CN105228800B - 应用超声能量切割加工材料的方法及切割装置 - Google Patents

Abstract

用于操作切割装置(1)的方法，所述方法设计成用于切割加工材料，特别是食品(8)，并且所述方法包括至少一个刀片(11)，所述刀片(11)由驱动装置(12)驱动，并且来自超声单元(4)的超声能量通过至少一个能量转换器(13)和连接件(15)供应到所述刀片(11)上。根据本发明，设置有控制单元(6)，所述控制单元控制超声单元(4)，使得仅通过一个连接件(15)供应到所述刀片(11)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(f1、f1b)之间，或者使得超声能量通过第一连接件(15A)以第一操作频率(f1)且通过第二连接件(15B)以第二操作频率(f2)供应到刀片(11)所述频率是固定的，或者被键控在至少两个操作频率(f1、f2或f1a、f1b；f2a、f2b)之间。

Description

应用超声能量切割加工材料的方法及切割装置

技术领域

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

在多种工业应用、特别是在食品工业中，产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。

[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1/10mm和5mm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。

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。

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。

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。

[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。

[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。

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，而在该频率点之外，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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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10kHz的范围内选择操作频率之间的频差。

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高的损耗。

在操作频率之间的键控以优选地在2Hz至500Hz的范围内的键控频率实现。所有参数、特别是键控频率优选地根据加工材料的粘稠度(consistency)和/或加工材料的分子结构和/或切割速度来选择。因此，即使在高的切割速度下也可保证：在两个固定的操作频率或键控操作频率的干扰下，能够准确地进行切割，而在切割区域内不会出现干扰的节点，材料在切割区域只会被压缩并延迟切割。在切割软的加工材料时，通常会选择较高的键控频率。然而，在切割晶体状的加工材料时，也可选择较高的键控频率。

为了优化切割品质，在切割过程之前和/或优选地在切割过程中进行测量。通过这些测量，会检测到刀片的在施加具有特定频率的超声能量时会出现振荡行为。特别重要的是刀片在其被引导穿过加工材料时的行为(behavior)。

在优选实施例中，刀片直接与传感器连接或通过其中一个连接件与传感器(优选地为转换器元件)连接，刀片的振荡通过转换器元件而感应、转换并以电信号的形式被转移至控制单元，并且在控制单元处被评估。通过这种方式，刀片在整个频率范围或操作范围内的振荡行为可被确定。

通过传感器可确定刀片的振荡幅度和/或与参考信号有关的刀片的振荡相位和/或刀片的振荡衰减，其一般沿着指数曲线。由于参考信号作为超声转换器提供的超声波的例子。数据特别地为了新的或已经确定的共振频率、操作频率和/或为了新的测试频率而集合起来。

在优选实施例中，宽频脉冲作为测试信号而施加到刀片上，之后所产生的振荡会被测量。例如具有多个频率的信号被施加在刀片上，其中一个频率优选地对应于操作频率。随后所产生的较快或较慢衰减的振荡可由例如傅里叶变换来评估，以确定共振频率及其振幅以及衰减时间。

备选地，频率扫描的频率响应通过超声信号经过相关的频率范围而被测量，并且所产生的振荡被感应到。

在确定了频率之后，刀片在该频率下表现出理想的或最佳的振荡行为，操作频率被设定成这些频率值或在一定范围内转移，在该范围内具有最大的振幅和/或减小的相移和/或较慢的振荡衰减。

连续地或间隔地进行测量，因此当刀片被引导穿过加工材料时，操作频率优选地被优化。

来自刀片的超声能量优选地在一定的时间间隔内被接收，在该时间间隔中没有超声能量施加在刀片上，或者在该间隔中施加在刀片上的超声能量表现出零交叉(zerocrossing)。

