EP2996847B1 - Device for cutting a process material using ultrasound and cuting method - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere von Nahrungsmitteln, wie Fleisch, Käse, Gemüse, Brot oder Teigwaren, unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Schneidevorrichtung, die eine Klinge aufweist, welche mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird.The invention relates to a method for cutting a process material, in particular food, such as meat, cheese, vegetables, bread or pasta, using ultrasound energy and a working according to this method cutting device having a blade which is acted upon by ultrasonic energy.
In zahlreichen industriellen Anwendungen, insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie, sind Produkte mit vorgesehenen Abmessungen bereitzustellen. Oft werden Brot, Fleischwaren, insbesondere Wurstwaren, oder Käse in Tranchen aufgeteilt und verpackt. Für diesen Zweck werden in der Praxis verschiedene Schneidevorrichtungen eingesetzt.In many industrial applications, especially in the food industry, products of the intended dimensions must be provided. Often bread, meat products, in particular sausages, or cheese are divided into pieces and packed. For this purpose, various cutting devices are used in practice.
Aus [1],
Vorteilhafte kann das Prozessgut mit einer Schneidevorrichtung bearbeitet werden, bei der ein Messer mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird. Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der [2],
Der Anwender legt bei dieser Schneidevorrichtung die Betriebsparameter fest, die bei der Verwendung des Messers angewendet werden. Diese Betriebsparameter hängen insbesondere vom Prozessgut ab, welches zu bearbeiten bzw. in Stücke zu schneiden ist. Insbesondere werden die Taktzyklen festgelegt, mittels denen das Messer zyklisch bewegt wird. Innerhalb eines Arbeitszyklus wird das Messer entweder einmal rotiert oder vor und zurück bewegt. Die Taktzyklen können dabei nur innerhalb des Bereichs erhöht werden, innerhalb dem die Qualität der ausgeführten Schnitte gewährleistet bleibt. Sobald beim Prozessgut Deformationen oder Risse auftreten, muss die Schneidegeschwindigkeit wiederum reduziert werden.The user specifies in this cutting device the operating parameters that are used when using the knife. These operating parameters depend in particular on the process material, which is to be processed or cut into pieces. In particular, the clock cycles are determined by means of which the knife is moved cyclically. Within one working cycle, the knife is either rotated once or moved back and forth. The clock cycles can only be increased within the range within which the quality of the executed cuts is guaranteed. As soon as deformations or cracks occur in the process material, the cutting speed must be reduced again.
Falls sich die Konsistenz des Prozessguts während eines kontinuierlich ablaufenden Schneideprozesses ändert, können Qualitätsmängel auftreten. Sofern der Anwender die Schneideprozesse auf ein Prozessgut abgestimmt hat und eine erste Charge bearbeitet wurde, können bei der Bearbeitung einer weiteren Charge Qualitätsmängel auftreten, falls diese zweite andere Eigenschaften aufweist.If the consistency of the process material changes during a continuous cutting process, quality defects can occur. If the user has coordinated the cutting processes to a process material and a first batch has been processed, quality defects may occur when processing another batch, if the latter has different properties.
Die aus [2] bekannte Schneidevorrichtung kann mit einem langen Messer bestückt werden, das beidseitig gehalten und senkrecht zu seiner Ausrichtung nach oben und nach unten gefahren wird, um ein oberhalb und ein unterhalb des Messers zugeführtes Prozessgut abwechslungweise zu schneiden. Derartige Messer sind aufwändig in der Herstellung und entsprechend teuer. Hingegen können diese Messer bei optimalem Einsatz über lange Zeit genutzt werden. Sofern hingegen Betriebsparameter für ein vorliegendes Prozessgut falsch gewählt werden, kann an diesem Messer ein erhöhter Verschleiss auftreten. Vorrichtungsteile können sich erwärmen und Defekte können auftreten.The cutting device known from [2] can be equipped with a long knife which is held on both sides and moved upwards and downwards perpendicular to its orientation, in order to alternately cut a process material fed above and below the knife. Such knives are expensive to manufacture and correspondingly expensive. On the other hand, these knives can be used for a long time if used optimally. If, on the other hand, operating parameters are wrongly selected for a given process material, increased wear on this knife can occur. Device parts may heat up and defects may occur.
Aus [3],
Innerhalb eines Scans oder Sweeps wird die hinsichtlich der Leistung optimale Frequenz daher nur einmal generiert, während ausserhalb dieses Frequenzpunktes zahlreiche weniger geeignete Frequenzen generiert werden. Die Eigenschaften der Schneidvorrichtung und der Schneideeigenschaften der Klinge ändern daher während des Frequenzdurchlaufs.Within a scan or sweep, therefore, the optimal frequency in terms of power is only generated once, while outside this frequency point many less suitable frequencies are generated. The properties of the cutting device and the cutting properties of the blade therefore change during the frequency sweep.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie eine verbesserte Schneidevorrichtung mit einer Klinge anzugeben, die nach diesem Verfahren arbeitet.The present invention is therefore based on the object to provide an improved method for cutting a process material using ultrasound energy and an improved cutting device with a blade, which operates according to this method.
Anhand des erfindungsgemässen Verfahrens soll die Klinge möglichst konstant in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Die Klinge soll zudem möglichst schonend betrieben werden, damit Belastungen und eine Abnutzung vermieden werden.Based on the inventive method, the blade should be operated as constant as possible in an optimal operating point. The blade should also be operated as gently as possible, so that stress and wear are avoided.
Die Schneidevorrichtung soll mit höherer Effizienz, insbesondere mit höheren Taktzyklen, betrieben werden können.The cutting device should be able to operate with higher efficiency, in particular with higher clock cycles.
Das Prozessgut soll mit hoher Präzision, hohen Taktraten und konstant hoher Schneidequalität geschnitten werden können. Die geschnittenen Produkte, insbesondere Nahrungsmittelscheiben sollen ebene Schnittflächen und gleichmässige Dicken aufweisen. Die Präzision soll dabei auch dann erhalten bleiben, wenn die Festigkeitseigenschaften des zugeführten Nahrungsmittels oder parallel zugeführter Nahrungsmitteleinheiten ändern.The process material should be able to be cut with high precision, high cycle rates and consistently high cutting quality. The cut products, in particular food slices should have flat cut surfaces and uniform thicknesses. The precision is to be maintained even when the strength properties of the supplied food or parallel supplied food units change.
Bei Änderungen der Eigenschaften des Prozessguts, insbesondere bei der Bearbeitung unterschiedlicher Chargen eines Prozessguts, sollen keine Qualitätsmängel und auch keine höheren Belastungen der Klinge oder weiterer Vorrichtungsteile auftreten.When changing the properties of the process material, especially when processing different batches of process material, no quality defects and no higher loads on the blade or other device parts should occur.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie einer nach diesem Verfahren arbeitenden Schneidevorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 bzw. 13 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method for cutting a process material using ultrasound energy and a cutting device operating according to this method, which have the features specified in
Das Verfahren dient dem Betrieb einer Schneidevorrichtung, die zum Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden eines Prozessguts vorgesehen ist und die wenigstens eine Klinge aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler und ein Kopplungselement Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit zugeführt wird.The method is used to operate a cutting device, which is provided for processing, in particular for cutting a process material and which has at least one blade, which is driven by a drive device and which is supplied via at least one energy converter and a coupling element of ultrasonic energy from an ultrasonic unit.
Erfindungsgemäss ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Ultraschalleinheit derart steuert, dass die Frequenz der über vorzugsweise nur ein Kopplungselement der Klinge zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Klinge über ein erstes Kopplungselement mit einer ersten Arbeitsfrequenz und vorzugsweise über ein zweites Kopplungselement mit einer zweiten Arbeitsfrequenz zugeführt wird, die fest sind oder je zwischen wenigstens zwei Frequenzwerten bzw. Arbeitsfrequenzen umgetastet werden.According to the invention, a control unit is provided which controls the ultrasound unit such that the frequency of the ultrasound energy supplied via preferably only one coupling element of the blade is keyed between at least a first and a second operating frequency or the ultrasound energy of the blade via a first coupling element with a first operating frequency is preferably supplied via a second coupling element with a second operating frequency, which are fixed or each keyed between at least two frequency values or operating frequencies.
