用于超声波切割设备的刀头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于超声波切割设备的刀头以及一种具有该刀头的超声波切割设备。
【背景技术】
[0002]超声波切割设备原则上是众所周知的。它们例如用于裁截下料纤维复合材料的半成品。其中，要对特别是在三个维度上复杂几何形状的纤维复合半成品在其边缘处进行裁截下料。这种裁切经常是通过具有机械手机构的超声波切割设备予以实施。这样的机械手机构、特别是机械手臂可以设计为例如能够围绕多达六个轴运动。为了实施裁切过程，在这种机械手臂的端部上典型地设置有刀头。
[0003]在已知的超声波切割设备中，其缺点是:必须通过超声波切割设备实施非常烦琐的刀头运动过程/运动变化曲线。例如，如果设置有一机械手臂，则在复杂几何形状的情况下必须实施非常大量的、绕来绕去的(weitschleifend)切割运动。由此在设立这种超声波切割设备时便导致很高的空间需求。在此，不利之处还包括:超声波切割设备的在空间上大幅度延展的运动必要性伴随着相对较高的时间需求。而在对半成品(例如形式上为纤维复合半成品)实施切割过程时用于刀头跟踪的时间花费对于整个时间需求来说是决定性的。因此，高的运动需求以及由此增大的时间需求导致了实施裁切时周期时间的延长。此外，由于对超声波切割设备机械手臂的很高的运动需求还会达到各个铰接部的高负荷以及用于沿着机械手臂供应介质的软管组件的高磨损。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，至少部分地消除前述缺点。特别是，本发明的目的在于，提供一种用于超声波切割设备的刀头以及一种这样的超声波切割设备，它们能够以经济而简单的方式降低空间需求和/或缩短用于裁切纤维复合半成品的加工时间。
[0005]上述目的通过具有权利要求1所述特征的刀头以及具有权利要求11所述特征的超声波切割设备得以实现。本发明的其他特征和细节可由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合本发明的刀头所说明的特征和细节当然结合本发明的超声波切割设备也是适用的，反之亦然，因而关于各发明方面的公开内容总是可以相互引用。
[0006]本发明的用于超声波切割设备的刀头具有包括切割刀具和声学作用极(Sonotrode)的超声波系统。本发明的刀头的特征在于，超声波系统围绕一旋转轴线可旋转地支承。
[0007]在此，优选所述超声波切割设备是按已知型式设计的。刀头例如可以设置在该超声波切割设备的机械手臂的一个端部上。同时超声波系统本身同样以已知方式构造。这样，它设置有一个切割刀具和一个声学作用极，它们共同实施裁切。在此，切割刀具本身具有至少一个切割刃，该切割刃直接执行裁切。为了延长切割刀具的切割刃的耐久性以及同时提高切割过程的速度，该切割刀具与声学作用极是固定连接的。声学作用极构造为用于在切割刀具上和在其自身上产生高频振动。换言之，通过声学作用极的高频振动同样使切割刀具振动。因此在切割刀具的切割刃上产生处于微米范围内的切割运动或者说锯切运动。如果现在配有该刀头的超声波系统的这种切割刀具为裁切纤维复合半成品而沿着其边缘运动，则能够以高使用寿命以及高速度实施边缘裁切。
[0008]然而，与已知的刀头相比，在本发明的刀头中超声波系统是围绕一旋转轴线可旋转地支承的。这意味着:超声波系统以及因此特别是切割刀具的切割刃能够进行一种特别是主动的旋转。由于切割刀具的切割刃的旋转，可以至少部分地通过超声波系统的旋转进行对即使很复杂的几何形状的跟踪。只要至少部分地通过超声波系统的旋转实现了对于复杂几何形状的跟踪，就足以相应地减少通过超声波切割设备的机械手臂实施的跟踪。
[0009]可以概括地说:利用本发明的刀头能够通过超声波系统的旋转提供在边缘裁切期间切割刀具的必要运动的至少一部分。与此相应地便减少了对于超声波切割设备的机械手臂的必要的运动需求的这一部分。那就是说，切割刃的必要的运动分成由超声波系统的旋转实施的运动和由超声波切割设备或者机械手臂实施的运动。相应地明显减少了在超声波切割设备的机械手臂方面的必要的运动需求。另一个优点是下述事实:由于刀具的可旋转性和对称的切割刃几何形状，该刀具在每次切割后可以旋转，以便实现切割刃的均匀磨损。这一点导致提高刀具的使用寿命。
