张莹毕业论文

兰州工业高等专科学校

毕业设计（论文）任务书

机械工程系 2011 届 机电一体化 专业

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目 校内（外）指导教师 李宝栋 职 称 讲师 两翼自动旋转门设计 工作单位及部门 机械工程系 联系方式 一、题目说明（目的和意义）： 自动旋转门是楼宇设备中的光机电一体化技术产品，它给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，其全新的概念，宽敞的开放门面和高格调的设计，堪称建筑物的点睛之笔，立足于建筑时代大潮的最前端。通过毕业设计，学生达到以下基本要求： 1）培养学生综合运用多学科的理论，知识与技能，解决有一定难度的工程实际问题的能力； 2）培养学生树立正确的设计思想，具有查阅科技文献资料，使用各种标准，手册，以及自学和独立工作的能力；掌握理论联系实际的设计方法。 二、设计（论文）要求（工作量、内容）： 一）设计要求 主要对门体、驱动系统、控制系统、安全系统做详细的分析和设计，设计出一种安全可靠实用的两翼旋转门。 1采用铝合金和玻璃等组成门体框架。 2驱动部分由减速电机和齿轮箱减速机构组成，且安装在门中心顶部的华盖内。 3控制系统用PLC负责完成控制任务，由变频器来实现门体多种转速的调节功能。 4安全系统采用红外线传感器检测进出旋转门的人员流动，使用多个接触式和非接触式传感器及光电接近开关来确保通行安全。 二）要求提供以下设计资料： 1. 设计说明书； 2. 三翼旋转门结构图，相关零件图；

2

3. PLC外部接线图，以及其它相关设备的电气图； 4.完整的程序资料，应包括PLC工序图、梯形图、指令表等3种格式的程序及注解； 论文（设计说明书）撰写格式及要求见毕业设计说明书范例。 三、进度表 日 期 第1周 （11月29日～12月5日） 第2周 （12月6日～12月12日） 第3～4周 （12月13日～12月26日） 第5周 （12月27日～1月2日） 第6周 （1月3日～1月10日） 第7～8周 （2月21日～3月6日） 完成日期 答辩日期 内 容 查阅相关资料，确定设计总方案 设计驱动系统。绘制结构图 设计控制系统。绘制硬件接线图，软件流程图。 编制程序，调试 撰写设计说明书 答辩 2010年11月29日～2011年1月10日 2011年2月21日～2011年3月6日 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量： [1] 机械设计手册编委会编.机械设计手册（3）[M].机械工业出版社.2004 [2] 王寿华主编.建筑门窗手册[M].中国建筑工业出版社.2002 [3] 徐创文 主编.机床电气控制及可编程序控制器 兰州：兰州大学出版社，2001 [4] 王延才，王伟主编.变频器原理及应用[M].机械工业出版社.2005 [5] 袁任光编著.交流变频调速器选用手册[M].广东科技出版社.2004 [6] 扬帮文主编.现代新潮传感器应用手册[M].机械工业出版社.2004 翻译:设计说明书摘要 指导教师签字 年 月 日

教研室主任签字 年 月 日 主管系领导签字 年 月 日 注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。 3

兰州工业高等专科学校毕业论文

摘 要

本论文主要阐述的是合成阿莫西林原料药所需的中间体D-对羟基苯甘氨酸（简称D酸）的操作规程及回收过程简介。通过本文可深入了解D-对羟基苯甘氨酸的概况及生产全过程。同时，通过本文可了解未来有关D-对羟基苯甘氨酸在制药行业发展的前景，又可据此来投资开发新型制药技术市场。

本文在总结D-对羟基苯甘氨酸回收概况的基础上，系统的阐述了D-对羟基苯甘氨酸生产过程，即部分工作原理、生产工艺、操作规程全部内容。通过对其介绍和分析来深入了解此行业。本文在介绍生产三大部分的同时一并提到了生产过程中所用生产原料、机器机械、生产方法、人员配置和作业时间。同时，对其中的注意事项问题等提出了意见和建议。本文通过老师同学朋友们的帮助下最终完成。

关键词：D-对羟基苯甘氨酸 工作原理 生产工艺 操作规程

I

兰州工业高等专科学校毕业论文

ABSTRACT

Two wings automatic revolving door is one kind of new revolving door which is specially for the expansion of the people’s movement, it is a perfect combination that combines automatic revolving door、smoothing door and exhibition space on the merits of the three functions .

This paper discusses the design process of the two wings automatic revolving door, it include the detailed analysis and design about gate body structure、drive system、transmission system、control system and testing security system of the two wings automatic revolving door. It proposed that the door frame is composed of glass and aluminum framework, the revolving door body is made of rotary-wing and smoothing door by flat steel fixed together, is connect to six passive wheels with the hanging brackets which hang on the door crown circular orbit. he three-phase asynchronous motor drive the revolving door body to ralate on the door crown circular orbit through a reducer and gears transmission; PLC is responsible for the task of controller and the function of rotational speed is rely on the VVF. The flow of personnel passing in and out of the revolution door is checked by the infrared ray sensor, the safety of people are ensured by a number of contact and non-contact sensors and photoelectric proximity switches. On the end, have designed a kind of function practical、safety dependablely revolving door.

Keywords: Two wings automatic revolving door, gate body, programmable logic controller,

sensor

II

兰州工业高等专科学校毕业论文

目录

....................................................................................................................... 错误！未定义书签。 摘 要 ................................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................................. II 目录 ............................................................................................................................................... III 1 绪论 ........................................................................................................................................... 1

1.1自动旋转门简介 ................................................................................................................ 1 1.3旋转门的发展趋势 ........................................................................................................... 1 1.4旋转门研究的必要性 ....................................................................................................... 2 2 方案设计 ................................................................................................................................... 1

2.1方案拟定 ............................................................................................................................ 1

2.1.1 两翼自动旋转门设计方案一 ................................................................................. 1 2.1.2 两翼自动旋转门设计方案二 ................................................................................. 1 2.2方案选择 ........................................................................................................................... 2

2.2.1 方案比较 ................................................................................................................. 2 2.2.2 确定方案 ................................................................................................................. 2

3 门体结构设计 ........................................................................................................................... 3

3.1 门体的总体设计 ............................................................................................................... 3

3.1.1 门体构成 ................................................................................................................. 3 3.1.2 门体规格 ................................................................................................................. 3 3.2旋转门体部分设计 ........................................................................................................... 3

3.2.1 确定旋转门体材料 ................................................................................................. 3 3.2.2 确定旋转门体相关尺寸 ......................................................................................... 5 3.3曲壁设计 ........................................................................................................................... 9

3.3.1 曲壁的总体设计 ..................................................................................................... 9 3.3.2 确定曲壁材料 ....................................................................................................... 10 3.3.3确定材料尺寸 ........................................................................................................ 10 3.4.1加强型钢的总体设计 ............................................................................................ 11 3.4.2加强型钢材料选择及尺寸计算 ............................................................................ 11 3.5华盖结构设计 ................................................................................................................. 12

3.5.1 华盖的总体设计 ................................................................................................... 12 3.5.2 华盖材料选择 ....................................................................................................... 13 3.5.3 华盖材料尺寸确定 ............................................................................................... 13

4 驱动系统设计 ........................................................................................................................ 15

4.1驱动系统总体设计 ......................................................................................................... 15 4.2减速机的选择 ................................................................................................................. 15

4.2.1 旋转门体的惯性力矩计算 ................................................................................... 15 4.2.2 旋转门体的摩擦力矩计算 ................................................................................... 17 4.2.3 选择减速机 ......................................................................................................... 18

5 传动系统设计 ......................................................................................................................... 21

5.1传动齿轮齿圈设计 ......................................................................................................... 21

5.1.1齿轮齿圈设计前述 ................................................................................................ 21 5.1.2齿轮齿圈参数设计 ................................................................................................ 21 5.2承重滚轮及其轨道设计 ................................................................................................. 25

III

兰州工业高等专科学校毕业论文

5.2.1选择滚轮 ................................................................................................................ 25 5.2.2 轨道设计 ............................................................................................................... 26 5.3齿圈连接转盘支架的螺栓设计 ..................................................................................... 28

5.3.1 螺栓直径设计 ....................................................................................................... 28 5.3.2 齿圈结构尺寸设计 ............................................................................................... 29 5.4转盘支架设计 ................................................................................................................. 30 5.5门体吊架设计 ................................................................................................................. 31

5.5.1 吊架处连接螺栓的直径设计 ............................................................................... 31 5.5.2 吊架的尺寸设计 ................................................................................................... 32

6 控制系统设计 ......................................................................................................................... 33

6.1控制系统的控制过程及其控制功能 ............................................................................. 33

6.1.1 控制系统的控制过程分析 ................................................................................... 33 6.1.2 控制系统的控制功能分析 ................................................................................... 33 6.2控制系统的选择 ............................................................................................................. 33 6.3变频器的选择 ................................................................................................................. 34

6.3.1 变频器的容量计算 ............................................................................................... 34 6.3.2 指定变频器减速时间 ........................................................................................... 34 6.3.3 变频器的频率设定 ............................................................................................... 36 6.4控制系统硬件设计 ......................................................................................................... 36

6.4.1 PLC的机型选择 .................................................................................................... 36 6.4.2 PLC外接电气元件的选择 .................................................................................... 37 6.4.3 输入输出口的保护及分配 ................................................................................... 38 6.5控制系统的软件设计 ..................................................................................................... 39

6.5.1 控制系统软件设计的要求分析 ........................................................................... 39 6.5.2 PLC程序设计 ........................................................................................................ 41

7 检测安全系统设计 ................................................................................................................. 45

7.1检测安全系统的总体设计 ............................................................................................. 45 7.2检测系统设计 ................................................................................................................. 45

7.2.1 检测系统的要求 ................................................................................................... 45 7.2.2 检测传感器的选择 ............................................................................................... 45 7.3安全系统设计 ................................................................................................................. 46

7.3.1 安全系统的要求 ................................................................................................... 46 7.3.2 安全传感器的选择 ............................................................................................... 46 7.3.3 安全接近开关的安装 ........................................................................................... 48

结论 ............................................................................................................................................... 49 参考文献 ....................................................................................................................................... 51 附录 ******* ............................................................................................................................... 53

