本科畢業(yè)設計(論文) 基于plc的自動旋轉門設計

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1、攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 1 緒論 1 緒論 1.1旋轉門的課題背景 自動旋轉門是樓宇設備中的光機電一體化技術產(chǎn)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。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，而旋轉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

2、音，從而改善了大廈入口附近的環(huán)境。旋轉門的最大優(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。因此，自動旋轉門在功能方面具有獨特的發(fā)展。 自動旋轉門的最大優(yōu)點在于它“永遠開門，又永遠關門”，即對于人員來說，門總可以打開，可對于建筑物來說門又總是關著。因此，自動旋轉門在保安功能方面具有獨到的發(fā)展，但在人員流量方面自動旋轉門卻沒有優(yōu)勢，因為門的轉速是固定的，每個門翼之間可容納的人員也是有限的。每種自動旋轉門都有標定的人員流量數(shù)值。自動旋轉門由于其永遠開啟的同時又永遠關閉的特

3、點，使其動態(tài)密封效果在經(jīng)常使用的條件下相對于其他自動門要好。由于自動旋轉門的人流量有限，通常在自動旋轉門兩側另設自動或手動平開門，一方面增加通行能力，另一方面當自動旋轉門出現(xiàn)故障時，不影響人的通過。但在靜態(tài)密封效果方面，自動旋轉門遠不如其他自動門，因為其門體運動方式?jīng)Q定著只能使用毛條密封。 1.2國內外旋轉門發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1國外旋轉門發(fā)展現(xiàn)狀 自1903年寶盾公司在荷蘭生產(chǎn)出第一座旋轉門，旋轉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)代化樓宇建筑的確入口提供了完美的選擇。國外著名廠家有：荷蘭的B00N EDAM 瑞典的

4、BESAM 德國的多瑪、蓋澤 日本的納博克、寺岡等。 由于國外自動旋轉門發(fā)展較早，其技術也較為成熟。自動旋轉門的傳動系統(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(chǎn)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，使自動門的維護不再受時間、地域和專業(yè)維護技術的限制，制造商可通過 internet 與設備進行實時交流，校正偏差，讓自動門達到最佳運

5、行狀態(tài)。當出現(xiàn)異常時，可準確傳回故障信息，實現(xiàn)遠程維護，縮短維護、保養(yǎng)時間；采用液晶顯示屏，進行可視化設計，全面顯示門體轉速、狀態(tài)和故障等信息。 1.2.2國內旋轉門發(fā)展現(xiàn)狀 ①我國旋轉門技術的發(fā)展：我國的全自動旋轉門技術來源于荷蘭、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。旋轉門的廠家：國內專業(yè)廠家：北京有凱必盛、寶盾、青木、智輝、巨方圓、信步等。外省市有上?？涤?、廣州盛維、沈陽金海、青島帝盟等。 ②旋轉門在我國的市場前景：隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，2008年北京申奧成功和WTO的加入。從本世紀開始，我國進入了全面建設小康社會的新階段，創(chuàng)造美

6、好生活環(huán)境是裝飾業(yè)發(fā)展的巨大推動力?，F(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?？胺Q建筑物的點睛之筆。但是國家對自動門產(chǎn)品質量、安全性、節(jié)能性、噪音、施工質量、售后服務還沒有統(tǒng)一的標準，所有國內建筑業(yè)院校都沒有相關的專業(yè)或課程，也沒有權威的咨詢機構，自動門市場的管理尚處于無序狀態(tài)。隨著國內建筑業(yè)的發(fā)展，這一狀況一定會有所改變。 55 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論

7、文) 2 方案確定 2 方案的確定 旋轉門主要設計是從門體,傳動系統(tǒng),控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng),安全系統(tǒng)等幾個方面進行考慮。從上面幾個方面具體分析可以設計兩種方案。 2.1方案一的設計 ①框架總成： 分為固定部分和旋轉部分，均由鋁型材框架和玻璃等組成。立柱、曲壁、門扉一般采用高強度鋁合金型材，結構簡潔，精密牢固。圓周導軌懸掛整個旋轉門體及其驅動設計，每扉門三面安裝密封毛條與地面天花及曲壁緊密接觸，使門扉在任何位置均處于密閉狀態(tài);門扉玻璃采用（3+3）夾膠玻璃或6mm厚鋼化