备选地，超声能量连续地施加到刀片上，之后所施加的超声能量的相应份额会从所接收到的超声能量中减去，以确定刀片的固有频率。

在优选实施例中，控制单元设计成使得施加在刀片上的超声波的振幅可被控制或调节，以能够向刀片施加期望的功率水平。

在优选实施例中，首先完成操作频率的优化。随后进行将振荡幅度重新调整至期望的值。所产生的振荡幅度的重新调整可通过测量刀片的振荡行为来再一次地检查。

此外，在优选实施例中，设置了至少一个温度传感器(例如红外传感器)，通过该温度传感器可优选地非接触式地测量超声波发生器、刀片或连接件的温度。温度优选地特别是在表现出转变(transition)和超声能量从第一媒介耦合至第二媒介的位置范围内被测量。在切割装置的操作过程中，特别是在超声波的振幅的调节过程中，优选对温度进行观测，以检测不协调或其他缺陷。一旦检测到温度升高或刀片的高功耗，可发出警报并可关闭切割装置。备选地，当超过最大温度时，可减小所施加的超声能量。随后，检查切割装置、加工材料和/或加工参数，以找到错误原因。

本发明的方法可有利地应用在使用刀片切割加工材料的切割装置上。然而，本发明的方法还可有利地在使用不同的超声波发生器的装置中应用，通过超声波发生器加工例如食品或药用物品的加工材料。例如，本发明的方法可有利的用于以刀片作为超声波发生器的装置中，但是其不用于切割，而是用于雾化或运输加工材料。例如，本发明的方法可用于具有作为超声波发生器的筛子的装置中，通过其例如食品或药用物品物质可进行筛选。因此，避免了节点可保持在超声波发生器或筛子的单个孔的范围内。

本发明的切割装置可连接到任何其他装置上，以切割加工材料。切割装置布置成例如在输送链的端部，加工材料可在该处极其有利地被切割成片。本发明的切割装置还可布置在挤出机的出口而，使得挤出材料可被选择性地切割成较短或较长的部分。因此，一个切割装置可服务于多个挤出机或传输装置。因此，本发明的装置可装配有可完成不同任务(例如切割、过滤、筛选、雾化、运输以及液化(比如液化大体积材料))的超声波发生器。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明。在附图中显示了：

图1是本发明用于切割加工材料8A、8B的装置，加工材料8A、8B在刀片11的下方和上方传送，刀片11由驱动装置12固定住并且接收通过两个超声转换器13传递的来自超声单元4的超声能量，超声单元4还设计成接收来自刀片11的超声信号；

图2是本发明用于切割加工材料8的装置，包括具有四个刀片11A、…、11D的切割装置1，以棒状物8A、…、8L的形式供应到传送台93上的加工材料8通过刀片11A、…、11D而切割成片89；

图3是图2中的切割装置1，其具有两个驱动单元12A、12B，刀片11A、…、11D通过驱动单元12A、12B的作用而上下移动；

图4a是带有连接件15的刀片11，在连接件15上布置有提供超声能量的第一能量转换器131，并且在连接件15上布置有第二能量转换器132，其获取在刀片11上产生的超声波，并将这些超声波转换成由控制单元6评估的电信号；

图4b是超声脉冲TP的频谱图，显示了应用在刀片11上的多个频率f1、f2和f3的振幅以及振幅的斜率，振幅和斜率后续进行测量和评估；

图5是图4a的刀片11，带有连接到超声转换器13A、13B的两个连接件15A、15B；

图6是在优选实施例中的多信道超声单元4与控制单元6；

图7a是图5的刀片11，带有连接到超声单元4的超声转换器13A、13B，超声单元4接收并传输超声信号；

图7b是频率f1、f1a、f1b；f2、f2a、f2b的频率图，其通过检查刀片11的振荡行为或通过刀片11的频率响应V来优化；以及

图7c是出现在刀片上的驻波sw1，并展示出波节swk和波腹swb。

具体实施方式

图1显示了用于切割加工材料8A、8B的装置1，加工材料8A、8B供应到切割工具或刀片11的下方和上方，切割工具或刀片11由驱动装置12固定住。显示了驱动装置12利用可同时垂直地上下移动的固定臂121来固定刀片11的两侧。固定臂121可与固定于刀片11上的固定元件连接。优选地，固定臂121可随着连接件15A、15B移动，超声能量通过连接件15A、15B耦合至刀片11中(见图5)。