IV

兰州工业高等专科学校毕业论文

1 绪论

1.1 D-对羟基苯甘氨酸简介

D-对羟基苯甘氨酸，又称为D－p－HPG，化学名为D－a-氨基对羟基苯乙酸，分子式为C8H9NO3,分子量为167.16，纯品外观为白色针状结晶，熔点240℃（分解）。作为一种医药中间体，D-对羟基苯甘氨酸主要用于β-内酰胺类半合成抗生素的生产，如在羟氨苄青霉素（阿莫西林）、头孢羟基苄（欧意）、头孢氯苯（先锋IV）、头孢哌酮、头孢罗奇、头孢羟胺唑、头孢克罗、头孢拉定（先锋VI）、头孢曲嗪、 头孢立新等广谱抗生素的合成生产中，D- 对羟基苯甘氨酸是必不可少的侧链酸。这些由D-对羟基苄甘氨酸作为中间体合成得到的抗菌药物抗菌谱广，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、弓形体、螺旋体等均具有较好的杀灭作用，同时作为新型的抗生素，这些抗菌药物具有极佳的口服效果，并克服了过去广泛使用的青霉素G等存在的抗菌谱窄、副作用大、耐酸性差、不能口服或口服效果差以及耐药性后应越来越普遍等严重缺陷，在临床上的应用越来越广泛。这些抗生素世界范围内的大量生产，进一步带动了中间体D-对羟基苯甘氨酸的发展。

1.2 D-对羟基苯甘氨酸生产现状 1.2.1国外D-对羟基苯甘氨酸生产现状

国外从1960－1970年代就开始了D-对羟基苯甘氨酸的合成研究，并在1970年代开始批量生产，1980-1990年代得到发展。D-对羟基苯甘氨酸需求量近年来增加得很快，据报道，在1999年国际 上单纯为生产阿莫西林对D-对羟基苯甘氨酸的需求量就达8kt，美、欧、日等地对其需求量更是超过万吨。国际上生产D-对羟基苯甘氨酸的厂商有日本的合成化学、HIGH CHEM株式会社、荷兰ANDN公司以及西班牙、韩国、瑞 典、印度、德国等国家的一些公司。

1.2.2国内D-对羟基苯甘氨酸生产现状

国内从1980年代开始研制D-对羟基苯甘氨酸，1990年代中期开始小规模生产。近年来，国内对羟氨苄青霉素（阿莫西林）的需求量迅速增加，一些抗生素生产企业的半合成抗生素和头孢类产品陆续通过中试，阿莫西林生产装置相继转入生产。华北制药、河北制药、鲁抗医药、山西迈特、上海 四药、丽珠集团等企业阿莫西林的产量小则100t/a，大的将发展到700t/a，年增长率将达到20％－30％。据资料介绍，在2000年一季度国内生产阿莫西林成品433t，全年产量约2kt，需 D-对羟基苯甘氨酸1.5kt。预计2002年国内阿莫西林产量将达3kt左右，需D-对羟基苯甘氨酸将达2.2kt，而国内D-对羟基苯甘氨酸的产量在1.5kt左右，市场需求与供给存在较大缺口。目前国内90％的药厂所需的D-对羟基 苯甘氨酸需要进口，这也使得国内D－p－HPG的价格居高不下。

1.3D-对羟基苯甘氨酸的发展趋势

自动旋转门虽然已出现多年，但的技术发展仍在不断完善和提高。其发展趋势主要有以下几个：独特新颖的总体设计，高度的安全可靠性设计，多种运转使用方式设计，故障即时显示功能设计，楼宇消防智能化控制设计，停电使用功能设计，大通行能力设计，精巧灵敏的遥控控制系统设计，先进的驱动控制系统设计。同时，自动旋转门还能利用先进的通信和网络技术，使自动门的维护不再受时间、地域和专业维护技术的限制，制造商可通过 internet 与设备进行实时交流，校正偏差，让自动门达到最佳运行状态。当出现异常时，可准确传回故障信息，实现远程维护，缩短维护、保养时间；采用液晶显示屏，进行可视化设计，全面显示门体转速、状态和故障等信息。

1

兰州工业高等专科学校毕业论文

1.4旋转门研究的必要性

由于国外自动旋转门发展较早，无论是驱动技术还是控制技术都较为成熟。而我国旋转门技术的发展起步较晚，其全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、 日本等国。到目前为止，我国的自动旋转门的技术水平离国外还有一定差距，特别是在结构设计和驱动控制系统上。我国设计的自动旋转门的安全性能低，运行噪音大，寿命短，所以，仍需设计人员的不断努力，才有希望赶超国外自动旋转门的技术水平。因此，对自动旋转门的研究是十分有必要的。

2

兰州工业高等专科学校毕业论文

2 方案设计

2.1方案拟定

两翼自动旋转门的主体结构由门体结构、驱动系统、传动系统、控制系统和检测安全系统五大部分构成，根据对这五大部分作出分析后拟定以下两个两翼旋转门的设计方案。 2.1.1 两翼自动旋转门设计方案一

方案一：主要是根据传统意义的自动旋转门来进行设计，其主要是采用中轴来支撑和安装整个旋转门体，并用中轴上固定齿轮的方式来进行传动，最终使旋转门体绕着中轴旋转。其具体方案如下:

①门体结构设计

门体结构分为固定部分和旋转部分的设计，均由铝型材框架和玻璃等组成。旋转门体采用中轴上安装两个旋转扇翼，旋转扇翼由一扇普通门体和一扇圆弧门体构成，这样来实现建筑屋内和屋外的任何位置的隔离。门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。同时每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态；门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃或12mm厚的钢化玻璃。

②驱动系统设计

由于两扇门翼距离较大且带有两扇圆弧门，使得需要的驱动力矩就较大，那么采用两台三相异步电机对称布置来完成驱动。

③传动系统设计

传动系统主要是完成降速和力的传动，根据要求可采用两台异步电机输出轴分别接一台减速器，然后又通过一对齿轮啮合来把动力传递给门体的中轴，使得中轴带动固定在上面的旋转门体转动。从而实现从动力装置到执行装置动力的传递过程。

④控制系统设计

控制系统采用目前小型控制中较为常用的单片机控制系统来实现，同时由变频器完成调速控制功能，再加上一些功能开关来完成两翼自动旋转门的整个控制要求。

⑤检测安全系统设计

检测安全系统是关系到整个两翼旋转门能否健康安全运行的关键一步，主要采用红外线传感器来实现人流的检测，采用各种接触式和非接触式传感器以及多个接近开关来实现两翼旋转门运行过程中各个危险位置和危险情况的检测，最终实现两翼自动门的安全运行。

2.1.2 两翼自动旋转门设计方案二

方案二：主要是在传统意义的自动旋转门基础上来进行改造设计的，其主要是采用圆周导轨悬挂整个旋转门体，并用悬挂门体上部转盘的方式来进行传动，最终使旋转门体绕着门冠的圆形轨道旋转。其具体方案如下：

①门体结构设计

门体结构分为固定部分和旋转部分的设计，均由铝型材框架和玻璃等组成。旋转门体采用中间平滑门加两扇圆弧门构成，同时，平滑门、圆弧门和一扇普通门在旋转门体的两边构成一个旋转展台，这个展台即成了旋转扇翼，又能放置展物。这样不仅能形成一种美好的氛围，还能较为完美的实现建筑屋内和屋外的任何位置的隔离。门扉一般采用高强度

1

兰州工业高等专科学校毕业论文

铝合金型材，结构简洁，精密牢固。同时每扉门三面安装密封毛条与地面天花及曲壁紧密接触，使门扉在任何位置均处于密闭状态；门扉玻璃采用（3+3）夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夹胶玻璃或12mm厚的钢化玻璃。

②驱动系统设计

由于门体悬挂在圆形轨道上，那么受到的摩擦力矩较小；同时又使用了较大的转盘来传动，使得较小的驱动力就能产生较大的力矩。那么采用一台三相异步电机来完成驱动即可。

③传动系统设计

传动系统主要是完成降速和力的传动的，根据要求可采用在异步电机输出轴接一台减速器，将转速降到一定的转速，然后又通过一对齿轮齿圈啮合来把动力传递给由齿圈形成的门体转盘上，使得转盘带动悬挂门体在圆形轨道上转动。从而实现从动力装置到执行装置动力的传递过程。

④控制系统设计

控制系统采用工业控制中十分常用的可编程控制器（PLC）来实现，同时由变频器完成调速控制功能，再加上一些功能开关来完成两翼自动旋转门的整个控制要求。 ⑤检测安全系统设计

检测安全系统是关系到整个两翼旋转门能否健康安全运行的关键一步，主要采用红外线传感器来实现人流的检测，采用各种接触式和非接触式传感器以及多个接近开关来实现两翼旋转门运行过程中各个危险位置和危险情况的检测，最终实现两翼自动门的安全运行。

2.2方案选择

2.2.1 方案比较

①从设计新颖和功能上比较

方案一的设计思路是传统意义的再次设计，没有太多新颖的结构和创新理念，同时门体的结构较其它三翼／四翼自动旋转门复杂，且外形不是太美观。因此，没有多少实际意义和市场价值。而方案二是对传动意义自动旋转门的创新设计，它能独特的展台设计使其能增加两翼自动旋转门的实用功能。同时，其独特的传动方式和高格调的外观设计使其能在多种自动旋转门中占有一席之地。

②从节能的角度比较

方案一的设计由于采用中轴转动，需要两台电机才能很好的进行驱动。而方案二的设计采用门体悬挂在圆形轨道上，只需要一台同功率的电机就能很好的完成驱动。那么方案一的设计就耗能较多，则不宜采用。

③从采用的控制系统上比较

方案一采用单片机控制系统虽然能很好的完成控制任务，但对设计者来说增加了很多的负担。它不仅要求进行控制系统的软件设计，还要进行较为复杂的硬件设计，其硬件包括一些芯片连接，隔离放大电路的设计。这些在方案二中就很是简单，根本不需要太多的设计，因为方案二采用的是已有的控制系统。同时，方案一的控制系统由于对用户来说体积小，结构简单，所以较为适于大批量生产。但是对我们单件或小批量生产来说设计方案一的控制系统是不值得的。

2.2.2 确定方案

通过对方案一二的综合比较，考虑各自方案的利与弊。综合考虑后，我决定选择方案二进行设计。

2

兰州工业高等专科学校毕业论文

3 门体结构设计

3.1 门体的总体设计

3.1.1 门体构成

两翼自动旋转门的门体部分设计主要包括旋转门体部分设计和固定部分曲壁设计，旋转门体又包括中间旋转平滑门和旋转展箱设计。其中旋转平滑门又由四扇普通推拉门组成，在紧急或是停电的情况下打开进行人员流通，而旋转展箱又是转门的一部分，由圆弧门、平滑门和扇门构成一个展示空间，其都由铝型材框架和玻璃构成。曲壁是旋转门体部分的旋转空间，由进出门口和四块弧形框架玻璃构成。

