应用超声能量切割加工材料的方法及切割装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用超声能量切割加工材料(特别是食品，例如肉、奶酪、蔬菜、面包或面食)的方法，以及根据该方法来操作且包括应用超声能量的刀片的切割装置。
【背景技术】
[0002]在多种工业应用、特别是在食品工业中，广品需要具有预定的尺寸。面包、肉制品(特别是香肠)或奶酪，通常被切割成片来包装。为了这种目的，在工业中会使用不同的切割装置。
[0003][1]DE102005006506A1公开了一种具有垂直振荡的锯片来进行切割的切割装置。锯片的振荡幅度和振荡频率可在给定的范围内动态调整。锯片由集成到壳体上的振荡电机驱动。振荡电机驱动锯片，使得锯片执行连续的上下运动。因此，锯片横向运动的路径可在1/10_和5_之间调节。采用这样的切割装置，通常不能将加工材料切割成期望的品质。此外，受振荡电机的影响，可以预料到锯片会暴露于危险的应变之中。
[0004]有利地是，加工材料可由包括应用超声能量的刀具的切割装置来加工。[2]EP2551077A1中公开了一种这类的装置。由超声转换器提供的超声能量通过至少一个弓形、优选为U形的连接件而施加在刀具上，连接件的一侧焊接到刀片的背面上，并且另一侧(例如通过螺纹孔以及连接螺钉)连接到超声转换器上。相比于传统的系统，所述切割装置允许更快且更精确地加工加工材料。
[0005]在操作这种切割装置时，使用者选择在使用刀具时所要应用的操作参数。这些操作参数特别取决于需要被分别加工或切割成片的加工材料。特别是，刀具根据所选择的时钟周期而周期性地移动。在操作周期中，刀具或者旋转，或者前后移动。然而，时钟周期仅可在保持已执行的切割品质的范围内增加。加工材料一出现变形或裂纹，就必须降低切割速度。
[0006]如果加工材料的一致性(consistency)在连续执行的切割过程中改变了，那么就可能会出现质量问题。如果使用者已经调整了加工材料的切割过程，并且已经进行了第一次的装料(charge)，那么如果下一次的装料表现出其他的属性，则在加工下一次的装料时就可能会出现质量问题。
[0007][2]中公开的切割装置可装配有长刀具，其在两侧被约束住固定，并且受驱动而垂直于其目标物(alignment)向上及向下运动，以交替地切割在刀具的上方和下方供应的加工材料。这类刀具难于生产并且因此是昂贵的。然而，在理想条件下，这些刀具能够使用很长时间。但是，如果错误地选择了加工材料的操作参数，那么刀具会易于受到更大的磨损。装置的部件可能会变热，并且可能会出现不合格产品。
[0008][3]DE102009045945A1公开了一种电动工具，其包括用于工具的超声激励的驱动装置，其中设置了用于传送信息信号的装置，其频率和/或振幅根据电动工具的操作参数而变化。在电动工具的操作过程中，具有使用者可感知到的小振幅的轻微振荡会施加到抓手装置上，以表明当前的操作模式，而不损害电动工具的操作。然而，对于全自动操作的生产设备而言，这种方案是不适用的。
[0009]在浏览或扫描中，针对所施加的功率的理想频率只会产生一次，而在该频率点之夕卜，生成很多频率就不那么令人满意了。因此，在频率扫描的过程中，切割装置的性能和刀片的切割品质会改变。
【发明内容】
[0010]因此，本发明的目的在于提出一种改进的应用超声能量切割加工材料的方法，以及提出一种改进的切割装置，其具有根据该方法进行操作的刀片。
[0011]根据本发明的方法，刀片在在最佳的操作点处应当操作尽可能长的时间。此外，刀片应当尽可能轻柔地操作，以避免应变和磨损。
[0012]应当可以较高的效率、特别是以较高的时钟周期操作切割装置。
[0013]加工材料应当以高的精度、高的时钟周期和始终一致的切割品质来切割。切割的产品、特别是片状食品，应当显示出平的切割表面和均匀的厚度。因此，当所供应食品或平行传送的食品单元的一致性改变时，应当保持精确度。
[0014]如果加工材料的性质发生了变化，特别是当加工不同的装料(charge)的加工材料时，不应出现质量问题或不应在刀片或装置的其他部件上出现较大的应变。
[0015]该目标通过使用超声能量切割加工材料的方法以及根据该方法来操作的切割装置来实现，所述方法和所述切合装置分别包括权利要求1或权利要求13中所限定的特征。从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。
[0016]该方法用于操作切割装置，所述切割装置设计成用于切割加工材料，特别是食品，并且所述切割装置具有由驱动装置驱动的至少一个刀片，超声能量通过至少一个能量转化器和连接件从超声单元供应到刀片。
[0017]根据本发明，设置有控制单元，其控制超声单元，使得仅通过一个连接件供应到刀片的超声能量的频率键控在至少是第一操作频率和第二操作频率之间，或者使得超声能量通过第一连接件以第一操作频率并且通过第二连接件以第二操作频率供应到刀片，所述频率是固定的，或者键控在至少两个操作频率之间。