8、玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夾膠玻璃，安全可靠。 ②傳動系統(tǒng)：由二個三相交流電機提供動力，用減速器帶動旋轉轉盤驅動。 ③控制系統(tǒng)：由單片機、變頻器、功能開關組成。由可編程控制器PLC、變頻器、功能開關組成。 ④檢測系統(tǒng)：由紅外傳感器實現(xiàn)有無人自動檢測，自動對電機啟停進行操作。 ⑤安全系統(tǒng)：主要有接觸和非接觸安全感應器。 旋轉門入口立柱均裝有安全膠條，防止行人夾傷，自動門入口右側立柱膠條內裝有內藏式防夾感應器，如受擠壓門扉即馬上停止運轉。膠條恢復正常，門扉則自動轉動;每扇門扉底邊膠條內裝有內藏式防碰感應器，碰到物體或行人門扉立即停止運轉。膠條恢復正常，門扉則自動轉動。 2.2

9、方案二的設計 ①框架總成：分為固定部分和旋轉部分，均由鋁型材框架和玻璃等組成。立柱、曲壁、門扉一般采用高強度鋁合金型材，結構簡潔，精密牢固。采用中心門軸結構安裝和驅動旋轉門體設計，每扉門三面安裝密封毛條與地面天花及曲壁緊密接觸，使門扉在任何位置均處于密閉狀態(tài);門扉玻璃采用（3+3）夾膠玻璃或6MM厚鋼化玻璃，曲壁玻璃一般采用（4+4）夾膠玻璃，安全可靠。 ②驅動系統(tǒng)：由一個三相交流電機提供動力，用減速器帶動中心門軸驅動。 ③控制系統(tǒng)：由可編程控制器PLC、變頻器、功能開關組成。 ④檢測系統(tǒng)：由紅外傳感器實現(xiàn)有無人自動檢測，自動對電機啟停進行操作。 ⑤安全系統(tǒng)：主要有接觸和非接觸安全

10、感應器。 旋轉門入口立柱均裝有安全膠條，防止行人夾傷，自動門入口右側立柱膠條內裝有內藏式防夾感應器，如受擠壓門扉即馬上停止運轉。膠條恢復正常，門扉則自動轉動;每扇門扉底邊膠條內裝有內藏式防碰感應器，碰到物體或行人門扉立即停止運轉。膠條恢復正常，門扉則自動轉動。 2.3方案選擇 三翼旋轉門采用方案二這種結構，即中心門軸通過軸承機構垂直安裝于地面，三個呈發(fā)散式固定在中心門軸上，各門扇之間的角度相等。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，就成為一個完整的自動旋轉門。但是，這種旋轉門門翼與中心軸的固定方式?jīng)Q定了門扇寬度不能太大，所以這種旋轉門的直徑最大只有約4

11、m。為了解決這一問題，工程師們將中心門軸設計成了門扇固定在大鋼管上面，相對減小了門扇寬度，增加了電機對門中心的旋轉作用力矩，使這種旋轉門的最大直徑擴大到6m。這種結構是穩(wěn)定性，使用的可靠性很高，使用壽命長?？紤]到旋轉門在停止時一定耍密封，所以三翼旋轉門的每個分隔可以容納更多的人，可是門的凈開口寬度較小。而方案一由于采用兩個電機驅動也給驅動系統(tǒng)帶來了許多麻煩，同時也不利于節(jié)能。在控制系統(tǒng)上，由于單片機的程序設計和接口設計較為繁雜，只利于大批量生產(chǎn)，不適于單件設計。綜合兩種方案進行比較，可以看出第二種方案在具體設計中更具有實用性，完善性。故選擇第二種方案。

12、 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 3 門體結構設計 3 門結構的設計 三翼自動旋轉門的尺寸可以根據(jù)可以確定其尺寸，其具體尺寸如下所示； 表3.1 門體尺寸 門旋轉直徑 3200mm 門凈高 A 2400mm 門總高 B 2710mm 門出入口尺寸 C 1430mm 門外徑D 3360mm 單扇門半徑DW 1315mm 圖3.1 門體結構簡圖 3.1門結構材料的選用

13、 門體主要包括門體骨架的材料和門體玻璃。 ①根據(jù)相關門體標準,可按90系列的推門進行設計。門體骨架采用90系列推拉門專用鋁型材，根據(jù)中可以確定門體骨架鋁型材； 三翼旋轉門門扇 左邊框 選代號 L090704 右邊框 選代號 L090704 上橫 選代號 L090706 下橫 選代號 L090707 圖3.2 L090706型鋁型材

14、 圖3.3 L090707型鋁型材 圖3.4 L090704型鋁型材 ②門體玻璃的選用 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。由于自動旋轉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。根據(jù)參考其他相關產(chǎn)品的選擇情況，可以選6mm的鋼化透明玻璃。 3.2門結構尺寸的確定 根據(jù)前面的總體設計可知，三翼旋轉門的結構尺寸可參照中90系列（尺寸高度為2400mm,一扇門寬度為1315mm）進行設計。 根據(jù)以上節(jié)點,可以計算

