復(fù)合隱形智能門的設(shè)計

張建兵， 王 超， 郭祥福， 楊 甫， 朱祝生

（1.云南省機械研究設(shè)計院， 云南昆明 650031； 2.云南省機電一體化應(yīng)用技術(shù)重點實驗室， 云南昆明 650031）

0 引言

門的出現(xiàn)已經(jīng)有幾千年的歷史， 經(jīng)過長年累月的發(fā)展和演變， 現(xiàn)在門的品種繁多。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和人民生活水平的不斷提升，對門的要求也日漸增高。主要是對安全、智能、方便、隱形等提出了更高需求。

本文所介紹的門就是居于以上需求進行開發(fā)設(shè)計的復(fù)合隱形智能門。

1 總體方案

門的分類按不同的分法各不相同， 我們按照門的開啟方式進行分類，大致可分為：

平開門——大量用于人行及一般車輛通行。 制作簡便，開關(guān)靈活。

彈簧門——適用于有自關(guān)要求的場所。

推拉門——開關(guān)時所占空間少。

折疊門——適應(yīng)各種大小洞口， 特別是寬度很大的洞口。

轉(zhuǎn)門——適用于人流不集中出入的公共建筑。

上翻門——適用于不經(jīng)常使用的車行門， 可利用上部空間，不占使用面積。

升降門——適用于空間較高的工業(yè)建筑， 一般不經(jīng)常開關(guān)。 須設(shè)傳動裝置及導(dǎo)軌。

卷簾門——適用于各種大小洞口，特別是高度大、不經(jīng)常開關(guān)的洞口。

不同開啟方式的門都有其特點和一定的適用范圍，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用要求、洞口尺寸、技術(shù)、經(jīng)濟、材料及加工制作條件等進行全方位考慮。

根據(jù)現(xiàn)場條件及用戶要求， 設(shè)計開發(fā)此復(fù)合隱形智能門。

現(xiàn)場條件：本設(shè)備安裝于大型展館內(nèi)，在一樓上二樓的通道之間。 由于安裝位置的條件受限， 無法采用平開門、彈簧門、上翻門和推拉門的結(jié)構(gòu)。

用戶要求：采用現(xiàn)代先進技術(shù)控制門的智能開啟。 要求此門具有隱形的功能。 隱形是指在門關(guān)閉后，門的整體與室內(nèi)裝飾墻“合為一體”，從外觀上看就是一面裝飾墻。

針對展館內(nèi)左右方向無移動空間， 前后方向空間較小而進行相應(yīng)的設(shè)計。 由于展館內(nèi)樓層間的間距較大，采用升降式結(jié)構(gòu)向上開門的方式。 又由于用戶要求門的整體與室內(nèi)裝飾墻“合為一體”，所以最終采用升降加推拉式的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 這樣充分利用高度空間， 而前后、 左右空間占用小。 由于采用升降加推拉式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得門的控制過程較復(fù)雜，控制精度要求非常高；為此，我們PLC 加伺服系統(tǒng)的控制方式。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其動作原理如下：

圖1 隱形智能門機械結(jié)構(gòu)

（開門）動作原理：由電氣系統(tǒng)發(fā)出指令，通過伺服電機5 轉(zhuǎn)動，帶動減速器、傳動桿、蝸輪蝸桿減速器、絲桿、絲桿螺母的機械傳動使門主體向后移動，移動到后位置后停止，上下移動部件開始動作，帶動前后移動部件整體向上移動。

上下移動部件由安裝在門框上的兩個伺服電機14 帶動，通過蝸輪蝸桿減速器、鏈輪、鏈條的機械傳動使底座向上運動，底座固定門主體，從而實現(xiàn)開門動作。

（關(guān)門）動作原理：由電氣系統(tǒng)發(fā)出指令，伺服電機14 拖動上下移動部件至下位置，伺服電機5 拖動前后移動部件至前位置，完成關(guān)門動作。

要實現(xiàn)此復(fù)合門。 著重解決以下問題：

2.1 升降推拉式復(fù)合結(jié)構(gòu)

為充分利用高度空間進行開關(guān)門，從而減少門周圍空間的占用，采用升降推拉式復(fù)合結(jié)構(gòu)。 這樣就需要用兩組獨立的傳動機構(gòu)對升降和推拉方式進行傳動，從而形成前后移動和上下移動兩部分組成。 整個門安裝在固定底座上，而固定底座安裝預(yù)埋在地下，安裝完成后看不見。

2.2 推拉結(jié)構(gòu)

推拉結(jié)構(gòu)的作用是讓門能前后運動。 采用兩級減速的方式進行動力傳動，先用減速器進行減速后，用水平傳動桿分到左右兩邊， 再由左右兩邊縱向傳動桿分到上下減速器，從而構(gòu)成一拖四的傳動結(jié)構(gòu)。

門閉合后要求門面與外裝飾墻面平齊。 首先是門自身成一個平面，通過焊接一個平面方框來保證其平面度，從而使面板安裝上后的平面度達到要求；另外，在裝配時通過調(diào)整四個角上的絲桿與絲桿螺母座的伸縮位置，達到門面與墻面的平行； 再通過伺服電機5 拖動四個絲桿螺母座同步運行，帶動門主體向前移動，并到達關(guān)門位，從而保證門面與外裝飾墻面平齊， 整體平面度可達到1mm 以內(nèi)。

2.3 升降結(jié)構(gòu)

升降結(jié)構(gòu)的作用是讓門能上下運動。 設(shè)計時采用線性導(dǎo)軌作上下移動時的導(dǎo)向， 動力傳動采用蝸輪蝸桿減速后帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪帶動鏈條，從而帶動門的升降，實現(xiàn)門的開啟和關(guān)閉。

