陳思豪，安 磊

（陜西中煙工業(yè)有限責任公司寶雞卷煙廠，陜西 寶雞 721006）

煙草煙機設備模具制造是煙草行業(yè)中非常重要的一環(huán)。為了提高煙草煙機設備的生產(chǎn)效率和質量，虛擬仿真技術被引入模具制造工藝中。虛擬仿真技術通過對模具設計、成型工藝模擬和優(yōu)化以及模具制造過程的優(yōu)化，可以有效地改善煙草煙機設備的制造工藝。本文探究基于虛擬仿真技術的煙草煙機設備模具制造工藝，通過對虛擬仿真技術的定義和原理進行剖析，以及對煙草煙機設備模具制造的工藝流程、性能測試與優(yōu)化等方面的研究，來探索虛擬仿真技術在煙草煙機設備模具制造中的應用和優(yōu)勢。

1 虛擬仿真技術

1.1 虛擬仿真技術的定義

虛擬仿真（Virtual Reality）是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術。虛擬仿真技術是指利用計算機技術和相關的數(shù)學模型，通過模擬、模仿和重現(xiàn)現(xiàn)實世界中的各種場景和過程，以便在虛擬環(huán)境中進行實驗、觀察和推理的一種技術。通過數(shù)字化表示和模擬真實對象、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)境中進行互動和探索。使用虛擬仿真技術，用戶可以實時觀察和控制仿真系統(tǒng)的行為，獲取準確的信息和反饋，降低物理實驗成本和風險，提高效率。從狹義上講，虛擬仿真是指20 世紀40 年代伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一類試驗研究的新技術；從廣義上來說，虛擬仿真則是在人類認識自然界客觀規(guī)律的歷程中一直被有效地使用著。虛擬現(xiàn)實技術包括通過使用專業(yè)的軟件工具和算法，將真實世界的場景、物體和角色建模為三維模型的三維建模和渲染技術。通過傳感器和追蹤系統(tǒng)，實時跟蹤用戶頭部的運動和姿態(tài)的頭部追蹤技術、實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境中的物體、場景和角色進行交互的虛擬現(xiàn)實交互技術、利用高性能的計算和圖形處理單元（GPU）等硬件，加速虛擬環(huán)境的計算、圖形渲染和物理模擬的圖形處理技術。

1.2 虛擬仿真技術的原理

虛擬仿真技術首先需要對要仿真的對象、系統(tǒng)或環(huán)境進行數(shù)學建模。涉及選擇合適的數(shù)學模型和方程，以描述對象的行為、特性和相互關系。再基于數(shù)學模型來模擬物理世界的行為和規(guī)律。利用物理學、力學、光學等科學原理，將數(shù)學模型轉化為可視化的物理模型。通過模擬物理過程，物體的運動、相互作用和變化，虛擬仿真技術能夠產(chǎn)生與現(xiàn)實世界相似的行為和效果。虛擬仿真技術利用計算機圖形學來生成和渲染虛擬環(huán)境中的圖像和動畫。通過幾何建模、紋理映射、光照和陰影處理等呈現(xiàn)富有細節(jié)和逼真度的虛擬場景和對象。提供實時的交互性能，使用戶能夠實時控制和操縱虛擬環(huán)境中的對象和系統(tǒng)。通過與用戶之間的實時交互，虛擬仿真技術能夠根據(jù)用戶的輸入和操作，實時更新虛擬環(huán)境中的狀態(tài)和結果，使用戶能夠觀察和評估不同方案的效果。

2 煙草煙機設備模具制造的工藝流程

煙機設備模具制造工藝一般涉及設計階段、材料選擇、計算機數(shù)控（CNC）加工、精細加工、組裝和調試等步驟。在制造模具之前，需要進行模具的設計，設計人員使用計算機輔助設計（CAD）軟件進行三維建模，并確定模具的形狀、尺寸和功能需求。根據(jù)煙機設備的要求，選擇適當材料來制造模具。通常情況下，根據(jù)模具的需求來進行材料的選擇，同時考慮到材料的強度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性。一旦設計完成并確定材料，接下來需要使用計算機數(shù)控（CNC）加工設備進行加工。CNC 加工設備可以根據(jù)預先設定的程序進行自動化的精密切割、開孔、銑削、車削等操作。再通過不同的精細加工工藝來完善模具的細節(jié)和幾何形狀進行組裝和調試。

