基于虛擬仿真技術(shù)的煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝探究

陳思豪，安 磊

（陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寶雞卷煙廠，陜西 寶雞 721006）

煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造是煙草行業(yè)中非常重要的一環(huán)。為了提高煙草煙機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，虛擬仿真技術(shù)被引入模具制造工藝中。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)對(duì)模具設(shè)計(jì)、成型工藝模擬和優(yōu)化以及模具制造過(guò)程的優(yōu)化，可以有效地改善煙草煙機(jī)設(shè)備的制造工藝。本文探究基于虛擬仿真技術(shù)的煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝，通過(guò)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的定義和原理進(jìn)行剖析，以及對(duì)煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造的工藝流程、性能測(cè)試與優(yōu)化等方面的研究，來(lái)探索虛擬仿真技術(shù)在煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造中的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。

1 虛擬仿真技術(shù)

1.1 虛擬仿真技術(shù)的定義

虛擬仿真（Virtual Reality）是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬、模仿和重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的各種場(chǎng)景和過(guò)程，以便在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察和推理的一種技術(shù)。通過(guò)數(shù)字化表示和模擬真實(shí)對(duì)象、系統(tǒng)或環(huán)境的行為、性能和特征，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行互動(dòng)和探索。使用虛擬仿真技術(shù)，用戶可以實(shí)時(shí)觀察和控制仿真系統(tǒng)的行為，獲取準(zhǔn)確的信息和反饋，降低物理實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高效率。從狹義上講，虛擬仿真是指20 世紀(jì)40 年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類試驗(yàn)研究的新技術(shù)；從廣義上來(lái)說(shuō)，虛擬仿真則是在人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的歷程中一直被有效地使用著。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括通過(guò)使用專業(yè)的軟件工具和算法，將真實(shí)世界的場(chǎng)景、物體和角色建模為三維模型的三維建模和渲染技術(shù)。通過(guò)傳感器和追蹤系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤用戶頭部的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的頭部追蹤技術(shù)、實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境中的物體、場(chǎng)景和角色進(jìn)行交互的虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)、利用高性能的計(jì)算和圖形處理單元（GPU）等硬件，加速虛擬環(huán)境的計(jì)算、圖形渲染和物理模擬的圖形處理技術(shù)。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的原理

虛擬仿真技術(shù)首先需要對(duì)要仿真的對(duì)象、系統(tǒng)或環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。涉及選擇合適的數(shù)學(xué)模型和方程，以描述對(duì)象的行為、特性和相互關(guān)系。再基于數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬物理世界的行為和規(guī)律。利用物理學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等科學(xué)原理，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可視化的物理模型。通過(guò)模擬物理過(guò)程，物體的運(yùn)動(dòng)、相互作用和變化，虛擬仿真技術(shù)能夠產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)世界相似的行為和效果。虛擬仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)生成和渲染虛擬環(huán)境中的圖像和動(dòng)畫。通過(guò)幾何建模、紋理映射、光照和陰影處理等呈現(xiàn)富有細(xì)節(jié)和逼真度的虛擬場(chǎng)景和對(duì)象。提供實(shí)時(shí)的交互性能，使用戶能夠?qū)崟r(shí)控制和操縱虛擬環(huán)境中的對(duì)象和系統(tǒng)。通過(guò)與用戶之間的實(shí)時(shí)交互，虛擬仿真技術(shù)能夠根據(jù)用戶的輸入和操作，實(shí)時(shí)更新虛擬環(huán)境中的狀態(tài)和結(jié)果，使用戶能夠觀察和評(píng)估不同方案的效果。

