专利名称：用于切割食品的装置和方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1前序的用于切割食品的装置。
由EP-A-0 614 733了解了这种类型的装置。该现有技术文献描述了有一对切割装置(超声刀片)，该装置通过能同时运行的杆件和曲柄机构而被驱动，以便随着在一输送装置上输送的食品运动。
这种解决方案构成了一些常规解决方案的一实施例，其解决方案是用来在食品制造厂中用于切割食品。但是，这种装置的操作要求和类型事实上是有很大变化的。
在上述情况下，食品的自动切割必须重视一系列因素，这些因素已构成了日益变得更为重要的条件。
首先，这些工厂的生产能力及因此所必须完成的切割生产率，往往会连续增加。
第二，所需处理的食品常常容易损坏，并且不能经受非常强烈的加工，这种强烈加工将会损坏食品和/或会产生弄赃厂房的碎粒、碎屑及粉粒。
第三、在食品不是由单一食品物质构成而是由相互不同食品材料的组合物构成的情况下，很多食品具有固有的非均匀性特性，所以必须考虑，例如填充和/或层状这样的食品。
本发明的目的是提供一种装置，该装置能够以极好的方式满足上述所有要求。
根据本发明，其发明目的是通过具有在权利要求1中所要保护的特征的装置来实现的。对本发明的有益改进形成了权利要求2至5的主题。本发明还涉及有关的方法，该方法具有在权利要求6所要求保护的特征，对该方法进一步的有益改进构成了从属权利要求7至10的主题。
下面结合附图，仅通过非限定性实施例对本发明矩形描述，其中；
图1所示为本发明切割装置加工的示意图2所示为第一种食品的结构，该食品能由本发明装置切割而成；图3用曲线图表示了在图2所示的食品切割过程中，本发明装置的工作状况；图4所示为能被本发明装置切割而成的另一种食品结构；图5是用曲线图表示了在图4所示的食品切割过程中，本发明装置的工作状况；图6表示了涉及图5中工作状况的一种可能变形。
图1中以1概括表明了本发明的切割装置，它主要包括下列元件一切割元件2(叶片或刀片)，它最好具有一尖状外形和一被称为“sonotrode”的超声接合或切割装置的典型结构，-一个用于产生和输送超声波的装置3(已知形式)，该装置以大约45khz的频率向刀片2提供一种超声频率波阵面，-一驱动机构4，它把一个相对于平面P的往复运动传递给刀片2(具有一个下面详细描述的有选定规律的速度)，被切割的食品被排列在平面P上并通常由其送进(以基本上类似于ER-A-0 614 733中所描述的形式)，及-一个控制驱动机构4及装置3工作的控制装置5(例如一种通常所说的PLC)。
在此处所示的实施例中，其驱动机构包括一个旋转电机6，例如一电动机，它使在周边上装有一曲柄销8的轮7转动。连杆9的一端连接到销8上，而其相对端作用于刀片2上以使刀片沿着垂直于平面P而设置的导向件(以标号10示意地表示)作往复运动。这种驱动机构基本上相同于ER-A-0614 733中所描述的曲柄和连杆驱动机构，而对于该参考文献作进一步结构上的说明是非常有利的。
虽然对于这种特殊类型的驱动机构的说明可认为仅是示范性的，但是本发明的解决方案适合于供不同类型刀片2使用的驱动机构(驱动)。对于所举出的几个实施例，一种可认定为线性驱动机构(包括一个可动构件，能够把相对于平面P的往复运动传给元件2)，该机构可采用液压，电磁，或压电等操作。在所有情况下，对用于刀片2的驱动机构4的结构说明对实现本发明目的来说并不是十分重要的。
参考实施例所描述的曲柄和连杆机构，可容易地理解，如果电机6以恒定角速度转动，那么元件2将相对于平面P作简谐运动，即在端点处，元件2具有最小速度(实际上为零)，其中相对于平面P被称为运动的上死点和下死点，而在其运动的中点处，则达到最大速度。这一点对于运动的两个方向且尤其是在元件2的进给运动期间能与切割作用相应是理想的。在这种情况下，将很容易地理解，尽管元件2的进给速度会发生局部变化，但是由于法定控制的速度与时间(简谐运动)的变化是固定的，所以不可能使改变这一选定的速度。
本发明是在基于对实际情况认识的基础上作出的，如果依靠的对象是将超声切割装置与供切割元件所用的驱动机构相结合来使用的，其中切割元件根据被选定及被局部切割(只要需要，且在任何情况下，根据任何法定情况，有选择地根据运用要求，而实际进行的逐点切割)的食品A来改变切割元件的进给速度，那么对于所引入技术条件的基本要求，理论上是可以基本满足的。
这对于在切割方向上具有非均匀特性的食品A是特别理想的。在图2和图4中已给出了这种类型的食品的实施例。
在两种情况中，其中一种是涉及具有层状结构的填充食品。
例如，图2示出了一种食品A的一部分，它包括两层海绵状物(有可能是用糖-或醇基糖浆浸湿而成的)，在这两层之间是例如由奶味乳剂构成的、含奶油状填料或糊料层C。