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

表面處理是通過對模具表面進行物理、化學或機械處理，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量，通過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)過適當?shù)奶幚砜梢孕纬蓤杂驳耐繉踊蛟黾硬牧系挠捕?，并增加模具表面的粗糙度，來提高涂層、油漆或粘結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。常用的酸洗溶液有酸性清洗劑、硫酸、鹽酸等。電鍍是通過電沉積的方式，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，同時也能改善模具的外觀質量[1]。拋光是通過機械、化學或電解等方法對模具表面進行處理，提高其光潔度、平整度和光學性能，可以去除表面的粗糙度、毛刺和氧化層，使模具表面更光滑。噴砂是通過高速噴射顆粒狀物料對模具表面進行沖擊，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模具材料進行加熱和冷卻的過程，通過改變材料的組織結構來提高模具的硬度、強度、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溫度，然后迅速冷卻，使其達到良好的硬度和強度。在淬火后，將模具材料加熱到一定溫度，保持一段時間后冷卻。在淬火后，將模具材料再次加熱到適當溫度，保持一段時間后迅速冷卻[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 虛擬仿真技術在煙草煙機設備模具制造中的用途

虛擬仿真技術可以通過計算機輔助設計軟件（CAD）建立模型和模擬真實的工藝過程，模擬煙草煙機設備模具制造過程中的各種場景和情況。建立虛擬模型和設定相關參數(shù)，可以模擬模具的裝配、加工、成型、調試等工藝過程。通過模擬真實的工藝過程，評估不同參數(shù)、工藝條件對產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率等的影響，以及尋找優(yōu)化方案和改進設計的可能性。虛擬仿真還可以通過數(shù)值分析軟件ANSYS、ABAQUS 等數(shù)據(jù)分析和建立模型，預測設備的故障發(fā)生概率和維護需求。通過對設備運行數(shù)據(jù)的采集和分析，可以建立故障預測模型，根據(jù)設備的運行狀態(tài)和特征數(shù)據(jù)，預測設備可能出現(xiàn)的故障和維護需求。這有助于制造企業(yè)進行故障預防和維護計劃的制定，避免設備故障對生產(chǎn)造成的損失和停機時間。虛擬仿真技術對煙草煙機設備進行性能測試和優(yōu)化可以使機器高效穩(wěn)定地運行。性能測試有風量測試、噪聲測試、能耗測試、過濾效率測試、控制系統(tǒng)測試等。通過量測儀器進行定量分析，測試煙草煙機設備的煙氣排放情況，檢測CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、煙塵等有害物質的排放濃度[3]。通過定期測試，保證煙氣排放符合國家和行業(yè)規(guī)定的相關標準。

5 虛擬仿真技術在煙葉制絲設備中的應用

煙葉制絲設備是一種用于將煙葉加工成煙絲的機械設備，其主要功能是將煙葉經(jīng)過處理、切割、烘干等工藝步驟，制成適合卷煙生產(chǎn)的細長煙絲。通常由煙葉處理部分、制絲工藝部分、過濾處理部分、包裝部分等。通過煙葉的解析、破碎和配比實現(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、滾動和切割煙絲對煙絲進行過濾處理，去除其中的雜質、有害物質和異味。制絲生產(chǎn)是提高卷煙質量，增加生產(chǎn)效益的瓶頸環(huán)節(jié)，而制絲設備則是實現(xiàn)滿足煙絲質量要求的關鍵。制絲工藝的主要設備有：切絲機（將煙草葉片切成細絲的關鍵設備）、真空回潮機、膨脹絲機、篩砂潤葉機、配料機、打葉風分機組、化學處理設備、傳送帶和輸送系統(tǒng)、梗絲風選除雜器、加香機、潤葉機、潤梗機、組合機、壓梗機、切梗絲機、切葉絲機、烘絲機、梗絲膨化塔、加香機、加料機、貯葉柜等。虛擬仿真技術在煙葉制絲設備中的應用可以幫助優(yōu)化設備設計、提高生產(chǎn)效率，并提供培訓和故障排除的虛擬環(huán)境[4]。通過MATLAB/Simulink、LabVIEW 等模擬煙葉制絲設備的工作過程和運行參數(shù)，可幫助工程師進行設備優(yōu)化設計。在虛擬環(huán)境中測試不同的參數(shù)和設備布局，可減少實際設備設計和改造的成本和時間，幫助優(yōu)化煙葉制絲設備的生產(chǎn)流程和工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。通過虛擬仿真技術可以模擬設備模具制造的工藝過程和操作環(huán)境。操作人員可以在虛擬環(huán)境中進行裝配模具、調整工藝參數(shù)、操作機械設備等各種操作練習。模擬真實的物理行為和反饋，讓操作人員可以實時觀察和互動，感受真實的操作場景。記錄和分析操作人員的操作過程和結果，給予實時的反饋。通過反復的訓練和練習，操作人員可以逐漸掌握操作技能，提高工作效率和質量。

