖。
2.1.1確定門扇玻璃
門扉玻璃一般有幾種選擇,一是防彈玻璃,二是夾膠玻璃,三是鋼化玻璃.由于門一般用于高級的賓館,寫字樓等高檔場所,一般無特殊要求.由于防彈玻璃價格較為昂貴,并且無多大實際用處,而夾膠玻璃它安裝的透光性不是較好.因此選擇鋼化玻璃是最合適的。參考其他相關產品的選擇情況,可以選6mm的鋼化透明玻璃.
2.1.2確定門扇的尺寸.
根據(jù)前面的總體設計可知，旋轉門尺寸可按90系列的平開門的尺寸進行計算。
光企和勾起的長度為： L=A-2L'-h (2.1)
=2200-2×25-20
=2130mm
其中：L為光企或勾企的長度，A門凈高的高度 ，L'為門體上下所留的間隙，h為安裝門扇扁鋼的厚度。
上橫和下橫的寬度為：
B=DW+L1 (2.2)
=1005+64
=1069 mm
其中：B為上橫或下橫的寬度，L1為門扇夾到金屬盤內的距離。
而玻璃的長度為:
L1=L-2×b1+2×h1 (2.3)
=2130-2×64+2×12
=2026mm
其中：b1為鋁合金截面的長度，h1為鋁合金所夾玻璃的長度。
玻璃的寬度為:
B1=B-2×b1+2×h1 (2.4)
=1069-2×64+24
=965mm
2.2 曲壁部分設計
曲壁由8根角鋼做為支撐體，每4根構成一邊曲壁體。角鋼豎在水泥板上,進出口各布置1根，曲壁圓弧中間布置兩根。其中安裝在圓弧中間的兩根角鋼是焊接在一起的。曲壁由四塊相同的圓弧玻璃組成。
2.2.1確定材料
由于曲壁上圓弧梁必須選用專用的鋁型材，根據(jù)中國建材網(wǎng)選用6063專用弧形材，其截面如圖2.4所示。由于支撐架必須承受電機和華蓋的重量，故支架的強度要求比較高。根據(jù)文獻選用的角鋼。其截面形式如圖2.3所示。
圖2.3 角鋼截面圖 圖2.4 6063鋁合金截面圖
由于曲壁玻璃必須做成圓弧形，必須選用專用玻璃。因此選用8mm弧形鋼化玻璃。
2.2.2確定材料尺寸
根據(jù)表2.1查得四翼旋轉門直徑=3600mm，門出入口尺寸C=2427mm,故對應的圓心角為：=2arccos(C/2//2)=2arccos(2427/2/3600/2)=96度。
則兩邊曲壁各對應的圓心角應為：
(2.5)
所以兩邊曲壁對應的弧長為：
(2.6)
則每扇曲壁的弧長為：
(2.7)
其中：為角鋼的厚度，為曲壁的弧長，r為四翼旋轉門的半徑。
確定玻璃尺寸：
每一扇玻璃的弧長 ：
(2.8）
玻璃的高度為：
h=A-2×h2-2×h3 (2.9)
=2200-2×75-2×12
=2026mm
其中：A為門凈高度，h2為6063鋁合金的截面長度，h3為鋁合金夾玻璃的長度。
角鋼尺寸確定：
由于要保持角鋼的穩(wěn)定性,預埋在地下的角鋼尺寸為300mm.則角鋼的高度可估算為:
h 角 =A+300+l (2.10)
=2200+300+230
=2730mm
其中：A為門凈高度，l為上下華蓋的距離。
角鋼與6063專用鋁合金是靠螺釘連接的，同時它與上華蓋也是靠螺釘連接的。6063專用鋁合金與下華蓋也是通過螺釘連接的
2.3華蓋的總體設計
華蓋骨架是由上下兩塊鋼板和穿過華蓋的八根角鋼組成。它主要用來安裝軸承、電機、控制裝置等。
由于華蓋要用來安裝電機、軸承座等，重量比較大。故選擇的材料要求其強度比較高。根據(jù)文獻選擇一般結構用熱扎鋼板。其厚度為5毫米，長度為4000毫米，寬度為4000毫米。上下各一張。
下華蓋的設計：
由表2.1查得旋轉門的外徑為3760mm,故下面的鋼板要做成一個直徑為3760mm的一個圓。中心軸要通過下華蓋，故需要在鋼板中心鉆一個直徑為170mm的孔。與此同時角鋼也要通過下華蓋，還需要在鋼板上加工八個槽。其具體尺寸如圖2.5所示。
上華蓋的設計：
由于旋轉門的外徑為3760mm，故上面的鋼板要做成一個直徑為3760mm的一個圓。上面的鋼板要用來安裝電機，故必須在其上面打孔。同時為了保證鋼板用足夠的強度