3.1.2 门体规格

门体规格根据文献两翼旋转门门体尺寸进行设计。门体总体规格尺寸如表3.1，门体总体外形图如图3.1：

[1]

表3.1 门体尺寸

内直径 （D）mm 3600

A门中线全阔 （E）mm 3804 入口宽度 （C）mm 1676 中间门全开阔度 （F）mm 1640 华盖高度 （A）mm 500 门扉高度 （B）mm 2200 ?DFCE图3.1 门体外形图

3.2旋转门体部分设计

3.2.1 确定旋转门体材料

旋转门体材料主要包括门体骨架的材料和门体玻璃材料，由于旋转门体由四扇推拉门组成和两扇旋转展箱构成，因此其构成相当于有一栋四扇的推拉门和两扇旋转的圆弧门与两扇扇门。

①旋转门体的框架材料

3

B兰州工业高等专科学校毕业论文

门体框架材料可选用铝型材来构成骨架和安装玻璃的框架，根据相关门体标准，旋转平开门可按90系列的推拉门进行设计。门体骨架采用90系列推拉门专用铝型材，据文

献选择，平滑门的材料选择如表3.2：

[1]

表3.2 平滑门材料

名称 光企 勾企 上横 下横 （左右）边框 上滑 下滑 材料代号 L090704（图3.2） L090705（图3.3） L090706（图3.4） L090707（图3.5） L090703（图3.6） L090701（图3.7） L090702（图3.8） 线密度（kg/m） 0.966 1.033 0.836 1.152 0.854 1.375 1.198 相关铝型材的截面形状如图3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8：

图3.2 光企截面图 图3.3 勾企截面图 图3.4 上横截面图

4

兰州工业高等专科学校毕业论文

图3.5 下横截面图 图3.6 边框截面图

图3.7 上滑截面图 图3.8 下滑截面图CAD/CAM系统的支持，

旋转扇门的材料可按中间平滑门的相关材料来做，则上横选择L090706，下横选择L090707，左右光企框选择L090704。

旋转圆弧门的材料可选择圆弧专用铝型材6063，其相关截面形状及尺寸同平开门的铝型材相同。

②旋转门体玻璃材料

门扉玻璃一般有几种选择，一是防弹玻璃，二是夹胶玻璃，三是钢化玻璃。由于门一般用于高级的宾馆，写字楼等高档场所，一般无特殊要求。由于防弹玻璃价格较为昂贵，并且无多大实际用处，而夹胶玻璃它安装的透光性不是较好，因此选择钢化玻璃是最合适的。根据参考其他相关产品的选择情况，据文献旋转门体的平滑门玻璃可选用6mm的钢化透明玻璃。旋转圆弧门可选用专用的6mm圆弧钢化玻璃。

[2]

3.2.2 确定旋转门体相关尺寸

①确定中间平滑四扇门的尺寸

根据前面的总体设计可知，旋转门的门扉高度为2200mm，内径为3600mm，则中间平滑门尺寸可按文献 90系列的尺寸高度为2100mm，四扇门宽度为3500mm进行设计。90

[1]

系列推拉铝合金的门体图如图3.9。

图3.9 平滑门体图

90系列推拉铝合金的门体节点图如图3.10、3.11、3.12所示：

5

兰州工业高等专科学校毕业论文

节点

图3.10 节点1截面图

节点

图3.11 节点2 截面图

节点节点节点 图3.12 节点3、4、5截面图

由于平滑门的整体尺寸宽为3500，高为2100，则根据以上节点，可以计算门的相关尺寸为。平滑门外部框架采用插接的方式，则门上下滑长度就为整个平滑门的宽度3500mm，左右边框的长度就为平滑门的高度2100mm。

单扇门宽度为：

B单扇?(l平?B边?2?B重?2?B铝?3)?4=（3500?27.4?2?11?2?64?3）?4?915mm式中：l平为平滑门的宽度，B边为门边框宽度；

B重为门扇与边框的重合值，B铝为铝合金框的宽度；

由于门体铝合金的横竖的宽度都一样，则单扇门的框架连接采用直接对接的方式 ，

6

式（3.1）

兰州工业高等专科学校毕业论文

那么铝型材的上下横长度为：

Ｂ＝Ｂ?915mm 上下横单扇光企和勾企的长度为：

l光勾?H?B上滑?B下滑?l节上重?l节下重?2100?50.8?31.8?29?9.8?2056mm式中：H为平滑门的高度，B上滑为铝合金框上滑的宽度； l节上重为门框安装的上宽度，l节下重为门框安装的下宽度； 而单扇门玻璃的长度为：

式（3.2）

l玻长?l光勾?B上横?B下横?2?l玻安?2056?50.8?76.2?2?12?1953mm 式（3.3）

式中：l光勾为光勾企的型材长，B上横为铝合金门框上横宽度； B下横为铝合金门框下横宽度，l玻安为玻璃安装在门框的长度； 单扇门玻璃的宽度为：

B玻宽?B上下横?B光?B勾?l玻重?2?915?64?51.3?12?2?824mm式中：B光为光企型材的宽度，B勾为勾企型材的宽度；

式（3.4）

l玻重为玻璃与光勾企的安装长度；

②确定旋转展台材料尺寸

旋转圆弧门的弧长要能堵塞进出门口，以免旋转门转到某个位置把门内和门外连通而失去两翼旋转门的意义。那么弧形门可按下面计算：

门进出口的圆心夹角，根据余弦公式有：

B2进出宽?R2门内?R2门内?2?R2门内?cos?16762?18002?18002?2?18002?cos? 式（3.5） 则 ??56?式中：B进出宽为转门进出口的门口宽度，R门内为转门的内半径；

由于平滑门和圆弧门直接连接，则圆弧门的半径为：

R圆?l平?2?B铝 ?3500?2?28.2 式（3.6）

?1778mm则圆弧门型材弧长为：

7

兰州工业高等专科学校毕业论文

l圆弧? ???2???R圆2?56?2?3.14?1778 式（3.7） 360?1737mm式中：R圆为圆弧门半径；

那么圆弧门的最小弧长要为那么多，可以取其圆弧长为1750mm。

圆弧门左右型材长度，圆弧门框架采用直接对接的方式，那么左右型材可依下面计算。

l弧左右?H?B上横?B下横 ?2100?50.8?76.2 式（3.8）

?1973mm圆弧玻璃的弧长为：

B弧玻宽?l圆弧?B左右横?2?l玻重?2 ?1750?64?2?12?2 式（3.9）

?1646mm式中：B左右横为左右横型材的长度； 圆弧玻璃的长度为：

l玻长?l弧左右?l玻重?2 ?1973?12?2 式（3.10）

?1997mm③确定旋转扇门材料尺寸

由于旋转扇门要与旋转圆弧门和平开门构成一个三角形柱的空间展台，展台的空间大小由平开门与扇门的夹角决定,扇门可大可小，但要保证构成空间的稳定性。

扇门尺寸确定：由于扇门要保证与弧形门和平开门形成展台的稳定性,则可以选取平开门与扇门与圆弧门的连接点在距圆弧门两端面的1/5处。

则连接点在距圆弧型材两边距离为：

11 l接?l圆弧??1750??350mm 式（3.11）

55以下计算参照图3.13，则连接处圆弧对应圆心角为：

?，?

R平?l接?2?3602??R平?1750?350?2?360?34?2?3.14?1750 式（3.12）

式中：R平为平滑门的半径，l接为接点处离端面的圆弧长； 则对应的两直角边长度为 ：

a?R平?cos??1750?cos34??1451mm 式（3.13）

8

兰州工业高等专科学校毕业论文

b?R平?sin??1750?sin34??979mm 式（3.14）

扇门对应门的宽度为：

2B扇?（a?B单扇）?b22 ?（1451?915）?9792 式（3.15）

?1116mm由于门框架采用直接对接的方式连接，则扇门对应框架型材宽度为就门的宽度1116mm，扇门的型材长度就为门的高度2100mm。

扇门玻璃的宽度为：

B玻宽?B扇?B光?2?l玻重?2 ?1116?64?2?12?2 式（3.16）

?1012mm扇门玻璃的长度为：

l扇玻长?H?B上横?B下横?2?l玻安 ?2100?50.8?76.2?2?12 式（3.17）

?1997mm 门体连接图如图3.13所示：

图3.13 门体连接图

3.3曲壁设计

3.3.1 曲壁的总体设计

曲壁由六根工字钢来做为立柱，形成门体的支撑体，每三根构成一边曲壁圆弧。而六根工字钢竖在水泥地板里，进出口各布置2根，曲壁圆弧中间安装框架玻璃，然后顶部又用一圆形轨道将六根立柱固定在一起，形成一个曲壁的整体框架。曲壁由四块相同的圆弧玻璃组成，其总体设计图如图3.14。

9

兰州工业高等专科学校毕业论文

立柱弧形玻璃

图3.14 曲壁总体设计图

3.3.2 确定曲壁材料

曲壁立柱可选用GB/T70-1988的热轧工字钢型号10作成为立柱，其相关尺寸如图3.15：

图3.15 工字钢

工字钢参数如表3.3：

表3.3 工字钢参数 型号 h 10 100 b 68 尺寸（mm） d 4.5 [2]t 7.6 3-91GB/T3280-1992的

安装曲壁玻璃框的型材选用：曲壁上下圆弧型材选用文献3.3.3确定材料尺寸

2mm的不锈钢板弯曲成型，曲壁玻璃的选用12mm弧形钢化玻璃。

由于圆的内圆半径为1800mm,门口对应的圆心角为56?，则两边曲壁各对应的圆心角应为:

?曲?360???2360?56?2??124? 式（3.18） 22所以两边曲壁对应的弧长为：

10

兰州工业高等专科学校毕业论文

l曲?2??R门内??曲2?124 式（3.19） 360 ?2?3.14?1800??3894mm式中：R门内为旋转门的内半径； 则每扇曲壁上横的弧长为:

l上横=l曲?4b间3894?4?5==1937mm 式（3.20） 22式中：b间为曲壁与立柱的安装预留间歇； 下横的弧长为：

l下横=l上横=1937mm

玻璃尺寸的确定： 玻璃的弧长：

l波=l上横-2b玻安=1937-2?12=1976mm 式（3.21）

玻璃的高度为：

h?B?b下?b上?2b玻安 式（3.22）

那么：h?2200?100?76.2?12?2?2000mm 式中：b上为上横曲壁型框的长度，b下为下横曲壁型框的长度； (注以上的型材的直径为3600mm,玻璃的直径为3604mm)