另一方面，在图4中所示的食品A包括放在两海绵状层S之间的巧克力、焦糖或类似材料的中间层K，该中间层基本上是呈固体状的。
换句话说，图2和4所示的两种情况彼此是完全互补的。实际上，在图2的食品A中，通常将一种“软”层C放在两海绵状层S之间。而在图4中食品A的情况中，将通常为一“硬”层K放在两海绵状层S之间。
现在适当地选定图2和图4中的两个实施例来说明两互补情况。总之，相对于较少层(例如，仅有两层)的食品及具有较多层(这是更常有的情况)，存在多种特定的情况例如作为说明，一种食品，如在图2中所说明的食品，具有一巧克力的上涂层，其中可具有如切碎的坚果及椰子等粒状材料。
最常用于食品扇形物，尤其是糖类扇形物的切割系统，使用了机械传动切割元件，其自动操作被设计成能够模拟面包师或厨师用厨房刀具或类似工具，如面包刀而完成的切割动作。
然而，由申请人完成的实验表明，这些传统的解决方案由于各种原因存有许多不令人满意的危险。
例如，当利用单纯的机械运动来切割图2所示的食品A，并希望实现非常快速切割(所述的自动切割刀在设备上试图实现尽可能高的操作速率以机械操作)时，更应注意的问题之一是会在填料层C上产生不希望的挤压且随后导致填料层C在食品两侧上产生分裂的可能性，从而常常在有限横向尺寸上呈现出一“块状”(称之为“压扁”效应)。
如果在整个切割操作期间使所用的系统采用较慢的进给刀具来试图减少这种“压扁”效应，那么虽然确实可避免软填料C的挤出，但是切割操作则被大大地放慢，其结果必然会降低生产率。
而对于“硬”层来说，除了有可能挤压下面的较软层外，进一步所产生的问题是，由于以一过快运动向下通过该层，因此有可能会造成裂开并产生碎片及碎屑。
由申请人完成的实验表明，以一种完全意想不到的方式-采用一种具有可选择变化进给速率的超声波切割元件，该切割元件已证明对于“软”层和“硬”层来说均是有益的。尽管对于该方式的原理还不完全清楚，但是可假设为，在有“硬”的情况下，如巧克力层或类似食品，超声波切割元件及由其传导的振动波阵面将会冲击被切割的所述层，以便改变其结构，并且应沿所希望的切割线，以略处于切割元件本体下游处(沿进给方向)对食品进行切割。换句话说，在由适于切割元件的机械切割作用对其材料加工之前，正被切割的材料就开始分离，并且实际上甚至其材料会沿着所希望的切割线开始分离。这一事实由申请人已系统地证明了，应注意的是改进的切割结果出现在超声波发生器3处于以下时刻之中
-在切割元件2的尖端以朝食品A的方向实际接触食品A之前，即当元件2离食品A仍有一定距离之前，使超声波发生器3(为了避免不希望的超声波噪音，通常不连续使其启动)稍作启动时，和/或-在切割元件2终止其朝放有食品A的平面P进给之前，即当元件2离食品A所处的点P仍有一定距离之前，超声波发生器3稍被制动时。
尽管在这方面提供难于确切的说明，但是参照需切割食品如糖果物品的厚度(一般厚度为1至3cm)，术语“一定距离”应被理解为大约1毫米/几毫米的数量级尺寸。
相对于“软”层，切割元件2实际上是一种已被发现有益于软层的超声波元件，其常具有微观振荡效果，从而使被切割材料在切割元件2的粘合效应降至最小值，且实际上是被消除了。这对于非常粘性或粘稠的材料，如某些食品填料(例如果酱，糖浆等)来说是非常有利的。
在一种组合及协作方式中，实际情况是，即实际上对作为切割元件2进给速度的定点控制能够使其速率随时适于切割层的特性，换句话说，超声波切割元件2的进给速率能够在切割时刻，根据切割层中食品A的局部特性(不管层是多还是少，是硬还是软)而发生变化。
初步的结果是，一般来说在切割“软”层期间。进给应尽可能快，而在切割“硬”层期间。进给应尽可能慢，这样便不会有如传统系统中所存在的、使切割操作的整个工作时间发生恶化的情况产生，相对于将要切割的各层，传统系统的切割速率应被选定为所允许的最小值。
但是，由于申请人完成的实验表明，上述标准并不是绝对的，总之，通过食品A的切割元件2的进给定律必须随时考虑根据食品特性而用实验方法确定。例如，如图3和5中曲线图所示，在纵坐标上，已示出了在切割分别如图2和4所示的食品A期间，进给速率(cm/sec)的最佳值。如图3和5所示的两个曲线图所示，在坐标起始点与食品A上表面相对应的情况下，横坐标上的标度被定为食品A厚度的厘米数，点x1和x2与各层之间的界面相对应，且点x3与平面P相对应。
举例说明，图3的曲线图涉及根据一食品而完成的实验，其中x1，x2和x3分别相应于数值5，10和15mm。在图4的曲线图中，另一相应数值为12，17和29mm。
从对图3和4的曲线图分析可注意到，例如一在图5的情况下，为了避免对食品造成任何损坏，切割元件2的进给速度不仅有区别，而且在叠加层之间的界面x1，x2处，进给速率实际上产生了完全相反的变化。不同进给速率间的变化是根据例如通常由“正弦2”所确定类型的连接定律而构成的。