圖2.5 下華蓋圖
來支撐電機的重量，則必須在鋼板上打鋼架。鋼架與鋼板通過焊接連接。由于電機的重量不大，故根據(jù)文獻選擇型號為8的熱軋槽鋼。具體尺寸如圖2.6所示。
圖2.6 上華蓋圖
2.4金屬盤與軸承支座的設計
2.4.1 金屬盤的設計
由表2.1查得旋轉門直徑=3600mm，單扇門半徑DW=1005mm，故軸的直徑D=-2DW-h=3600-2×1005-60=1530mm(其中h為門扇與曲壁之間的間隙).但是實際上軸的尺寸不可能做得太大。因為軸太大不利于安裝和加工。為了解決上述矛盾，我們需要設計一個金屬盤，它一部分連接到軸上，一部分連接到門體上，這樣就很好的解決了因軸太小而不能滿足標準尺寸的要求。其具體尺寸如圖2.7所示。
圖2.7金屬盤尺寸圖
為了讓門體固定在金屬盤上，需要使用兩根扁鋼，上下各一根。扁鋼的一部分與門體連接，另一部分與金屬盤連接。根據(jù)文獻,選用寬為32，厚度為10的熱扎扁鋼。
2.4.2 軸承座及防塵蓋的設計
為了防止灰塵進入軸承，則必須在軸承座上面安裝防塵蓋，其具體尺寸如圖2.10、2.11所示。
圖2.8 下防塵蓋
圖2.9 上防塵蓋
旋轉門沒有固定軸承的地方，則需要設計軸承座來固定軸承。由于要使用兩個軸承，則軸承座也要使用兩個，上下各一個。對于軸承座，其內徑為軸承的外徑，其厚度必須滿足強度要求。又由于軸承受到的軸向力比較大，故需要設計一個凸臺，防止軸承的向下滑動，其具體的尺寸與結構如下圖2.8、2.9所示
圖2.10上軸承座圖 圖2.11下軸承座圖
14
2.5 本章小結
本章內容為門體設計，既對門的基本幾何形狀設計。從門款的選材到定型，再到門的相關零件的設計，使門的基本情況有了進一步的闡述。門體選材為常見材料，大大的節(jié)約成本。支撐部分結構簡單，材料也選用熱軋鋼板，避免了加工精度的要求，是設計極可能的簡單化。
第3章 傳動系統(tǒng)的設計
整個門體的傳動系統(tǒng)由減速電機提供動力,減速電機通過一次減速后，再通過一對齒輪把動力傳給軸,而金屬盤將門扇與軸相連接，這樣就實現(xiàn)了動力裝置到執(zhí)行裝置的動力的傳遞過程。
3.1各扇門的質量計算
由于四翼旋轉門的四扇成對稱分布，其質量完全一樣,所以計算一扇門的質量，再乘以四就是整個門體的質量。由文獻查得鋁合金的線密度為0.836kg/m。
則每扇門框的質量為：
m1=σl (3.1)
=σ(2×L+2×B)
=0.836×(2×2.13+2×1.069)
=5.35kg
單扇門玻璃的質量：
m2=V?！力? (3.2)
單扇門的質量：
m=m1+m2
=29.33+5.35
=34.68kg
其中：σ為線密度，l為鋁合金邊框的總長度，B為鋁合金邊框的寬度,ρ為玻璃密度。
3.2 各部分轉動慣量的計算
假設門扇為均勻的質量體,其在寬度方向的面密度可以用下式計算, 其中R為門扇的寬度，L為門扇的長度。
則門扇對中心慣量可用下式計算：
由平行軸定理知，門扇相對于軸的轉動慣量為：
（3.3）
其中：L1為旋轉門的中心到門扇的距離，R為門體總的長度。
旋轉門體的最大轉速為6r/min,則角速度。由于傳感器一般在2m范圍內檢測人的來臨,當人邁進門邊時,門體要加速到正常速度轉動。按照一般情況下，人走過兩米需要的時間最小為2秒，但是此時間還要減去變頻器、PLC、傳感器等的滯后時間1.5秒。所以電機的加速時間設為0.5秒。在0.5s內加速到6m/min速度,則角加速度,由于電機要帶動門體轉動,有一個加速過程,此過程需要克服旋轉門體的慣性力矩才能使其轉動。根據(jù)力矩轉動慣量和角速度的關系:.則可以算出旋轉門體的慣性力矩為:
(3.4)
3.3 選擇電機
根據(jù)機械設計中電機所需功率按下式計算:
(3.5)
由電動機至轉動軸的傳動總效率為：
(3.6)
式中，，分別為滾子軸承，齒輪，聯(lián)軸器的傳動效率。
取，，，則總的傳動效率為：
=0.83
則可以計算出電機的功率：