3.4旋转门体加强连接设计

3.4.1加强型钢的总体设计

由于旋转门体启动较为频繁，可能铝合金形成的框架在门体的频繁旋转过程中就显得强度不够，同时由于门体由两部分组成，一部分是平开门，一部分是形成展台的旋转部分。这两部分是靠扁钢将其固定成一个整体，这样使得中间平滑门与圆弧门和旋转扇门的连接既方便可靠。又加强了门体的整体结构强度。因此特在中间平滑门、圆弧门和旋转扇门的上部框架型材中加加强型钢。分别在圆弧门加强型钢两端的弧长处和扁钢的弧长中间分别打三个的螺栓孔，以连接门体吊架。还有就是在各门体连接的交界处钻螺栓孔，好使用螺栓固定各门体成为一个整体的旋转门体，即在转动扇门与平开门连接处，转动扇门与圆弧门连接处，转动圆弧门与平开门连接处打螺栓孔。将门体加强型钢和门体铝合金用2mm厚的不锈钢包饰，用铆钉将型钢与铝合金连接成一个整体，钢板既起到了连接的作用，同时又起到了装饰的效果，一举两得。

3.4.2加强型钢材料选择及尺寸计算

转动圆弧门加强型钢选用：

根据铝合金型材宽度为28.2mm，可选用文献热扎扁钢（GB/T704-1988），宽度为28mm，厚度为8mm的系列扁钢，其弧长为转动圆弧门的弧长。因此扁钢弯曲为半径为1778mm

[2]

的弧形。线密度为1.76kg/m。其弧长为：L=l圆弧=1750mm

11

兰州工业高等专科学校毕业论文

平开门加强型钢选用：

根据平开门的上滑铝合金宽度为90mm，因此可选用热扁钢（GB/T704-1988）宽度为90mm，选厚度为8mm的系列，线密度为5.65Kg/m。扁钢长度为平开门整体的长度加上两边接头长度。

扁钢长度：

L?l平?2l接=3500+2 ?28=3556mm 式（3.23）

式中：l接为型钢与两扇圆弧门的连接长度； 转动扇门加强型钢选用：

根据扇门门框铝合金宽度为28.2mm。选用热扎扁钢（GB/T704-1988）宽度为28mm，厚度为6mm的系列扁钢，线密度为（1.32kg/m）.其长度为转动扇门铝合金宽度加上两边接头长度，则扁钢长度：

L?B扇?l接1?l接2=1116+28+90=1234mm 式（3.24）

式中：l接1为型钢与圆弧门的连接长度，l接2为型钢与平滑门的连接长度；

圆弧门的加强型钢连接门体吊架的螺栓孔位于型钢圆弧端的20mm处，中间连接吊架的螺栓孔为型钢弧中间，门体加强型钢连接用M8的螺栓，其孔位于门体连接的交接处。

其连接结构尺寸图如图3.16：

图3.16 门体加强连接尺寸图

3.5华盖结构设计

3.5.1 华盖的总体设计

华盖是用来安装驱动系统和控制系统的空间部分,其外形由钢板和包装金属材料构成

12

兰州工业高等专科学校毕业论文

一个圆柱形体。其主要用来安装转盘齿圈，圆周导轨，电机，控制装置等。华盖内采用多层布局，最下面是导轨，导轨上面安装门体转盘，转盘和齿轮减速器连接，齿轮减速器和电机用法兰盘连接安装在转盘上方，其固定在与立柱连接在一起的支撑架子上，控制装置也固定在这个架子上。这样设计布局较为合理，且节约空间，使得华盖的整体布局紧凑起来。同时，由于固定电机的架子与门体立柱连接使得固定可靠，能有效的减小了驱动装置对门体的振动。华盖吊顶不锈钢板形成顶部，用钢板构成环形把吊顶钢板和滑盖顶部钢板连接起来，环形钢板位于齿圈内径以内，用铆钉将吊顶钢板和滑盖顶部钢板连接起来。 华盖的布局图如图3.17

放电机齿轮钢板方钢2方钢3放控制装置方钢1

图3.17 滑盖布局图

3.5.2 华盖材料选择

如上图方钢1是主要支撑件，它的选择关系到整个电机的固定及其连接强度，可选文献3-101页GB/T705-1989的热轧方钢20?20，方钢2可选GB/T705-1989的热轧方钢20?20，方钢3和方钢1方钢2选择一样的钢板是用来固定减速机的，可选用热轧钢板GB/T70-1988的5mm厚钢板。减速机的法兰盘同钢板用螺栓连接起来。同时钢板上还要放控制装置有可编控制器和变频器。方钢和立柱采用焊接方式连接，而钢板和方钢间也用焊接的方式连接。华盖顶部用的盖钢板选用文献的GB/T4237-1992的2mm不锈钢板，而吊顶用2mm的不锈钢板实现。

[2]

[2]

3.5.3 华盖材料尺寸确定

方刚1的长度为：

l1?2R内sin64??2?1800?sin62??3179mm 式（3.25）

方钢2的长度为：

l2?2R内sin32??2?1800?sin31??1854mm 式（3.26）

由于方钢3连接在方钢1和2的中间，那么方钢3的长度为：

11l3?l1??3179?1590mm 式（3.27）

22

13

兰州工业高等专科学校毕业论文

钢板的长度大于方钢3的长度即可，可取钢板一边长出方钢3的l间为20mm,那么钢板长度为：

l4?l3?2l间?1590?2?20?1630mm 式（3.28）

钢板的宽度大于方钢1方钢3间的距离即可，取一边大于距离为20mm,那么钢板的宽度为：

b?1212l2?(l1)?4022 式（3.29）

?12?18542?15902?2?20?527mm 14

兰州工业高等专科学校毕业论文

4 驱动系统设计

4.1驱动系统总体设计

整个门体的驱动由电机提供动力，电机通过一个一级齿轮减速器把速度降低后，再通过齿轮和齿圈啮合把动力传给齿圈,齿圈上固定有转盘支架,转盘支架又和吊挂轮连接,而吊挂轮上悬挂着整个门体。齿圈使得吊挂轮在曲壁圆形导轨上转动,从而带动整个悬挂门体旋转,实现从动力装置到执行装置的动力驱动过程。

4.2减速机的选择

电机选择根据启动时克服门体的惯性力矩和阻力矩来进行选择。设计时要假设门体能在要求时间内加速到门体的快速转速，这样才能很好的满足驱动要求。

由于旋转门体的最大转速为6r/min,即其角速度为：

w?2??6??rad/s605 式（4.1）

由于传感器一般在2m范围内检测人的来临,当人迈进门口边时,门体要以正常速度

转动，则在这个时间内门体要加速到正常速度。按照人的正常速度人能在1s内走到门口，但由于某些其它的原因，同时为了能充分满足动力需要，可以将加速时间设为0.5s。则角加速度为：

??2????/0.5?rad/s2 式（4.2）

t55由于电机要带动门体转动,有一个加速过程，在这个加速过程中需要克服旋转门体的惯性力矩和门体的摩擦力矩才能使其转动，根据力矩转动惯量和角速度的关系：M?J?，则可能算出旋转门体的启动惯性力矩。 4.2.1 旋转门体的惯性力矩计算

①中间平滑门的转动惯量

以下?是各加强型材的线密度。

中间平滑门的加强型钢转动惯量为：

J1??r2dm??13?L121?5.65?3.5563?21.2kg.m?212 式（4.3）

平滑门的上边框转动惯量为：

J2??r2dm??13?L121?1.375?3.53?4.9kg.m?212 式（4.4）

平滑门的下边框转动惯量为：

15

兰州工业高等专科学校毕业论文

J3??r2dm?13?L121??1.198?3.53?4.3kg.m?212 式（4.5）

平滑门的左右边框转动惯量：

式（4.6） 10.854?2.1332??(1.75?1.7226)??0.54kg.m30.274玻璃的总质量为：

J4??r2dmm1?4v玻??4?1.53?0.824?0.006?2500?96.6kg 式（4.7）

式中：?为玻璃密度； 框架型材的总质量为：

m2?4?（0.915?0.836+0.915?1.152+2.056?0.966+2.056?1.033）?24kg

式（4.8）

把中间四扇推拉门当成一均匀质量体来近似估算其转动惯量，则中间四扇门的线密度为：

??那么中间四扇门的转动惯量为：

m1?m296.6?24??34kg/m 式（4.9） l平3.5

J5??r2dm??13?L121?34?3.53?121.5kg.m212 式（4.10）

②转动扇门的转动惯量

转动扇门玻璃的质量为：

m3?1.012?1.997?0.006?2500?30.3kg 式（4.12）

转动扇门框架的质量为：

m4?1.116?0.836?1.116?1.152?2.1?0.966?2.1?0.966?6.3kg 式（4.13）

同样把转动扇门当成一均匀质量体来近似估算其转动惯量，则门体在R向的线密度：

mm30?6.3??3?4??62.8kg/m 式（4.14）

b1.451?0.951那么门的转动惯量为：

16

兰州工业高等专科学校毕业论文

式（4.15） 1332??(1.451?0.951)?62.8?46kg.m3③旋转圆弧门的转动惯量

旋转圆弧门的框架质量为：

J7??r2dmm5?1.75?0.836?1.75?1.152?2.1?0.966?2?7.5kg 式（4.16）

旋转圆弧门的玻璃质量为：

m6?1.646?1.997?0.006?2500?50kg 式（4.17）

旋转圆弧门的加强型钢转动惯量为：

m?J8?（r1+r2）?221.75?1.7656??（1.7752+1.7782）? 式（4.18）

2360?1.5kg.m2旋转圆弧门的转动惯量为：

m?J8?（r1+r2）?227.5?5056??（1.752+1.7782）? 式（4.19）

2360?38.3kg.m2那么整个门体的转动惯量为：

J总?J1?J2?J3?2J4?J5?2J6?2J7?2J8?2J9然后?21.1?4.9?4.3?2?0.54?121.2?2?0.15?46?2?2?28.3?2?1.5 式（4.20）

?305kg.m2④那么可以计算出旋转门体惯性阻力矩

M惯?J总??305?2??383N.M 式（4.21） 54.2.2 旋转门体的摩擦力矩计算

由于门体通过吊架上的滚轮与曲壁上的轨道旋转来实现门体运动的，因此，还应存在一个摩擦力矩来阻碍门体的运动，则摩擦系数应是滚动摩擦系数。由相关的资料可知滚轮与圆形轨道的摩擦系数为f=0.005。

旋转门体的总的质量为：

m总?5.65?3.556?1.375?3.5?1.198?3.5?0.854?2.1?2?96.6?24.4? （1.32?1.099+30.3+6.3）?2+（7.5+50+1.75?1.76）?2=351kg 式（4.22）