刀片11可借助于驱动装置12上下移动，以分别切割在各个移动方向上提供的加工材料8A、8B的第一部分或第二部分。出于这个目的，刀片11包括上切割刃101以及下切割刃102。

为了实施本发明的方法，切割装置1包括相应设计的控制单元6、相应设计的超声单元4以及相应设计的超声转换器13a、13b。超声转换器13a、13b通过连接件15A、15B连接(优选为焊接)到刀片11上。原则上，连接件15A、15B的每种连接方法或每个实施例都可用于实现本发明的方法。

与控制单元6进行通信且由控制单元6控制的超声单元4包括至少一个传输信道41，并且优选地包括至少一个接收器信道42。传输信道41包括例如固定频率振荡器或可变频率振荡器(如压控振荡器VCO)或合成器。通过优选的可控振荡器或合成器，频率可选择性地生成在超声范围内并且优选地供应给可控输出放大器，如下文参照图6所描述的。

超声单元4的传输信道41可连接到多个超声转换器13A、13B或能量转换器131上(见图6)，其将电子超声振荡转换成机械超声振荡，机械超声振荡通过连接件15A、15B施加在刀片11上。可向超声转换器13A、13B提供相同的超声信号。备选地，可根据时间分配法通过切换而向超声转换器13A、13B提供具有不同频率的超声信号。此外，针对每个超声转换器13A或13B，可设置专用的传输信道41。

超声单元4可通过控制单元6可以这种方式进行控制，即使得施加到刀片11上的超声波的频率可至少键控在第一操作频率f1a和第二操作频率f1b之间。在两个超声转换器13A、13B上均可出现相同的频率，其优选地键控在在几毫秒内。然而优选地，超声能量通过第一连接件以第一操作频率f1和通过第二连接件以第二操作频率f2供应到刀片11上，第一操作频率和第二操作频率是固定的或在至少两个操作频率f1、f2或f1a、f1b；f2a、f2b(见图7b中的频率图)之间切换。优选地，将不同的频率施加到两个超声转换器13A、13B上，使得频率混合作用于刀片11上，并且不会出现节点，或仅仅在很短的时间周期内出现。

如果只提供一个连接件，那么频率f1、f2或f1a、f1b；f2a、f2b则根据时间分配法进行键控。备选地，两个或更多个频率可彼此叠加，并且可耦合至刀片11上。

图1还显示了在一个优选实施例中，超声能量可与刀片11解耦，并且可通过设置在超声单元4中的一个或多个接收信道42而转移至控制单元6。如下所述，为了确定刀片11的振荡行为具有选定的加工参数，对刀片11上所感应到的超声振荡进行评估。

图1示出了在切割工序中优选地会进行多种测量。当刀片11横切加工材料8A时，信号sk1、…、sk5在很短的一段时间内与刀片11解耦，并且通过接收器信道42转移至控制单元6。如果检测到了刀片11的最佳振荡行为，那么该加工参数则不会改变。然而，如果检测到了不理想的振荡状态，那么该加工参数则会改变成使得振荡行为逐步地改进。优选地，在刀片11的每一次振荡抽样之后，都会重新调整加工参数。因此，在刀片11被引导切过加工材料8的同时，可以连续地进行切割过程的改善和改进。因此，切割过程并不仅仅在之前和之后的加工材料彼此不同的情况下进行优化。还会对横截面或切割表面显示出不同性质的加工材料进行修正。

通过优化和改进，不仅仅能实现连续的高的切割品质，而且可实现切割装置最小的应变。一方面避免了进行切割时的局部堵塞。另一方面避免了能量损失和刀片11相应的加热。

刀片11的最佳振荡行为出现在刀片11的共振频率的范围内。因此，作为选择加工参数的起点，可选择由制造商指定的刀片11的共振频率。根据待由刀片11进行加工的加工材料8的种类，刀片11的共振频率以及因此产生的振荡行为会改变，使得借助于对图1中示出的信号sk1、…、sk5的测量，通过确定在对加工材料进行加工时当前出现的共振频率，可进行连续的优化。