由于一般電機輸出的轉速較大,一般在1500r/min左右。門體的最大轉速為才6m/min，故需要減速器進行減速。減速電機既能提供動力，又能進行減速。故選用減速電機提供動力。根據(jù)相關要求,可以選用一個JXJ系列電機,JXJ系列異步電機按照TB1T6442-92標準設計制造,廣泛用于輕工,紡織,建筑機械行業(yè).JXJ系列電動機是直接輸出低轉速,大轉距,且有轉速型譜寬,運轉平衡,噪聲低,高效節(jié)能,體積小,重量輕,規(guī)格多,選用方便等特點。
方案
型號
額定功率
(KW)
轉矩
(N.m)
同步轉速
（r/min)
滿載轉速
總傳動比
齒輪傳
動比
減速器 動比
1
JXJ0-11-0.55
0.55
48.3
1500
1440
240
21.8
11
2
JXJ1-43-0.55
0.55
1007
1500
1440
240
5.6
43
3
JXJ1-59-0.55
0.55
207.2
1500
1440
240
4.07
59
由上面計算出所需電機功率為0.36kw。但是門體還應能承受一定的風阻,以及旋轉門體周圍無條件與曲壁門體間的摩擦阻力。盡管其產生的力較小,但由于門體直徑過大,則會產生較大的阻力矩.同時還有一些其他沒有考慮的因素.因此特將計算出的功率放大一些.,應該選擇電機功率在0.36kw以上的電動機才行。
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、價格和齒輪傳動，可見方案2比較合適。即選用JXJ1-43-0.55擺線針輪減速器三相異步電機。其具體參數(shù)如
表3.1 電動機傳動方案
圖3.2所示。
表3.2 電動機的參數(shù)
方案
型號
額定功率
(KW)
轉矩
(N.m)
同步轉速
（r/min)
滿載轉速
總傳動比
齒輪傳
動比
減速器 動比
2
JXJ1-43-0.55
0.55
1007
1500
1440
240
5.6
43
電動機主要外形見圖3.1和安裝尺寸見表3.3：
圖3.1 電動機外形圖
表3.3電動安裝尺寸（單位為毫米）
P
E
M
n-d
D2
D3
D4
D
b
h
B
4
9
82
6-10
160
134
110
25
8
31
220
3.4齒輪的設計
3.4.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
按傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。四翼旋轉門是一般工作機器，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。查文獻,選擇小齒輪材料為45Cr（調質），硬度為280HBS,大齒輪的材料選用45鋼（調質）硬度為240HBS，其材料硬度相差40HBS。取小齒輪齒數(shù) =17，大齒輪齒數(shù)Z2=17×5.6=95.2，取=96。
3.4.2按齒面接觸強度設計
①確定公式內的各計算參數(shù)
由設計公式進行計算，即
(3.7)
試選用載荷系數(shù)=1.3。
計算小齒輪傳遞的轉矩
根據(jù)表3.3查得轉矩
由文獻選取齒寬系數(shù)=1。
由文獻查得材料的彈性系數(shù)。
由文獻按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限。
由根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)
(3.8)
(3.9)
由文獻查得接觸疲勞壽命系數(shù)：
，。
計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1％，安全系數(shù)S=1，得
(3.10)
(3.11)
②計算
試計算小齒輪的分度圓，代入[]中較小的值
(3.12)
