三翼自动旋转门结构及控制系统设计(含PLC控制仿真)说课材料.doc

攀枝花学院本科毕业设计（论文）三翼自动旋转门结构及控制系统设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 机械工程学院 年级专业： 级机械设计制造及其自动化指导教师： 助理指导教师： 二一五 年 五 月摘 要 三翼自动旋转门作为自动门中的顶级产品，旋转门给人以亲切大方的感觉，同时营造出奢华的气氛，堪称建筑物的点睛之笔。该论文主要论述了三翼自动旋转门的设计过程，主要对门体、驱动系统、控制系统、安全系统做了详细的分析和设计，提出了采用铝合金和玻璃等组成门体框架。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。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。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。设计出了一种安全可靠实用的三翼旋转门。关键词： 旋转门 结构 系统 设计ABSTRACTThree wings automatic revolving door is leading products in automatic doors, it can give generously warm and feeling and creating luxurious atmosphere, Meanwhile, it is a eye in modern buildings . This paper mainly discusses the design about gate body system、transmission system、 control system and safely system of the three wings automatic revolving door.It proposed that the door frame is composed of glass and aluminum framework. Transmission system is fixed on the top of shaft that include a reduer and gears transmition. PLC is responsible for the task of controller and the function of rotational speed is rely on the VVF. People passing in and of the revolving door is checked by the infrared ray sensor, the safety of people are ensured by many contact and non-contact sensors and photoelectric proximity switches. Ultimately, have designed a kind of function practical、safety dependablely revolving door.Key words : Revolving door, Structure, System, Design 目 录摘 要 ABSTRACT1 绪论 11.1旋转门的课题背景11.2 国内外旋转门发展现状 11.2.1国外旋转门发展现状11.2.2国内旋转门发展现状22 方案确定 3 2.1 方案一的设计3 2.2 方案二的设计4 2.3 方案的选择43 门体结构设计5 3.1 门结构材料的选用5 3.2 门结构尺寸的确定7 3.3 中间轴的设计与轴承的选用8 3.4 曲壁部分设计9 3.5确定各扇门的质量93.6华盖的设计104 驱动系统设计12 4.1轴和轴承设计计算12 4.1.1轴的尺寸设计12 4.1.2轴承的选择与验算12 4.2轴的校核13 4.3 电机的确定15 4.3.1各部分转动惯量的计算15 4.3.2惯性力矩的计算15 4.3.3电机的确定16 4.4齿轮的设计计算18 4.4.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数18 4.4.2按齿面接触强度设计18 4.4.3按齿根弯曲强度设计20 4.4.4几何尺寸计算215 控制系统部分设计22 5.1硬件的设计225.1.1变频器容量选择计算225.1.2传感器与安全系统的设计265.1.3控制系统功能特285.1.4控制系统驱动控制原理295.1.5 PLC控制系统节点分析及地址分配设计305.2 软件设计 345.2.1控制系统程序设计345.2.2 PLC梯形图465.2.3 指令程序466 控制仿真476.1 编程软件STEP7-MICRO/WIN476.2 仿真软件Simulation486.3 仿真过程48结论52参考文献53致 谢 54附录 A：指令程序表55附录 B：程序梯形图601 绪论1.1旋转门的课题背景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。