Die erfindungsgemässe Einkopplung der Ultraschallenergie erlaubt es der Klinge, das Prozessgut mit geringem Energieaufwand und praktisch ohne Kraftaufwand zu schneiden. Die auf der Klinge auftretenden Oberflächenwellen trennen die Struktur des Prozessguts auf, bevor die Klinge tiefer gegen das Prozessgut geführt wird. Dies erlaubt ein rasches Eindringen der Klinge, ohne dass Deformationen beim Prozessgut auftreten.The inventive coupling of the ultrasonic energy allows the blade to cut the process material with little energy and virtually no effort. The surface waves occurring on the blade separate the structure of the process material before the blade is guided deeper against the process material. This allows a rapid penetration of the blade, without deformations occur in the process material.
Aufgrund der Umtastung der Arbeitsfrequenzen oder der Einkopplung von zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen erfolgt eine gleichmässige Verteilung der Ultraschallenergie entlang der Schneidekante der Klinge. Wellenknoten stehender Wellen, die bei der ersten Frequenz auftreten, werden durch Wellenbäuche überlagert oder abgelöst, die bei der zweiten Frequenz auftreten. Die Schneidekante schwingt somit lückenlos, weshalb eine optimale Wirkung beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut erzielt wird. Stationäre Wellenknoten, an denen die Ultraschallenergie nicht einwirken kann, werden vermieden.Due to the Umtastung the operating frequencies or the coupling of two different operating frequencies a uniform distribution of the ultrasonic energy takes place along the cutting edge of the blade. Wave knots of standing waves occurring at the first frequency are superimposed or detached by wave tusks occurring at the second frequency. The cutting edge thus oscillates completely, which is why an optimal effect is achieved when the blade penetrates into the process material. Stationary wave nodes where the ultrasonic energy can not act are avoided.
Durch die Umtastung zwischen wenigstens zwei vorteilhaften Arbeitsfrequenzen, bei denen eine gute oder optimale Einkopplung der Ultraschallenergie in die Klinge erfolgt, wird gewährleistet, dass die Klinge stets optimal betrieben wird. Ein Scan oder Sweep der Ultraschallfrequenz wird vermieden, so dass ungünstige Ultraschallfrequenzbereiche nicht durchlaufen werden. Erfindungsgemäss wird daher stets eine optimale Arbeitsfrequenz eingestellt, während bei einem Scan oder Sweep schrittweise eine grosse Zahl verschiedener Frequenzen eingestellt wird, von denen nur wenige optimale Resultate liefern.By transposing between at least two advantageous operating frequencies, in which a good or optimal coupling of the ultrasonic energy into the blade, it is ensured that the blade is always operated optimally. A scan or sweep of the ultrasonic frequency is avoided, so that unfavorable ultrasonic frequency ranges are not passed through. According to the invention, therefore, an optimum operating frequency is always set, while in a scan or sweep, a large number of different frequencies is set step by step, of which only a few deliver optimal results.
Die Klinge kann vor und zurück bewegt oder auch in einer Ebene rotiert werden, die senkrecht zur Antriebsachse steht. Ferner sind auch kombinierte Schneidebewegungen realisierbar. Beispielsweise wird die Klinge nach vorne geführt und dann seitlich bewegt. Bei der Rotation der Klinge muss diese nicht abgebremst und wieder beschleunigt werden, sondern kann ohne Energieverluste kontinuierlich in dieselbe Richtung rotiert werden. Die Steuerung der Arbeitszyklen des Messers kann durch Steuerung eines Antriebsmotors somit in einfacher Weise erfolgen. Die maximale Arbeitsfrequenz wird dabei nicht durch die Leistungsfähigkeit der Antriebsvorrichtung, sondern durch die maximale Schneidegeschwindigkeit bestimmt, mit der die Klinge durch das Prozessgut hindurchgeführt werden kann. Da diese maximale Schneidegeschwindigkeit bei der erfindungsgemässen Anwendung von Ultraschallenergie sehr hoch ist, können sehr hohe Taktzyklen erreicht werden.The blade can be moved back and forth or rotated in a plane that is perpendicular to the drive axis. Furthermore, combined cutting movements can be realized. For example, the blade is guided forward and then moved laterally. During the rotation of the blade, it does not have to be slowed down and accelerated again, but can be continuously rotated in the same direction without energy losses. The control of the working cycles of the knife can thus be done in a simple manner by controlling a drive motor. The maximum working frequency is not determined by the performance of the drive device, but by the maximum cutting speed, with the Blade can be passed through the process material. Since this maximum cutting speed is very high in the inventive application of ultrasonic energy, very high clock cycles can be achieved.
Mit der Schneidevorrichtung kann beliebiges Prozessgut bearbeitet bzw. geschnitten werden. Insbesondere Nahrungsmittel, z.B. Fleisch, Brot, Teigwaren, Milchprodukte, Papier, Karton, Kunststoff, Metall, Edelmetalle, z.B. Gold und Silber, lassen sich mit dieser Schneidevorrichtung vorteilhaft bearbeiten.Any process material can be processed or cut with the cutting device. In particular, foods, e.g. Meat, bread, pasta, dairy products, paper, cardboard, plastic, metal, precious metals, e.g. Gold and silver, can be processed with this cutting device advantageous.
Die Anwendung von Ultraschallenergie beispielsweise mit Arbeitsfrequenzen im Bereich von z.B. 30-40 kHz verleiht dem erfindungsgemäss ausgestalteten Messer besonders vorteilhafte Eigenschaften. Die Ultraschallenergie wird vorzugsweise über die grossen Seitenflächen des Klingenrückens quer zur Schnittrichtung des Messers in die Klinge eingekoppelt. Ein der Klinge zugewandtes Endstück des Kopplungselements verläuft dabei vorzugsweise senkrecht zur Klinge. Bei der Einwirkung der Ultraschallenergie resultieren elastische Wellen innerhalb und/oder auf der Oberfläche der Klinge, die sich zur Schneide hin intensivieren. Besonders vorteilhafte Wellen resultieren bei gekrümmter oder gebogener Ausgestaltung des Kopplungselements, welches vorzugsweise U-förmig ausgestaltet ist.The application of ultrasonic energy, for example at operating frequencies in the range of e.g. 30-40 kHz gives the inventively designed knife particularly advantageous properties. The ultrasonic energy is preferably coupled via the large side surfaces of the blade back transverse to the cutting direction of the blade in the blade. A blade facing the end of the coupling element is preferably perpendicular to the blade. Upon application of the ultrasonic energy, elastic waves result within and / or on the surface of the blade, which intensify towards the cutting edge. Particularly advantageous waves result in a curved or curved configuration of the coupling element, which is preferably designed U-shaped.
Die Klinge kann nur auf einer Seite oder auch auf einander gegenüberliegenden Seiten mit einer Schneidekante versehen werden. Die Schneidevorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass die Klinge in beide Richtungen bewegt oder rotiert und gegen ein Prozessgut geführt werden kann.The blade can only be provided with a cutting edge on one side or on opposite sides. The cutting device is designed such that the blade can be moved or rotated in both directions and guided against a process material.
Bei einer rotierenden Klinge ist die Antriebswelle auf wenigstens einem Lagerelement gelagert und mit der Antriebswelle verbunden, die direkt oder indirekt über Antriebselemente, wie Zahnräder und Zahnriemen, mit einer Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor, verbunden ist. Die Antriebswelle trägt ferner den Energiewandler oder den Energiewandler und die Ultraschalleinheit. Grundsätzlich ist nur erforderlich, dass der mit dem Kopplungselement verbundene Energiewandler, beispielsweise ein Piezoelement, zusammen mit der Antriebswelle gedreht wird. Lediglich in vorzugsweisen Ausgestaltungen wird die Ultraschalleinheit ebenfalls mit der Antriebswelle verbunden und drehbar gehalten.In a rotating blade, the drive shaft is mounted on at least one bearing element and connected to the drive shaft, which is directly or indirectly connected via drive elements, such as gears and timing belt, with a drive unit, such as an electric motor. The drive shaft further carries the energy converter or the energy converter and the ultrasonic unit. In principle, it is only necessary that the energy converter connected to the coupling element, for example a piezoelectric element, is rotated together with the drive shaft. Only in preferred embodiments, the ultrasonic unit is also connected to the drive shaft and rotatably supported.