由于滚轮与轨道的结合面由两个，那么，门体的摩擦阻力为：

摩擦阻力矩为：

17

F阻?2fN?2fGsin45?2?0.005?351?10?sin45?25N 式（4.23）

兰州工业高等专科学校毕业论文

M阻?F阻?R?25?1.778?45N.m 式（4.24）

式中：R为圆弧门的半径 4.2.3 选择减速机

门体转动需要的总力矩即为：

M总?M阻?M惯?45?383?428N.m 式（4.25）

根据机械设计中电机所需功率按下式计算：

Pa?MW(KW) 式（4.26）

1000?a

其中式中?a是整个传动中的传动效率,由于从电机到门体经过了两对齿轮传动,且齿轮传动效率0.97，由于有齿轮减速机则经历两对轴承，其传动效率为0.98。由此可以计算出所需电机的功率：

5?0.3KW 式（4.27） 21000?0.97?0.98由于门体还应能承受一定的风阻，以及旋转门体周围毛条与曲壁门体间的摩擦阻力和门体转盘吊架的质量都没计算在内。尽管其产生的阻力较小，但由于门体直径过大,则会产生较大的阻力矩。同时可能还有一些其它没有考虑的因素，因此特将计算出的功率放大一些。根据相关的计算结果可以选以下几种减速机。可选用文献中的G系列全封闭出齿轮减速机配备电机功率为0.55KW，此减速机是专为机电一体化产品而设计，是全封闭的硬齿面斜齿轮传动，有低噪音、高效率的优点，同时整体结构紧凑、重量轻、适应性强。选择时减速机传动比不宜过大，因为带动门体的转盘齿圈不能太小而使得产生的力矩过小，同时要符合立式安装要求。因此，根据这些可列出以下几个型号方案如表4.1：

Pa?2[4]

428??表4.1 减速机方案表 减速机型号 GLF28-550-3 GHF28-550-3 GLF28-550-5 GHF28-550-5 0.55 28 5 23.4 280.0 Y801-4 0.55 28 5 23.4 280.0 Y801-4 0.55 28 3 14 466.7 Y801-4 0.55 28 3 功率（KW） 机型号 减速比 输出转矩 （N.M） 14 输出转速 （r/min） 466.7 Y801-4 适配电机 由于两翼转门的两个扇翼相距较远，使得安装在吊架上的齿圈应有较大的直径，才利于传递力矩，即要求从减速器输出轴到齿圈的传动比应取较大一些才好，因此减速器输出轴到齿圈的转速应适中才好。由于GLF28-550-5的减速比适当，输出转矩和转速也相对

18

兰州工业高等专科学校毕业论文

其型号较为符合要求，同时它又是立式铸铝盒箱体，质量较轻。所以GLF28-550-5型是最符合要求的。

所配电机相关参数如表4.2：

19

兰州工业高等专科学校毕业论文

表4.2 电机参数表

型号 额定功率 （KW） Y801-4 0.55 转速 （r/min） 1440 满载时 电流 效率 功率堵转电 流 额定转矩 转动惯（N.M） 量 2.2 0.0018 17 净重 （kg） （A） （%） 因素 （A） 1.6 70.5 0.76 6.5 20

兰州工业高等专科学校毕业论文

5 传动系统设计

5.1传动齿轮齿圈设计

5.1.1齿轮齿圈设计前述

减速机是通过输出轴齿轮带动门体转盘的大齿圈使得门体转动的，通过这一对齿轮齿圈的啮合将电机的动力传给门体,齿圈安装在滚轮连接的支架架上。门体最高转速为6r/min，而减速机输出的转速为280r/min，那么这对齿轮齿圈传动比为：

i?n减280??46.7 式（5.1） n门6设计两翼旋转门的使用寿命为十年，那么齿轮齿圈可按使用寿命为十二年来设计，

设门每天能工作的时间为十小时，根据前面设计可知输入功率为0.55KW，齿轮的转速为280r/min。

5.1.2齿轮齿圈参数设计

①选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数

按传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。两翼旋转门是一般日常机器，速度不高，故可选用8级精度（GB10095-88）。查文献中189页表10-1。小齿轮材料为45钢，硬度为20HBS,大齿圈的材料选用文献3-254页的MC尼龙硬度为30HBS。先设取小齿轮齿数

[3]

[2]

z1=20，大齿轮齿数 z2?20?46.7?934。 ②按齿面接触强度设计

由设计公式进行计算，即：

KtTu?1?ZE?3式dt?2.32 式（5.2） ??????du????H??1）确定公式内的各计算参数 a. 试选用载荷系数Kt=1.3。 b. 计算小齿轮传递的转矩。

T1?9.55?105[3]

2P0.551?9.55?105??1.87?104N.mm 式（5.3） n1280c. 由文献中201页表10-7选取齿宽系数?d=0.6。

d. 由文献中198页表10-6查得材料的弹性系数ZE?56.4MPa。

[3]

12e. 由文献中207页图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限

[3]

?Hlim1?500MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim2?120MPa。

f. 计算应力循环次数

N1?60n1jLh?60?280?1?(2?10?365?12)?1.472?109

21

式（5.4）

兰州工业高等专科学校毕业论文

1.472?109?3.152?108 式（5.5） N2?46.7g. 由文献中203页图10-19查得接触疲劳寿命系数：

[3]

KHN1?0.85，KHN2?1.0。

h. 计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1％，安全系数S=1，得：

K? [?H]1?HN1Hlim1?0.85?500MPa?425MPa 式（5.6）

SK? [?H]2?HN2Hlim2?1.0?120MPa?120MPa 式（5.7）

S2）计算

a. 试计算小齿轮的分度圆d1t，代入[?H]中较小的值

2KtTu?1?ZE?3d1t?2.32??????du????H??41.3?1.877?1047.7?56.4???? ?2.32?3? 式（5.8）

146.7?120?2?41mm可以取整值为d1t为45mm b. 计算圆周速度v

v?c. 计算齿宽

b??d?dt?0.6?45?27mm 式（5.10）

d. 计算齿宽和齿高之比b/h

模数：mt?d1t/z1?45/27?1.67mm 式（5.11） 齿高：h?2.25mt?2.25?1.67?3.76mm 式（5.12）

b/h?27/3.76?7.18 式（5.13）

e. 计算载荷系数

根据v=0.7m/s，8级精度，由文献中192页图10-8查得动载系数Kv=1.10；直齿

[3]

?dtn160?1000???45?28060?1000?0.7m/s 式（5.9）

轮，假设KAFt/b?100N/mm。由文献图10—3查得KHa?KFa?1.2。

[3]

由文献190页表10-2查得两段的齿轮的使用系数KA?1；

[3]

由文献194页表10-4查的8级精度、小齿轮相对支承悬挂布置时，

[3]

KH??1.15?0.18（1?6.7?2d）?2d?0.31?10?3b 式（5.14）

将数据代入后得：

KH??1.15?0.18?（1+6.7?0.62）0.62?0.31?10?3?27?1.27 式（5.15）

22

兰州工业高等专科学校毕业论文

由b/h=7.18,KH?=1.27，查文献195页图10-13得KF?=1.3，则

[3]

故载荷系数

K?KAKVKH?KH??1?1.10?1.2?1.27?1.68 式（5.16）

f. 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得：

d1?d1t3g. 计算模数

m?③按齿根弯曲强度设计

设计计算公式：m?1）确定计算公式内的各计算参数

a. 由文献204页图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限?FE1?300MPa；大齿轮的弯

[3]

K1.68?45?3?50mm 式（5.17） Kt1.3d150??2.5mm 式（5.18） z12032KT?YFa?YSa? 式（5.19） ???2???dz???F??曲疲劳强度极限?FE2?160MPa；

b. 由文献202页图10-18查得弯曲疲劳寿命系数

[3]

KFN1?0.8，KFN2?2.5；

c. 计算弯曲疲劳许用应力

取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由下式得

K??0.8?500?171MPa 式（5.20） ??F?1?FN1FE1?S1.4K??2.5?160?286MPa 式（5.21） ??F?2?FN2FE2?S1.4d. 计算载荷系数K

K?KAKVKH?KF??1?1.1?1.2?1.3?1.716 式（5.22）

e. 查取齿形系数,由文献197页表10-5查得

[3]

YFa1?2.8，YFa2?2.06；

f. 查取应力校正系数

由文献197页表10-5可查得

[3]

YSa1?1.55，YSa2?1.97；

g. 计算大、小齿轮的

YFa?YSa??F?并加以比较

YFa1?YSa1??F?1?2.8?1.55?0.0254 式（5.23） 17123

兰州工业高等专科学校毕业论文

对

YFa2?YSa2??F?2?2.06?1.97?0.014189 式（5.24）

286由上式可得小齿轮的数值较大。 2）设计计算

2KT1?YFa?YSam?3???dz2????F?????42?1.716?2.522?10 ?3?0.0254 式（5.25）

1.2?202?2.112mm此计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关。那么，可按弯曲强度计算得的模数2.112并就近圆整为标准值m=2.5；按接触强度算得的分度圆直径d1?45mm作为设计。算出小齿轮齿数：

z1?d50??20 式（5.27） m2.5大齿轮齿数： z2?iz1?46.7?20?934 式（5.28） 就取 z2?934 ④几何尺寸计算 1）计算分度圆直径

d1?z1?m?20?2.5?50mm 式（5.29）

d2?z2?m?934?2.5?2370mm 式（5.30）

2）计算中心距

a?3）计算齿轮宽度

b??d?d1?0.6?50?30mm 式（5.32）

由于两个齿轮为不同类型材料，所以可取B2?30mm,B1?35mm。 4）验算

?d1?d2??50?270?1210mm 式（5.31）

222T12?1.87?104 Ft???1009N 式（5.33）

d150KAFt1?1009??20.2N/mm?100N/mm 式（5.34） b50故合适。

24

兰州工业高等专科学校毕业论文

5.2承重滚轮及其轨道设计

滚轮和轨道是承担门体重量的零件，整个门体的转动是靠滚轮在圆形轨道上旋转来实现的，同时，又使的整个门体悬挂起在圆形轨道上。由六个滚轮组成来承担整个门体重量，六个滚轮又形成转盘的一部分。轨道是由六截弧形轨道构成一个圆形轨道用螺栓固定在门体曲壁立柱上。