大厦在需要持续不断的人流出入的同时，又要保持建筑物内良好的空气循环及环境的优美，这是建筑师所遇到的一大难题，而旋转门为大厦提供了理想的解决方案，它可有效地防风、防尘和隔音，从而改善了大厦入口附近的环境。旋转门的最大优点在于它永远开门，又永远关门，即对于行人来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果较好。因此，自动旋转门在功能方面具有独特的发展。自动旋转门的最大优点在于它“永远开门，又永远关门”，即对于人员来说，门总可以打开，可对于建筑物来说门又总是关着。因此，自动旋转门在保安功能方面具有独到的发展，但在人员流量方面自动旋转门却没有优势，因为门的转速是固定的，每个门翼之间可容纳的人员也是有限的。每种自动旋转门都有标定的人员流量数值。自动旋转门由于其永远开启的同时又永远关闭的特点，使其动态密封效果在经常使用的条件下相对于其他自动门要好。由于自动旋转门的人流量有限，通常在自动旋转门两侧另设自动或手动平开门，一方面增加通行能力，另一方面当自动旋转门出现故障时，不影响人的通过。但在静态密封效果方面，自动旋转门远不如其他自动门，因为其门体运动方式决定着只能使用毛条密封。1.2国内外旋转门发展现状1.2.1国外旋转门发展现状自1903年宝盾公司在荷兰生产出第一座旋转门，旋转门至今已有一百年的历史，发展到今天，旋转门已具有可靠的安全系统和先进的驱动技术，其智能化高格调的设计为现代化楼宇建筑的确入口提供了完美的选择。国外著名厂家有：荷兰的B00N EDAM 瑞典的BESAM 德国的多玛、盖泽 日本的纳博克、寺冈等。1由于国外自动旋转门发展较早，其技术也较为成熟。自动旋转门的传动系统技术具有节能、低噪声、传动平稳、寿命长、性能可靠等优点；控制系统采用数字化设计的系统作为控制中枢，有功能更强大，操作更简便等优点；检测安全系统采用先进的红外与微波感应技术，用于感知物体的移动，操纵门体的动行，使用各种安全检测传感器，实现防挤、防夹和防撞功能。与此同时某些厂家生产的自动旋转门还具有远程控制和液晶显示。利用当前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。1.2.2国内旋转门发展现状我国旋转门技术的发展：我国的全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、日本等国。90年代后期旋转门开始在我国建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。旋转门的厂家：国内专业厂家：北京有凯必盛、宝盾、青木、智辉、巨方圆、信步等。外省市有上海康育、广州盛维、沈阳金海、青岛帝盟等。旋转门在我国的市场前景：随着我国国民经济持续稳定地增长，2008年北京申奥成功和WTO的加入。从本世纪开始，我国进入了全面建设小康社会的新阶段，创造美好生活环境是装饰业发展的巨大推动力。现代城市建筑物装饰装修中，将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。堪称建筑物的点睛之笔。但是国家对自动门产品质量、安全性、节能性、噪音、施工质量、售后服务还没有统一的标准，所有国内建筑业院校都没有相关的专业或课程，也没有权威的咨询机构，自动门市场的管理尚处于无序状态。随着国内建筑业的发展，这一状况一定会有所改变。22 方案的确定 旋转门主要设计是从门体,传动系统,控制系统，检测系统,安全系统等几个方面进行考虑。从上面几个方面具体分析可以设计两种方案。2.1方案一的设计框架总成： 分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。圆周导轨悬挂整个旋转门体及其驱动设计，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;门扉玻璃采用夹胶玻璃或6mm厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用夹胶玻璃，安全可靠。 传动系统：由二个三相交流电机提供动力，用减速器带动旋转转盘驱动。控制系统：由单片机、变频器、功能开关组成。由可编程控制器PLC、变频器、功能开关组成。检测系统：由红外传感器实现有无人自动检测，自动对电机启停进行操作。安全系统：主要有接触和非接触安全感应器。 旋转门入口立柱均装有安全胶条，防止行人夹伤，自动门入口右侧立柱胶条内装有内藏式防夹感应器，如受挤压门扉即马上停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动;每扇门扉底边胶条内装有内藏式防碰感应器，碰到物体或行人门扉立即停止运转。