6 虛擬仿真技術在模具設計中的優(yōu)化和改進

虛擬仿真技術可以通過建立幾何模型，創(chuàng)建出可視化的模具設計。在計算機中進行各種分析和測試，使用有限元分析（FEA）技術可以預測和分析模具在加載條件下的結構和應力分布，優(yōu)化模具的強度和剛度，并避免出現(xiàn)裂紋和變形等問題。虛擬仿真技術可以模擬和優(yōu)化模具的注塑工藝，以改進生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。在計算機中模擬注塑過程中的塑料流動、充填和冷卻，可以預測和避免氣泡、翹曲、縮水等常見的問題。虛擬仿真技術還可以優(yōu)化溫度、壓力、注射速度等注塑工藝參數(shù)，提高注塑過程的穩(wěn)定性。設計師可以根據(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)建出與實際模具空腔相符合的三維模型。虛擬仿真技術還用于模具的故障診斷和改進。通過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，實時監(jiān)測模具的工作狀態(tài)和參數(shù)，有助于及時檢測和解決模具制造過程中溫度過高、壓力異常等問題。采集和分析模具中的振動、聲音、溫度等數(shù)據(jù)，評估模具的健康狀況，并預測潛在的故障和損壞。這有助于及時進行維護和保養(yǎng)，延長模具的使用壽命，并減少生產(chǎn)中的停機時間和成本[5]。

7 虛擬仿真技術在煙草煙機設備模具制造工藝中的發(fā)展前景

虛擬仿真技術在煙草煙機設備模具制造工藝中有很大的發(fā)展?jié)摿颓熬?。煙草煙機設備模具制造工藝向可視化設計方向發(fā)展。在計算機中構建模具的三維模型，并使用虛擬仿真技術對其進行分析和優(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)與虛擬仿真相結合，可以實現(xiàn)對加工過程的全程監(jiān)控和控制，設計師可以直觀地了解模具的結構和功能特性，并通過模擬實驗進行優(yōu)化設計。這樣可以減少實際試錯的數(shù)量和成本，提高模具設計的效率和準確性。模擬模具的制造流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的煙草煙機設備模具制造。通過采集和分析模具制造過程中的數(shù)據(jù)，優(yōu)化模具的制造方案和工藝參數(shù)，實現(xiàn)模具制造的智能化和自動化。建立數(shù)據(jù)模型和算法，實現(xiàn)對模具制造過程中的故障檢測和預測，提高故障處理和維修的效率[6]。隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，虛擬仿真技術可以通過云平臺實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲和處理。使模具制造過程中的數(shù)據(jù)獲取、處理和分析與人工智能相結合。對大量模擬數(shù)據(jù)的訓練和學習，提高模具設計和制造的智能化水平。深度學習算法可以實現(xiàn)模具的自動優(yōu)化設計和制造過程的自動調整，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術可以為煙草煙機設備模具制造工藝提供直觀、沉浸式的操作界面。在虛擬環(huán)境中進行模具設計和優(yōu)化，操作人員可以直接在現(xiàn)實環(huán)境中模擬和調整模具制造工藝，提高設計和制造的效率。

8 結論

虛擬仿真技術在煙葉制絲設備中的應用表現(xiàn)出了巨大的潛力。通過虛擬仿真技術，可以模擬和優(yōu)化制絲工藝，提高生產(chǎn)效率和質量。本文深入探究了基于虛擬仿真技術的煙草煙機設備模具制造工藝，對虛擬仿真技術的原理、煙草煙機設備模具制造的工藝流程、性能測試與優(yōu)化以及虛擬仿真技術在煙葉制絲設備中的應用和模具設計中的優(yōu)化和改進進行了研究。