15、單扇門的相關尺寸為： 左邊框和右邊框的高度為： 式(3.1) =2400-225 =2350mm 式中：為門扇邊框高度尺寸，為門凈高度。 上橫和下橫的寬度為： 式(3.2) =1315mm 式中：為門扇寬度。 玻璃的實際高度為： 式(3.3) 式中： 為玻璃外顯示尺寸，，玻璃上下門邊尺寸。 實

16、際寬度為： 式(3.4) =1315-264212 =1211mm 式中：門扇上邊框安裝玻璃的寬度，玻璃邊框實際尺寸。 3.3中間軸的設計與軸承的選用 ①中間軸的設計 軸的直徑為：= 式(3.5) =3200-21315-23-216 =532mm 式中：為門體旋轉直徑，為門扇邊框安裝膠條與曲壁之間的間隙，為 扇門邊框安裝膠條的寬度。 由于軸是用來安裝軸承

17、、齒輪、門扇的，并且在軸向受到力不大。所以選用結構用不銹鋼焊接鋼管。用牌號0Cr18Ni9制造，以熱處理狀態(tài)交貨的半徑為532mm,壁厚為8mm,定尺長度為3000mm,中間軸在安裝軸承的兩端要車削1mm，并且達到530mm，尺寸精度為普通級。 ②軸承的選用 為了使軸承能很好的固定，必須使用軸承座。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。因為軸所計算的直徑為532mm,兩端車削后直徑為530mm，故選用雙列圓錐滾子軸承，根據(jù)(GB/T-22-1995)選型號為35000型，代號為3519/530。 安裝在軸上的

18、軸承主要受軸向力。并且軸承受到的軸向力比較大，故需在門安裝地面設計一個凹型臺，防止軸的向下滑動和安裝時防止其他雜質進入軸襯內。 圖3.5 下軸承座 3.4曲壁部分設計 曲壁由4根角鋼做為支撐體，每2根構成一邊曲壁體。角鋼豎在水泥板上，進出口各布置2根，然后頂部又用一圓形角鋼將4根角鋼固定在一起。形成曲壁的整體框架，然后安裝鋁合金玻璃壁。曲壁由2塊相同的圓弧玻璃組成。 ①材料的選用 曲壁上圓弧梁選用6063專用弧形材。頂部用的角鋼彎曲成一個圓弧，由四段構成，便于加工。玻璃的選用8mm彎鋼化玻璃。 ②材料尺寸的

19、確定 由于圓的內圓半徑為1600mm,門口對應的圓角為 則兩邊曲壁各對應的圓心角應： 式(3.6) 所以兩邊曲壁對應的弧長： 式(3.7) 玻璃尺寸的確定 玻璃的弧長： 式(3.8) 玻璃的高度： 式(3.9) 曲壁立柱（）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100mm。則角鋼的高度可估算為：

20、 式(3.10) 頂部圓周鋼材尺寸的確定： 頂部周鋼材的內直徑為3200mm,分為兩半圓角鋼用螺栓固定在立柱角鋼上,則圓周角鋼內圓弧長為： 式(3.11) 式中：d為旋轉門的旋轉直徑。 則每段內圓弧長： 式(3.12) 3.5華蓋的設計 華蓋部分是用來安裝驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的部分，其主要由和型材框架和薄金屬版構成一個圓柱形體。其主要安裝軸承，電機，控制裝置等。 由于華蓋要用來安裝電機，電機的有一定重量。為了保證電機在

21、工作時不發(fā)生振動現(xiàn)象，故選擇的鋼架結構要求其剛度比較高。故選擇熱扎鋼板。其厚度為2毫米，直徑為3360mm的圓形，上下各一張。 ①華蓋底部設計 旋轉門的外徑為3360mm，由于底部要安裝軸承，必須在鋼板中間打孔。與此同時角鋼也要穿過鋼板，也必須在鋼板上加工槽。 圖3.6下華蓋尺寸圖 ②上華蓋的設計 旋轉門的外徑為3360mm，由于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來支撐電機的重量，則必須在鋼板上打鋼架。鋼架與鋼板焊接在一起。由于電機的重量不大，故用一般方鋼。其具體尺寸如下圖所示：

22、 圖3.7 上華蓋尺寸圖 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 4 驅動系統(tǒng)設計 4 驅動系統(tǒng)設計 4.1軸和軸承設計計算 4.1.1軸的尺寸設計 由于軸承還沒有缺定出來，但是軸的直徑已知。并且旋轉軸在徑向受力不大主要受到徑向力的作用，故可以選擇圓錐滾子軸承。根據(jù)文獻[5]中預選雙列圓錐滾子軸承，型號為3519。其寬度為190 mm。又由于齒輪與軸承必須留出一定的距離，一般選擇為40mm。其具體尺寸如下圖所示： 圖4.1 軸的結構圖