Energie und/oder Steuersignale sind dem Energiewandler und/oder der Ultraschallgenerator bzw. einer damit verbundenen und ebenfalls drehbar gehalten Steuereinheit über eine elektrische Kopplungseinheit zuführbar. Steuersignale können auch über eine Funkschnittstelle, beispielsweise nach dem Bluetooth-Verfahren, übertragen werden. Möglich ist auch die optische Übertragung von Steuersignalen.Energy and / or control signals can be fed to the energy converter and / or the ultrasound generator or a control unit connected thereto and likewise held rotatably via an electrical coupling unit. Control signals can also be transmitted via a radio interface, for example according to the Bluetooth method. Also possible is the optical transmission of control signals.
Bei einer rotierenden Klinge erfolgt die Übertragung der Ultraschallenergie über ein Kopplungselement oder über zwei koaxial zueinander ausgerichtete Kopplungselemente, die senkrecht zur Klinge ausgerichtet sind. Bei einer Klinge, die vor und zurück bewegt wird, kann die Einkopplung von Ultraschallenergie über ein Kopplungselement oder über mehrere Kopplungselemente erfolgen. Vorzugsweise wird auf beiden Seiten der Klinge je ein Kopplungselement vorgesehen. Über die beiden voneinander getrennten Kopplungselemente kann vorteilhaft Ultraschallenergie mit einer ersten und einer zweiten Frequenz in die Klinge eingekoppelt werden.In a rotating blade, the ultrasonic energy is transmitted via a coupling element or via two coaxially aligned coupling elements, which are aligned perpendicular to the blade. In a blade that is moved back and forth, the coupling of ultrasonic energy via a coupling element or via a plurality of coupling elements can be carried out. Preferably, a coupling element is provided on each side of the blade. By means of the two mutually separate coupling elements, it is advantageous to couple ultrasonic energy into the blade at a first and a second frequency.
Erfindungsgemäss werden die Arbeitsfrequenzen unter Berücksichtigung der Maximalwerte der Amplituden, gegebenenfalls der Resonanzfrequenzen gewählt, die beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut auftreten.According to the invention, the operating frequencies are selected taking into account the maximum values of the amplitudes, optionally the resonance frequencies, which occur when the blade penetrates into the process material.
Dazu ist vorzugsweise ein Energiewandler oder Sensor vorgesehen, der auf der Klinge auftretende mechanische Ultraschallwellen erfasst und in dazu korrespondierende elektrische Signale umwandelt, die beispielsweise in einem Signalprozessor ausgewertet werden.For this purpose, an energy converter or sensor is preferably provided which detects the mechanical ultrasonic waves occurring on the blade and converts them into corresponding electrical signals which are evaluated, for example, in a signal processor.
Die Maximalwerte oder die Resonanzfrequenzen werden vorzugsweise ermittelt, während das Prozessgut geschnitten wird. Anhand der ermittelten Maximalwerte oder Resonanzfrequenzen können die Arbeitsfrequenzen vorteilhaft festgelegt werden. Sofern zwei oder mehrere Maximalwerte oder Resonanzfrequenzen, d.h. das globale Maximum und ein lokales Maximum der gemessenen Amplituden auftreten, können die Arbeitsfrequenzen zwischen diesen beiden Resonanzfrequenzen bzw. Maxima umgetastet werden. In diesem Fall arbeitet die Klinge immer bei Resonanz oder bei Maximalwerten. Sofern nur ein Maximum im gesamten Frequenzgang der Klinge und im Arbeitsbereich auftritt, so kann eine erste Arbeitsfrequenz auf die Resonanzfrequenz und eine zweite Arbeitsfrequenz derart in den Nachbarbereich der Resonanzfrequenz gelegt werden, dass auch in der zweiten Arbeitsfrequenz nur minimale Verluste auftreten. Alternativ werden Arbeitsfrequenzen gewählt, von denen eine auf der unteren und die andere auf der oberen Seite der Resonanzfrequenz liegen. Die Abstände von der Resonanzfrequenz werden dabei derart, vorzugsweise gleich oder unterschiedlich, gewählt, dass möglichst geringe Verluste auftreten und gleichzeitig die erforderliche Verschiebung der stehenden Wellen bzw. der Wellenknoten erzielt wird. Beispielsweise werden Frequenzabstände zwischen den Arbeitsfrequenzen in einem Bereich von vorzugsweise 5 Hz bis 10 kHz gewählt.The maximum values or the resonance frequencies are preferably determined while the process material is being cut. Based on the determined maximum values or resonant frequencies, the operating frequencies can be advantageously determined. If two or more maximum values or resonance frequencies, ie the global maximum and a local maximum of the measured amplitudes occur, the operating frequencies between these two resonance frequencies or maxima can be keyed over. In this case, the blade always works at resonance or at maximum values. If only a maximum occurs in the entire frequency response of the blade and in the work area, then a first operating frequency can be applied to the resonance frequency and a second operating frequency in the adjacent region of the resonance frequency such that only minimal losses occur in the second operating frequency. Alternatively, operating frequencies are selected, one on the lower and the other on the upper side of the resonant frequency. The distances from the resonance frequency are selected in such a way, preferably the same or different, that the smallest possible losses occur and at the same time the required displacement of the standing waves or the wave nodes is achieved. For example, frequency intervals between the operating frequencies in a range of preferably 5 Hz to 10 kHz selected.
Die Umtastung zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz kann zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Beispielsweise wird während eines längeren ersten Zeitintervalls die bevorzugte Arbeitsfrequenz und während eines kürzeren zweiten Zeitintervalls die Arbeitsfrequenz gewählt, die von der Resonanzfrequenz abweicht oder bei der grössere Verluste auftreten.The keying between the first and the second operating frequency can take place symmetrically or asymmetrically in time. For example, during a longer first time interval, the preferred operating frequency and, during a shorter second time interval, the operating frequency that deviates from the resonant frequency or at which greater losses occur are selected.
Die Umtastung zwischen den Arbeitsfrequenzen erfolgt mit einer Umtastfrequenz, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt. Alle Parameter, insbesondere die Umtastfrequenz werden vorzugsweise in Abhängigkeit der Konsistenz des Prozessguts und/oder der molekularen Struktur des Prozessguts und/oder der Schneidegeschwindigkeit gewählt. Auch bei hoher Schneidegeschwindigkeit kann daher gewährleistet werden, dass durch die Interferenzen von zwei stationären Arbeitsfrequenzen oder durch die Umtastung von Arbeitsfrequenzen der Schnitt korrekt erfolgt, ohne dass im Schnittbereich störende Schwingungsknoten auftreten, an denen das Material gestaucht und nur mit Verzögerung aufgetrennt wird. Bei weichem Prozessgut wird normalerweise eine höhere Umtastfrequenz gewählt. Hingegen wird auch bei kristallinem Prozessgut vorzugsweise eine höhere Umtastfrequenz gewählt.The keying between the operating frequencies is carried out with a Umtastfrequenz, which is preferably in a range of 2 Hz to 500 Hz. All parameters, in particular the Umtastfrequenz are preferably selected depending on the consistency of the process material and / or the molecular structure of the process material and / or the cutting speed. Even at a high cutting speed, it can therefore be ensured that the intersection of two stationary working frequencies or the scanning of operating frequencies results in the cut being made correctly, without interfering vibration nodes occurring at the cutting area where the material is compressed and only separated with a delay. With soft process material a higher Umtastfrequenz is usually selected. On the other hand, a higher Umtastfrequenz is preferably selected even with crystalline process material.
Zur Optimierung der Schneidequalität werden vor und/oder vorzugsweise während des Schneideprozesses Messungen durchgeführt. Anhand dieser Messungen wird das Schwingungsverhalten der Klinge festgestellt werden, welches bei der Einkopplung von Ultraschallenergie mit einer bestimmten Frequenz resultiert. Von besonderem Interesse ist das Verhalten der Klinge währenddem die Klinge durch das Prozessgut geführt wird.To optimize the cutting quality, measurements are carried out before and / or preferably during the cutting process. On the basis of these measurements, the vibration behavior of the blade is determined, which results in the coupling of ultrasonic energy with a certain frequency. Of particular interest is The behavior of the blade while the blade is passed through the process material.