5.2.1选择滚轮

选择滚轮主要是根据其承载能力来选择滚轮的类型。 ①承载能力的计算

整个门体的重力为：

G=m总g=351×10=3510N 式（5.35）

假设六个滚轮均匀的承受门体重量，取载荷不均系数为k为1.3。 则每个轮应承受的动载荷为：

C=k

G 式（5.36） 63510 C= 1.3 ?=761N 式（5.37）

6②选择滚轮型号

的同样，由于一些其它原因没有考虑到，也考虑尺寸等原因和滚轮承重也要有足够的稳定性。根据以上计算载荷要求可选择易通公司生产的W型滚轮导向系的YTGW 系列导轨滚轮，这种滚轮外圈为两个90度V形组成的W形外表面。可单独使用内侧面或外侧面与90度的内V型或外V型导轨适配，也可利用内侧面与圆柱形导轨适配。滚轮采用双列角接触球轴承的内部结构设计及加厚的外圈, 使滚轮具有更高的承载能力。滚轮用优质轴承钢制造，经热处理、精密磨削加工而成，并在内部填充长寿命的高品质多用途油脂。滚轮防尘采用金属防尘盖或橡胶密封圈。其优点在于：阻力小、寿命长、应用广泛。W系列导轨滚轮的工作表面经过精细磨削加工，粗糙度好，90度的角度准确。滚轮的W形槽与内圈安装平面平行度好。工作时，滚轮与导轨之间的受力平稳，磨擦阻力小。相关参数如表5.1，滚轮外形尺寸图如图5.1

25

兰州工业高等专科学校毕业论文

5.2.2 轨道设计

轨道应与YGW2配合设计，由于轨道安装在曲壁的支承立柱工字钢上，用螺栓连接在立柱上。把圆形轨道作成六截圆弧轨道。其中两节装在门体的进出口，其余四根装在门体的曲壁上。六根轨道配合成一个圆形轨道。在每一截圆弧轨道上钻两个螺纹孔以便连接轨道在立柱工字钢上。 ①六根圆弧轨道弧长计算

门口的两根的弧长：

l1?2?R??56?2?3.14?1800??1759mm 式（5.38） 2?360其中R为转门的内半径，即立柱角钢围绕的半径。?为转门门口对应的圆心角，L1为弧形轨道的外圆弧长。

曲壁四根圆弧轨道弧长：

l2?2?R??62?2?3.14?1800??1947mm 式（5.39） 2?360其中，R为转门的内径，即立柱角钢围绕的半径，l2为每扇曲壁对应的弧形轨道的外圆弧长，?为每截曲壁圆弧轨道对应的圆心角；

②轨道截面尺寸设计

根据滚轮的相关尺寸来设计配合轨道，滚轮轨道配合情况如图5.2。轨道尺寸参数图如图5.3。

根据滚轮的相关参数可计算出滚轮的V形槽高度为：

h1=(D-2A1)=(30.73-12.7×2)/2=2.665mm 式（5.40）

根据上图，为防止滚轮的W形滚轮与轨道发生摩擦，则轨道V形凸起的高度取大于

26

兰州工业高等专科学校毕业论文

h1，同时轨道的V形凸起尖端应与滚轮形成一个配合三角形槽便于润滑。取顶端宽度为b=0.5mm。

则可取：

h2=h1+1=3.665mm 式（5.41）

由于滚轮的宽度B1=11.1mm，根据机械设计中导轨标准尺寸系列可取B3=12mm的标准系列宽度。又由于滚轮的右部要安装在转盘架形钢，也要占用一定的宽度。取此预留宽度为L=30mm，以保证转盘架的顺利转动，不至于与立柱角钢发生摩擦。

则B2=B1+L=12+30=42mm 式（5.42）

③轨道与立柱角钢连接螺栓直径设计

采用普通螺栓连接，则螺栓的预紧力使两表面产生的摩擦大于受到的载荷。同时假设门体重量的一半全部承受在一个螺栓上计算。连接状况图如图5.4

立柱轨道

图5.4 螺栓连接图

螺栓受到的压力为：

F=G/2=3510/2=1755N 式（5.43）

根据公式F0?ksFS来计算 fzi公式中 ：f结合面的摩擦系数 ，i为接合面的系数；

ks为防滑系数，z为螺栓系数；

可根据文献查得：f=0.3，i=0.1，ks=1.2，z=1。

[3]

那么有：

F0?根据式d?1.2?1755?7020N 式（5.44）

0.3?1?14?1.3F0设计螺栓直径

?[?]选择螺栓材料为Q235选择螺栓的材料为Q235，性能等级假设为4.6的螺栓。可查得材料的屈服强度极限为240MPa，又可查得其安全系数为S=1.5，所以螺栓材料的许用应力为材料的屈服极限除以安全系数[?]=240/1.5=160MPa。

则有： d?4?1.3?7020?8.5mm 式（5.45）

3.14?16027

按粗牙螺纹标准（GB5782-86），可选用螺纹公称直径为d=10mm，其小径也大于8.4mm。

兰州工业高等专科学校毕业论文

所以M10的螺栓强度是完全足够的。

因此，轨道和立柱上应打有11mm螺栓孔，可设计出轨道的螺栓处截面形状尺寸如图5.5所示：

由于曲壁中间布置有立柱，其余部分只有一根立柱，而门立柱用于安装轨道的表面宽 度为40mm，那么门口立柱两个螺栓孔设计中间立柱螺栓孔设计如图5.6。因此，每截轨道螺栓孔在距轨道弧形端面的17mm处。

5.3齿圈连接转盘支架的螺栓设计

5.3.1 螺栓直径设计

齿圈连接支架是依靠螺栓来实现的，所以要对螺栓组的直径进行设计。由于连接的为两种不同的材料，一种为塑料，一种为型钢。一般不采用较制孔螺栓连接，即螺栓不是受剪切和挤压作用。则只有采用普通螺栓，靠连接预紧在结合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。

假设赤圈只分布有一个圈螺栓，且各螺栓的预紧力程度相同，即各螺栓的预紧力均为F0，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相同，并假设摩擦力集中在齿圈厚度的中心假设螺栓处。为阻止接合面发生相对转动，各摩擦力应与该轴线到螺栓组对称中心0的连线相垂直。那么螺栓的布局图如图5.7：

齿轮的齿根圆直径：

df?(z?2ha?2c*)m?(934?2?0.5)?2.5?2329mm 式（5.46）

先假设齿圈的齿根圆距内圈为50mm。那么假设螺栓的分布直径为：

d=2329-50×2+25×2=2274mm 式（5.47）

28

兰州工业高等专科学校毕业论文

则螺栓相对旋转中心半径R=1137mm。

由于计算出门体的最大启动转距为M=428N.m。由于有些相关因素没有考虑，计算螺栓的转距时可将其放大两倍，可取M=1000N.m。

则设计计算过程如下： F0?ksT 式（5.48） f?ri其中：f是接合面摩擦系数，ri是螺栓到轴线距离 。

n为螺栓的个数，US为防滑系数。

可查得根据文献查的f=0.4，ri=1137，Z=6，US=1.2

1.2?1000?440N 式（5.49） 则 F0?0.4?6?1.137[3]

那么螺栓危险截面的拉伸强度按下列方式计算：

d?4?1.3F0 式（5.50）

?[?]选择螺栓的材料为Q235，性能等级假设为4.6的螺栓。可查得材料的屈服强度极限为240MPa，又可查得其安全系数为S=1.5，所以螺栓材料的许用应力为材料的屈服极限除以安全系数[?]=240/1.5=160MPa。

那么有：

d?4?1.3?440?2.2mm 式（5.51）

3.14?160则按粗牙螺纹标准GB578286选用螺纹公称直径为5mm，其小径也远大于2.2mm。所以M5的螺栓是完全足够的。但为了能很好的保证力矩的传递将设计的螺栓布局在齿圈内的两个。

5.3.2 齿圈结构尺寸设计

根据以上螺栓要求，大齿圈从齿根到内圈的距离50mm是足够，因为装在上的螺栓较小，则齿轮的内圆直径为：

d1=2329-50×2=2229mm 式（5.52）

取螺栓1布置中心离内径l间1为30mm，那么布置螺栓的直径1为：

d2=d1+l间1=2229+30=2259mm 式（5.53）

取螺栓2布置中心离内径螺栓1中心l间2为40mm，那么布置螺栓的直径2为：

d3=d2+l间2=2259+40=2299mm 式（5.54）

则齿圈结构图如图5.8：

29

兰州工业高等专科学校毕业论文

齿厚30

图5.8 齿圈结构尺寸图

小齿轮的结构按相关设计，其轴径为28mm，键槽根据减速器配合尺寸进行设计。

5.4转盘支架设计

转盘支架是用来安装大齿圈的，下部用来连接滚轮，起到传递力矩的作用。支架是由六个L形架组成，上部用螺栓连接齿轮，下部和滚轮的转轴连接在一起，六个L形支架分布在圆形轨道的两边（一边三个），它们和滚轮以及齿圈一起组成一个转盘。

转盘支架的L形的两边，一边是为连接滚轮的转轴的短边扁钢，一边是为连接大齿圈的长边扁钢。两根扁钢是用焊接方式将两部分连接成直角形式。

L形支架长边的长度：

L1=R-d内2-L+b垫=1800-2229-30+5=660mm 式（5.55） 2 式中：R为转门内半径，d内为齿轮的内圆直径，b垫为滚轮与支架连接垫片厚度。 由于L形长边长与齿轮连接螺栓M5要配合，那么可以取其螺栓孔直径为6mm。则L形架长边选用扁钢的宽度为b=14mm,厚度选8mm。（此标准为文献热扎扁钢GB704-1988）。

L形短边尺寸设计,如短边尺寸过大，易产生较大的力矩，不利于滚轮在门体上的稳定性。则可取孔轴线离长边距离稍大于滚轮的外圈半径即可。那么长度可按下式计算：

[2]

L2=D/2+b垫=30.73/2+5=20.365 式（5.56）

可取20mm。

齿宽根据安装滚轮螺栓的直径决定，滚轮的旋转轴直径为 d=9.525mm，所以要在扁钢上钻10mm的孔径。那么扁钢的宽度值不宜取得过小。根据热扁钢（GB/T704-1988）标准系列可取扁钢标准宽度为b=20mm,厚度选8mm。