胶条恢复正常，门扉则自动转动。图2.1 方案一示意图32.2方案二的设计框架总成：分为固定部分和旋转部分，均由铝型材框架和玻璃等组成。立柱、曲壁、门扉一般采用高强度铝合金型材，结构简洁，精密牢固。采用中心门轴结构安装和驱动旋转门体设计，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;门扉玻璃采用夹胶玻璃或6MM厚钢化玻璃，曲壁玻璃一般采用夹胶玻璃，安全可靠。驱动系统控制系统 检测系统 安全系统： 与方案一设计一样。图2.2 方案二示意图2.3方案选择 4三翼旋转门采用方案二这种结构，即中心门轴通过轴承机构垂直安装于地面，三个呈发散式固定在中心门轴上，各门扇之间的角度相等。中心门轴的上方安装电动机及其他电气控制部件，再配以感应装置和安全装置，就成为一个完整的自动旋转门。但是，这种旋转门门翼与中心轴的固定方式决定了门扇宽度不能太大，所以这种旋转门的直径最大只有约4m。为了解决这一问题，工程师们将中心门轴设计成了门扇固定在大钢管上面，相对减小了门扇宽度，增加了电机对门中心的旋转作用力矩，使这种旋转门的最大直径扩大到6m。这种结构的稳定性，使用的可靠性很高，使用寿命长。考虑到旋转门在停止时一定耍密封，所以三翼旋转门的每个分隔可以容纳更多的人，可是门的净开口宽度较小。而方案一由于采用两个电机驱动也给驱动系统带来了许多麻烦，同时也不利于节能。在控制系统上，由于单片机的程序设计和接口设计较为繁杂，只利于大批量生产，不适于单件设计。综合两种方案进行比较，可以看出第二种方案在具体设计中更具有实用性，完善性。故选择第二种方案。3 门结构的设计三翼自动旋转门的尺寸可以根据可以确定其尺寸，其具体尺寸如下所示；表3.1 门体尺寸旋转门直径3200mm门净高 A2400mm门总高 B2755mm门出入口尺寸 C1430mm门外径D3360mm单扇门半径DW1315mm 图3.1 门体结构简图3.1门结构材料的选用门体主要包括门体骨架的材料和门体玻璃。5根据相关门体标准,可按90系列的推门进行设计。门体骨架采用90系列推拉门专用铝型材，根据中可以确定门体骨架铝型材；三翼旋转门门扇 左边框 选代号 L090704 右边框 选代号 L090704 上横 选代号 L090706 下横 选代号 L090707 图3.2 L090706型铝型材（上横）6图3.3 L090707型铝型材（下横）图3.4 L090704型铝型材（边框）门体玻璃的选用 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。由于自动旋转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，可以选6mm的钢化透明玻璃。 3.2门结构尺寸的确定根据前面的总体设计可知，三翼旋转门的结构尺寸可参照中90系列（尺寸高度为2400mm,一扇门宽度为1315mm）进行设计。根据以上节点,可以计算单扇门的相关尺寸为：左边框和右边框的高度为： (3-1) =2400-225 =2350mm式中：为门扇边框高度尺寸，为门净高度。上横和下横的宽度为： (3-2) =1315mm式中：为门扇宽度。玻璃的实际高度为： (3-3) 式中： 为玻璃外显示尺寸，玻璃上下门边尺寸。7实际宽度为： (3-4) =1315-264212 =1211mm 式中：门扇上边框安装玻璃的宽度，玻璃边框实际尺寸。 3.3中间轴的设计与轴承的选用 中间轴的设计 轴的直径为：= (3-5) =3200-21315-23-216 =532mm式中：为门体旋转直径，为门扇边框安装胶条与曲壁之间的间隙，为扇门边框安装胶条的宽度。由于轴是用来安装轴承、齿轮、门扇的，并且在轴向受到力不大。所以选用结构用不锈钢焊接钢管。用牌号0Cr18Ni9制造，以热处理状态交货的半径为532mm,壁厚为8mm,定尺长度为3000mm,中间轴在安装轴承的两端要车削1mm，并且达到530mm，尺寸精度为普通级。轴承的选用为了使轴承能很好的固定，必须使用轴承座。由于要使用两个轴承，则轴承座也要使用两个，上下各一个。对于轴承座，其内径为轴承的外径，其厚度必须满足强度要求。因为轴所计算的直径为532mm,两端车削后直径为530mm，故选用双列圆锥滚子轴承，根据(GB/T-22-1995)选型号为35000型，代号为3519/530。 安装在轴上的轴承主要受轴向力。并且轴承受到的轴向力比较大，故需在门安装地面设计一个凹型台，防止轴的向下滑动和安装时防止其他杂质进入轴承内。 图3.5 下轴承座3.4曲壁部分设计8 曲壁由4根角钢做为支撑体，每2根构成一边曲壁体。角钢竖在水泥板上，进出口各布置2根，然后顶部又用一圆周角钢将4根角钢固定在一起。形成曲壁的整体框架，然后安装铝合金玻璃壁。曲壁由2块相同的圆弧玻璃组成。材料的选用曲壁上圆弧梁选用6063专用弧形材。顶部用的角钢弯曲成一个圆弧，由四段构成，便于加工。玻璃则选用8mm厚的弧形钢化玻璃。