In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist die Klinge direkt oder über eines der Kopplungselemente mit einem Sensor, vorzugsweise einem Wandlerelement verbunden, mittels dessen Schwingungen der Klinge erfasst, gewandelt und als elektrische Signale zur Steuereinheit übertragen und dort ausgewertet werden. Auf diese Weise kann das Schwingungsverhalten der Klinge über den gesamten Frequenzbereich bzw. Arbeitsbereich ermittelt werden.In preferred embodiments, the blade is connected directly or via one of the coupling elements to a sensor, preferably a transducer element, by means of which vibrations of the blade are detected, converted and transmitted as electrical signals to the control unit and evaluated there. In this way, the vibration behavior of the blade over the entire frequency range or work area can be determined.
Mittels des Sensors werden die Schwingungsamplitude der Klinge und/oder die Phasenlage der Schwingungen der Klinge bezüglich eines Referenzsignals und/oder das normalerweise exponentiell verlaufende Abklingen der Schwingungen der Klinge ermittelt. Als Referenzsignal dienen beispielsweise die vom Ultraschallwandler abgegebenen Ultraschallwellen. Daten werden insbesondere für neue oder bereits ermittelte Resonanzfrequenzen, Arbeitsfrequenzen und/oder für neue Testfrequenzen ermittelt.By means of the sensor, the oscillation amplitude of the blade and / or the phase position of the vibrations of the blade with respect to a reference signal and / or the normally exponential decay of the vibrations of the blade are determined. For example, the ultrasonic waves emitted by the ultrasonic transducer serve as the reference signal. Data are determined in particular for new or already determined resonant frequencies, operating frequencies and / or for new test frequencies.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung wird als Testsignal ein breitbandiger Impuls an die Klinge abgegeben, wonach die resultierenden Schwingungen gemessen werden. Beispielsweise wird ein Signal mit mehreren Frequenzen an die Klinge angelegt, von denen vorzugsweise wenigstens eine die Arbeitsfrequenz ist. In der Folge können die resultierenden Schwingungen, die schneller oder langsamer abklingen, beispielsweise anhand einer Fourier-Transformation ausgewertet werden, um Resonanzfrequenzen sowie deren Amplituden und Zerfallsgeschwindigkeiten zu ermitteln.In a preferred embodiment, a broadband pulse is delivered to the blade as a test signal, after which the resulting vibrations are measured. For example, a signal having a plurality of frequencies is applied to the blade, of which at least one is preferably the operating frequency. As a result, the resulting oscillations, which decay faster or slower, can be evaluated, for example, by means of a Fourier transformation in order to determine resonance frequencies and their amplitudes and decay rates.
Alternativ kann der Frequenzgang eines Frequency Sweep gemessen werden, indem mit einem Ultraschallsignal der relevante Frequenzbereich durchlaufen wird und die resultierenden Schwingungen erfasst werden.Alternatively, the frequency response of a frequency sweep can be measured by passing through the relevant frequency range with an ultrasonic signal and recording the resulting vibrations.
Nach Ermittlung der Frequenzen, bei denen die Klinge ein gutes oder optimales Schwingungsverhalten aufweist, werden die Arbeitsfrequenzen auf diese Frequenzwerte gesetzt bzw. in Bereiche verschoben, für die höhere bzw. maximale Amplituden und/oder eine geringere Phasenverschiebung und/oder ein langsamerer Zerfall der Schwingungen ermittelt wurden.After determining the frequencies at which the blade has a good or optimal vibration behavior, the operating frequencies are set to these frequency values or moved into areas for the higher or maximum amplitudes and / or a lower phase shift and / or a slower decay of the vibrations were determined.
Messungen werden kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen durchgeführt, wobei die Arbeitsfrequenzen vorzugsweise optimiert werden, während die Klinge durch das Prozessgut geführt wird.Measurements are performed continuously or at intervals, with the operating frequencies preferably being optimized while the blade is passing through the process material.
Der Empfang von Ultraschallenergie von der Klinge erfolgt vorzugsweise während Intervallen, in denen keine Ultraschallenergie an die Klinge abgegeben wird, oder in denen die an die Klinge abgegebenen Ultraschallschwingungen einen Nulldurchgang aufweisen.The reception of ultrasonic energy from the blade is preferably at intervals during which no ultrasonic energy is delivered to the blade, or in which the ultrasonic vibrations delivered to the blade have a zero crossing.
Alternativ wird Ultraschallenergie kontinuierlich an die Klinge abgegeben, wonach ein entsprechender Anteil der abgegebenen Ultraschallenergie von der empfangenen Ultraschallenergie subtrahiert wird, um die Eigenschwingung der Klinge zu ermitteln.Alternatively, ultrasonic energy is continuously delivered to the blade, after which a corresponding portion of the delivered ultrasound energy is subtracted from the received ultrasound energy to determine the natural vibration of the blade.
In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass die Amplitude der an die Klinge abgegebenen Ultraschallwellen gesteuert oder geregelt werden kann, um eine gewünschte Leistung in die Klinge einkoppeln zu können.In preferred embodiments, the control unit is designed such that the amplitude of the ultrasonic waves delivered to the blade can be controlled or regulated in order to be able to couple a desired power into the blade.
In vorzugsweisen Ausgestaltungen wird zuerst die Optimierung der Arbeitsfrequenzen durchgeführt. Anschliessend erfolgt die Nachregelung der Schwingungsamplituden auf die gewünschten Werte. Diese Nachregelung bzw. die resultierende Schwingungsamplitude kann wiederum durch Messung des Schwingungsverhaltens der Klinge überprüft werden.In preferred embodiments, the optimization of the operating frequencies is performed first. Subsequently, the readjustment of the vibration amplitudes to the desired values takes place. This readjustment or the resulting oscillation amplitude can in turn be checked by measuring the vibration behavior of the blade.
In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist zudem wenigstens ein Temperatursensor, beispielsweise ein Infrarotsensor, vorgesehen, mittels dessen die Temperatur der Sonotrode bzw. der Klinge oder der Kopplungselemente vorzugsweise kontaktlos gemessen wird. Insbesondere im Bereich der Stellen, an denen Übergänge vorliegen und Ultraschallenergie von einem ersten in ein zweites Medium eingekoppelt wird, wird vorzugsweise die Temperatur gemessen. Während des Betriebs der Schneidevorrichtung, insbesondere während der Regelung der Amplitude der Ultraschallschwingungen, wird die Temperatur vorzugsweise überwacht, um Fehlanpassungen oder weitere Mängel zu detektieren. Sobald ein auffälliger Temperaturanstieg bzw. ein hoher Leistungskonsum der Klinge detektiert wird, kann ein Alarm ausgelöst und die Schneidevorrichtung abgeschaltet werden. Alternativ wird bei Überschreiten einer Maximaltemperatur die zugeführte Ultraschall-Leistung reduziert. In der Folge werden die Schneidevorrichtung, das Prozessgut und/oder die Prozessparameter geprüft, um allfällige Fehlerursachen festzustellen.In preferred embodiments, at least one temperature sensor, for example an infrared sensor, is provided, by means of which the temperature of the sonotrode or the blade or the coupling elements is preferably measured without contact. In particular, in the region of the points where transitions are present and ultrasonic energy is coupled from a first into a second medium, the temperature is preferably measured. During operation of the cutting device, in particular during the regulation of the amplitude of the ultrasonic vibrations, the temperature is preferably monitored in order to detect mismatches or other defects. Once a conspicuous increase in temperature or a high power consumption of the blade is detected, an alarm can be triggered and the cutting device can be switched off. Alternatively, when a maximum temperature is exceeded, the supplied ultrasonic power is reduced. As a result, the cutting device, the process material and / or the process parameters are checked in order to determine any possible causes of the error.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann besonders vorteilhaft bei Schneidevorrichtungen angewendet werden, bei denen Klingen eingesetzt werden, um eine Prozessgut zu zerschneiden. Hingegen kann das erfindungsgemässe Verfahren auch vorteilhaft bei Vorrichtungen eingesetzt werden, die beliebige Sonotroden verwenden, mittels denen Prozessgüter, wie Nahrungsmittel oder pharmazeutische Produkte bearbeitet werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren bei Vorrichtungen vorteilhaft eingesetzt werden, welche eine Klinge als Sonotrode aufweisen, die jedoch nicht dem Schneiden, sondern dem Zerstäuben oder dem Transport eines Prozessguts dient. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren auch bei Vorrichtungen eingesetzt werden, die ein Sieb als Sonotrode aufweisen, mittels dessen z.B. ein Nahrungsmittel oder eine pharmazeutische Substanz gesiebt wird. Dabei wird vermieden, dass Schwingungsknoten im Bereich einzelner Poren der Sonotrode bzw. des Siebs verharren können.The inventive method can be used particularly advantageously in cutting devices in which blades are used to cut a process material. On the other hand, the method according to the invention can also be advantageously used in devices which use any sonotrodes by means of which process goods, how foods or pharmaceuticals are processed. For example, the inventive method can be advantageously used in devices which have a blade as a sonotrode, which does not serve the cutting, but the sputtering or the transport of a process material. For example, the method according to the invention can also be used in devices which have a sieve as a sonotrode, by means of which, for example, a foodstuff or a pharmaceutical substance is sieved. This avoids that vibration nodes can remain in the region of individual pores of the sonotrode or the screen.