2 煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造的工藝流程

煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝一般涉及設(shè)計(jì)階段、材料選擇、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）加工、精細(xì)加工、組裝和調(diào)試等步驟。在制造模具之前，需要進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行三維建模，并確定模具的形狀、尺寸和功能需求。根據(jù)煙機(jī)設(shè)備的要求，選擇適當(dāng)材料來(lái)制造模具。通常情況下，根據(jù)模具的需求來(lái)進(jìn)行材料的選擇，同時(shí)考慮到材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。一旦設(shè)計(jì)完成并確定材料，接下來(lái)需要使用計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）加工設(shè)備進(jìn)行加工。CNC 加工設(shè)備可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)化的精密切割、開(kāi)孔、銑削、車削等操作。再通過(guò)不同的精細(xì)加工工藝來(lái)完善模具的細(xì)節(jié)和幾何形狀進(jìn)行組裝和調(diào)試。

3 模具制造工藝中的表面處理與熱處理

3.1 模具制造工藝中的表面處理

表面處理是通過(guò)對(duì)模具表面進(jìn)行物理、化學(xué)或機(jī)械處理，可以改善其外觀和使用壽命。表面處理的選擇和方法取決于模具的用途、材料和需求。表面處理在模具制造工藝中可以提高表面質(zhì)量，通過(guò)表面處理可以去除模具表面的氧化層、污染物和毛刺，使其在模具表面形成一層具有耐蝕性的涂層或氧化層，提高模具的抗腐蝕性能。再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砜梢孕纬蓤?jiān)硬的涂層或增加材料的硬度，并增加模具表面的粗糙度，來(lái)提高涂層、油漆或粘結(jié)材料與模具表面的附著力。表面處理方法有酸洗處理、電鍍處理、拋光處理、拋光處理等。酸洗是通過(guò)采用酸性溶液，將模具浸泡或噴灑在酸液中，去除模具表面的氧化物、油污和雜質(zhì)。常用的酸洗溶液有酸性清洗劑、硫酸、鹽酸等。電鍍是通過(guò)電沉積的方式，在模具表面鍍上一層鉻、鎳、鋅等金屬涂層，可以提高模具的耐腐蝕性、抗磨損性和表面硬度，同時(shí)也能改善模具的外觀質(zhì)量[1]。拋光是通過(guò)機(jī)械、化學(xué)或電解等方法對(duì)模具表面進(jìn)行處理，提高其光潔度、平整度和光學(xué)性能，可以去除表面的粗糙度、毛刺和氧化層，使模具表面更光滑。噴砂是通過(guò)高速噴射顆粒狀物料對(duì)模具表面進(jìn)行沖擊，可以去除表面的氧化層、污垢和毛刺，增加表面粗糙度來(lái)提高模具的附著力和耐磨性。

3.2 模具制造工藝中的熱處理

模具制造工藝中的熱處理是對(duì)模具材料進(jìn)行加熱和冷卻的過(guò)程，通過(guò)改變材料的組織結(jié)構(gòu)來(lái)提高模具的硬度、強(qiáng)度、耐磨性等。熱處理有淬火、回火、然火、等溫淬火等方法。淬火是將模具材料加熱到適當(dāng)溫度，然后迅速冷卻，使其達(dá)到良好的硬度和強(qiáng)度。在淬火后，將模具材料加熱到一定溫度，保持一段時(shí)間后冷卻。在淬火后，將模具材料再次加熱到適當(dāng)溫度，保持一段時(shí)間后迅速冷卻[2]。還有一些退火、固溶處理、冷處理等特殊的熱處理方法，可根據(jù)具體情況選用。