材料尺寸的确定由于圆的内圆半径为1600mm,门口对应的圆角为 则两边曲壁各对应的圆心角应： (3-6) 所以两边曲壁对应的弧长： (3-7) 玻璃尺寸的确定 玻璃的弧长： (3-8) 玻璃的高度： (3-9) 曲壁立柱（）角钢尺寸确定：由于要保持角钢的稳定性，预埋在地下的角钢尺寸为100mm。则角钢的高度可估算为： (3-10)顶部圆周钢材尺寸的确定：顶部周钢材的内直径为3200mm,分为两半圆角钢用螺栓固定在立柱角钢上,则圆周角钢内圆弧长为： (3-11) 式中：d为旋转门的旋转直径。则每段内圆弧长： (3-12)3.5确定各扇门的质量由于转轴中心两端是对称的，以一边门体计算即可。 铝型材密度： 代号为L090704的线密度为0.966代号为L090706的线密度为0.836代号为L090707的线密度为1.152每扇门框的质量： 9=2.36020.966+1.1350.836+1.1351.152 (3-13)=8.053kg式中：，分别为各铝型材的密度。单扇门玻璃的质量：= (3-14)式中：为玻璃的体积，为玻璃的密度。单扇门的质量： (3-15) =40.82+8.053 =49kg式中：为单扇玻璃的质量，单扇门框的质量。3.6华盖的设计华盖部分是用来安装驱动系统和控制系统的部分，其主要由和型材框架和薄金属版构成一个圆柱形体。其主要安装轴承，电机，控制装置等。由于华盖要用来安装电机，电机的有一定重量。为了保证电机在工作时不发生振动现象，故选择的钢架结构要求其刚度比较高。故选择热扎钢板。其厚度为2毫米，直径为3360mm的圆形，上下各一张。华盖底部设计旋转门的外径为3360mm，由于底部要安装轴承，必须在钢板中间打孔。与此同时角钢也要穿过钢板，也必须在钢板上加工槽。10图3.6下华盖尺寸图上华盖的设计旋转门的外径为3360mm，由于上面的钢板要用来安装电机，故必须在其上面打孔。同时为了保证钢板用足够的强度来支撑电机的重量，则必须在钢板上打钢架。钢架与钢板焊接在一起。由于电机的重量不大，故用一般方钢。其具体尺寸如下图所示： 图3.7 上华盖尺寸图11 4 驱动系统设计4.1轴和轴承设计计算4.1.1轴的尺寸设计由于轴承还没有确定出来，但是轴的直径已知。并且旋转轴在径向受力不大主要受到径向力的作用，故可以选择圆锥滚子轴承。根据文献5中预选双列圆锥滚子轴承，型号为3519。其宽度为190 mm。又由于齿轮与轴承必须留出一定的距离，一般选择为40mm。其具体尺寸如下图所示： 图4.1 轴的结构图轴的质量计算：由公式W=0.02491(D-S)S 其中W为钢管的线密度（kg/m）,D为钢管的外径（mm），S为钢管的壁厚（mm）。 M=WL (L为钢管的长度)= (4-1) =308.05kg 4.1.2轴承的选择与验算径向力确定：轴承受到的径向力为减速器输出的转矩除以大齿轮的分度圆半径。其值为Fr= =850.6N轴向力的确定：Fa=Mg = =(308.05+349) 10 (4-2) = 4550.5 N设定工作时间为87600小时(10年365天24小时)由中间轴两端按轴承的地方车削后d=530mm，由文献5中表6-2-80预选双列圆锥滚子轴承，型号为3519。其中e=0.41，Y1=1.6，Y2=2.5，Y0=1.6，Cr =2390KN。12当=5.3 大于0.41时当量动载荷 Pr =0.45Fr +YFa=0.45850.6+2.54550.5 (4-3)= 11759.02 N查文献3中表10-5得Y=Y2=2.5查文献5中表6-2-86-2-11得fh=2.0,fn=1.435,fd=1.1,fT=0.9,fm=1根据式C= (fh fd fT) Pe =(21.10.9) 11759.02 (4-4) =16225 N轴承Cr=2390000N16225N，故合适。4.2轴的校核13在确定轴承的支点位置时，由文献5中查取值。对于双列圆锥滚子轴承，由文献5中查得。作简支梁的轴的支承跨距。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。 图4.2 中间轴受力图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面C是轴的危险截面。现将计算出轴的受力情况：水平面的受力分析支反力 (4-5)垂直面受力 支反力 (4-6)14弯矩的计算 (4-7)扭矩的计算 T=225.4 (4-8) 按弯扭合成应力校核的轴的强度进行校核时，只需对轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。由文献3中公式155及上表中的数值，并取，轴的计算应力 = (4-9) =4.42MPa其中W为抗弯、抗扭截面系数，d1为钢管的内径，d为钢管的外径。 前面已选定轴的材料为0Cr18Ni9，调质处理，由文献3中表151查得 。因此 ，故安全。4.3电机的确定4.3.1各部分转动惯量的计算假设门扇为均匀的质量体,其在宽度方向的面密度可以用下式计算,其中R为门扇的宽度，L为门扇的长度。 