=58.6 mm
計算圓周速度v
(3.13)
計算齒寬
由文獻取=1
=1 mm (3.14)
計算齒寬和齒高之比b/h
模數(shù)： (3.15)
齒高： (3.16)
(3.17)
計算載荷系數(shù)
根據(jù)v=0.1m/s，7級精度，由文獻查得動載系數(shù)Kv=0.75；直齒輪，假設。由文獻查得
由文獻查得兩段的齒輪的使用系數(shù)，
由文獻知精度、小齒輪相對支承對稱布置時，
(3.18)
將數(shù)據(jù)代入后得
由b/h=7.6,=1.41，查文獻得=1.41，則
按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得
(3.19)
計算模數(shù)
(3.20)
3.4.3按齒根彎曲強度設計
由資料資料查得齒形系數(shù)和應力修正系數(shù)為：
(3.21)
由資料查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
；
計算彎曲疲勞需用應力：
小齒輪彎曲疲勞強度極限，
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4
(3.22)
計算圓周力:
(3.23)
計算齒根彎曲應力:
(3.24)
(3.25)
此計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪的模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，可取按彎曲強度算得的模數(shù)2.43并就近圓整為標準值m=2.5;按接觸強度算得的分度圓直徑,小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)：取Z2=134.這樣的齒輪傳動，既滿足齒面接觸疲勞強度，又滿足齒根彎曲疲勞強度，而且做到了結構緊湊，避免浪費。
3.4.4幾何尺寸計算
計算分度圓直徑
(3.26)
(3.27)
計算中心距
(3.28)
計算齒輪寬度
mm (3.29)
取。
計算齒輪的齒根高：
mm (3.30)
計算齒頂高：
mm (3.31)
驗算
(3.32)
，合適。 (3.33)
3.5軸與軸承的選擇
3.5.1 軸的尺寸確定
根據(jù)前面的齒輪的尺寸可以確定軸的外徑為170mm，由于軸要安裝齒輪和軸承，其精度要求比較高，故選擇精密無縫鋼管。根據(jù)文獻選擇型號為5-170×5×3000倍-GB/T-1999精密無縫鋼管。厚度為8mm，密度為38.2kg/m。
圖3.2 軸的尺寸圖
由于軸承還沒有確定出來，但是軸的直徑已知。并且旋轉軸在徑向受力不大，主要受到軸向力的作用，故選擇推力滾子軸承。根據(jù)[5]預選推力滾子軸承，型號為29334。其寬度為103mm.。又由于齒輪與軸承必須留出一定的距離，安裝套筒，一般選擇為20mm。同時齒輪的寬度為60mm，具體尺寸如圖3.2所示。
軸的質量計算：
(3.34)
=38.2×2.514
=96kg
其中：W為鋼管的線密度（kg/m）,L為鋼管的長度。
3.5.2軸承的選擇與驗算
徑向力確定：軸承受到的徑向力為減速器輸出的轉矩除以大齒輪的分度圓半徑。其值為Fr=M/R=100700/(170/2)=1184.7N.
軸向力的確定： (3.35)
=(m鋼管+4×m門體+m其他)×10
=(96+4×34.68+10) ×10
=2447.2N
設定工作時間為8年。
由于d=170mm，按表6-2-80預選推力滾子軸承，型號為29334。
由于Fa /Fr =2432.3/1184.7=0.49，故Fr〈0.55 Fa
由文獻知當量動載荷為 (3.36)
=1.2×1184.7+2432.3
=3853.94N
查文獻得:
fh=0.73,fn=1.435,fd=1.1,fT=0.9,fm=1.