特别是确定了刀片11的频率响应内的全局极大值。还可有利地确定在频率响应内的局部极大值。那么可执行键控在已确定的极大值之间的优选的频率。需要注意的是，操作频率f1a、f1b或f1、f2选择且键控成使得节点swk不会重叠。

操作频率优选地选择成使得第一操作频率f1a和第二操作频率f1b优选地设定在低于或超过确定的共振频率f1相等的频差中，或者第一操作频率f1a准确地设定为共振频率f1，并且第二操作频率f1b设定在仅会出现最小减幅的范围内。

当只使用一个共振频率或一个极大值时，设定成共振或极大值的第一操作频率与至少一个第二操作频率之间的频差优选地保持尽可能地小且根据需要尽可能地大，使得避免了驻波节点并且超声能量能够穿过刀片的整个切割刃而作用在加工材料上。如果这样，频差可例如在5Hz至500Hz的范围内选择。优选地，不对称切换在频率范围内具有较长的静止时间(rest time)，此时会出现较高的振幅。

操作频率f1a和f1b之间的频差优选地处于5Hz至10kHz的范围内。根据刀片11的频率响应，选择更小或更大的频差。

对第一和第二操作频率f1a、f1b或f1、f2的键控以键控频率优选地位于2Hz至500Hz的范围内来完成。这种键控在时间上对称地或不对称地进行。例如，在较长的第一时间间隔中，会将共振频率施加在刀片11上，然而对于较短的第二时间间隔而言，偏离共振频率的操作频率会应用到刀片11上。如果这样，在第一时间间隔中，刀片11可以最佳的效果作用于加工材料8上，并且在第二时间间隔中，能够实现对第一时间间隔之后留下的障碍物的移除。

如前所述，本发明的方法可用于不同的切割装置或包括超声波发生器的其他装置。

图2显示了具有四个切割工具11A、…、11D的切割装置1、具有推动工具94的推动单元95、用于驱动切割工具11A、…、11D的两个驱动单元12A、12B，以及传送台3，加工材料8放置在传送台93上并由推动工具94朝切割工具11A、…、11D推动。切割装置1由支架结构5固定住。

加工材料8由十二个平行地朝四个切割工具11A、…、11D引导的圆柱形或棒形的单元8A、…、8L构成，使得加工材料8A、…、8L单元中总是有三个被切割工具11A、…、11D中的一个同时地切割。在进行切割时，平行地传送的加工材料8A、…、8L的单元的前侧由向下的固定部固定住。

切割单元1包括四个切割工具11A、…、11D，其分别连接到超声转换器13上并且能够通过驱动单元12A、12B垂直地下降且再上升，以从加工材料8的单元切割下切片89。切片89落到接收传送器9的传送带92上，接收传送器9包括驱动电机91。

还提供了控制切割装置1、传送装置以及超声单元4的控制单元6。控制单元6通过第一控制线路61连接到驱动单元12A、12B上，通过第二控制线路62连接到传送装置上，通过第三控制线路63连接到超声单元4上，并且通过第四控制线路69连接到接收传送器9上。通过键盘和测量装置71、72，例如转换器和传感器，将信息提供给控制装置6，通过控制装置6可控制切割过程和传送过程。

图3显示了拆下来的图1中的切割装置1，其包括两个相同的切割模块，其由安装板(装置的支架结构5的一部分)来固定。每个切割模块均包括驱动单元12A、12B以及支承结构128A、128B，支承结构128A、128B连接到支架结构5上并且允许垂直地提升和降低相关的第一或第二支承块129A、129B。每个支承块129A、128B分别装配有两个超声转换器13A、13B或13C、13D，其通过连接件15分别连接到切割工具11A、11B、11C或11D上。

