復合隱形智能門的設計

張建兵， 王 超， 郭祥福， 楊 甫， 朱祝生

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

0 引言

門的出現已經有幾千年的歷史， 經過長年累月的發展和演變， 現在門的品種繁多。 隨著科學技術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設計的復合隱形智能門。

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，開關靈活。

彈簧門——適用于有自關要求的場所。

推拉門——開關時所占空間少。

折疊門——適應各種大小洞口， 特別是寬度很大的洞口。

轉門——適用于人流不集中出入的公共建筑。

上翻門——適用于不經常使用的車行門， 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建筑， 一般不經常開關。 須設傳動裝置及導軌。

卷簾門——適用于各種大小洞口，特別是高度大、不經常開關的洞口。

不同開啟方式的門都有其特點和一定的適用范圍，設計時應根據使用要求、洞口尺寸、技術、經濟、材料及加工制作條件等進行全方位考慮。

根據現場條件及用戶要求， 設計開發此復合隱形智能門。

現場條件：本設備安裝于大型展館內，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構。

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

針對展館內左右方向無移動空間， 前后方向空間較小而進行相應的設計。 由于展館內樓層間的間距較大，采用升降式結構向上開門的方式。 又由于用戶要求門的整體與室內裝飾墻“合為一體”，所以最終采用升降加推拉式的復合結構設計方案。 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構設計，使得門的控制過程較復雜，控制精度要求非常高；為此，我們PLC 加伺服系統的控制方式。

2 機械結構設計

機械結構如圖1 所示，其動作原理如下：

圖1 隱形智能門機械結構

（開門）動作原理：由電氣系統發出指令，通過伺服電機5 轉動，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，從而實現開門動作。

（關門）動作原理：由電氣系統發出指令，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，完成關門動作。

要實現此復合門。 著重解決以下問題：

2.1 升降推拉式復合結構

為充分利用高度空間進行開關門，從而減少門周圍空間的占用，采用升降推拉式復合結構。 這樣就需要用兩組獨立的傳動機構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，而固定底座安裝預埋在地下，安裝完成后看不見。

2.2 推拉結構

推拉結構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，從而構成一拖四的傳動結構。

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。

2.3 升降結構

升降結構的作用是讓門能上下運動。 設計時采用線性導軌作上下移動時的導向， 動力傳動采用蝸輪蝸桿減速后帶動鏈輪轉動，鏈輪帶動鏈條，從而帶動門的升降，實現門的開啟和關閉。

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， 設計時把門面上的紋路與裝飾墻上的紋路設計成一致， 而門的左右縫隙則通過改變裝飾墻上的鋁板紋路來實現。

3 電氣系統控制

在開關門過程中，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，還有就是門關合后，要求門與裝飾墻面成一個平面。需要精準控制門的停止位置。

根據以上控制要求，我們設計開發出相適應的控制方式。 利用伺服電機的高精度、動態響應快的特點，采用全閉環位置控制的方式，獲得門在啟停位置的精準控制。

通過以下方式來實現智能隱形門的效果。

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是指紋識別和人臉識別開鎖。 由于展館內人員構成比較復雜， 考慮到新冠疫情期間有人在電梯間操作時被感染的情況，及現代人對衛生環境的重視，我們放棄指紋識別方案而采用人臉識別技術來控制門的開啟與關閉。 為防止有開啟權限的相關人員在門附近經過時被識別而發生門開啟的誤動作，我們通過設置人臉識別的相關參數，使相關人員必須在距離人臉識別器0.8m 以內，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，再通過電氣調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；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

HMI 通過RS485 與PLC 進行數據通信，而PLC 則通過CANopen 總線與三個伺服驅動器進行通信，并控制伺服驅動器的運行， 伺服驅動器又控制相應伺服電機的運行，從而帶動相關機械執行機構的運動。實現通過智能人臉識別開、關門的全自動控制過程。

在門的安裝調整過程中， 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。

在側向方面， 裝配時通過機械調整使門面與墻面平行；人臉識別發出開關指令后，通過PLC 系統的處理，伺服系統驅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。 從門的側向看無凹凸的現象。

3.3 安全保障

為防止門下有異物時，開關門引發的安全事故，我們在門的前后位置都設計有安全光幕， 異物出現時會遮檔光幕，使門暫停運行，當光幕不再被遮檔3s 后，門繼續之前的動作。

上下移動采用蝸輪蝸桿結構設計， 由于蝸輪蝸桿結構具有的自鎖功能。 有效避免意外停電等引起門在重力作用下的自由墜落。

采用雙電機驅動、雙鏈條及線性導軌的結構設計，避免由于鏈條斷裂引發的門墜落。

通過以上安全保障方面的設計及安裝調試， 從而避免整機安全事故的發生。

4 結束語

本設備充分利用高度空間進行開關門， 從而減少門周圍空間的占用。 采用人臉識別技術提升智能化技術水平。通過門與外墻裝飾的一體化設計，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。