23、 軸的質量計算：由公式W=0.02491(D-S)S 其中W為鋼管的線密度（kg/m）,D為鋼管的外徑（mm），S為鋼管的壁厚（mm）。 M=WL (L為鋼管的長度) = 式(4.1) =152.73kg 4.1.2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= ==850.6N 軸向力的確定：Fa=Mg = =(152.73+449) 10

24、 式(4.2) =3487.3N 設定工作時間為87600小時(10年365天24小時) 由中間軸兩端按軸承的地方車削后d=530mm，由文獻[5]中表6-2-80預選雙列圓錐滾子軸承，型號為3519。其中e=0.41，Y1=1.6，Y2=2.5，Y0=1.6，Cr =2390KN。 當==4.1大于0.41時 當量動載荷 Pr =0.45Fr +YFa =0.45850.6+2.53487.3 式(4.3) =9101.02N 查文獻[3]中表10-5得Y=Y2=

25、2.5 查文獻[5]中表6-2-8﹀6-2-11得fh=2.0,fn=1.435,fd=1.1,fT=0.9,fm=1 根據(jù)式C= (fh fd fT) Pe =(21.10.9) 9101.2 式(4.4) =12557.8N 軸承Cr=2390000N>12557.8N，故合適。 4.2軸的校核 在確定軸承的支點位置時，由文獻[5]中查取值。對于雙列圓錐滾子軸承，由文獻[5]中查得。作簡支梁的軸的支承跨距。根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。

26、 圖4.2 中間軸受力圖 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)將計算出軸的受力情況： ①水平面的受力分析 支反力 式(4.5) ②垂直面受力 支反力 式(4.6) ③彎矩的計算 式(4.7) ④扭矩的計算 T=225.4 式(4.8) 按彎扭合成應力校核的軸的強度進行校核時，只需對

27、軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。由文獻[3]中公式15—5及上表中的數(shù)值，并取，軸的計算應力 = 式(4.9) =4.68MPa 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。 前面已選定軸的材料為0Cr18Ni9，調質處理，由文獻[3]中表15—1查得 。因此 ，故安全。 4.3電機的確定 4.3.1確定各扇門的質量 由于轉軸中心兩端是對稱的，以一邊門體計算即可。 鋁型材密度： 代號為L090704的線密度為0.966 代號為L090706的線密度為0.836 代號為L0

28、90707的線密度為1.152 每扇門框的質量： =2.36020.966+1.1350.836+1.1351.152 式(4.10) =8.053kg 式中：，，分別為各鋁型材的密度。 單扇門玻璃的質量： = 式(4.11) 式中：為玻璃的體積，為玻璃的密度。 單扇門的質量： 式(4.12) =40.82+8.053 =49kg 式中：為單扇玻璃的質量，單扇門框的質量。 4.3.2各部分轉動慣量的計算 假設門

29、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 式(4.13) 由平行軸定理知，門扇相對于軸的轉動慣量為： 式(4.14) =56.6 （其中L1為軸的半徑） 4.3.3 慣性力矩的計算 假設門體1s內加速到門體的快速轉速，由于旋轉門體的最大轉速為6r/min，即角速度，由于傳感器一般工作在2m范圍內檢測人是否來臨，當人邁進門邊時，門體要以正常速度轉動，則在

30、這時門體要加速到正常速度。在0.5s內加速到此速度,則角速度，由于電機要帶動門體轉動，有一個加速過程，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。則可能算出旋轉門體的慣性力矩為： 式(4.15) 4.3.4電機的確定 根據(jù)機械設計中電機所需功率按下式計算： 式(4.16) 由電動機至轉動軸的傳動總效率為： 式(4.17) 式中,,分別為滾子軸承，齒輪，聯(lián)軸

31、器的傳動效率。 取，，，則總的傳動效率為： 式(4.18) =0.83 則可以計算出電機的功率 式(4.19) 由于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(chǎn)生的力較小，但由于門體直徑過大，則會產(chǎn)生較大的阻力矩。同時還有一些其他沒有考慮的因素，如齒輪的轉動慣量，因此特將計算出的功率放大一些同時門體的轉動較底，則電機應適應轉速較底的，根據(jù)相關的計算結果 可以選以下兩種電機。

32、 表4.1 電機參數(shù)表 方案 型號 額定功率 (KW) 轉矩 (N.m) 同步 滿載 轉速 轉速 r/min) 總傳 齒輪傳 減速器 動比 動比 1 JCJ71-0.55 0.55 23.5 1500 1440 240 21.8 11 2 JXJ1-35-0.37 0.37 82.0 1500 1440 240 6.9 35 由于電機輸出的轉速較大，一般在1500r/min，通過減速器難以實現(xiàn)門體轉速6r/min，因此在選電機時可以選用帶減速器的電機來實現(xiàn)要求。根據(jù)相關要求，可