Die erfindungsgemässe Schneidevorrichtung kann mit beliebigen weiteren Vorrichtungen gekoppelt werden, um ein Prozessgut zu schneiden. Beispielsweise wird die Schneidevorrichtung am Ende einer Förderkette angeordnet, an der ein Prozessgut in Einzelteile zu schneiden ist. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemässe Schneidevorrichtung auch am Ausgang eines Extruders angeordnet werden, so dass das extrudierte Material wahlweise in kürzere oder längere Elemente aufgeteilt werden kann. Eine einzige Schneidevorrichtung kann dabei mehrere Extruder oder Fördervorrichtungen bedienen. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann daher mit einer Sonotrode ausgerüstet werden, welche verschiedene Aufgaben, wie zum Beispiel Schneiden, Filtern, Sieben, Zerstäuben, Transportieren und Fluidisieren, z.B. Fluidisieren eines Schüttguts, erfüllen kann.The inventive cutting device can be coupled with any other devices to cut a process material. For example, the cutting device is arranged at the end of a conveyor chain, on which a process material is to be cut into individual parts. Particularly advantageously, the inventive cutting device can also be arranged at the outlet of an extruder, so that the extruded material can optionally be divided into shorter or longer elements. A single cutting device can serve several extruders or conveyors. A device according to the invention can therefore be equipped with a sonotrode which performs various tasks, such as cutting, filtering, sieving, sputtering, transporting and fluidizing, e.g. Fluidizing a bulk material, can meet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts 8A, 8B, welches unterhalb und oberhalb einer
Klinge 11 zugeführt wird, die von einerAntriebsvorrichtung 12 gehalten wird und der über zwei Ultraschallwandler 13 Ultraschallenergie von einerUltraschalleinheit 4 zuführbar ist, die zudem zum Empfang von Ultraschallsignalen geeignet ist, die von derKlinge 11 wieder entnommen wurden; - Fig. 2
- eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts 8,
umfassend eine Schneidevorrichtung 1mit vier Klingen 11A, ..., 11D, mittels denenein Prozessgut 8, welches inForm von Stangen 8A, ..., 8L auf einem Fördertisch 93 zugeführt wird, inScheiben 89 geschnitten wird; - Fig. 3
- die
Schneidevorrichtung 1 vonFig. 2 , 12A, 12B mittels denen diemit zwei Antriebseinheiten Klingen 11A, ..., 11D nach unten und wieder nach oben verschiebbar sind; - Fig. 4a
ein eine Klinge 11mit einem Kopplungselement 15, auf demein erster Energiewandler 131 angeordnet ist, dem Ultraschallenergie zugeführt wird, und auf dem ein zweiter Energiewandler 132 angeordnet ist, welcher auf derKlinge 11 auftretende Ultraschallwellen erfasst und in elektrische Signale wandelt, dievon der Steuereinheit 6 ausgewertet werden;- Fig. 4b
- ein Spektrogramm mit einem Ultraschall-Impuls TP mit Schwingungen mehrerer Frequenzen f1, f2 und f3, welche an
die Klinge 11 abgegeben werden sowie dem Verlauf der Schwingungen, der anschliessend gemessen und ausgewertet wird; - Fig. 5
- die
Klinge 11 vonFig. 4a 15A, 15B, anmit zwei Kopplungselementen 13A, 13B angeschlossen sind;die Ultraschallwandler - Fig. 6
- die mehrkanalige Ultraschalleinheit 4 und die
Steuereinheit 6 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung; - Fig. 7a
- die
Klinge 11 vonFig. 5 13A, 13B, die mit einermit den Ultraschallwandlern Ultraschalleinheit 4 verbunden sind, die Ultraschallsignale abgibt und empfängt; - Fig. 7b
- ein Frequenzdiagramm mit Frequenzen f1, 11a, f1b; f2, f2a, f2b, die durch Überprüfung des Schwingungsverhaltens der
Klinge 11 bzw. anhand des Frequenzgangs V derKlinge 11 optimiert werden; und - Fig. 7c
- an
der Klinge 11 auftretende stehende Wellen sw1, die Schwingungsknoten swk und Schwingungsbäuche swb aufweisen.
- Fig. 1
- an inventive device for cutting a
8A, 8B, which below and is supplied above aprocess material blade 11, which is held by adrive device 12 and the ultrasound energy can be supplied via twoultrasonic transducers 13 from anultrasound unit 4, which is also suitable for receiving ultrasonic signals, which were removed again from theblade 11; - Fig. 2
- an inventive device for cutting a
process material 8, comprising acutting device 1 with fourblades 11A, ..., 11D, by means of which aprocess material 8, which is supplied in the form ofrods 8A, ..., 8L on a conveyor table 93, inSlices 89 is cut; - Fig. 3
- the
cutting device 1 ofFig. 2 with two 12A, 12B by means of which thedrive units blades 11A, ..., 11D are displaceable downwards and upwards again; - Fig. 4a
- a
blade 11 with acoupling element 15, on which afirst energy converter 131 is arranged, to which ultrasonic energy is supplied, and on which a second energy converter 132 is arranged, which detects ultrasonic waves occurring on theblade 11 and converts them into electrical signals, which are generated by the Be evaluatedcontrol unit 6; - Fig. 4b
- a spectrogram with an ultrasonic pulse TP with oscillations of several frequencies f1, f2 and f3, which are delivered to the
blade 11 and the course of the vibrations, which is subsequently measured and evaluated; - Fig. 5
- the
blade 11 ofFig. 4a with two 15A, 15B to whichcoupling elements 13A, 13B are connected;ultrasonic transducers - Fig. 6
- the multi-channel
ultrasonic unit 4 and thecontrol unit 6 in a preferred embodiment; - Fig. 7a
- the
blade 11 ofFig. 5 with the 13A, 13B connected to anultrasonic transducers ultrasonic unit 4 which outputs and receives ultrasonic signals; - Fig. 7b
- a frequency diagram with frequencies f1, 11a, f1b; f2, f2a, f2b, which are optimized by checking the vibration behavior of the
blade 11 or by the frequency response V of theblade 11; and - Fig. 7c
- Standing waves sw1 occurring on the
blade 11 and having nodes swk and antinodes swb.