L形长边孔1中心面长度：

L4=

孔2离孔1的中心线长为：

30

l间130??15mm 式（5.57） 22兰州工业高等专科学校毕业论文

L5=

L形短边长度：

l间40??20mm 式（5.58） 22L3=L2+d/2+b垫=20+10/2+5=30mm 式（5.59）

则转盘L形支架结构尺寸如图5.9：

图5.9 支架结构尺寸图

5.5门体吊架设计

门体吊架是连旋转接门体和滚轮的连接物，由6个L形架组成，每三个连接转门的一

边连接圆弧门型钢，每个吊架一边连接滚轮的转轴，一边连接门体框架型钢。吊架是悬挂整个门体，使门体与滚轮一起悬挂在轨道上，并一起转动。

5.5.1 吊架处连接螺栓的直径设计

门体由六根吊架来承受其重量，那么此处的螺栓受到的拉伸应力，如图4.9。

吊架扁钢

图5.10 螺栓连接图

则螺栓受的轴向载荷为：

F=G/6=3510/6=585N 式（5.60）

根据轴向载荷的螺栓设计公式：

d?4F0 ?[?]式中：F为工作拉力，d1为螺栓直径，[?]为材料许用应力。

选择螺栓的材料为Q235性能等级为46的螺栓，可查得材料的屈服极限为240MPa，

31

兰州工业高等专科学校毕业论文

取安全系数为S=1.5。则螺栓材料的许用应力为材料的屈服极限除以安全系数，

[?]=240/1.5=160MPa。

那么有：

d?4?585?2.2mm 式（5.61）

3.14?160由于计算出的螺栓需要直径较小，可能无法满足其它要求，则应将其值适当放大，以保证可靠性和安全稳定性。按照粗牙普通标准（GB-5782-86）可选择直径为8mm的螺栓来连接，既保证连接的可靠性又能保证门体较好的安装功能。

5.5.2 吊架的尺寸设计

L形钢材尺寸，此尺寸一部分与滚轮轴连接，其孔径是10mm。长边的长度可合理设计为130mm，短边尺寸可设计为30-50mm，根据此尺寸可选择文献热扎不等边角钢作为材

[2]

`

料（GB/T9788-1988）。可选择不等边角钢为B=140mm，b=90mm 做为制作吊架的材料。

吊架螺栓尺寸位置设计：

由圆弧门部分要与吊架结合，那么螺栓孔轴线的位置为： 据分析，有如下等式

R平?B材2?R内?b轨?b吊?b垫?L 式（5.62）

式中：b轨为轨道的宽度，b吊为吊架连接的厚度；

则有：

1750?14?1800?42?7?5?L

那么可以求得：L=18mm。

吊架连接滚轮的轴孔直径取10mm，，孔轴线离端面距离取小于滚轮的半径，可取12mm。连接门体的螺栓孔径取9mm，则每个吊架的结构尺寸如图5.11。

图5.11 吊架结构尺寸图

32

兰州工业高等专科学校毕业论文

6 控制系统设计

6.1控制系统的控制过程及其控制功能

6.1.1 控制系统的控制过程分析

控制系统主要是接受来自检测安全系统传感器的相关信号和门体的相关按钮信号，然后对这些信号进行处理后对门体的运转进行控制。门体的控制主要是门体转动的启停状态控制，旋转的转速状态控制，制动状态控制，锁门状态控制以及故障自动报警控制等。由于两翼自动旋转门要实现多种转速的变化，则要实现电机转速的控制，电机转速的控制可采用变频器来实现。控制器的控制信号通过变频器来控制电机的启停和转速变化。两翼自动旋转门的控制系统必须要求有高的可靠性，控制性能高，能适应较为多变的控制要求，控制器价格不能太高。

6.1.2 控制系统的控制功能分析

①自动启停功能:由红外传感器通知控制系统是否有移动物体接近或进入，以启动旋转门以常速 （4r／min）自动旋转，或停止旋转门运行。

②自动定位停功能:自动停止在锁门位置和密封位置停止。

③防夹功能:在防夹区域内安装有接近开关和防夹传感器,当两个信号同时输入时就要让控制系统输出对应信号使门体停止旋转,防止夹伤行人.

④防碰功能:当人的步伐和门体的旋转速度不一致时,人就会碰撞到对应的传感器,那么控制系统就应该输出对应信号使的门体停止旋转,以免门扇打到行人或是碰伤行人。 ⑤残疾人调速功能:自动转门设置有残疾人按钮，当残疾人通过时，按下该按钮，转门可以低速(2r／min)转动，待残疾人顺利通过后，转门自动恢复常速。

⑥紧急按钮:自动转门设有紧急停止按钮，遇有特殊情况发生，需要转门停止旋转时，可按下此按钮。

⑦调速功能：常速为4r／min；慢速为2r／min；快速为6r／min。

⑧夜间闭锁功能:夜间我门只要插入钥匙就能使控制系统开启电子锁锁定转门，具有保安作用。

6.2控制系统的选择

如果我们采用早期的将接触器、各种继电器、定时器、其它电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统。虽然它机构简单、价格便宜、便于掌握，在一定范围内能满足控制要求。但也存在着设备体积大，动作速度慢，功能少而固定，可靠性差，难于实现较复杂的控制的特点。特别是由于它是靠硬件连线构成的系统，接线复杂，当控制要求有改变时，缺乏通用性和灵活性。

再者如果我们采用小型计算机来实现，虽说通用性和灵活性较前者有很大提高，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，也不适合在本设计中使用。也可考虑现在广泛应用于工业控制系统的可编程控制器（PLC）。PLC是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性、丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学、安装简单、维修方便等特点。

综合各种控制系统的特点，PLC是对两翼自动旋转门控制系统实现的最佳选择。

33

兰州工业高等专科学校毕业论文

6.3变频器的选择

变频器的选择主要涉及变频器容量的选择，而变频器的容量又由很多因素决定，如电动机容量、电动机减速时间等，其中，最主要的是电动机的额定电流。 6.3.1 变频器的容量计算

由于变频器只驱动一台电机，而对于连续运转的变频器必须满足下列3项计算公式： 满足负载要求输出：

PCM?KPM

?cos?1.05?0.55?1.1KVA 式（6.1）

0.705?0.76 ?满足电动机容量：

?3P?103KUEIE CM?10?33?1.05?380?1.6?1.105KVA 式（6.2）

满足电动机电流：

ICM?KIE

?1.05?1.6?1.68A 式（6.3） 式中：PCM是变频器的容量、PM负载要求的电动机轴输出功率、UE是电动机的额定电压、IE电动机的额定电流、h是电动机的效率、cos?电动机功率因素、K电流波形补偿系。K是电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形不是完全的正弦，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。对于PWM控制方式的变频器，K的取值为1.05—1.1。 6.3.2 指定变频器减速时间

降低变频器的输出功率，就可以实现电动机减速。加快变频器输出频率的降低速率，可使电动机更快地减速。当变频器对应的速度低于电动机实际转速时，电动机就进行再生制动。在这种情况下，异步电机将变成异步发电机，而负载的机械能将被转换成电能并反馈给变频器。当反馈能量过大时，变频器本身的过电保护电路将会动作并切断变频器输出，使电动机处于自由减速状态，反而无法达到快速减速的目的。

为避免出现上述现象，使上述能量在直流中间回路的其他部分消耗，而不造成电压升高。在电压变频器中，一般都在直流中间回路的电容器两端并联上制动三极管和制动电阻。当直流中间回路的电压上升到一定的电压值时，制动三极管就会导通，使直流电压通过制动电阻放电，即将电动机回馈给变频器的直流中间回路的能量，以热的形式在制动电阻消耗掉。

制动电阻的选择方法：

①计算制动力矩TB TB=

(JM+JL)(n1-n2)-TL 式（6.4）

955ts34

兰州工业高等专科学校毕业论文

式中：TB为动力矩、 JM为电动机的转动惯量、 JL折算至电动机轴的负载转动惯量 ，

n1减速开始速度、 n2减速完了的速度、ts减速时间、 TL负载转矩。 由于整个门体转动惯量为311kg.m2，总共的传动比为1440/6=240，那么可以估算出折算到电机轴上惯量为311?(12)?0.0054kg.m2，由于中间齿轮和减速器的转动惯量没240有折算到电机轴上，可将上值取为0.01kg.m2，减速时间为0.5s。设折算到电机轴上的阻 力矩为0.5N.m。

(0.00+180.?01)(14400)-0.5那么有： 式（6.5） 9.5′50.5=3.0N5m.TB=②计算制动电阻的阻值

在进行再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也将有20%的铜损转换为制动转矩。考虑到这个因素，可以先按下式初步计算制动电阻的预选值。

UC2ROB?(TB?0.2TM)n10.10473802 式（6.6） ?0.1047?(3.05?0.2?2.2)?1440?367? 式中：ROB为制动电阻、UC为直流电路电压、TB为制动转矩、TM电动机额定转矩、

n1为减速开始速度，n2为减速完了的速度，ts为减速时间，TL为负载转矩。

③计算制动电阻的平均消耗功率

如前所述，电动机额定转矩的20%制动转矩由电动机内部损失产生，所以可按下式求得电动机制动时，制动电阻上消耗的平均功率：

pRO?0.1047?10?3(TB?0.2TM)(n1)n2?0.1047?10?3(3.05?0.2?2.2)?1440 式（6.7） ?0.4KW根据以上条件可选择文献浙江盛华公司TE280系列变频器型号为TE280-2007，

[6]

其相关参数如表6.1： 表6.1 变频器参数 型号 变频器输出 最大适用电机功率／KW 额定容量／KA 额定电流／A 输入信号 输出信号

TE280-2007 0.75 1.6 2.5 4-20mA DC28V 0.3A 模拟设定 报警输出 35

兰州工业高等专科学校毕业论文

6.3.3 变频器的频率设定

根据前面控制功能分析可知变频器要实现三种电机速度，由于快速时为6r/min，而在门的传动系统设计时就以最高速设计的。那么转最高速时电机接受正常的供电频率为50Hz；转中速时为4r/min，那么变频器输出频率就为33.3Hz；转残疾低速时为16.7r/min，那么变频器输出频率就为16.7Hz。由于考虑到制动的原因，制动前应把速度减到较低的速度，可设置这个频率为10Hz。

变频器通过外部给定方式，由外部数字量给定，外部端子输入，那么电机转速可通过TE280-3007变频器的智能端子M11、M22电平高低组成的速度控制字进行设定。速度设定单元为变频器的A11、A12、A13、A14四个单元，其设定值 （频率）见表6.2，其中A14为直流制动前的频率

表6.2 频率设定 速度控制字 智能端子电平高低 端子M11 00 01 10 11 0 0 1 1 端子M12 0 1 0 1 速度设定单元 A11 A12 A13 A14 速度设定值／Hz 50 33.3 16.7 10 高速 中速 低速 制动前速度 说明