根據(jù)式 C=(fh ×fd× fm/ fn ×fT)×Pe (3.37)
=(0.723×1.1×1/1.435×0.9) ×3853.94
=2373.2N
軸承Cr=1878000N>2373.2N 合適。
3.5.3軸的校核
在確定軸承的支點位置時，應從手冊中查取值。對于推力調心滾子軸承，由文獻查得a=51.5mm。因此，作簡支梁的軸的支承跨距l(xiāng)=2301mm。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖如圖3.2所示。
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面?，F(xiàn)將計算列于表3.3.
按彎扭合成應力校核的軸的強度進行校核時，只需對軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。根據(jù)文獻取a=0.6，軸的計算應力為：
(3.38)
=17.04MPa
其中W為抗彎、抗扭截面系數(shù)，，d1為鋼管的內徑，d為鋼管的外徑。
根據(jù)前面已選定軸的材料為0Cr18Ni9，調質處理，由文獻查得 。因此 ，故安全.
圖3.2軸的彎扭組合圖
表3.3 軸的彎扭數(shù)據(jù)
載荷
垂直面
水平面
支反力
彎矩M
總彎矩
扭矩
3.6 本章小結
本章內容對自動旋轉門機械傳動部分進行了一系列的而設計。旋轉門的工作原理更加清晰。門體轉動慣量計算和門體質量計算為設計提供了理論依據(jù)。電機選擇則為門體提供了旋轉動力。電機選擇的是減速電機，故齒輪設計十分重要。軸的設計是為了使門體有一個強度很好的機構。
第4章 控制部分總體設計
控制系統(tǒng)主要是接受來自檢測安全系統(tǒng)傳感器的相關信號和門體的相關按鈕信號，然后對這些信號進行處理后對門體的運轉進行控制。門體的控制主要是門體轉動的啟停狀態(tài)控制，旋轉的轉速狀態(tài)控制，制動狀態(tài)控制，鎖門狀態(tài)控制以及故障自動報警控制等。由于四翼自動旋轉門要實現(xiàn)多種轉速的變化，則要實現(xiàn)電機轉速的控制，電機轉速的控制可采用變頻器來實現(xiàn)?？刂破鞯目刂菩盘柾ㄟ^變頻器來控制電機的啟停和轉速變化。四翼自動旋轉門的控制系統(tǒng)必須要求有高的可靠性，控制性能高，能適應較為多變的控制要求，控制器價格不不能太高。
4.1控制系統(tǒng)的控制功能
（1）變速功能。旋轉門設有低速、中速和高速3種旋轉速度，分別對應殘疾、中速和高速三個按鈕進行切換，以適應殘疾人通過、正常運轉和緊急疏散對轉速的不同要求。
（2）自動轉停功能。來人時自動啟動，并以正常轉速運轉,15ｓ無人進出，則自動停轉并封門。
（3）防夾功能。當門扇運轉靠近曲壁立柱時，如果行人試圖從兩者之間（防夾區(qū)）進入旋轉門，則門立即自動停轉以防夾傷行人。行人離開防夾區(qū)，門自動恢復運轉。
（4）防撞功能。當行人緊靠右側立柱或遇物體碰撞右側立柱時，則旋轉門馬上停轉，以防止撞傷行人或撞壞物體。行人或物體離開右側立柱，門自動恢復運轉。
（5）防碰功能。行人在旋轉門內通行過程中，如遇門扇碰行人腳后跟，則門立即自動停轉，以防止碰傷行人。行人離開門扇，門自動恢復運轉。
（6）鎖門功能。采用電磁鎖方式鎖門，只要轉動鎖匙即可完成自動鎖門工作，快捷方便。
（7）急停功能。當出現(xiàn)緊急意外事故時，按下急停按鈕，門立即停轉，解除急停信號，門又自動恢復運轉。
（8）暫停功能 （STOP鈕）。與急停功能相當，不同的是按暫停按鈕后，必須用殘疾、中速或高速三個按鈕中的一個進行恢復。
（9）殘疾優(yōu)先功能。當按下殘疾按鈕后,30ｓ內門始終以2r/min的速度低速運轉，此時按高速或中速鈕無效，以確保殘疾人安全通過。30ｓ后來人，門自動以正常速度運轉。
（10）電動機過載保護功能。當電動機過載時,門停轉并且指示燈閃爍報警。過載消除后門自動恢復運轉。
變頻器報警輸出和延時自動復位功能。當變頻器過壓或過流時,關閉輸出，門停轉并報警 （指示燈閃爍）,延時3ｓ自動復位。
4.2 變頻器的選擇
變頻器容量的選用由很多因素決定，例如電動機容量、電動機加速時間等，其中，最主要的是電動機的額定電流。
JXJ型擺線針輪減速電機是選用的YS8014V電動機，根據(jù)[4]P350頁確定其參數(shù)如表4.1所示。
表4.1 電機參數(shù)
額定功率（W）
額定電流（A）
額定電壓（V）
效率（%）
功率因素
最大轉矩（N.m）
電機轉動慣量
飛輪轉動慣量
550
1.55
380
73.5
0.73
2.4
0.0021
0.35
4.2.1驅動一臺電機
對于連續(xù)運轉的變頻器必須滿足下列3項計算公式：
查表4.1得，=0.73，=550w,取1.05，=0.735，=380V,=1.55A.
