基于AutoCAD和SimMechanics的炉门启闭机构设计与仿真

杨银烁+王增胜+杨汉嵩+马小玲��

摘 要：分析了加热炉炉门启闭机构的设计方法，举例说明了利用AutoCAD进行炉门启闭机构设计的具体步骤，并通过SimMechanics对其进行仿真，得到了机构的动态过程及连杆中点的轨迹，验证了设计方案的可行性，对同类机构的设计具有一定的参考价值。

关键词：AutoCAD；SimMechanics；炉门启闭机构；设计；仿真

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.27.091

实验电炉（如图1所示）是大专院校、工况企业等实验和小批量生产经常使用的设备之一，电炉炉门具有隔热、保温、确保安全的作用，而炉门启闭机构是电炉设计的重要组成部分。本文将通过实例，基于AutoCAD和SimMechanics分析炉门启闭机构的设计和仿真方法。

如图2所示，已知炉门的相关尺寸，要求设计一铰链四杆机构作为加热电炉炉门的启闭机构。炉门上两活动铰链的中心距为50mm，炉门打开后成水平位置时，要求炉门温度较低的一面朝上（如虚线所示），设固定铰链安装在yy轴线上，求此铰链四杆机构其余三杆的长度。

通过分析可知，该类问题在连杆机构设计理论中属于刚体引导问题，即要求连杆能占据一有序系列的预定位置，机构要能引导连杆按一定方位通过预定位置。而平面连杆机构的设计方法有图解法、解析法和实验法三种。图解法直观，实验法简便。随着计算机的普及，解析法成为机构设计方法的发展方向。但图解法求解过程中已知条件与设计量之间清晰的几何关系，将为计算机求解时建立数学模型提供帮助，因此图解法在平面四杆机构设计中仍有重要作用，基于此，本文选用图解法解决该工程问题。

1 基于AutoCAD的炉门启闭机构设计

AutoCAD是工程设计中常用的软件之一，其绘图简单，标注方便，功能齐全。以下说明利用AutoCAD设计炉门启闭机构的具体步骤。

设计该四杆机构的关键问题是在yy轴线上确定安装固定铰链的具体位置。如图3所示，设炉门上两活动铰链的中心分别为B、C，炉门闭合时两活动铰链的中心分别用B1、C1表示，炉门开启到水平位置时两活动铰链的中心用B2、C2表示。根据四杆机构的运动特点，连接B1 B2和C1 C2，分别作B1 B2和C1 C2的中垂线m、n，m、n分别与轴线yy交于的交点A、D即两个固定铰链的位置。由AutoCAD“标注”命令可分别得到各杆的长度，即lAB=67.34mm，lCD=112.09mm，lAD=95.74mm，实际中可分别取值为：lAB=67mm，lCD=112mm，lAD=96mm。

2 基于SimMechanics的炉门启闭机构运动仿真

SimMechanics是一组可以在Simulink环境下使用的特殊模块库，它可以通过Sensor模块和Actuator模块与一般的Simulink模块相连接，利用牛顿力学中力和转矩等基本概念，对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，实现与机构系统进行分析设计的目的。

在利用AutoCAD得到各杆的尺寸之后，利用SimMechanics对炉门机构进行运动仿真。仿真时首先利用SimMechanics中的关节模块和刚体模块搭建炉门机构的仿真模型（如图4所示），并根据设计尺寸进行相应模块的参数设置，然后添加驱动，再对仿真过程进行设置，最后进行仿真，即可得到炉门机构的动画演示（如图5所示）。此外，还利用XY Graph模块获得了连杆中点的轨迹（如图6所示）。

3 结论

综上所述，在设计炉门启闭机构时，利用AutoCAD作图，无需进行比例换算，而利用标注命令可直接得到真实尺寸，且准确率高，设计效率高。设计完成后，在进行炉门启闭机构仿真时，利用SimMechanics建模，无需编程，只需利用相应的模块进行搭建，并进行简单的参数设置，即可得到机构的动画演示及相应点的轨迹，方便用户进行方案论证和干涉检验等。

参考文献

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[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006，（5）.

[3]鮑莉.机械设计基础[M].郑州：河南科技出版社，2010，（9）.