自动门机械部分设计

目 录

1 绪论 ..................................................................... 1

1.1 自动门的简介 ............................................................ 1

1.2 本设计研究的内容 ........................................................ 1

1.2.1 自动平移门机组的部件组成 ............................................. 1

1.2.2 自动门控制系统要求 ................................................... 2

2 自动门的总体结构设计方案 ................................................. 3

2.1 自动门的门体构造和参数 .................................................. 3

2.2 自动门的机械传动结构 .................................................... 4

3 自动门机械部分设计 ....................................................... 5

3.1 整体机构的设计 .......................................................... 5

3.1.1 驱动系统设计 ......................................................... 7

3.1.2 门扇行进轨道系统 ..................................................... 8

3.1.3 门吊系统 ............................................................. 8

3.2 传动系统 ................................................................ 9

3.3 门体、限位开关和光电传感器的安装 ........................................ 9

4 结束语 .................................................................. 11

参考文献 ................................................................... 12

1 绪论

1.1 自动门的简介

(1) 基本原理

自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制

装置，如开门信号源、驱动装置、传动装置、门禁系统、安全装置、集中控制等。必须根

据建筑物的使用特点。通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。

(2) 分类

① 按启闭形式分：可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门。

② 按门体材料分：有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木

材等，也可采用其它材料。用其组成的常见种类有无框玻璃自动门、不锈钢框玻璃自动门

和铝合金框（刨光或氟碳喷漆）玻璃自动门。

1.2 本设计研究的内容

1.2.1 自动平移门机组的部件组成

在本设计中主要研究自动平移门，设计的自动平移门具有手动和自动开门功能以及分

时段控制功能，同时配备防夹人光栅、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多场所的

高效率、高安全性的要求。

(1) 主要部件

① 主控制器：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，

发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速

度、开启幅度等参数。

② 感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它

的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。

③ 动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

④ 门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方

向行进。

⑤ 门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。

⑥ 同步皮带：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。

(2) 辅助配置

① 行程开关：在自动门行进过程中，通过行程开关判断自动门所在位置，驱动

信号输出达到控制自动门行进速度。

② 安全辅助装置：在高档酒店等地方需要杜绝自动门的夹人事件，可以选择安

装防夹人光栅。

③ 配备后备电源：为保证停电时自动门也能工作正常，可以配备后备电源。

1.2.2 自动门控制系统要求

(1) 物体靠近门时

传感器获得信号给控制器，控制器根据门当前所在位置决定门的动作，有三种

情况：

① 门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度打开门。

② 门处于某一位置，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电

机开门。

③ 门处于开启状态，控制器应使门保持开启状态。

(2) 无物体靠近门时。

① 如果门处于开启状态，延时适当的时间以最佳速度关闭门。

② 如果门处于关闭状态，维持此状态。

2

2 自动门的总体结构设计方案

2.1 自动门的门体构造和参数