切割工具11A、…、11D分别包括具有刀背的刀片11，弯曲的连接件15焊接在刀背上，由此超声能量可耦合至刀片11中。

图4a显示了连接件15连接(例如用螺丝拧紧)到梁130上，梁130上设置有供应了超声能量的第一能量转换器131，并且设置有感应刀片11上出现的超声波并将这些超声波转换成电信号的第二能量转换器132，电信号被传送至控制单元6。梁130连同能量转换器131、132形成了超声转换器13，其包括例如在前侧的螺钉，其旋入连接件15上设置的螺纹孔中。超声单元4包括多个传输信道41和多个接收器信道42，以能够服务于多个超声转换器13。

能量转换器131、132优选地分别包括压电元件，其安装在两个电极(例如金属板)之间，其中一个电极位于梁130上，并且另一个电极连接到电气线路401、402上。超声单元4的传输信道41通过连接线路401向第一能量转换器131提供电子超声信号。第二能量转换器132或传感器71感应来自刀片11的机械超声波，并将这些机械超声波转换成电子超声波，其通过第二连接线路402传送至超声单元4的接收器信道42。如果需要，所接收的超声波会被放大、过滤、转换并传送到控制单元6中的评估模块600。评估模块600确定刀片11当前的振荡行为并且将其与标准值相比较，之后确定修正措施。例如，确定改变至少一个操作频率，或者增大或减小至少一个操作频率的信号振幅。相应的信息从评估模块600传送到控制模块60，其确定操作频率、键控频率、键控间隔以及信号振幅，并且提供相应的控制信号。为了控制评估模块600和控制模块60，提供了操作程序，其控制程序次序并通过界面与使用者和外部的电脑或电子单元通信。

可以几种方式完成加工的优化。如前所述，超声波发生器或刀片11的振荡行为会被连续地观察和优化。控制单元6还可自动优化加工参数。出于这个目的，控制单元6在操作过程中或在测试阶段中向刀片11施加测试信号TP，并且评估回声信号f1、f2、f3。对测试信号及操作信号或操作频率(它们在加工步骤中收集得到)的评估能够以相同的方式完成。

图4b示例性地显示了超声脉冲TP的频谱图，超声脉冲TP包括具有多个频率f1、f2和f3的振荡。在超声脉冲TP施加在刀片11上之后，刀片11的振荡行为或振荡f1、f2、f3的其他步骤受到检测。检测了各个振荡f1、f2和f3出现的振幅以及它们衰减速度。曲线df1、df2和df3显示了振荡f1、f2和f3衰减的斜率。在评估模块600确定了频率之后，此时出现了最大振荡幅度和最小减幅，相关的信息被传送到控制模块60。

如果频率f2是操作频率，那么测试脉冲TP额外提供两个频率，比如f1、f3，其被设定为低于操作频率f2和高于操作频率f2。通过评估三个频率f1、f2和f3的回声信号，而后可以确定在频率f1产生了较高的振幅和较低的减幅。因此，评估模块600将把这个信息提供给控制模块60，之后频率f1作为新的操作频率，可实现刀片11改善的振荡行为。控制模块60可立刻采用频率f1作为新的操作频率，或将该信息包括在进一步的评估过程中。优选地，为了评估，还考虑了与加工材料8的性质或预期变化有关的参数。

图5显示了图4a的刀片11与连接到超声转换器13A、13B上的两个连接件15A、15B。原则上，超声转换器13A、13B可全部或部分地合并超声单元4。如图所示，刀片11由焊接到刀片11上的连接件15A、15B固定。连接件15A、15B本身由象征性地描绘出的固定臂121所固定，如参照图1已经描述的内容。