33、以選用一個JXJ系列齒輪減速三相異步電機，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系列異步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。 由于計算出所需電機功率為0.26KW,加上一些忽略因素，應該選擇電機功率在0.26KW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JXJ1-35-0.75擺線針輪減速器三相異步電機。 表4.2 電機參數(shù)表 型號 額定功率

34、(KW) 轉矩 (N.m) 同步 滿載轉速 轉速 r/min) 總傳 齒輪傳 減速器 動比 動比 JXJ1-35-0.37 0.37 67.9 1500 1440 240 6.9 35 圖4.3 電機尺寸圖 表4.3 電機尺寸表 P E M n-d D2 D3 D4 D b h B 4 9 129 4-12 290 260 230 45 8 31 576 4.4

35、齒輪的設計計算 4.4.1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。旋轉門為一般傳動，速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。查文獻[3]中小齒輪材料為40Cr（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) =30，大齒輪齒數(shù) ，取=206。 4.4.2按齒面接觸強度設計 由設計公式進行計算，即 式(4.20) ①確定公式內的各計算參數(shù) 試選用載荷系數(shù)=1.25。 計算小齒輪傳遞的轉矩 式(4.2

36、1) 由文獻[3]中表10-7選取齒寬系數(shù)=1。 由文獻[3]中表10-6查得材料的彈性系數(shù)。 由文獻[3]中圖10-21d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) 式(4.22) 式(4.23) 由文獻[3]中圖10-19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 式(4.24) 式(4.25) ②計算

37、 試計算小齒輪的分度圓，代入[]中較小的值 式(4.26) 計算圓周速度v 式(4.27) 計算齒寬 由文獻[3]中表10—7取=0.6 式(4.28) 計算齒寬和齒高之比b/h 模數(shù)： 式(4.29) 齒高： 式(4.30) 式(4.31) 計算載荷系數(shù)

38、根據(jù)v=0.125m/s，7級精度，由文獻[3]中圖10-8查得動載系數(shù)Kv=1.4； 直齒輪，假設。由文獻[3]中圖10—3查得 由文獻[3]中表10-2查得兩段的齒輪的使用系數(shù)， 由文獻[3]中表10-47級精度、小齒輪相對支承懸臂布置時， 式(4.32) 將數(shù)據(jù)代入后得 式(4.33) 由b/h=13.322,=2.79，查文獻[3]中圖10-13得=2.65 故載荷系數(shù) 式(4.34) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得

39、 式(4.35) 計算模數(shù) 式(4.36) 4.4.3按齒根彎曲強度設計 設計計算公式 式(4.37） ①確定計算公式內的各計算參數(shù) 由文獻[3]中圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限； 由文獻[3]中圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，； 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得 式(4.38)

40、 式(4.39) 計算載荷系數(shù)K 式(4.40) 查取齒形系數(shù) 由文獻[3]中表10-5查得，； 查取應力校正系數(shù) 由文獻[3]中表10-5可查得，； 計算大、小齒輪的并加以比較 式(4.41) 式(4.42) 由上式可得大齒輪的數(shù)值較大。 ②設計計算 式(4.43) 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

41、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，可取有彎曲強度算得的模數(shù)2.62并就近圓整為標準值m=3；按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)：，取=33。大齒輪齒數(shù)：取 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。 4.4.4幾何尺寸計算 ①計算分度圓直徑 式(4.44) 式(4.45) ②計算中心距

42、 式(4.46) ③計算齒輪寬度 式(4.47) 取。 ④驗算 式(4.48) ，合適。 式(4.49) 由于軸的尺寸非常大，故將齒輪改為齒圈其設計。其設計與一般齒輪設計時完全一樣的。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計(論文) 5 控制系統(tǒng)部分設計 5 控制系統(tǒng)設計 5.1硬件設計

43、 5.1.1變頻器容量選擇計算 變頻器容量的選用有很多因數(shù)決定，列如電動機的容量，電動機的額定電流，電動機加速時間等，其中最主要的電動機的額定電流。 表5.1 電機參數(shù)表 電動機型號 額定功率（W） 額定電流（A） 額定電壓（V） 效率（%） 功率因素 電機轉動慣量 飛輪的轉動慣量 Y881-4 550 1.51 380 73 0.76 2.2 0.0018 0.6 ①驅動一臺電動機 對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足下列3項計算公式： 滿足負載輸出/kVA：

44、 式(5.1) 滿足電動機容量/kVA： 式(5.2) 滿足電動機電流/A： 式（5.3) 式中： 為變頻器的容量/kVA 負載要求的電動機軸輸出功率/kw 電動機額定電壓/v 電動機額定電流/A 電動機效率 電動機功率

