基于AutoCAD和SimMechanics的爐門啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

楊銀爍+王增勝+楊漢嵩+馬小玲??

摘 要：分析了加熱爐爐門啟閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，舉例說明了利用AutoCAD進(jìn)行爐門啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體步驟，并通過SimMechanics對其進(jìn)行仿真，得到了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過程及連桿中點(diǎn)的軌跡，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，對同類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AutoCAD；SimMechanics；爐門啟閉機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)；仿真

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.27.091

實(shí)驗(yàn)電爐（如圖1所示）是大專院校、工況企業(yè)等實(shí)驗(yàn)和小批量生產(chǎn)經(jīng)常使用的設(shè)備之一，電爐爐門具有隔熱、保溫、確保安全的作用，而爐門啟閉機(jī)構(gòu)是電爐設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文將通過實(shí)例，基于AutoCAD和SimMechanics分析爐門啟閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真方法。

如圖2所示，已知爐門的相關(guān)尺寸，要求設(shè)計(jì)一鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)作為加熱電爐爐門的啟閉機(jī)構(gòu)。爐門上兩活動(dòng)鉸鏈的中心距為50mm，爐門打開后成水平位置時(shí)，要求爐門溫度較低的一面朝上（如虛線所示），設(shè)固定鉸鏈安裝在yy軸線上，求此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)其余三桿的長度。

通過分析可知，該類問題在連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中屬于剛體引導(dǎo)問題，即要求連桿能占據(jù)一有序系列的預(yù)定位置，機(jī)構(gòu)要能引導(dǎo)連桿按一定方位通過預(yù)定位置。而平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法三種。圖解法直觀，實(shí)驗(yàn)法簡便。隨著計(jì)算機(jī)的普及，解析法成為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向。但圖解法求解過程中已知條件與設(shè)計(jì)量之間清晰的幾何關(guān)系，將為計(jì)算機(jī)求解時(shí)建立數(shù)學(xué)模型提供幫助，因此圖解法在平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍有重要作用，基于此，本文選用圖解法解決該工程問題。

1 基于AutoCAD的爐門啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

AutoCAD是工程設(shè)計(jì)中常用的軟件之一，其繪圖簡單，標(biāo)注方便，功能齊全。以下說明利用AutoCAD設(shè)計(jì)爐門啟閉機(jī)構(gòu)的具體步驟。

設(shè)計(jì)該四桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵問題是在yy軸線上確定安裝固定鉸鏈的具體位置。如圖3所示，設(shè)爐門上兩活動(dòng)鉸鏈的中心分別為B、C，爐門閉合時(shí)兩活動(dòng)鉸鏈的中心分別用B1、C1表示，爐門開啟到水平位置時(shí)兩活動(dòng)鉸鏈的中心用B2、C2表示。根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，連接B1 B2和C1 C2，分別作B1 B2和C1 C2的中垂線m、n，m、n分別與軸線yy交于的交點(diǎn)A、D即兩個(gè)固定鉸鏈的位置。由AutoCAD“標(biāo)注”命令可分別得到各桿的長度，即lAB=67.34mm，lCD=112.09mm，lAD=95.74mm，實(shí)際中可分別取值為：lAB=67mm，lCD=112mm，lAD=96mm。

2 基于SimMechanics的爐門啟閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

SimMechanics是一組可以在Simulink環(huán)境下使用的特殊模塊庫，它可以通過Sensor模塊和Actuator模塊與一般的Simulink模塊相連接，利用牛頓力學(xué)中力和轉(zhuǎn)矩等基本概念，對各種運(yùn)動(dòng)副連接的剛體進(jìn)行建模與仿真，實(shí)現(xiàn)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的目的。

在利用AutoCAD得到各桿的尺寸之后，利用SimMechanics對爐門機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真時(shí)首先利用SimMechanics中的關(guān)節(jié)模塊和剛體模塊搭建爐門機(jī)構(gòu)的仿真模型（如圖4所示），并根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行相應(yīng)模塊的參數(shù)設(shè)置，然后添加驅(qū)動(dòng)，再對仿真過程進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行仿真，即可得到爐門機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫演示（如圖5所示）。此外，還利用XY Graph模塊獲得了連桿中點(diǎn)的軌跡（如圖6所示）。

3 結(jié)論

綜上所述，在設(shè)計(jì)爐門啟閉機(jī)構(gòu)時(shí)，利用AutoCAD作圖，無需進(jìn)行比例換算，而利用標(biāo)注命令可直接得到真實(shí)尺寸，且準(zhǔn)確率高，設(shè)計(jì)效率高。設(shè)計(jì)完成后，在進(jìn)行爐門啟閉機(jī)構(gòu)仿真時(shí)，利用SimMechanics建模，無需編程，只需利用相應(yīng)的模塊進(jìn)行搭建，并進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)置，即可得到機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫演示及相應(yīng)點(diǎn)的軌跡，方便用戶進(jìn)行方案論證和干涉檢驗(yàn)等。

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