[0018]本发明的超声能量的应用允许刀片以很小的能量需求来切割加工材料，并且实际上不使用力来切割。在刀片移动深入到加工材料中之前，刀片上出现的表面波使加工材料的结构裂开。这允许刀片迅速地进入，而不会引起加工材料的变形。
[0019]由于对操作频率的键控或两个不同操作频率的耦合，沿着刀片的切割刃产生了所应用的超声能量的均匀分布。第一频率出现的驻波的波节与第二频率出现的波腹叠加或被其取代。因此切割刃不带缝隙(gap)地共振，进而在刀片穿透加工材料时实现了最佳的效果。避免了超声能量在其处没有效果的静止的波节。
[0020]通过键控在至少两个优选的操作频率(在该频率下能实现超声能量理想地或最佳地耦合到刀片中)之间，能够保证刀片总是最佳地操作的。可避免对超声频率的浏览或扫描(scan or sweep)，使得其不会穿过不利的超声频率范围。因此，根据本发明，总是选择最佳的操作频率，然而在逐步浏览或扫描中，会选择大量的不同频率，其中只有几个频率可产生最佳的结果。
[0021]刀片可向前、后移动，或者还可在垂直于驱动轴的平面内旋转。此外，也可有组合的切割运动。例如，刀片可向前移动，并且然后横向移动。在转动刀片时，不需要再一次地减速和加速，而是可以在相同的方向上没有能量损失地连续旋转。可简单地通过控制驱动电机来完成对刀具的操作周期的控制。因此，最大操作频率不是由驱动装置的能力来确定的，而是由最大切割速度来确定的，刀片可借助最大切割速度而被引导穿过加工材料。由于在本发明的超声能量的应用下，该最大切割速度会非常大，因此可以达到非常大的时钟周期。
[0022]任何加工材料都能够利用该切割装置来加工或切割。特别是食品，例如肉、面包、面食、乳制品、纸、纸板、塑料、金属、贵金属(例如金和银)可利用该切割装置方便地切割。
[0023]超声能量(例如具有在比如30_40kHz的范围内的操作频率)的应用为本发明的刀具提供了特别有利的性能。超声能量优选地耦合至刀片背面的大的侧平面上，其垂直于刀具的切割方向。因此，面对刀片的连接件的端件(end piece)优选地垂直于刀片延伸。在超声能量的应用中，在刀片内和/或刀片表面上产生了弹性波，其朝向切割刃增强。特别有利的波产生了连接件弧形或弯曲的具体形式，优选地为U形。
[0024]刀片可在一侧或在另一侧上具有切割刃。因此，切割装置设计成使得刀片可在两个方向上移动或旋转，并且可朝向加工材料被引导。
[0025]在使用旋转的刀片时，其被连接到由至少一个承载元件支撑的驱动轴上，驱动轴通过驱动元件(例如齿轮和齿带)与驱动单元(例如电机)直接或间接地连接。此外，驱动轴支撑能量转换器，或支撑能量转化器和超声单元。原则上，只需要连接到连接件(例如压电元件)上的能量转换器与驱动轴一同旋转即可。只有在优选实施例中，超声元件才会还连接到驱动轴上，并且也旋转。
[0026]能量和/或控制信号可通过电耦合单元转移到能量转换器和/或超声波发生器或连接到那里且可转动地固定的控制单元。控制信号还可通过无线电接口传递，例如根据蓝牙方法操作。控制信号的光传输也是可行的。
[0027]随着刀片旋转，超声能量通过一个连接件或通过两个轴对齐的连接件(垂直于刀片对齐)而转移。随着刀片向前、后移动，超声能量可通过一个连接件或通过多个连接件耦合。优选地，在刀片的两侧分别设置有连接件。具有第一频率和第二频率的超声能量可通过彼此间开的连接件而耦合至刀片中。
[0028]根据本发明，基于振幅的极大值，且选择性地根据在刀片进入加工材料时所出现的共振频率来选择操作频率。
[0029]出于这个目的，优选地设置有能量转换器或传感器，其感应在刀片上出现的机械超声波，并将所述波转换成例如在信号处理器中进行评估的相应的电信号。
[0030]当切割加工材料时，优选地确定极大值或共振频率。通过确定极大值或共振频率，可有利地设定操作频率。如果出现了两个或更多个的极大值或共振频率，即所测量的振幅的全局极大值和局部极大值，那么可在所述两个共振频率或极大值之间切换或键控。在这种情况下，刀片总是在共振频率或极大值下操作。如果在刀片的整个频谱内以及操作范围内仅出现一个极大值，那么第一操作频率可设定为共振频率，并且第二操作频率可设定在共振频率的临界范围内，使得在第二操作频率下，也只会产生极小的损失。备选地，选择操作频率，其中一个被设定在共振频率的之下，并且另一个被设定在共振频率之上。与共振频率的频差选择成优选地相等或不相等，使得可出现最低的损耗，并且同步完成驻波或波节所需的转变。例如，在优选5Hz到1kHz的范围内选择操作频率之间的频差。
[0031]在第一操作频率和第二操作频率之间的键控在时间上可对称地或不对称地(symmetrically or asymmetrically)进行。例如，在较长的第一时间间隔中选择优选的操作频率，并且在较短的第二时间间隔中所选择的操作频率偏离共振频率或在该频率下会产生尚的损耗。<