4 虛擬仿真技術(shù)在煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造中的用途

虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）建立模型和模擬真實(shí)的工藝過(guò)程，模擬煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造過(guò)程中的各種場(chǎng)景和情況。建立虛擬模型和設(shè)定相關(guān)參數(shù)，可以模擬模具的裝配、加工、成型、調(diào)試等工藝過(guò)程。通過(guò)模擬真實(shí)的工藝過(guò)程，評(píng)估不同參數(shù)、工藝條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等的影響，以及尋找優(yōu)化方案和改進(jìn)設(shè)計(jì)的可能性。虛擬仿真還可以通過(guò)數(shù)值分析軟件ANSYS、ABAQUS 等數(shù)據(jù)分析和建立模型，預(yù)測(cè)設(shè)備的故障發(fā)生概率和維護(hù)需求。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，可以建立故障預(yù)測(cè)模型，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和特征數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障和維護(hù)需求。這有助于制造企業(yè)進(jìn)行故障預(yù)防和維護(hù)計(jì)劃的制定，避免設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)造成的損失和停機(jī)時(shí)間。虛擬仿真技術(shù)對(duì)煙草煙機(jī)設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化可以使機(jī)器高效穩(wěn)定地運(yùn)行。性能測(cè)試有風(fēng)量測(cè)試、噪聲測(cè)試、能耗測(cè)試、過(guò)濾效率測(cè)試、控制系統(tǒng)測(cè)試等。通過(guò)量測(cè)儀器進(jìn)行定量分析，測(cè)試煙草煙機(jī)設(shè)備的煙氣排放情況，檢測(cè)CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、煙塵等有害物質(zhì)的排放濃度[3]。通過(guò)定期測(cè)試，保證煙氣排放符合國(guó)家和行業(yè)規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 虛擬仿真技術(shù)在煙葉制絲設(shè)備中的應(yīng)用

煙葉制絲設(shè)備是一種用于將煙葉加工成煙絲的機(jī)械設(shè)備，其主要功能是將煙葉經(jīng)過(guò)處理、切割、烘干等工藝步驟，制成適合卷煙生產(chǎn)的細(xì)長(zhǎng)煙絲。通常由煙葉處理部分、制絲工藝部分、過(guò)濾處理部分、包裝部分等。通過(guò)煙葉的解析、破碎和配比實(shí)現(xiàn)煙葉的去雜、破碎和均勻混合，再控制煙葉處理后的溫濕度、切割煙葉成絲、干燥煙絲、增加煙絲的口感等步驟可以將煙葉加工為連續(xù)的煙絲。裝填濾嘴絲、滾動(dòng)和切割煙絲對(duì)煙絲進(jìn)行過(guò)濾處理，去除其中的雜質(zhì)、有害物質(zhì)和異味。制絲生產(chǎn)是提高卷煙質(zhì)量，增加生產(chǎn)效益的瓶頸環(huán)節(jié)，而制絲設(shè)備則是實(shí)現(xiàn)滿足煙絲質(zhì)量要求的關(guān)鍵。制絲工藝的主要設(shè)備有：切絲機(jī)（將煙草葉片切成細(xì)絲的關(guān)鍵設(shè)備）、真空回潮機(jī)、膨脹絲機(jī)、篩砂潤(rùn)葉機(jī)、配料機(jī)、打葉風(fēng)分機(jī)組、化學(xué)處理設(shè)備、傳送帶和輸送系統(tǒng)、梗絲風(fēng)選除雜器、加香機(jī)、潤(rùn)葉機(jī)、潤(rùn)梗機(jī)、組合機(jī)、壓梗機(jī)、切梗絲機(jī)、切葉絲機(jī)、烘絲機(jī)、梗絲膨化塔、加香機(jī)、加料機(jī)、貯葉柜等。虛擬仿真技術(shù)在煙葉制絲設(shè)備中的應(yīng)用可以幫助優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率，并提供培訓(xùn)和故障排除的虛擬環(huán)境[4]。通過(guò)MATLAB/Simulink、LabVIEW 等模擬煙葉制絲設(shè)備的工作過(guò)程和運(yùn)行參數(shù)，可幫助工程師進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)。在虛擬環(huán)境中測(cè)試不同的參數(shù)和設(shè)備布局，可減少實(shí)際設(shè)備設(shè)計(jì)和改造的成本和時(shí)間，幫助優(yōu)化煙葉制絲設(shè)備的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可以模擬設(shè)備模具制造的工藝過(guò)程和操作環(huán)境。操作人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配模具、調(diào)整工藝參數(shù)、操作機(jī)械設(shè)備等各種操作練習(xí)。模擬真實(shí)的物理行為和反饋，讓操作人員可以實(shí)時(shí)觀察和互動(dòng)，感受真實(shí)的操作場(chǎng)景。記錄和分析操作人員的操作過(guò)程和結(jié)果，給予實(shí)時(shí)的反饋。通過(guò)反復(fù)的訓(xùn)練和練習(xí)，操作人員可以逐漸掌握操作技能，提高工作效率和質(zhì)量。