然而，图6的曲线图用来表示对于一给定的食品结构，切割速率变化的最佳定律甚至会有很大的变化。例如，图6中的曲线图相应于所述变化定律，该定律已被发现对于图4的食品是十分理想的，其中x1＝5mm，x3＝28mm，在这种情况下，当其需要切割海绵状层5且同时要避免挤压食品时，在已知起点处需进行非常慢地加工(大约1cm/s)。其后，尽可能逐渐增加切割速率，以恢复在最初阶段由慢速切割二累加产生的延时。
EP-A-0 614 733详细地描述了这样一种电机，如电机6能够有选择地被操作，以便有选择地改变通过电机本身经杆和曲柄机构而驱动的元件的速度，例如以恒定速度来驱动该元件。
一般情况下，在此实施例中，电机6的转动速率Vr＝2πn(rad/sec)与刀片2的运动线速度之间的计算关系可有下列等式表示2πn＝Vt(Rsin(γ+β)cosβ)(I)其中R＝连杆的销的行程半径，γ＝曲柄角(参见图1)，及π＝连杆角(参见图1).
虽然，上述给出的计算式(I)表示了γ和β的值(由传感器以已知方式可检测到的数值)，以及刀片2相对于平面P而达到的各瞬间位置，但也可以有选择地改变电机6的角速度，以便将选定的速度传给刀片2。上述内容能够根据本来已知的准则，通过控制装置5的适当程序而实现。有关结构上及程序上的详细内容对于本专业的技术人员来说都是已知的(尤其是PLCs程序)，故在此不作详细说明，特别是这些内容对于本发明目的来说是无关的。
当然，在保持与本发明原理相同的基础上，在不脱离本发明范围的情况下，结构上的细节及实施例的形式可根据以上说明的内容与附图内容进行广泛地变化。
权利要求
1.一种用于切割食品(A)的装置，它包括一超声波切割元件(2)，该元件具有相关的驱动机构(4-7)，用于有选择地控制切割元件(2)通过被切割食品的进给，其特征在于驱动机构(4)装配有相关的控制装置(5)，该装置能够有选择地控制切割元件(2)通过被切割食品(A)的进给速率，并且能够在该时刻根据被食品(A)切割区段上的局部特性而改变部分进给速率。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于超声波切割元件(2)是以45khz的频率工作的。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于切割元件(2)具有一个相关的超声波源(3)，该超声波源能够有选择地启动，以便能在切割元件(2)与所要切割食品(A)接触之前被启动。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于超声波源(3)在切割元件(2)已完成其通过被切割食品(A)之前就能被停止。
5.根据上述权利要求中任意一条所述的装置，其特征在于驱动机构包括一由曲柄(8)驱动的连杆(9)，所述曲柄通过驱动装置(6)能被转动，并且还提供有用于有选择地控制驱动装置(6)的转动速率的控制装置(5)，以便有选择地改变切割元件(2)通过被切割食品(A)的进给速率。
6.一种通过超声波切割元件(2)切割食品的方法，其中该切割元件具有相关的驱动机构(4-7)，用于有选择地控制切割元件(2)通过被切割食品的进给，其特征在于它包括一控制驱动机构(4)的步骤，以便有选择地改变切割元件(2)通过被切割食品(A)的进给速率，进给速率的局部变化应取决于食品(A)在被切割区段时刻的局部特性。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于该方法包括提供超声波切割元件(2)的步骤，以便其采用45khz的频率进行工作。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于该方法包括在切割元件(2)与将被切割的食品(A)开始接触之前，有选择地启动超声波切割元件(2)的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于该方法包括在切割元件(2)已完成其通过被切割食品(A)之前，停止超声波切割元件(2)的步骤。
10.根据权利要求6-8中任一条所述的方法，其特征在于该方法包括与超声波切割元件(2)，驱动机构相关的操作，一驱动机构包括由曲柄(8)驱动的杆(9)，所述曲柄通过驱动装置(6)可被转动，并且该方法包括有选择地控制驱动装置(6)的转动速率的步骤，以便有选择地改变切割元件(2)通过被切割食品(A)的进给速率。
全文摘要
切割装置包括一超声波切割元件(2)和相关的驱动机构(4),该驱动机构(4)可使切割元件(2)通过被切割食品(A)的进给速率有选择地产生局部变化。该装置能较好地应用于切割层状食品(A)。
文档编号A21C11/10GK1170543SQ97114820
公开日1998年1月21日 申请日期1997年6月17日 优先权日1996年6月17日
发明者B·贾米罗 申请人:索雷马特克有限公司