45、因數(shù) 電流波形補償系數(shù) k是電流波形補償系數(shù)，由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加。對PWM控制方式的變頻器，k約為1.05~1.1。 ②指定變頻器的啟動加速時間 變頻器產(chǎn)品型號所列的變頻容量，一般以標準條件為準，在變頻器過載能力以內進行加減速，在進行急劇加速和減速時，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(chǎn)設備對加速時間有特殊要求時，必須事先核實編破器的容量是否能夠滿足所要求的加速時間，如不能滿足,則要選用加大一檔的變頻器容量。 在指定加速時間的情況下，變頻器所必需的容量計算如下：

46、 式(5.4) 式中： 為變頻器的容量/kVA 電流補償系數(shù),對PWM控制方式的變頻器,k約為1.05~1.1 電動機效率 電動機功率因數(shù) 電動機額定轉速/(r/min) 電動機軸上的飛輪力矩/() 電動機加速時間/s 負載轉矩/() ③指定變頻器的減速時間 降低變頻器的輸出頻率，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，可使電動機更快的減速。當變頻器輸出頻率對應的速度低于電動機的實際轉速時，電動機就進行再生制動。在這種運行狀況下，異步電動機將變成

47、異步發(fā)電機，而負載的機械能將被轉換為電能并反饋給變頻器。當反饋能量過大時，變頻器本身的過電壓保護電路將會動作并切斷變頻器的輸出，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。 為了避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，使上述能量能在直流中間回路的其他部分消耗，而不造成電壓升高。在電壓星變頻器中，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升高到一定的電壓值，制動三極管就回導通，使直流電壓通過制動電阻放電，既電動機回饋給變頻器的直流中間回路的能量，以熱能的形式在制動電阻上消耗掉。 制動電阻的選擇方法： 1)計算制動力矩

48、 式(5.5) 式中： 動力矩/ 電動機轉動慣量/ 折算至電動機軸的負載轉動慣量/ 減速開始速度/() 減速完了速度/() 減速時間/s 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%的銅損被轉換為制動力矩。考慮這個因數(shù)，可以按下式初步計算制動電阻的預選值。 式(5.6) 式中： 制動電阻 直流電路電壓/V 對200V級變頻

49、器, =380V 對400V級變頻器, =760V 制動轉矩/() 電動機額定轉矩/() 減速開始速度/() 上式中，如果，則沒必要加制動電阻。 放電電路由制動三極管和制動電阻串聯(lián)而成，因此，制動三極管本身允許通過電流就是放電電路的最大允許值。所以制動電阻的最小值。 由上可見，制動電阻的阻值應由來決定。有的變頻器生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品目錄中。給出制動電阻最小值的參考值，可供用戶在選擇制動電阻時參考。 3)計算制動電阻平均消耗的功率/kW 如前所述，電動機額定轉距的20%制動轉距由電動機內部損失產(chǎn)生，所以可以按下式求得電動機制動時，制動電阻上消耗的平均功率：

50、 式(5.7) =(5.76-0.22.2)1440 =0.802 由于三翼自動旋轉門是恒轉矩負載，故變頻器選用通用型的。又因為三翼旋轉門的轉速不允許超過額定值，電機不會過載。因而可以選用通用的變頻器，只要所選用的變頻器滿足一般環(huán)境下使用即可。根據(jù)以上的計算的數(shù)據(jù)，選用佳靈JP6C-T9-0.75。該變頻器的參數(shù)如下； 表5.2 變頻器參數(shù)表 變頻器型號JP6C

51、-T79 -0.75 適配電動機功率/kW 0.75 額 定 電 流 額定容量/kVA 2.0 電壓/V 3相,380~440 額定頻率/Hz 50/60 額定電流/A 2.5 額定過載 短時間 額定電流的150%1min 電 源 相數(shù),電壓,頻率 3相,380~440,50Hz/60Hz 允許波動 電壓10%~-15%,頻率5%~-5% 瞬間電壓降低范圍 310V以上,繼續(xù)運轉 所需電源容量/kVA 1.2

52、 輸 出 功 率 調整 最高頻率/Hz 50~400可變設定 基本頻率/Hz 50~400可變設定 啟動頻率/Hz 0.5~60可變設定 載波頻率/Hz 2~6可變設定 精度 模擬設定 設定分辨率 模擬設定 控 制 電壓/頻率特性 用基本頻率可變設定320~440V 電矩提升 自動:按照負載轉矩,調整至最佳 手動設定:0.1~20.0編碼設定 啟動轉矩 150%以上(轉矩矢量控制) 制 動 制動轉矩 100%以上 可選使用時 150%以上(用DBR時) 直流制動 可設定制動開關開始頻率,時間等