滿足負載要求輸出： (4.1)
滿足電動機容量： (4.2)
滿足電動機電流： (4.3)
式中：PCM是變頻器的容量、PM負載要求的電動機軸輸出功率、UE是電動機的額定電壓、IE電動機的額定電流、是電動機的效率、電動機功率因素、K電流波形補償系數(shù).由于變頻器的輸出波形不是完全的正弦，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加。對于PWM控制方式的變頻器，K的取值為1.05—1.1。
4.2.2指定變頻器啟動加速時間
變頻器產品型號所列的變頻器容量，一般以標準條件為準，在變頻器過載能力以內進行加速。在進行急劇地加速和減速時，一般利用失速防止功能，以避免變頻器跳閘，但同時也加長了加減速時間。
如果生產設備對加速時間有特殊要求時，必須事先核算變頻器的容量是否能夠滿足所要求的加速時間，如不能，則要選用加大一擋的變頻器容量。
在指定加速時間的情況下，變頻器所必需的容量計算如下：
根據(jù)表4.1知，n=1440r/min, =0.35, 。由文獻知，電機的加減速時間為0.1︿2600s。紅外線感應器在2m以內感應人的存在，則當人到達旋轉門時，必須加速到指定速度。人一般的最大速度為1m/s，則人在2s鐘時間就可以走過2米的距離。但是我們不能將此時間作為加速時間，我們還要減去變頻器、PLC、傳感器的滯后時間1.5秒。故電機的加減速時間為0.5秒。
(4.4)
式中PCM變頻器的容量、K電流波形補償系數(shù)、n電動機的額定轉速TL負載轉矩、tA電動機加速時間、電動機功率因素、電動機軸上飛輪力矩。
4.2.3指定變頻器減速時間
降低變頻器的輸出功率，就可以實現(xiàn)電動機減速。加快變頻器輸出頻率的降低速率，可使電動機更快地減速。當變頻器對應的速度低于電動機實際轉速時，電動機就進行再生制動。在這種情況下，異步電機將變成異步發(fā)電機，而負載的機械能將被轉換成電能并反饋給變頻器。當反饋能量過大時，變頻器本身的過電保護電路將會動作并切斷變頻器輸出，使電動機處于自由減速狀態(tài)，反而無法達到快速減速的目的。
為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，使上述能量在直流中間回路的其他部分消耗，而不造成電壓升高。在電壓變頻器中，一般都在直流中間回路的電容器兩端并聯(lián)上制動三極管和制動電阻。當直流中間回路的電壓上升到一定的電壓值時，制動三極管就會導通，使直流電壓通過制動電阻放電，即將電動機回饋給變頻器的直流中間回路的能量，以熱的形式在制動電阻消耗掉。
制動電阻的選擇方法：
①計算制動力矩TB
由表4.1查得，=0.0021，n1=1440r/min,則n2=n1/i=1440/43=33.5r/min。
(4.5)
Nm
式中：TB為動力矩、 JM為電動機的轉動慣量、 JL折算至電動機軸的負載轉動慣量 n1減速開始速度、 n2減速完了的速度、ts減速時間、 TL負載轉矩。
②計算制動電阻的阻值：
在進行再生制動時，即使不加放電的制動電阻，電動機內部也將有20%的銅損轉換為制動轉矩?？紤]到這個因素，可以先按下式初步計算制動電阻的預選植。
(4.6)
=630歐姆
式中：ROB為制動電阻、UC為直流電路電壓（對200V級變頻器，=380V，對于400V級，=760V）、TB為制動轉矩、TM電動機額定轉矩、n1為減速開始速度