Mittels der Antriebsvorrichtung 12 kann die Klinge 11 nach unten und nach oben geführt werden, um in jeder Bewegungsrichtung einen ersten bzw. einen zweiten Anteil des zugeführten Prozessguts 8A, 8B zu schneiden. Die Klinge 11 weist dazu eine obere Schneidekante 101 und eine untere Schneidekante 102 auf.By means of the
Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist die Schneidevorrichtung 1 eine entsprechend ausgestaltete Steuereinheit 6, eine entsprechend ausgestaltete Ultraschalleinheit 4 und entsprechend ausgestaltete Ultraschallwandler 13a, 13b auf. Die Ultraschallwandler 13a, 13b sind mittels Kopplungselementen 15A, 15B mit der Klinge 11 verbunden, vorzugsweise verschweisst. Grundsätzlich ist jede beliebige Ankopplung bzw. jede beliebige Ausgestaltung der Kopplungselemente 15A, 15B zur Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens einsetzbar.For carrying out the method according to the invention, the
Die Ultraschalleinheit 4, die mit der Steuereinheit 6 kommuniziert und von dieser gesteuert wird, weist wenigstens einen Sendekanal 41 und vorzugsweise wenigstens einen Empfangskanal 42 auf. Ein Sendekanal 41 weist beispielsweise einen festen oder variablen Oszillator, beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO oder einen Synthesizer auf. Mittels des vorzugsweise steuerbaren Oszillators oder Synthesizers werden Frequenzen wahlweise im Ultraschallbereich erzeugt und einem vorzugsweise steuerbaren Ausgangsverstärker zugeführt, wie dies nachstehend mit Bezug auf
Ein Sendekanal 41 der Ultraschalleinheit 4 kann mit mehreren Ultraschallwandlern 13A, 13B bzw. Energiewandlern 131 (siehe
Mittels der Steuereinheit 6 ist die Ultraschalleinheit 4 derart steuerbar, dass die Frequenz der Ultraschallwellen, die der Klinge 11 zugeführt werden, zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz f1a, f1b umgetastet werden kann. An beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B können dieselben Frequenzen anliegen, die vorzugsweise innerhalb weniger Millisekunden umgetastet werden. Vorzugsweise wird die Ultraschallenergie der Klinge 11 hingegen über ein erstes Kopplungselement mit einer ersten Arbeitsfrequenz f1 und über ein zweites Kopplungselement mit einer zweiten Arbeitsfrequenz f2 zugeführt, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b umgetastet werden (siehe das Frequenzdiagramm in
Sofern nur ein Kopplungselement vorgesehen ist, so werden die Frequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b im Time Sharing Verfahren umgetastet. Alternativ können zwei oder mehrere Frequenzen einander überlagert und in die Klinge 11 eingekoppelt werden.If only one coupling element is provided, then the frequencies f1, f2 or f1a, f1b; f2a, f2b keyed in the time sharing method. Alternatively, two or more frequencies may be superimposed and coupled into the
In
In
Durch Optimierungen und Anpassungen wird nicht nur stets die beste Schneidequalität, sondern auch eine minimale Belastung der Schneidevorrichtung erzielt. Einerseits werden partielle Blockaden bei der Durchführung des Schnittes verhindert. Anderseits werden Energieverluste und eine entsprechende Erwärmung der Klinge 11 vermieden.Through optimizations and adjustments, not only will the best cutting quality be achieved, but also a minimum of stress achieved the cutting device. On the one hand, partial blockages during the execution of the cut are prevented. On the other hand, energy losses and a corresponding heating of the
Ein optimales Schwingungsverhalten der Klinge 11 tritt im Bereich der Resonanzfrequenz der Klinge 11 auf. Als Ausgangspunkt für die Wahl der Prozessparameter kann daher die vom Hersteller angegebene Resonanzfrequenz der Klinge 11 gewählt werden. Je nach der Art des Prozessguts 8, welches von der Klinge 11 zu bearbeiten ist, wird sich die Resonanzfrequenz und somit das Schwingungsverhalten der Klinge 11 ändern, so dass mittels der in
Insbesondere wird das globale Maximum innerhalb des Frequenzgangs der Klinge 11 ermittelt. Vorteilhaft können auch lokale Maxima ermittelt werden, die innerhalb des Frequenzgangs auftreten. In der Folge wird vorzugsweise eine Frequenzumtastung zwischen den ermittelten Maxima vorgenommen. Insbesondere wird darauf geachtet, dass die Arbeitsfrequenzen f1a, f1b bzw. f1, f2 derart gewählt und umgetastet werden, dass sich resultierende Schwingungsknoten swk nicht überlagern.In particular, the global maximum within the frequency response of the
Die Arbeitsfrequenzen werden vorzugsweise derart gewählt, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz f1a, f1b vorzugsweise in gleichem Frequenzabstand unterhalb und oberhalb der ermittelten Resonanzfrequenz f1 liegen, oder dass eine der Arbeitsfrequenzen f1a präzise bei der Resonanzfrequenz f1 und die zweite Arbeitsfrequenz f1b in einem Bereich liegt, in dem nur eine minimale Dämpfung auftritt.The operating frequencies are preferably chosen such that the first and the second operating frequency f1a, f1b are preferably at the same frequency spacing below and above the detected resonant frequency f1, or that one of the operating frequencies f1a precise at the resonant frequency f1 and the second operating frequency f1b in an area where only minimal attenuation occurs.
Bei der Verwendung nur einer Resonanzfrequenz oder nur eines Maximums wird der Abstand zwischen der ersten Arbeitsfrequenz, die bei Resonanz oder bei einem Maximum auftritt, und der wenigstens einen zweiten Arbeitsfrequenz vorzugsweise so gering wie möglich und so gross wie erforderlich gehalten, so dass stationäre Wellenknoten vermieden werden und die Ultraschallenergie über die gesamte Schneide der Klinge auf das Prozessgut einwirken kann. Beispielsweise wird in diesem Fall ein Frequenzabstand im Bereich von 5 Hz bis 500 HZ gewählt. Vorteilhaft kann ein asymmetrisches Umschalten vorgesehen werden mit einer grösseren Verweildauer im Bereich der Frequenz, bei der höhere Amplituden auftreten.When using only one resonance frequency or only one maximum, the distance between the first operating frequency, which occurs at resonance or at a maximum, and the at least one second operating frequency is preferably kept as small as possible and as large as necessary, so that stationary wave nodes are avoided and the ultrasonic energy can act on the process material over the entire cutting edge of the blade. For example, in this case, a frequency spacing in the range of 5 Hz to 500 Hz is selected. Advantageously, an asymmetric switching can be provided with a longer residence time in the range of the frequency at which higher amplitudes occur.
Der Abstand zwischen den Arbeitsfrequenzen f1a und f1b liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 Hz bis 10 kHz. Je nach Frequenzgang der Klinge 11 werden kleinere oder höhere Frequenzabstände gewählt.The distance between the operating frequencies f1a and f1b is preferably in a range of 5 Hz to 10 kHz. Depending on the frequency response of the
Die Umtastung der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz f1a, f1b bzw. f1, f2 erfolgt mit einer Umtastfrequenz, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt. Die Umtastung erfolgt zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch. Beispielsweise wird während eines längeren ersten Zeitintervalls die Resonanzfrequenz an die Klinge 11 angelegt, während für ein kürzeres zweites Zeitintervall eine davon abweichende Arbeitsfrequenz an die Klinge 11 angelegt wird. In diesem Fall soll mittels der Klinge 11 während des ersten Zeitintervalls eine optimale Einwirkung auf das Prozessgut 8 und während des zweiten Zeitintervalls eine Beseitigung von Hindernissen erzielt werden, die nach dem ersten Zeitintervall verbleiben.The keying of the first and the second operating frequency f1a, f1b or f1, f2 takes place with a Umtastfrequenz, which is preferably in a range of 2 Hz to 500 Hz. The keying is temporally symmetric or asymmetrical. For example, during a longer first time interval, the resonance frequency is applied to the
Wie erwähnt kann das erfindungsgemässe Verfahren bei unterschiedlichen Schneidevorrichtungen oder auch bei weiteren Vorrichtungen mit anderen Ultraschall-Sonotroden eingesetzt werden.As mentioned, the method according to the invention can be used with different cutting devices or also with other devices with other ultrasonic sonotrodes.