53、 外殼防護等級 IP40 冷卻方式 自冷 質量/kg 2.4 5.1.2傳感器與安全系統(tǒng)的設計 ①檢測傳感器的選用 檢測系統(tǒng)是由安裝于門口上面的四個傳感器來實現(xiàn)的，其主要功能是感知人的進出從而發(fā)出開門信號。紅外傳感器的選擇主要考慮檢測范圍和輸出形式及其特點。ADS-A型門傳感器是較好的選擇。它的檢測范圍可調，安裝高度在門的設計高度范圍內，其輸出形式為繼電器接點，可以直接和控制器相連。那么此檢測傳感器就可以選擇這個。其性能參數(shù)見文獻[16]。 ②安全系統(tǒng)設計 為防止三翼旋轉門在工作過程中因某些原因而發(fā)生傷人的事故出現(xiàn)，那么就需要配置一定的安全系統(tǒng)。主

54、要采用以下方式。紅外線防夾安全感應器防止門扇與曲壁柱之間夾傷行人，當人在門扇與曲壁立柱安全距離內時，感應器與接近開關信號同時生效,門扇應馬上停止。防撞膠條安裝于入口右側門立柱上，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，防止夾傷行人，膠條內感應器恢復正常后，轉門也隨之恢復正常運轉。每扇門扉底邊裝有全開寬內藏式感應器，如碰到物體或受壓，門扇馬上停止轉動，防止門扇打倒行人，膠條內感應器恢復正常后，轉門也隨之恢復正常運轉。此外，還采用了4只測量范圍為5mm 的電感式接近開關。接近開關用于防夾位置區(qū)域設定、直流制動封門及鎖門定位。 1)防夾接近開關的選用 由于在出入口兩個防夾區(qū)域

55、內要安裝了防夾傳感器。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(jīng)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。則需要一個接近開關來判斷門翼也走到了防夾區(qū)域內。如果在防夾區(qū)域內，則接近感應器發(fā)出信號表示，如果此時有人進入防夾區(qū)則有可能被夾。兩信號同時有效時，則使門停轉制動。由于人的寬度一般在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，接近開關傳感器就可以發(fā)出信號。因此選擇光電式 BR系列接近傳感器,其型號為BPR100-DDT傳感器。其性能參數(shù)見文獻[16]。 2)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)

56、域內用的。應采用紅外線傳感器檢測，其檢測方式是豎直的。因此當人在防夾區(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(jīng)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。因此可以選擇紅外垂直防夾傳感器。紅外線防夾傳感器安裝在門的進出口的兩個防夾區(qū)域內，即進出口的右邊立柱旁的華蓋上，其具體位置根據(jù)調節(jié)而定?；谝陨蠗l件,可以選用型號為BX15M-TFR。其性能參數(shù)見文獻[16]。 3)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，而門停轉時，電機要先

57、停轉而門體有一定慣性而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(chǎn)生信號發(fā)出制動信息，使門體在這個位置。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。根據(jù)相關自動門產(chǎn)品類型，可選用CR系列電容圓柱型接近開關為8mm的型號,PNP輸出。其性能參數(shù)見文獻[16]。 4)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，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都

58、到不了門體的精確停位，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(chǎn)品類推，可選用5mm感應距離高周波振動角柱型接近開關?？蛇x擇型號為PS12-4DN，常開觸點，PNP輸出，三線連接。其性能參數(shù)見文獻[16]。 5)防碰撞傳感器的選用 防碰傳感器主要時為了防止人和門的速度不一致時，旋轉門翼打到行人；而防撞傳感器則是為了防止人因不小心撞在門體的立柱上，而引起旋轉門體旋轉過來撞傷行人。其采用接觸式傳感器防夾安全帶來實現(xiàn)，它是以向其施加垂直壓力致使觸帶內的導電體互相接觸，這導致電阻和電流改變而產(chǎn)生開關信號的。防碰傳感器安裝在兩扇旋轉門翼的底部，而防撞傳感器安裝在門體的立柱上。選用型號AS

59、R-001。其性能參數(shù)見文獻[16]。 6)接近開關的選用 而鎖門接近開關則時為了看門翼是否靠近門的鎖門位置，因此應該安裝在門安裝電子鎖的位置附近。選用型號ASR-002。其性能參數(shù)見文獻[16]。 5.1.3控制系統(tǒng)功能特點 ①變速功能 旋轉門設有低速，中速，高速三種旋轉速度，分別對應殘疾，middle和high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，并以正常轉速動轉，15s時無人進出，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。

60、行人離開防夾區(qū)，門自動恢復運轉。 ④防撞功能 行人緊靠右側立柱或遇到物體碰撞右側立柱,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,自動門恢復運轉。 ⑤防碰功能 行人在旋轉門內通行過程中，如遇到門扇碰到行人腳后跟，則門立即停轉，以防止碰傷行人。行人離開門扇，門自動恢復旋轉。 ⑥鎖門功能 采用電磁鎖方式鎖門，只要轉動鑰匙既可完成自動鎖門工作，快捷方便。 ⑦急停功能 當出現(xiàn)緊急意外事故十，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STOP鈕后，必須用殘疾，middle和high三個按鈕中的一個進行