本设计面向商场和超市等人流量巨大，出入频繁的场所，需要有安全性和可靠性，根

据主流自动门设计和本论文内容的要求，设计自动门门面结构如图2-1所示：

光电开关

安全光线

防夹人光栅

图2-1 自动门门面结构示意图

公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，而任何自动门的使用频率和使用寿命都有

限，为使门体更加坚固耐用，本设计门体玻璃材质使用钢化玻璃。根据例如机场、大型超

市、和医院外门等公共场所人员流量巨大的需求，必须对自动门进行综合的考虑，设定适

合的具体参数，例如增加门的数量、加大门扇宽度、增加关门延时时间等。具体参数如表

2-1所示：

3

表2-1 自动门的具体

单扇开启宽度（mm） 1250mm（最宽）

单扇门的最大承重（kg） 1x40kg

高度（mm） 2500mm

最快开/关门速度（cm/s） 0.4-0.8m/s

常速开/关门速度（cm/s） 0.4-0.6m/s

减速开/关门速度（cm/s） 0.2m/s

开启保持时间（s） 6s

可编程控制器（PLC）电源 220V AC,50-60Hz

驱动器电源 380V AC,50Hz

驱动器输出额定功率 120W

2.2 自动门的机械传动结构

自动门的机械传动机构设计主要包括安装板，行进轨道，三相交流电机，传送皮带，

皮带滑轮，轨道滑轮，吊架等。

传动机构如图2-2所示。

4

电机

传送皮带

皮带滑轮

吊架

轨道滑轮

图2-2 机械传动结构

3 自动门机械部分设计

自动门的机械部分设计分为整体机构的设计、传动方式的设计和门体、限位开关、光

电开关等部件的安装。下面分别就这几部分内容作详细的介绍。

3.1

整体机构的设计

本设计所设计的自动门控制系统是用于小型商场超市的自动门控制，只需满足以下几

个基本条件 （1）工作过程中噪声不可以太大；（2）要美观漂亮；（3）占用空间要尽量减

小。通过比较几种自动门的优缺点后本设计系统选用了自动平移门。选用高分子有机玻璃

为自动门的门体材料，自动门门的整体结构有以下几部分：传动系统、驱动系统、门扇、

门吊系统、下部导轨系统。自动门整体的结构示意图如下图所示。

5

图2-1 自动门整体的结构示意图

具体组成部件如下：

（1）主控制器 它是自动感应门系统的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集

成块，输出相应的指令信号，控制电机或电磁锁类负载的工作。

（2）感应探测器 负责采集接收外部信号，就像人的眼睛，当有物体进入它的工作范

围时，它就给主控制器输送脉冲信号。

（3）驱动电机 为开门与关门提供主动力，自动门门扇的开与关由它控制。

（4）同步皮带 用于动力传输，将电机所产生的动力输送给门吊系统，并牵引自动门

门扇吊具走轮系统。

（5）门吊系统 用来吊挂活动门扇，在动力牵引下带动门扇的运行同时。

（6）门扇行进轨道 自动门门扇下部的导向和定位装置，保证其按特定方向行进防止

门扇在行进中出现前后门体的摆动。

自动门门扇完成一次开门与关门的工作过程大体如下： 感应探测器探测到有人进入

其检测范围时，便将脉冲信号传送给PLC，PLC通过分析判断信号后，通知电机运行，同

时并监控电机的转数，以便通知电机在一定时候加力和慢行。电机在得到一定运行电流后

做正向运行，继而将动力传给同步带，接着再经由同步带将动力传给吊具系统以使门扇开

启；自动门门扇开启后通过光电传感器作出判断，如需要关闭自动门，延迟指定时间后通

过控制电机做反向运转，使自动门关闭，接到行程开关的关门到位信号后电机停止运行就

完成了关门动作。本章只对自动门的驱动系统，移动系统做做简单的介绍。测试部分和控

制部分在后面章节会做详细的介绍。

6

3.1.1 驱动系统设计

电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，交流电动机的结构简单，容易维护，价

格便宜，运行可靠，具有较好的动态和稳态特性，在工业中应用比较广泛。直流电动机有

优越的调速性能和启动性能，大多用在速度调节有要求较高，正反转和频繁制动及多单元

需同步协调运转的机械上。

本设计自动门的要求如下（1）噪声应尽量小；（2）关门过程中不可以有撞击现象；

(3) 可以实现频繁开关门；(4)开门关门要到位；（5）体积不可以太大。所以选择交流电

机不适合，因此本系统选用了直流电机。

直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机，有刷直流电机有电刷和电刷座，结构较

无刷直流电机复杂并且体积也大。无刷直流电动机，可以用低电压产生最适宜的动力，并

可以另外按装紧急备用电池，以便于供断电时开门，同时选用无刷直流电机可以实现自动

门的直接拖动使自动门装置结构简单，方便安装调试，降低故障率。因此本设计采用无刷

直流电动机作为动力装置来保证自动门运行启动的可靠性。

无刷直流电动机特点如下：

体积小 无刷直流电机体积比有刷直流电机小很多一般来说，相应转动惯量减少

40%—60%左右。安装空间减小了，所以适用范围更广泛。任何交流电机都无法比拟的是只

要有点空间就可以安装。

效率高 该电动机的机械特性及调节特性的线性度比较好，寿命长，调速的范围广，

维护起来方便，噪声不大，不会受电刷问题的影响，所以这种电动机在控制系统中的应用

的潜力很大。改变电动机的转速只需改变输入电压就可以，因此通过用降低电压的方法就

可以获得较低的转速。可以顺逆两个方向使用电动机，改变电动机的转向只需改变输入端

接线的极性即可。

重量轻 无刷直流电机重量比有刷直流电机小很多，容易安装，支撑它的机械部分的

要求降低了。

由于自动门门体本身的重量不是很大所以需要的驱动力也不大，一个直流电机就可以

满足要求，该设计同时可以保证两门扇用相同的速度同时运行也，因此设计采用一个电动

机控制两扇门的运动，电机正转门打开，电机反转门关闭。

由以上分析电机的选择过程如下：

（1）选择的电动机的类型：本设计采用无刷直流电动机。

（2）选择的电机的型号：工作机所需的功率，

P

W

Fv

（2-1）

1000



W

[3]

P

W

（2-2）

P

d

P

W



7

其中：F是工作机的阻力，v是工作机的线速度，是工作机的效率，此处



W

F809.8784(N)

，初步定为0.97，v=0.4，则



WW

ms

P1.077(KW)