[0010]通过减少超声波切割设备的机械手臂的运动必要性，还减少了必要的空间需求。通过减少运动还相应地缩短了加工时间，因为可以在更短的时间内实施机械手臂的必要的运动。在此，需要指出的是:与超声波切割设备的相应运动相比，超声波系统本身的旋转运动由于刀头的紧凑尺寸之故而可以明显更快地并且特别是节省空间地实施。通过本发明的刀头，便能够相应地缩短周期时间并且特别是还同时能够减少用于超声波切割设备的必要的结构空间。
[0011]在对超声波系统的旋转支承中，特别是对切割刀具和其切割刃的旋转支承是重要的。然而由于为了将高频振动从声学作用极传递到切割刀具上，切割刀具与声学作用极通常是相互固定地连接在一起的，优选整个超声波系统能够围绕旋转轴线可旋转地支承。这样进一步降低了机械手臂的必要的运动的复杂性。
[0012]在此，切割刀具可以具有一个或者多个切割刃。为了进一步增强超声波系统的旋转运动的效果，优选切割刃中的至少一个相对旋转轴线成锐角设置。
[0013]当然，刀头可以设计有一个机械的接口或者一个不同构造的接口，以便由超声波切割设备夹持或者说固定在其上。这样的接口例如可以是机械的标准接口，使得刀头可以由标准机械手臂夹持。在此，超声波切割设备优选设置有至少一个机械手设备或者说机械手臂。
[0014]作为用于超声波系统的激发措施，特别是设定在约20kHz的范围内的频率。超声波系统的支承优选以可旋转方式设置在刀头的壳体内部或者平台系统(Plattensystem)内部。在此可以使用各种极其不同的支承系统或者支承件，正如后文还将阐述的那样。在此，围绕旋转轴线的可旋转性不必非得是随意的或者说自由的。更确切地说，如果具有围绕±180°的可旋转性或甚至更小就可能足够了。然而也可以考虑围绕基本上完全360°的可旋转性。特别是考虑到超声波系统的必要的介质供应(特别是供电)，处于预先定义的旋转范围内的减少的可旋转性可以带来一些优点。因此超声波系统的回转轴或者说旋转轴线构成一个附加的旋转轴线。如果超声波切割设备具有一种包括通常多达六个回转轴的机械手臂，那么超声波系统的该旋转轴线可以说附加地构成了第七回转轴。
[0015]本发明的刀头可以如下地发展设计:所述超声波系统具有用于将电振动转换成机械振动的助动器(Booster)。该助动器用于将例如由发生器所产生的电振动转换为声学作用极上的必要的机械振动。由此，所述助动器优选同样是超声波系统的组成部分，因而该助动器能够随同声学作用极和切割刀具一起围绕旋转轴线运动。所述助动器例如可以具有一个压电系统，该压电系统能够将输入的电振动转换成所期望的机械振动。在此，发生器优选构造成与刀头分离。特别是，所述发生器甚至可以设置为与超声波切割设备分离并且例如对于大量不同的超声波切割设备作为发生器提供使用。由助动器以机械方式所产生的振动在此优选处在声学作用极和/或切割刀具的固有频率的范围内。这样进一步提高了产生的频率幅度，因而能够以所期望的方式在提高切割刀具使用寿命的同时实现对切割过程的改进。
[0016]同样可能有益的是:在本发明的刀头中，切割刀具具有至少两个切割刃，所述切割刃相对旋转轴线成锐角设置。切割刀具设有至少两个切割刃可以说就是至少使切割刃数量翻倍。这些切割刃优选以不同角度相对旋转轴线成锐角定向调准。因此可以进一步提高切割刀具在使用中的灵活性。特别是可以减少围绕旋转轴线的必要的运动，使得例如在±90°的范围内的自由的可旋转性便已足够。这样，根据超声波系统的旋转位置和切割刃的实时的必要定位，既可以使用两切割刃中的一个也可以使用另一个。不过，在本发明的意义下当然也可以考虑两个以上、例如三个或者更多的切割刃。
[0017]同样可能有益的是:在前一段落所述的本发明的刀头中，切割刀具构造成三角形的形状，特别是等腰三角形的形状。这就降低了在制造本发明的切割刀具时的成本费用以及复杂性。如果切割刀具构造成等腰三角形的形状，那么优选两个相等的腰共同构成两个切割刃。对称的构造设计能够使切割刀具特别简单以及特别是基本上完美无误地应用在声学作用极上。因此便降低了在对本发明的刀头进行修理或保养时的出错率。
[0018]若在本发明的刀头中，在两个切割刃之间的尖端位于或者基本上位于旋转轴线上，则又实现了进一步的优点。由此同样实现了本发明刀头的复杂性的降低。特别是能够以相同方式将机械振动传送到刀头的两个切割刃上。由此，在对切割过程调整时不必再区别两个切