61、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middle和high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。 漏電保護。 5.1.4 控制系統(tǒng)驅動控制原理 ①電氣控制系統(tǒng)接線方案 圖5.1 控制系統(tǒng)接線圖 ②傳感器設置方案 紅外線被動式感應器安裝于旋轉門的進口和出口華蓋上，每處各安裝兩個紅外傳感器，

62、感應行人進入門體，門扇馬上以正常的速度旋轉。紅外線防夾安全感應器防止門扇與曲壁柱之間夾傷行人。當門扇接近曲壁立柱時，感應器與接近開關信號同時生效，門扇馬上停止。防撞膠條安裝于入口右側門立柱上，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，防止夾傷行人。膠條內感應器恢復正常以后，轉門也隨之恢復正常運轉。沒扇門扉底邊裝有全開內藏式感應器，如碰到物體或受壓，門扇馬上停止轉動，防止門扇打倒行人。膠條內感應器恢復正常后，轉門也隨之運轉。此外，還采用了四只測量范圍為5mm的電感式接近開關。接近開關用于防夾位置區(qū)域設定，直流制動封門及鎖門定位。 5.1.5 PLC系統(tǒng)控制分析及地址分配設計

63、 ①節(jié)點分析及機型的選擇 通過對旋轉門控制要求的分析，PLC控制輸入信號有22個，輸出接點共8個。按照預留15%-20%的接點數(shù)來計算，輸入接點至少要30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(jīng)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)：3015=450 開關量輸出字節(jié)數(shù)：108=80 系統(tǒng)推斷定時器/計數(shù)器字節(jié)數(shù)：81=8 總計大約需要538個字節(jié)數(shù)容量。加上預留30%，有1K的程序容量足夠了。 由以上可得，同時兼顧經(jīng)濟性原則。 PLC產(chǎn)品中OMRON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。在此系列PLC中設置了

64、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COM1-CPU11-E型PLC。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。故本系統(tǒng)選用直流輸出方式。 表5.3 PLC性能參數(shù)表 性能指標 COM1-CPU11-E 程序存儲容量 3.2KB 數(shù)據(jù)存儲容量 1KB I/O電數(shù) 128位 指令類型 117種指令 基本指令執(zhí)行時間 0.5us~1.5us 擴展I/O模塊數(shù)量 7塊

65、記時/記數(shù)區(qū) 512記時器/記數(shù)器 ②開關的選擇 本控制系統(tǒng)為PLC控制，各種開關的容量要求不高，普通的開關足已，主要考慮輸入?yún)?shù)要求。對急停、STOP、middle、high、殘疾開關，選擇普通按鈕開關LA系。Middl、high、殘疾、開關為LA2，急停開關為LA2（紅色），STOP關為LA2-A紅色（十字型）。 ③電源的選擇 PLC自帶的輸入口電源一般為直流24V。輸入口每一點的電流定額一般為7mA,這個電流是輸入口短接時產(chǎn)生的最大電流(端口本身純存在阻抗)。當輸入口上接有一定阻抗的負載時,其流過的電流就要減少,PLC輸入口信號傳遞所需的最小電流一般為2mA左右,這樣就規(guī)定了輸入口

66、接人的最大阻抗。為了保障最小有效電流,輸入口所接器件的總阻抗要小于2000歐。從另一方面說,輸入口機內電源功率一般只有幾瓦,當輸入口所接的傳感器所需功耗較大時,需另配專用電源供電。 ④熔斷器的選擇 為了保護電路（短路保護）需要有熔斷器FU,選擇的依據(jù)是熔體的額定電流IR大于線路工作電流I（I=2A），所以選擇RL1-15，熔體額定電流等級為4。 ⑤整流器的選擇 為降低電壓的波動對控制系統(tǒng)的不良影響，選擇把交流變?yōu)榈蛪褐绷鞴╇?。因此，選擇型號為ZBA-10/24型整流器，它的輸入電壓為交流220V，輸出電壓為直流0～24V，額定電流10A。 ⑥輸出模塊的確定 輸出模塊的任務是將PLC內部低電平的控制信號，轉換為外部所需電平的輸出信號，以驅動外部負載。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、雙向晶閘管輸出、達林頓晶體管輸出。這幾種輸出形式均有各自的特點，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的要求加以確定。繼電器輸出價格便宜，使用電壓范圍廣。通電壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，且有隔離作用。但繼電器有舢點；壽命較短，且響應速度較慢，適用于動作不頻繁的交直流負載。當驅動