6 虛擬仿真技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)化和改進(jìn)

虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)建立幾何模型，創(chuàng)建出可視化的模具設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種分析和測(cè)試，使用有限元分析（FEA）技術(shù)可以預(yù)測(cè)和分析模具在加載條件下的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，優(yōu)化模具的強(qiáng)度和剛度，并避免出現(xiàn)裂紋和變形等問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)可以模擬和優(yōu)化模具的注塑工藝，以改進(jìn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在計(jì)算機(jī)中模擬注塑過(guò)程中的塑料流動(dòng)、充填和冷卻，可以預(yù)測(cè)和避免氣泡、翹曲、縮水等常見(jiàn)的問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)還可以優(yōu)化溫度、壓力、注射速度等注塑工藝參數(shù)，提高注塑過(guò)程的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)模具的形狀和尺寸，使用CAD 軟件或其他虛擬建模工具，創(chuàng)建出與實(shí)際模具空腔相符合的三維模型。虛擬仿真技術(shù)還用于模具的故障診斷和改進(jìn)。通過(guò)建立模具的虛擬模型，模擬和分析模具的卡死、沖擊、磨損等各種故障情況。在模具中集成溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模具的工作狀態(tài)和參數(shù)，有助于及時(shí)檢測(cè)和解決模具制造過(guò)程中溫度過(guò)高、壓力異常等問(wèn)題。采集和分析模具中的振動(dòng)、聲音、溫度等數(shù)據(jù)，評(píng)估模具的健康狀況，并預(yù)測(cè)潛在的故障和損壞。這有助于及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，延長(zhǎng)模具的使用壽命，并減少生產(chǎn)中的停機(jī)時(shí)間和成本[5]。

7 虛擬仿真技術(shù)在煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝中的發(fā)展前景

虛擬仿真技術(shù)在煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝中有很大的發(fā)展?jié)摿颓熬?。煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝向可視化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建模具的三維模型，并使用虛擬仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析和優(yōu)化，建立數(shù)字孿生模型，將模具的幾何特征和加工參數(shù)與虛擬仿真相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的全程監(jiān)控和控制，設(shè)計(jì)師可以直觀地了解模具的結(jié)構(gòu)和功能特性，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣可以減少實(shí)際試錯(cuò)的數(shù)量和成本，提高模具設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。模擬模具的制造流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造。通過(guò)采集和分析模具制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化模具的制造方案和工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模具制造的智能化和自動(dòng)化。建立數(shù)據(jù)模型和算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具制造過(guò)程中的故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)，提高故障處理和維修的效率[6]。隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。使模具制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)獲取、處理和分析與人工智能相結(jié)合。對(duì)大量模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，提高模具設(shè)計(jì)和制造的智能化水平。深度學(xué)習(xí)算法可以實(shí)現(xiàn)模具的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的自動(dòng)調(diào)整，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝提供直觀、沉浸式的操作界面。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化，操作人員可以直接在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中模擬和調(diào)整模具制造工藝，提高設(shè)計(jì)和制造的效率。

8 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)在煙葉制絲設(shè)備中的應(yīng)用表現(xiàn)出了巨大的潛力。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以模擬和優(yōu)化制絲工藝，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本文深入探究了基于虛擬仿真技術(shù)的煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造工藝，對(duì)虛擬仿真技術(shù)的原理、煙草煙機(jī)設(shè)備模具制造的工藝流程、性能測(cè)試與優(yōu)化以及虛擬仿真技術(shù)在煙葉制絲設(shè)備中的應(yīng)用和模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)化和改進(jìn)進(jìn)行了研究。