所以

P1.110(KW)

d

0.505

0.97

根据机械设计手册第三版P167选择电机的转速。最终选中电机型号：Y90L-4定功率

1.5，定电压220V，额定转速为1400转/分。采用一个减速比为1/20小型减速器。设采用

带轮的直径为R，则：

（2-3）

niRvt0.560(m)



其中n为电机转速单位转/分，i为减速器传动比。

计算得带轮直径R=128.2 mm。

3.1.2 门扇行进轨道系统

自动门门扇下部的导向和定位装置，可以防止门扇在运行中出现门体左右摆动的现

象，以确保门体按照预定的方向行进。该结构的优点是 （1）可以保证门体移动的可靠性；

（2）降低了门体磨损；（3）噪声比较低；（4）节约了能量。

3.1.3 门吊系统

用来吊挂活动的门扇，同时通过动力牵引来带动门扇的运行，将电机的转动转换为门

的移动。该系统为了使门扇的移动能在一条直线上设计了个移动导轨，以，以保证系统的

传动可靠。

[4]

图2-2 自动门的传动结构示意图

8

3.2

传动系统

该部分要求将电动机的转动转变为直线的往复运动，在比较链传动、涡轮蜗杆传动、

齿轮传动、皮带传动等传动方式的优缺点及自动门的使用环境后最终本系统采用了皮带传

动，首先皮带传动比较卫生洁净不需使用润滑剂。其次，噪声小，适合商场、银行等要求

比较高的服务性公共场所。第三，结构紧凑节省了空间。第四，适合安装两扇移动门的情

况。

该系统包括皮带、皮带张紧轮两个模块。

皮带模块 用了同步齿形带，同步齿形带以合成纤维或钢丝绳作为强力层，以氯丁橡

胶或聚氨酯作为基体，把带的内侧制成齿状以便与同步带的齿相啮合，可以将驱动电机的

转动传变为直线的往复运动。与普通传送带相比，同步齿形带具有传动比准确、传动比范

围大、结构紧凑等优点。该系统选用以钢丝绳作强力层和以聚氨酯作基体的同步齿形带。

选择这种特殊工艺材料的齿形皮带，伸缩性小，不受温度影响，使用过程中降低了因皮带

的伸缩而引起的传动的不稳定，无需经常调紧张紧装置。保障了装置的使用性能。延长了

使用寿命。

皮带张紧轮模块 带附着在皮带张紧轮模块上，为了便于调节皮带张紧度在必要的情

况下，该模块设置了皮带张紧轮机构。

皮带模块和皮带张紧轮模块的双重使门体移动的可靠性得到了保证。自动门的驱动力

的稳定可靠性得到了提高。

3.3

门体、限位开关和光电传感器的安装

两扇门分别用两个装有吊轮的吊架吊挂，在发动机箱的轨道上可以移动。吊轮上端在

同步带上固定，下端则与门体相连。首先讲传感器在机械上的安装位置，对于传感器的选

型及其他知识后面做具体介绍。传感器的安装是否妥当直接影响着测试的效果和控制的精

度。所以，传感器的安装位置是不容忽视的。传感器分为接触式传感器和非接触式传感器

两种。由于它们的工作原理不同所以安装方式，位置也不同。本设计用到了两个限位开关

和两个非接触式传感器（接近开关）。

[5]

9

图2-5 门体、光电传感器和限位开关的安装示意图

10

4 结束语

本设计以PLC和变频器综合运用来达到控制电机正反转和转速实现门的自动化开关

的目的，利用PLC的可靠性和稳定性强的特点，保证自动门控制系统能长期正常运行，

利用变频器的无级平滑调速的特点，保证自动门运转和速度控制能平滑顺畅。PLC采用

梯形图设计，直观易懂，扩展容易，保证程序的条理性和准确性。

通过本次毕业设计，我学会了运用自己所学的专业知识，设计出程序和硬件系统，进

一步理解了PLC与变频器综合运用控制系统的设计方法，提高了PLC梯形图的编程能力，

掌握了PLC程序的调试方法和技巧。

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参考文献

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[2] 金卫东.机械系统设计[M].高等教育出版社，2009.4

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[4] 高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].电子工业出版社，2004.7

[5] 张运刚.从入门到精通 西门子S7-200 PLC技术与应用[M].人民邮电出版社，2007.5

[6] 刘伟强.变频器基础及应用[M].冶金工业出版社，2004.1

[7] 吴玉香，吴忻生，胡跃明.交流变频电机在自动门控制系统中的应用[J].中小型电机，

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[8] 丁炜.可编程控制器在工业控制中的应用[M].化学工业出版社，2004.4

[9] 丁斗章.变频器调速技术与系统应用[M].机械工业出版社，2005.7

[10]冯清秀. 机电传动控制[M]华中科技大学出版社，2011.6

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