2.4 外墻裝飾

左右縫隙與外墻縫隙保持一致。為達到縫隙一致，在設(shè)計時就要把門與外裝飾墻作為一個整體來考慮。 墻的表面采用鋁板進行裝飾，鋁板與鋁板之間有一定間隙，形成一個紋路， 設(shè)計時把門面上的紋路與裝飾墻上的紋路設(shè)計成一致， 而門的左右縫隙則通過改變裝飾墻上的鋁板紋路來實現(xiàn)。

3 電氣系統(tǒng)控制

在開關(guān)門過程中，由于門有伸出及縮回的動作，這就要求門與其周邊之間有一定的縫隙，才能使門在前后移動過程中順暢運行。但如果縫隙過大會影響整個門的外觀，還有就是門關(guān)合后，要求門與裝飾墻面成一個平面。需要精準(zhǔn)控制門的停止位置。

根據(jù)以上控制要求，我們設(shè)計開發(fā)出相適應(yīng)的控制方式。 利用伺服電機的高精度、動態(tài)響應(yīng)快的特點，采用全閉環(huán)位置控制的方式，獲得門在啟停位置的精準(zhǔn)控制。

通過以下方式來實現(xiàn)智能隱形門的效果。

3.1 智能開啟

在智能門開啟方面， 目前較為先進并成熟的技術(shù)是指紋識別和人臉識別開鎖。 由于展館內(nèi)人員構(gòu)成比較復(fù)雜， 考慮到新冠疫情期間有人在電梯間操作時被感染的情況，及現(xiàn)代人對衛(wèi)生環(huán)境的重視，我們放棄指紋識別方案而采用人臉識別技術(shù)來控制門的開啟與關(guān)閉。 為防止有開啟權(quán)限的相關(guān)人員在門附近經(jīng)過時被識別而發(fā)生門開啟的誤動作，我們通過設(shè)置人臉識別的相關(guān)參數(shù)，使相關(guān)人員必須在距離人臉識別器0.8m 以內(nèi)，并且是識別人臉正對面才能開啟的方式來避免誤動作的發(fā)生。

3.2 隱形效果

在隱形效果方面，主要是門閉合后，要求門面與外裝飾墻面融為一體，從正側(cè)向看無明顯有門的痕跡，達到隱形的效果。

在正向方面，主要是需要處理門周邊的縫隙，左右縫隙通過裝修來達到門的縫隙與外墻縫隙一致。 上門縫先通過裝修來達到2mm 以內(nèi)，再通過電氣調(diào)整上下移動時的下限位置， 使得門與上門框之間的間隙達到0.1mm 以內(nèi)；下門縫隙剛好被地毯遮擋而無需特殊處理， 即使有2～3mm 的間隙，也由于地毯的遮擋而變得無間隙。 使上、下方向的縫隙不容易被肉眼所察覺， 從而在外觀上看就是一面裝飾墻，達到隱形的效果。

門的上下移動由兩個伺服電機采用主從位置模式控制方式。 這樣有利于調(diào)整門左右兩邊的高差及左右伺服電機的扭矩平衡，見圖2。

圖2 智能隱形門的控制系統(tǒng)

HMI 通過RS485 與PLC 進行數(shù)據(jù)通信，而PLC 則通過CANopen 總線與三個伺服驅(qū)動器進行通信，并控制伺服驅(qū)動器的運行， 伺服驅(qū)動器又控制相應(yīng)伺服電機的運行，從而帶動相關(guān)機械執(zhí)行機構(gòu)的運動。實現(xiàn)通過智能人臉識別開、關(guān)門的全自動控制過程。

在門的安裝調(diào)整過程中， 由于機械誤差而存在門的下邊沿與地面不平行的問題， 這樣就需要單獨調(diào)整伺服電機1 或伺服電機2 的位置來滿足門與地面的平行，而在上下移動過程中，需要它們兩個電機的同步運行，從而采取伺服1 與伺服2 的主從位置控制方式。

在側(cè)向方面， 裝配時通過機械調(diào)整使門面與墻面平行；人臉識別發(fā)出開關(guān)指令后，通過PLC 系統(tǒng)的處理，伺服系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機拖動絲桿螺母座運行， 到達指令位置后停止，定位精度控制在1mm 以內(nèi)。 從門的側(cè)向看無凹凸的現(xiàn)象。

3.3 安全保障

為防止門下有異物時，開關(guān)門引發(fā)的安全事故，我們在門的前后位置都設(shè)計有安全光幕， 異物出現(xiàn)時會遮檔光幕，使門暫停運行，當(dāng)光幕不再被遮檔3s 后，門繼續(xù)之前的動作。

上下移動采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)設(shè)計， 由于蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)具有的自鎖功能。 有效避免意外停電等引起門在重力作用下的自由墜落。

采用雙電機驅(qū)動、雙鏈條及線性導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免由于鏈條斷裂引發(fā)的門墜落。

通過以上安全保障方面的設(shè)計及安裝調(diào)試， 從而避免整機安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

本設(shè)備充分利用高度空間進行開關(guān)門， 從而減少門周圍空間的占用。 采用人臉識別技術(shù)提升智能化技術(shù)水平。通過門與外墻裝飾的一體化設(shè)計，并采用伺服控制提高控制精度方式， 從而增強隱形門的效果。 運行平穩(wěn)可靠，外觀整齊、美觀。 已完全達到用戶要求，通過用戶驗收，交付用戶使用。