③計算制動電阻的平均消耗功率：
如前所述，電動機額定轉矩的20%制動轉矩由電動機內部損失產生，所以可按下式求得電動機制動時，制動電阻上消耗的平均功率
(4.7)
=6.8W
由于四翼自動旋轉門是恒轉矩負載，故變頻器選用通用型的。又因為四翼旋轉門的轉速不允許超過額定值，電機不會過載。一般變頻器出廠標注的額定容量都具有一定的余量系數(shù)，所以選擇變頻器容量與驅動的電機容量相同即可。再根據(jù)以上計算的數(shù)據(jù)，選擇森蘭變頻器型號為BT40 0.75 KWT。
其具體數(shù)據(jù)和接線圖見附錄A
4.3檢測裝置的選擇
（1）直流制動接近開關選用
由于當電動機停轉時，門要停在指定的位置。門停轉時，電機要先停轉，但門體有一定慣性，使得門無法停在指定的位置上。這時我們就需要接近開關，當門靠近門停位置時，就產生信號發(fā)出制動信息，使門體停在這個位置。
接近開關的感應距離過大，會使門制動后停在指定位置的前邊。感應位置過小，由于接近開關也有一個響應時間，則使門停超過門應停的位置。同時由于門框是金屬的，則接近開關應能感應金屬物體。根據(jù)相關自動門產品類型，可選用5mm感應距離的電感式接近開關。型號為LF5-2K，常開觸點，PNP輸出，三線連接。相關參數(shù)見附錄B。
(2)鎖門接近開關的選用
當鎖門時，為了讓門精確的停位在上鎖的位置，同樣需要一接近開關提前感應鎖門位置的臨近。當門體接近鎖門位置時，鎖門接近開關就發(fā)出鎖門信號使門體精確停在這個位置，便于我們上電磁鎖和機械鎖。而無需人再來推門體使其準確停位。
接近開關的感應距離過小不能精確停位，而使得無法上鎖。所以感應距離為適當才可。根據(jù)相關自動門產品類推，可選用4mm感應距離的電磁感應接近開關?？蛇x擇LE4-2K。其參數(shù)見附錄B。
(3)防夾接近開關的選用
在出入口兩個防夾區(qū)域內安裝了防夾傳感器，而防夾感應器是用來感應人是否處于防夾區(qū)域內，而不知道是否門扇已經靠近防夾區(qū)域內，所以僅靠防夾傳感器是無法鑒別人是否即將受夾或正在受夾。則需要一接近開關來判斷門翼是否走到了防夾區(qū)域內。當防夾傳感器和防夾接近開關同時發(fā)出信號時，人就有可能被夾，這時電機必須停轉。
由于人的人的寬度一般在0.5m以下，可設此距離為接近感應器感應距離。當門翼靠近曲壁門柱0.5m時，接近傳感器就可以發(fā)出信號。而門翼是在曲壁門柱的前端面，因此選擇光電式JD系列接近傳感器。選擇感應距離為0.5m的檢測前端物體的接近傳感器，型號為JD-E3L-DS50B1傳感器。
(4)防夾傳感器的選用
防夾傳感器是用來檢測人是否在防夾區(qū)域內用的。應采用紅外線傳感器檢測，其檢測方式是豎直的。當人在防夾區(qū)域時，傳感器只有通過豎直檢測才不會誤判。假如傳感器不是豎直的，而是發(fā)散的，如人正常經過轉門區(qū)時，防夾傳感器就有可能檢測到人的存在，而此時門翼又有可能正好在防夾接近傳感器范圍內。兩者信號同時有效，使門體無故停轉，而造成不必要的麻煩。故選擇型號為SA005-2K光電式開關。其參數(shù)見附錄B。
(5)防碰傳感器的選用
為了保證行人在旋轉門內通行過程中，如遇門扇碰后跟，則立即自動停轉，防止碰傷行人。行人離開門扇，門扇自動恢復運轉。則必須在每扇門底邊裝有全開寬內藏式感應器。其型號為ASR-001