图6示例性地显示了多信道的超声单元4，其通过总线系统63连接到控制单元6上，以交换数据。超声单元4包括两个传输信道41以及两个接收器信道42。

每个传输信道41包括D/A转换器411，其将控制单元6的数字指令转换成模拟控制信号，其被传送至可控振荡器412。作为替代，还可使用合成器，其可由控制单元6直接控制并且可同时提供多个操作频率。由可控振荡器412传送的振荡分别传送到可控放大器413处，其将振荡连同可选择的振幅传送至能量转换器131处。由控制单元6或控制模块60再一次执行对放大器413的控制。因此，具有选定的频率和选定振幅的多个超声信号可同时地提供给相关的能量转换器131或超声转换器13。

每个接收器信道42优选地包括输入放大器421，优选地滤波器422连接到输入放大器421上，其仅让有益的频率通过，以及A/D转换器，其将模拟信号转换成数字数据。数字数据被传送到评估模块600，其包括例如信号处理器，并且其优选地适于执行傅里叶变换。

图7a显示了图5的刀片11与通过连接系统40A、40B连接到超声单元4上的超声转换器13A、13B，超声单元4提供并接收超声信号，如参照图4a、图4b和图6已经描述的内容。

如图所示，切割装置1正在运转中，并且在刀片11的切割刃处出现了彼此叠加的两个驻波sw1、sw2，使得一个驻波sw1的波节swk位于另一个驻波sw2的波腹swb内。两个波sw1、sw2可彼此叠加或可交替的转换，使得总是在几毫秒内，选择性地在几分之一毫秒内，待切割的加工材料的每个区域会受到最大强度的超声能量的作用，并且保证了最佳切割线。图7c示出了具有波节swk和波腹swb的第一个驻波sw1。

图7a还显示了温度传感器72、73，优选为红外传感器，利用温度传感器可观察刀片11或连接件15A、15B，特别是连接点的温度。如果检测到临界温度上升，那么可减小向刀片11施加的能量。此外，为了检测不适当的加工参数，可执行检查程序。例如，记录下刀片11的频率响应，以检测共振频率的转移。以这种方式可及时避免对刀片11的损坏。

图7b显示了控制模块60可选择的频率f1、f1a、f1b、f2、f2a、f2b的频率图。为了确定操作频率，优选地，刀片11的频率响应V被记录了下来，作为例子在图7b中示出。可以看出，频率响应V显示出四个极大值，位于预定的临界值s的上方。

超声能量在极大值M1、…、M4所位于的位置处能够最佳地进入到刀片11，并且能够引起刀片11中的振荡。例如，通过压电元件，机械振荡被转换成电信号，其电压特性或振幅在图7b中示出。

位于该临界值s上方的极大值的频率是适合的操作频率。M3是全局极大值，而M1、M2和M4是局部极大值。现在，操作频率以这种方式来选择，使得所产生的驻波的波节和波腹重叠。在目前的例子中，选择了在全局极大值M3和局部极大值M2的位置处的操作频率f1和f2。备选地，可选择所述极大值的频率的其他组合，例如M3和M4或M1，M2和M4，或M1和M4。备选地，确定了共振频率f1，之后在该共振频率f1的两侧确定了操作频率f1a、f1b，它们被传送到超声转换器13A、13B中的一个或两个。如图所示，例如由于加工材料8的一致性改变了，极大值也转移了，因此操作频率f1、f2或f1a、f1b相应地更新并且根据本发明的方法得到一致地优化。

优选地提供了多个菜单(recipes)，通过其可确定用于刀片11的特定的加工参数以及优选地特定的加工材料8。加工参数例如是操作频率、优选地对应每个操作频率的振荡幅度、键控频率、最小和最大能量以及刀片11的最大温度。因此，可永久地、循序渐进地或随机地选择并设定菜单。通过测量用于每个菜单的刀片11的振荡行为，可立刻选择并应用最佳的菜单。因此，在优选实施例中，不仅一个单独的加工参数，而且一组加工参数，或者整个菜单转变了。

优选地，菜单会通过本发明的测量过程持续地优化并和再次存储。因此，如果加工材料8出现了改变，可立刻下载合适的菜单。

参考文献：

[1]DE102005006506A1

[2]EP2551077A1

[3]DE102009045945A1

Claims (16)