6.4控制系统硬件设计

6.4.1 PLC的机型选择

两翼旋转控制是开关量控制的应用系统，而且控制速度不高,在其控制中没有模拟量输入，也没有比较环节等，因此不需要A/D转换功能、PID调节功能、闭环控制功能、通信联网等功能。两翼旋转门控制对PLC的处理速度要求不高，允许执行一条基本指令的时间不超过0.5us；不需要采用高速响应模块。同时，旋转门的动作过程比较固定，环境条件较好，控制过程不复杂，因此可选用西门子公司的SIMATIC S7-200系列PLC机型，它是一种叠装式结构的小型PLC。它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好 、结构紧凑、便于扩展、性价比高,可以尽乎完美的满足小规模控制的要求。 ①分析控制系统的I/O接点数

输入点有：急停开关、残疾按钮、STOP暂停按钮、Middle中速按钮、High高速按钮、锁钥、直流制动接近开关、防夹接近开关1、红外线传感器1、防撞传感器1、防碰传感器1、防夹传感器1、变频过载报警输入、锁门接近开关、防夹接近开关2、红外线传感器2、红外线传感器3、红外线传感器4、防撞传感器2、防碰传感器2、防夹传感器2。

通过对两翼旋转门控制点数的分析可知输入点数有：传感器输入14个，按钮开关4个，转换开关输入有2个，热继电器输入1个，变频器过载输入1个。所以，一共有22个输入点。

36

兰州工业高等专科学校毕业论文

输出点有：上电及报警指示灯信号、电磁锁控制继电器、速度控制（变频器职能端子M11）、速度控制（变频器职能端子M12）、直流制动（变频智能端子REV）、变频器复位（变频智能端子RST）。

根据分析可知控制需要输出点数有：报警输出1个，启停控制1个，速度设定2个，直流制动输出1个，变频器复位输出1个，电磁锁控制继电器输出1个。综上所述总共有7个输出点。

因此，PLC控制输入信号共有22个，输出信号共有7个。则PLC所需要的I/O端口必须大于22／7，一般来说应预留30%的点数来方便以后的改进，但如果因为预留需选择更高级的PLC时，这样做时不值得的，何况这个系统控制功能较为稳定。 6.4.2 PLC外接电气元件的选择 ①开关的选择

本控制系统为PLC控制，各种开关的容量要求不高，普通的开关足已，主要考虑输入参数要求。对高速（High）按钮开关，中速（Middle）按钮开关、残疾按钮开关，根据文献193页可选择普通按钮开关LA系列，选择为LAY8（绿色），选择Stop停止按钮开关

[7]

为LAY8（红色）,其额定电压位24V，额定电流为1.1A。急停开关可选用LW22系万能转换开关，其额定电压为24V,额定电流为1.4A。 ②热继电器的选择

根据电动机的额定电流来确定其型号和规格。由于电机的额定电流为1.6A，那么热继电器的热元件额定电流应接近或略大于电动机的额定电流。因此可以根据资料[7]选择JR16B-20／3热继电器，其热元件额定电流位1.6A。 ③熔断器的选择

为了保护电路（短路保护）需要有熔断器FU,选择的依据是熔体的额定电流IR，大于电机的工作电流（I=1.6A），小于电机的堵转电流I（I=6.5A），所以根据资料[7]可选择RL1-15，熔体额定电流等级为6。 ④电磁锁的选择

可选择欧姆龙D4JL电磁锁安全门开关。其锁定强度为3000N，两个安全接点加两个监视用接点，可以有多种监视功能，钥匙插入型，保护结构IP67。其工作电压为24V。 ⑤报警灯的选择

由系统要求在电机过热和变频器过载时要报警。因此可选择声光报警灯XD8(红色)，直流24V。 ⑥输入模块的确定

PLC自带的输入口电源一般为直流24V输入口每一点的电流定额一般为4mA，这个电流是输入口短接时产生的最大电流(端口本身纯存在阻抗)。当输入口上接有一定阻抗的负载时，其流过的电流就要减少，PLC输入口信号传递所需的最小电流一般为3mA左右,这样就规定了输入口接人的最大阻抗。为了保障最小有效电流，输入口所接器件的总阻抗

37

兰州工业高等专科学校毕业论文

要小于2000欧。从另一方面说，输入口机内电源功率一般只有几瓦，当输入口所接的传感器所需功耗较大时，需另配专用电源供电。

PLC输入模块工作电压可采用直流电压24V，因为输入信号与 PLC输入模块距离较近，不超过六米。 ⑦输出模块的确定

输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号，转换为外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向晶闸管输出、晶体管输出。这几种输出形式均有各自的特点，用户可根据系统的要求加以确定。继电器输出价格便宜，使用电压范围广。通过电压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有舢点；寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动感性负载时，最大操作频率不得超过IHz。双向晶闸管输出（交流）和达林顿晶体管输出（直流）都属干无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。

由于PLC的输出主要是控制变频器，而变频器的控制模块是直流负载，其控制较为频繁，同时又由于晶体管输出适合直流负载，那么PLC的输出接口就可以选择晶体管输出。 ⑧电气元件列表如表6.3

表6.3 控制系统电气元件表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 符号 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SA1 SA2 FR1 FU 名称 Stop停止按钮开关 Stop停止按钮开关 High按钮开关 High按钮开关 Middle按钮开关 Middle按钮开关 残疾按钮开关 残疾按钮开关 急停开关 电磁锁 热继电器 报警指示灯 PLC输入回路熔断器 型号 LAY8 LAY8 LAY8 LAY8 LAY8 LAY8 LAY8 LAY8 LW22 D4JL JR16B-20／3 规格 红色，DC24V 红色，DC24V 绿色，DC24V 绿色，DC24V 绿色，DC24V 绿色，DC24V 绿色，DC24V 绿色，DC24V DC24V DC24V 1.6A DC24V 6级 XD8 RL1-15 6.4.3 输入输出口的保护及分配 ①输入输出口及端口的保护

38

兰州工业高等专科学校毕业论文

当传感器的输入漏电流过大时有可能引起错误的输入信号而导致PLC的误动作，那么就需要多输入口采取保护措施

当传感器的输入漏电流过大时有可能引起错误的输入信号而导致PLC的误动作，那么就需要多输入口采取保护措施。

由于红外传感器的电源电压需要24V，PLC的开通阀值电压为14V，关断值电压为5V，输入开通电流为3mA左右，接点处的等效电阻可约为0.5欧，为了防止误动作应该并联电阻。

PLC的输入电阻为：Ri?24/3?6K? 式（6.8） 接点关断时通过电流为：I=24/(0.5+6)=3.7mA 式（6.9） 等效电阻的压降为：V=0.5?3.7=1.8V。分到控制器接口的电压达到22V，则会产生误动作，应该并联电阻使等效电阻上分到的电压大于5V，就能确保不至于导致误动作。

并联R后电阻为：R0?RRiV，流过等效电阻上的电流为I0?,要求I0r?5V为R?Rir?R0好，那么有

R?624,那么并联电阻值应该小于?0.5?5，则有R0?1.9K?,则有1.9?R?60.5?R03千欧。各接近开关按上述算法可以得出其串联电阻也为小于3千欧。

输出口为晶体管输出时，其输出为阻断状态时也有漏电流产生，为了防止这个电流对负载产生影响，需要采取一定的保护措施。连接报警指示灯和变频器的输去口采用并联RC电路的措施，其接点电流1A对应电容1～0.5uF,接点电压1V对应0.5～1?，连接电子锁继电器的输出口采用并联二极管的方式消除，二级管的选择按其反向电压大于电源电压，额定电流大于负载电流的原则。 ②PLC的I/O地址的分配

输入输出地址分配如表6.4。

6.5控制系统的软件设计

6.5.1 控制系统软件设计的要求分析

控制系统的软件部分主要要实现以下要求： ①变速功能

旋转门设有低速、中速和高速3种旋转速度，分别对应残疾、中速（Middle）和高速（High）三个按钮进行切换，以适应残疾人通过、正常运转和紧急疏散对转速的不同要求。当按下残疾按钮后，30s内门始终以2r／min的速度低速运转，此时按中速（Middle）和高速（High）无效，以确保残疾人安全通过。30s后来人，

门自动以正常速度运转。 ②自动转停功能

来人时自动启动，并以正常转速运转，15ｓ无人进出，则自动停转并封门。

39

兰州工业高等专科学校毕业论文

表6.4 地址分配表

输入地址 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0100 0101 0102 0103 0104 0105 0106 0107 0108 0109 0110 0111 0112 输出地址 0500 0501 0502 0503 0504 0505 0506 急停开关 残疾按钮 STOP暂停按钮 Middle中速按钮 High高速按钮 锁钥 直流制动接近开关 防夹接近开关1 红外线传感器1 防撞传感器1 防碰传感器1 防夹传感器1 变频过载报警输入 锁门接近开关 防夹接近开关2 红外线传感器2 红外线传感器3 红外线传感器4 防撞传感器2 防碰传感器2 防夹传感器2 信号内容 上电及报警指示灯信号 电磁锁控制继电器 电动机启停（变频器智能端子RUN） 速度控制（变频器职能端子M11） 速度控制（变频器职能端子M12） 直流制动（变频智能端子REV） 变频器复位（变频智能端子RST） 对应的外部设配 40

兰州工业高等专科学校毕业论文

③防夹功能

当门扇运转靠近曲壁立柱时，如果行人试图从两者之间（防夹区）进入旋转门，则门立即自动停转以防夹伤行人。行人离开防夹区，门自动恢复运转。 ④防撞功能

当行人紧靠右侧立柱或遇物体碰撞右侧立柱时，则旋转门马上停转，以防止撞伤行人或撞坏物体。行人或物体离开右侧立柱，门自动恢复运转。 ⑤防碰功能

行人在旋转门内通行过程中，如遇门扇碰行人脚后跟，则门立即自动停转，以防止碰伤行人。行人离开门扇，门自动恢复运转。 ⑥锁门功能

采用电磁锁方式锁门，只要转动锁匙即可完成自动锁门工作，快捷方便。 ⑦急停功能

当出现紧急意外事故时，按下急停按钮，门立即停转，解除急停信号，门又自动恢复运转

⑧暂停功能 （STOP按钮）

与急停功能相当，不同的是按暂停（STOP）钮后，必须用残疾、中速（Middle）和高速（High）三个按钮中的一个进行恢复。

⑨电动机过载保护功能

当电动机过载时，门停转并且指示灯闪烁报警。过载消除后门自动恢复运转 ⑩变频器报警输出和延时自动复位功能

当变频器过压或过流时，关闭输出，门停转并报警 （指示灯闪烁），延时3s自动复位。

6.5.2 PLC程序设计

LD 1815

OUT 1800 LD 0000 OUT 1801 LD 0104 OUT 1802 LD 0106 OUT 1803 LD NOT TIM01 OUT TIM00 LD 1801 OR 1802 OR 1803 AND TIM00 OUT TIM01

41

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qaha.html