则门扇对中心惯量可用下式计算 (4-10)由平行轴定理知，门扇相对于轴的转动惯量为： (4-11) =52.3 （其中L1为轴的半径）4.3.2 惯性力矩的计算15假设门体1s内加速到门体的快速转速，由于旋转门体的最大转速为6r/min，即角速度，由于传感器一般工作在2m范围内检测人是否来临，当人迈进门边时，门体要以正常速度转动，则在这时门体要加速到正常速度。在0.5s内加速到此速度,则角速度，由于电机要带动门体转动，有一个加速过程，有一个加速过程此过程需要克服旋转门体的惯性力矩才能使其转动，根据力矩转动惯量和角速度的关系。则可能算出旋转门体的惯性力矩为： (4-12)4.3.3电机的确定根据机械设计中电机所需功率按下式计算： (4-13)由电动机至转动轴的传动总效率为： (4-14)式中,分别为滚子轴承，齿轮，联轴器的传动效率。取，则总的传动效率为： (4-15) =0.83则可以计算出电机的功率 (4-16) 由于门体还应能承受一定的风阻，以及旋转门体周围无条件与曲壁门体间的摩擦阻力，尽管其产生的力较小，但由于门体直径过大，则会产生较大的阻力矩。同时还有一些其他没有考虑的因素，如齿轮的转动惯量，因此特将计算出的功率放大一些同时门体的转动较低，则电机应适应转速较低的，根据相关的计算结果 可以选以下两种电机。 表4.1 电机参数表方案型号额定功率(KW)转矩(N.m)同步转速（r/min）满载转速(r/min)总传动比齿轮传动比减速器传动比1JCJ71-0.550.5523.51500144024021.8112JXJ1-35-0.370.3782.0150014402406.863516由于电机输出的转速较大，一般在1500r/min，通过减速器难以实现门体转速6r/min，因此在选电机时可以选用带减速器的电机来实现要求。根据相关要求，可以选用一个JXJ系列齿轮减速三相异步电机，JXJ系列异步电机按照TB1T6442-92标准设计制造,广泛用于轻工,纺织，建筑机械行业。JXJ系列异步电动机是直接输出低转速，大转距，且有转速型谱宽，运转平衡，噪声低，高效节能，体积小，重量轻，规格多，选用方便等特点。 由于计算出所需电机功率为0.24KW,加上一些忽略因素，应该选择电机功率在0.24KW上的电动机才行。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和齿轮传动，可见方案2比较合适。即选用JXJ1-35-0.75摆线针轮减速器三相异步电机。 表4.2 电机参数表型号额定功率(KW)转矩(N.m)同步转速(r/min)满载转速(r/min)总传动比齿轮传动比减速器传动比JXJ1-35-0.370.3767.9150014402406.935 图4.3 电机尺寸图 表4.3 电机尺寸表PEMn-dD2D3D4DbhB491294-1229026023045831173454.4齿轮的设计计算4.4.1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。旋转门为一般传动，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。查文献3中小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮的材料选用45钢（调质）硬度为240HBS，其材料硬度相差40HBS。取小齿轮齿数 =30，大齿轮齿数 ，取=206。4.4.2按齿面接触强度设计由设计公式进行计算，即 (4-17)确定公式内的各计算参数试选用载荷系数=1.25。计算小齿轮传递的转矩 (4-18)由文献3中表10-7选取齿宽系数=1。由文献3中表10-6查得材料的弹性系数。由文献3中图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。由根据应力循环次数 (4-19) (4-20) 由文献3中图10-19查得接触疲劳寿命系数：，。计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S=1，得 (4-21) (4-22)计算18 试计算小齿轮的分度圆，代入中较小的值 (4-23)计算圆周速度v (4-24)计算齿宽由文献3中表107取=0.6 (4-25)计算齿宽和齿高之比b/h模数： (4-26)齿高： (4-27) (4-28) 计算载荷系数根据v=0.125m/s，7级精度，由文献3中图10-8查得动载系数Kv=1.4；直齿轮，假设。由文献3中图103查得由文献3中表10-2查得两段的齿轮的使用系数，由文献3中表10-47级精度、小齿轮相对支承悬臂布置时， (4-29)将数据代入后得 (4-30)由b/h=13.322,=2.79，查文献3中图10-13得=2.65 故载荷系数 (4-31)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得 (4-32)19计算模数 (4-33)4.