1.用于操作切割装置的方法，所述方法设计成用于切割加工材料并且所述方法包括具体化为刀片的至少一个切割工具，所述刀片由驱动装置驱动，并且来自超声单元的超声能量通过至少一个能量转换器和连接件供应到所述刀片，其特征在于，设置有控制单元，所述控制单元控制超声单元，使得超声能量通过第一连接件以第一操作频率且通过第二连接件以第二操作频率供应到刀片，所述第一操作频率和第二操作频率是固定的，或者被键控在至少两个操作频率之间，并且在切割加工材料时执行所述键控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加工加工材料之前或在加工加工材料的过程中测量所述刀片的振荡幅度，以得到多个测试频率或操作频率，并且确定一个或多个频率，在该频率下会出现振荡幅度的绝对极大值或相对极大值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择操作频率，且对操作频率进行键控，使得所产生的波节不会重叠。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

a)第一操作频率和第二操作频率优选地位于低于所确定的频率和高于所确定的频率频差相等的位置处，在所确定的频率处会出现振荡幅度的极大值；或者

b)其中一个操作频率位于振荡幅度出现极大值的频率处；

c)其中操作频率之间的频差优选地在5Hz至10kHz的范围内选择。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以优选地处于2Hz至500Hz范围内的键控频率来进行对所述第一操作频率和所述第二操作频率之间的键控，和/或对所述第一操作频率和所述第二操作频率之间的键控在时间上对称地或不对称地进行。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀片直接连接到传感器上或通过其中一个连接件连接到传感器上，所述刀片的振荡通过所述传感器来感应、转换，并以电信号的形式发送至所述控制单元，并且在所述控制单元处进行评估。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个或多个测试频率在时间间隔内施加到所述刀片上，随后所产生的振荡被感应、转换、通过应用傅里叶变换来进行选择性地处理，并且被评估。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在没有超声振荡施加到所述刀片上的时间间隔内接收来自所述刀片的超声能量。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定测试频率的振幅或测试频率振荡的衰减连续时间，然后将已登记过的振幅较高或振荡衰减较慢的测试频率作为操作频率。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述刀片被引导切过所述加工材料的同时，连续地或者实时地进行测量，对频差和操作频率进行优化。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，连续地向所述刀片供应超声能量，并且从所接收的超声能量中减去所供应的超声能量的相应份额，以确定所述刀片的自身振荡。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其特征在于，设置温度传感器，通过所述温度传感器测量所述刀片或所述连接件的温度，并且在超过预定的最大温度时，减小所供应的超声能量。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工材料为食品。

14.切割装置，设计成以具体化为能移动的或能转动的刀片的至少一个切割工具实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法，所述刀片与驱动装置连接，并且来自超声单元的超声能量能通过至少一个能量转换器和连接件供应到所述刀片，其特征在于，设置有控制单元，通过所述控制单元能控制所述超声单元，使得超声能量通过第一连接件以第一操作频率且通过第二连接件以第二操作频率供应到所述刀片，所述第一操作频率和第二操作频率是固定的，或者被键控在至少两个操作频率之间，并且在切割加工材料时执行所述键控。

15.根据权利要求14所述的切割装置，其特征在于，设置有至少一个传感器和一个转换器，刀片上的超声能量能够通过所述至少一个传感器和一个转换器来感应、转换并转移至所述控制单元，在所述控制单元中设置有信号处理模块，通过所述信号处理模块能够评估来自所述刀片的信号并且收集相应的测量结果，并且切割装置还设置有控制模块，所述控制模块能够根据所收集的测量结果控制所述超声单元，以进一步优化测量结果。

16.根据权利要求14或15所述的切割装置，其特征在于，设置有与所述刀片直接或间接地机械式连接的至少一个温度传感器，并且所述温度传感器连接到所述控制单元上，所述控制单元设计成用于观察所述刀片或连接件的温度，并且用于控制所述超声单元，使得在高温时减小超声能量和/或产生警报信号。