(6)防撞傳感器的選用
防撞膠條安裝于入口右側立柱上，膠條內裝有內藏式感應器，如遇物體碰撞或受壓，門扇馬上停止轉動。膠條內感應器恢復正常后，旋轉門也隨之恢復正常。故選擇型號為ASR-002防撞傳感器。
(7)紅外線被動式感應器的選用
為了保證來人時自動啟動，并一正常轉速轉動，15s時無人進出，則自動停轉并封門。必須在四翼旋轉門的進口和出口華蓋上，每處安裝兩個紅外線感應器，感應人體進入門體。由於門體的高度是2-3米，并且要保證能夠在適當?shù)姆秶鷥扔^測到人，應選擇ADS-D型門控傳感器。其具體參數(shù)見附錄B。
傳感器和接近開關的安裝位置如圖4.1所示：
圖4.1接近開關安裝圖
4.4控制系統(tǒng)硬件設計
4.4.1 PLC的機型選擇
旋轉門的動作過程比較固定，環(huán)境條件較好，控制過程不復雜，因此選用整體式結構的三菱PLC機型。因為四翼控制是開關量控制的應用系統(tǒng)，而且控制速度不高,在四翼旋轉門過程控制中沒有模擬量輸入，也沒有比較環(huán)節(jié)等，因此不需要A/D轉換功能，PID調節(jié)功能，閉環(huán)控制功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能。四翼旋轉門的過程控制對PLC的處理速度要求不高，允許執(zhí)行一條基本指令的時間不超過0.5us；不需要采用高速響應模塊。使用的指令主要是主要應包括邏輯指令、運算指令和控制主要應包括邏輯指令、運算指令和功能指令。
4.4.2分析控制系統(tǒng)的I/O接點數(shù)
通過對旋轉門控制要求的分析，PLC控制輸入信號有24個（按鈕開關6個、傳感器12個、接近開關4個、變頻器報警輸入1個、電機過熱輸出1個共24個），輸出接點共8個（報警輸出1個、電磁鎖繼電器輸出1個，速度控制2個、直流制動1個、變頻器復位1個共7個大）。按照預留15%-20%的接點數(shù)來計算，輸入接點至少要28個，輸出接點至少要10個。
本系統(tǒng)為個簡單控制系統(tǒng)，按一般經驗來估算，同時由上段對I/O接點的分析主要有：開關量輸入字節(jié)數(shù)：32×15=480
開關量輸出字節(jié)數(shù)：10×7=70
系統(tǒng)推斷定時器/計數(shù)器字節(jié)數(shù)：8×1=8
總計大約需要558個字節(jié)數(shù)容量。加上預留30%，有1K的程序容量足夠了。
由以上兩個PLC本身主要方面，兼顧經濟性原則，在眾多市面上的PLC產品中FX系列可編程控制器是當今國內外最新，最具特色、最具代表性的微型PLC。在FX系列PLC中設置了高數(shù)計數(shù)器，對來自特定的輸入繼電器的高頻脈沖進行中斷處理，擴大了PLC的應用領域。本系統(tǒng)選擇了FX2N—64MR—001型PLC（輸入為32點，輸出為32點）。由PLC型號主回路電壓AC（100～240）V；輸入端參數(shù)為電壓DC24V，電流5/7mA；繼電器輸出端電壓AC150V，DC30V以內。本系統(tǒng)選用直流輸出方式。
表4.2 硬件指標
環(huán)境溫度
0~55℃
環(huán)境濕度
35﹪~89﹪RH(不接露)
抗振
JIS C0911標準10~55Hz