Das Prozessgut 8 wird den vier Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D in zwölf zylinderförmigen oder stangenförmigen Einheiten 8A, ..., 8L parallel zugeführt, so dass jeweils drei der Prozessguteinheiten 8A, ..., 8L von einem der Schneidewerkzeuge 11A; ...; 11D gleichzeitig geschnitten werden. Frontseitig sind die parallel zugeführten Prozessguteinheiten 8A, ..., 8L von einem Niederhalter in einer gewünschten Position gehalten, während der Schnitt ausgeführt wird.The
Die Schneideeinheit 1 umfasst die vier Schneidewerkzeuge 11A; ...; 11D, die je mit einem Ultraschallwandler 13 verbunden sind und von den Antriebsvorrichtungen 12A, 12B vertikal abgesenkt und wieder angehoben werden können, um Scheiben 89 von den Prozessguteinheiten 8 abzuschneiden. Die Scheiben 89 fallen auf ein Förderband 92 eines Aufnahmeförderers 9, welcher einen Antriebsmotor 91 aufweist.The
Ferner ist eine Steuereinheit 6 vorgesehen, welche die Schneidevorrichtung 1, die Fördervorrichtungen und die Ultraschalleinheit 4 steuern kann. Die Steuereinheit 6 ist über eine erste Steuerleitung 61 mit der Antriebsvorrichtungen 12A, 12B, eine zweite Steuerleitung 62 mit den Fördervorrichtungen, eine dritte Steuerleitung 63 mit der Ultraschalleinheit 4 und eine vierte Steuerleitung 69 mit dem Abnahmeförderer 9 verbunden. Der Steuereinheit 6 sind über eine Tastatur und von Messgeräten 71, 72, wie Messungsformern und Sensoren, Informationen zuführbar, mittels denen der Schneideprozess und der Förderprozess gesteuert werden können.Furthermore, a
Die Schneidewerkzeuge 11A, ..., 11D umfassen je eine Klinge 11, an deren Rücken die in einem Bogen verlaufenden Kopplungselemente 15 angeschweisst sind, wodurch die Ultraschallenergie in die Klingen 11 eingekoppelt werden kann.The
Die Energiewandler 131, 132 umfassen vorzugsweise je ein Piezoelement, welches zwischen zwei Elektroden, beispielsweise Metallplatten, eingeschlossen ist, von denen eine am Balken 130 anliegt und die andere mit einer elektrischen Anschlussleitung 401, 402 verbunden ist. Dem ersten Energiewandler 131 werden von einem Sendekanal 41 der Ultraschalleinheit 4 über die Anschlussleitung 401 elektrische Ultraschallsignale zugeführt. Der zweite Energiewandler 131 bzw. der Sensor 71 erfasst mechanische Ultraschallwellen von der Klinge 11 und wandelt diese in elektrische Ultraschallwellen um, die von der zweiten Anschlussleitung 402 einem Empfangskanal 42 der Ultraschalleinheit 4 zugeführt werden. Die empfangenen Ultraschallwellen werden gegebenenfalls verstärkt, gefiltert und gewandelt und einem Auswertemodul 600 in der Steuereinheit 6 zugeführt. Das Auswertemodul 600 ermittelt das aktuelle Schwingungsverhalten der Klinge 11 und vergleicht dieses mit Sollwerten, wonach Korrekturmassnahmen festgelegt werden. Beispielsweise wird festgestellt, dass wenigstens eine der Arbeitsfrequenzen zu verschieben ist, oder dass die Signalamplitude wenigstens einer der Arbeitsfrequenzen erhöht oder reduziert werden soll. Entsprechende Informationen werden vom Auswertemodul 600 an ein Steuermodul 60 abgegeben, welches die Arbeitsfrequenzen, die Umtastfrequenzen, die Umtastintervalle und die Signalamplitude bestimmt und entsprechende Steuersignale bereitstellt. Zur Steuerung des Auswertemoduls 600 und des Steuermoduls 60 ist ein Betriebsprogramm vorgesehen, welches den Programmablauf steuert und über Schnittstellen mit dem Anwender und externen Rechnern oder elektronischen Einheiten kommunizieren kann.The
Die Prozessoptimierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wie erwähnt kann das Schwingungsverhalten der Sonotrode bzw. der Klinge 11 kontinuierlich überwacht und optimiert werden. Die Steuereinheit 6 kann jedoch auch selbsttätig versuchen, die Prozessparameter zu optimieren. Dazu kann die Steuereinheit 6 während des Arbeitsprozesses oder während Testphasen Testsignale TP an die Klinge 11 abgegeben und die Echosignale f1, f2, f3 auswerten. Die Auswertung der Testsignale und der Arbeitssignale bzw. Arbeitsfrequenzen, die während des Prozessverlaufs erfasst werden, kann in gleicher Weise erfolgen.The process optimization can be done in different ways. As mentioned, the vibration behavior of the sonotrode or the
Sofern die Frequenz f2 die Arbeitsfrequenz ist, so werden dem Testimpuls TP beispielsweise zwei Frequenzen f1, f3 hinzugefügt, welche unterhalb und oberhalb der Arbeitsfrequenz f2 liegen. Durch die Auswertung der Echosignale dieser drei Frequenzen f1, f2, und f3 kann in der Folge festgestellt werden, dass bei der Frequenz f1 eine höhere Amplitude und eine geringer Dämpfung auftreten. Das Auswertemodul 600 wird daher die Information an das Steuermodul 60 abgeben, wonach mit der Frequenz f1 als neuer Arbeitsfrequenz ein besseres Schwingungsverhalten der Klinge 11 erzielt werden kann. Das Steuermodul 60 kann die Frequenz f1 unmittelbar als neue Arbeitsfrequenz übernehmen oder die Informationen in den weiteren Evaluationsprozess einbeziehen. Vorzugsweise werden auch Parameter in die Evaluation einbezogen, welche die Eigenschaften oder erwartete Änderungen des Prozessguts 8 betreffen.If the frequency f2 is the operating frequency, the test pulse TP, for example, two frequencies f1, f3 are added, which are below and above the operating frequency f2. As a result of the evaluation of the echo signals of these three frequencies f1, f2, and f3, it can be ascertained that a higher amplitude and a lower attenuation occur at the frequency f1. The
Jeder Sendekanal 41 umfasst einen D/A Wandler 411, welcher die digitalen Kommandos der Steuereinheit 6 in analoge Steuersignale wandelt, die einem steuerbaren Oszillator 412 zuführbar sind. Stattdessen kann auch ein Synthesizer verwendet werden, welcher von der Steuereinheit 6 direkt steuerbar ist und gleichzeitig mehrere Arbeitsfrequenzen abgeben kann. Die von den steuerbaren Oszillatoren 412 abgegebenen Schwingungen werden je einem steuerbaren Verstärker 413 zugeführt, welche die Schwingungen mit wahlweiser Amplitude an den Energiewandler 131 abgibt. Die Steuerung der Verstärker 413 erfolgt wiederum durch die Steuereinheit 6 bzw. das Steuermodul 60. gleichzeitig können daher mehrere Ultraschallsignale mit ausgewählter Frequenz und ausgewählter Amplitude an die vorgesehenen Energiewandler 131 bzw. Ultraschallwandler 13 abgegeben werden.Each transmit
Jeder Empfangskanal 42 umfasst vorzugsweise einen Eingangsverstärker 421, vorzugsweise eine daran anschliessende Filterstufe 422, die nur die interessierenden Frequenzen passieren lässt, sowie einen A/D Wandler, welcher die analogen Signale in digitale Daten wandelt. Die digitalen Daten werden dem Auswertemodul 600 übergeben, welches beispielsweise einen Signalprozessor umfasst und vorzugsweise zur Durchführung der Fourier-Transformation geeignet ist.Each receive
Es ist gezeigt, dass die Schneidevorrichtung 1 in Betrieb ist und an der Schneidekante der Klinge 11 zwei stehende Wellen sw1, sw2 auftreten, die sich gegenseitig überlagern, so dass Wellenknoten swk der einen stehenden Welle sw1 innerhalb von Wellenbäuchen swb der anderen stehenden Welle liegen. Die beiden Wellen sw1, sw2 können einander überlagert oder alternierend zugeschaltet werden, so dass jeweils innerhalb wenigen Millisekunden, gegebenenfalls innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde jede Zone des zu schneidenden Prozessguts der maximalen Intensität der Ultraschallenergie ausgesetzt wird und ein optimaler Schnittverlauf gewährleistet wird. In
In
Die Maxima M1, ..., M4 liegen an den Stellen an denen die Ultraschallenergie optimal in die Klinge 11 eindringt und diese in Schwingung versetzen kann. Die mechanischen Schwingungen werden beispielsweise durch piezoelektrische Elemente in elektrische Signale gewandelt, deren Spannungsverlauf bzw. Amplituden in
Die Frequenzen der oberhalb dieses Schwellwerts s liegenden Maxima sind als Arbeitsfrequenzen geeignet. M3 ist das globale Maximum, während M1, M2 und M4 lokale maximal sind. Die Arbeitsfrequenzen werden nun derart gewählt, dass sich die Wellenknoten und die Wellenbäuche der resultierenden stehenden Wellen überlagern. Im vorliegenden Beispiel wurden die Arbeitsfrequenzen f1 und f2 an den Stellen des globalen Maximums M3 und des lokalen Maximum des M2 gewählt. Alternativ könnten auch weiterhin Kombinationen der Frequenzen der genannten Maxima, z.B. M3 und M4 bzw. M1, M2 und M4, bzw. M1 und M4, gewählt werden. Alternativ wird eine Resonanzfrequenz f1 ermittelt, wonach beidseits der Resonanzfrequenz f1 Arbeitsfrequenzen f1a, f1b festgelegt werden, die nur einem oder beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B zugeführt werden. Es ist gezeigt, dass die Maxima beispielsweise aufgrund der Änderung der Konsistenz des Prozessguts 8 wandern und die Arbeitsfrequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b entsprechend nachgeführt und nach dem erfindungsgemässen Verfahren stetig optimiert werden.The frequencies of the maxima lying above this threshold value s are suitable as working frequencies. M3 is the global maximum while M1, M2 and M4 are local maximum. The operating frequencies are now selected such that the wave nodes and the antinodes of the resulting standing waves overlap. In the present example, the operating frequencies f1 and f2 were chosen at the locations of the global maximum M3 and the local maximum of the M2. Alternatively, combinations of the frequencies of said maxima, e.g. M3 and M4 or M1, M2 and M4, and M1 and M4, respectively. Alternatively, a resonant frequency f1 is determined, after which operating frequencies f1a, f1b are determined on both sides of the resonant frequency f1 and fed to only one or both
Vorzugsweise werden mehrere Rezepturen vorgesehen, mit denen bestimmte Prozessparameter für eine Klinge 11 und vorzugsweise ein bestimmtes Prozessgut 8 festgelegt sind. Prozessparameter sind beispielsweise die Arbeitsfrequenzen, die Schwingungsamplituden vorzugsweise für jede der Arbeitsfrequenzen, die Umtastfrequenz, die minimale und maximale Leistung, sowie die maximale Temperatur der Klinge 11. Rezepturen können dabei permanent eingestellt oder sequenziell oder zufällig ausgewählt und eingestellt werden. Durch Messung des Schwingungsverhaltens der Klinge 11 bei jeder Rezeptur können unverzüglich die optimalen Rezepturen ausgewählt und angewendet werden. In vorzugsweisen Ausgestaltungen erfolgt daher nicht nur eine Umschaltung eines einzelnen Prozessparameters, sondern einer Gruppe von Prozessparametern, gegebenenfalls einer gesamten Rezeptur. Vorzugsweise werden die Rezepturen anhand der erfindungsgemässen Messverfahren laufend optimiert und wieder gespeichert. Sofern Änderungen des Prozessguts 8 auftreten können daher unverzüglich geeignete Rezepturen angewendet werden.Preferably, several recipes are provided with which certain process parameters for a
Claims (15)
- Method for operating a cutting device (1), which is designed for cutting a process material, particularly foodstuff (8) and which comprises at least one cutting tool in the embodiment of a blade (11), which is driven by a drive device (12) and to which ultrasonic energy is supplied from an ultrasound unit (4) via at least one energy converter (13) and a coupling element (15), characterised in that a control unit (6) is provided, which controls the ultrasound unit (4) during cutting of the process material in such a way, that the frequency of the ultrasonic energy, which is supplied to the blade (11) via only one coupling element (15), is keyed between at least a first and a second operating frequency (fla, f1b) or that the ultrasonic energy is supplied to the blade (11) via a first coupling element (15A) with a first operating frequency (f1) and via a second coupling element (15B) with a second operating frequency (f2), which first and second frequencies are fixed or keyed between at least two operating frequencies (f1, f2 or f1a, f1b; f2a, f2b).
- Method according to claim 1, characterised in that the oscillation amplitudes of the blade (11) are measured before or during processing the process material (8) for a plurality of test frequencies or operating frequencies and that one or a plurality of frequencies are determined, at which an absolute or relative maximum value of the oscillation amplitude occurs.
- Method according to claim 1 or 2, characterised in that the operating frequencies (fla, f1b or f1, f2) are selected and keyed in such a way, that the resulting nodes (swk) do not overlap.
- Method according to claim 1, 2 or 3, characterised ina) that the first and the second operating frequency (fla, f1b or f1, f2) are located preferably in an equal frequency distance below and above a determined frequency, at which the maximum value of the oscillation amplitude occurs, orb) that one of the operating frequencies (fla) is located at the frequency, at which a maximum value of the oscillation amplitude occurs,c) wherein the distance between the operating frequencies (fla, f1b or f1, f2) is selected in a range of preferably 5 Hz to 10 kHz.
- Method according to one of the claims 1 - 4, characterised in that keying between the first and the second operating frequency (fla, f1b or f1, f2) is done with a keying frequency that is located preferably in a range of 2 Hz to 500 Hz and/or that keying between the first and the second operating frequency (fla, f1b or f1, f2) is done symmetrically or asymmetrically in time.
- Method according to one of the claims 1 - 5, characterised in that the blade (11) is connected directly or via one of the coupling elements (15A, 15B) to a sensor (71), preferably a converter element (132), with which oscillations of the blade (11) are sensed, converted and forwarded as electrical signals to the control unit (6) and are evaluated there.
- Method according to claim 6, characterised in that during an interval one or a plurality of test frequencies (f1, f2, f3) are applied to the blade (11), whereafter the resulting oscillations are sensed, converted, optionally processed by applying a Fourier-transformation and are evaluated.
- Method according to claim 7, characterised in that the receipt of ultrasonic energy from the blade (11) is done during intervals, in which no ultrasound oscillation is applied to the blade (11).
- Method according to claim 6, 7 or 8, characterised in that the amplitude or the duration of the decay of the oscillations of the test frequencies is determined, whereafter the test frequencies are used as operating frequencies (fla, f1b or f1, f2), for which the higher amplitudes or a slower decay of the oscillations had been registered.
- Method according to one of the claims 6-9, characterised in that measurements are made continuously or in time distances and the operating frequencies (f1, f2 or f1a, f1b; f2a, f2b) are optimised, while the blade (11) is guided through the process material (8).
- Method according to claim 8 or 9, characterised in that ultrasonic energy is supplied continuously to the blade (11) and that a corresponding share of the supplied ultrasonic energy is subtracted from the received ultrasonic energy, in order to determine the self-oscillation of the blade (11).
- Method according to one of the claims 9 - 11, characterised in that sensors (72, 73) are provided, with which the temperature of the blade (11) or of the coupling elements (15A, 15B) is measured and that the supplied ultrasonic energy is reduced when a predetermined maximum temperature is exceeded.
- Cutting device (1) designed for the application of the method according to one of the claims 1-12 with at least one cutting tool in the embodiment of a movable or rotatable blade (11) that is connected with a drive device (12) and to which ultrasonic energy can be supplied from a ultrasound unit (4) via at least one energy converter (13) and a coupling element (15), characterised in that a control unit (6) is provided, with which the ultrasound unit (4) is controllable during cutting of the process material in such a way, that the frequency of the ultrasonic energy, which is supplied to the blade (11) via only one coupling element (15), can be keyed between at least a first and a second operating frequency (fla, f1b) or that the ultrasonic energy is supplied to the blade (11) via a first coupling element (15A) with a first operating frequency (f1) and via a second coupling element (15B) with a second operating frequency (f2), which first and second frequencies are fixed or keyed between at least two operating frequencies (f1, f2 or f1a, f1b; f2a, f2b).
- Cutting device (1) according to claim 13, characterised in that at least one sensor (71, 72) and one converter (41) are provided, with which ultrasonic energy can be sensed at the blade (11), can be converted and transferred to the control unit (6), in which a signal processing module (60) is provided, with which signals derived from the blade (11) can be evaluated and corresponding measurement results can be gathered and that a control module (600) is provided, with which the ultrasound unit (4) is controllable according to the gathered measurement results, in order to further optimise the measurement results.
- Cutting device (1) according to claim 13 or 14, characterised in that at least one temperature sensor (72, 73) is provided, which is mechanically coupled, directly or indirectly, with the blade (11) and that is connected to the control unit (6), which is designed for observing the temperature of the blade (11) or of the coupling element (15A, 15B) as well as for controlling the ultrasound unit (4), so that at high temperatures the ultrasound power is reduced and/or or an alarm signal is provided.
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