振动切割设备和用于振动切割的方法 【技术领域】
本发明涉及一种振动切割设备和一种用于振动切割的方法。背景技术 在现有技术中已知各种不同的切割设备， 例如来自厨房需要的自动刀具或具有切 割工具的超声焊极 (Ultraschallsonotroden)。
通过在千赫范围内的振动在一个切割工具在微米范围内的振幅下实施借助超声 的切割。由于切割焊极 (Schneidsonotroden) 的上下运动， 因此更容易与劈开相比而不与 传统的切割相比。超声切割例如用于食品工业中。在超声切割中的缺点在于， 切割工具在 微米范围内的振幅使切割工具的一种有齿的结构失去作用， 因为切割工具的齿尺寸大于其 最大可实现的振幅。 此外缺点是， 切割工具的长度在超声切割时小于 30cm， 因为否则切割工 具在其运行过程中将变得不稳定。 但该切割工具的限定的长度不利地限制了超声切割的使 用范围。此外利用超声， 几乎只垂直和倾斜地切割是可能的。如果人们现在想借助超声切
割焊极进行一种水平的切割， 则上面的切割材料自动地处在切割焊极上， 但这是不符合要 求的。 发明内容
因此本发明的目的是， 提供一种切割设备和一种用于切割的方法， 它们可用在广 泛的使用领域内并且可经济地利用。
通过一种按照独立权利要求 1 所述的振动切割设备和通过一种按照独立权利要 求 12 所述的用于振动切割的方法达到上述目的。由以下的描述、 附图和诸从属权利要求给 出本发明的有利的实施形式和进一步构成。
按照本发明的振动切割设备具有以下特征 ： 至少一个第一振动头、 一个控制装置， 利用它可针对性地电激发第一振动头， 以便实施在低于千赫范围的频率范围内的振动， 和 一个设置在一个第一夹具与一个第二夹具之间的切割工具， 同时至少第一夹具与第一振动 头连接， 这样第一振动头的机械振动可传递到切割工具上。
借助按照本发明的设备将以低于超声范围的频率的机械振动传递到一个切割工 具上。这种针对性地选择的频率范围开辟的可能性是， 可以组合使用不仅切割工具的进行 振动的运动而且切割工具的特殊的几何形状例如锯齿。 例如由塑料的振动焊接已知所使用 的振动头并且其特征是高的寿命和微小的磨损。当切割工具固定在两个夹具上， 至少一个 振动头的振动只传入到一个或两个夹具中。在振动只传入到一个夹具的情况下， 例如弹性 地支承另一夹具或只切割工具的另一端， 以便可以跟随一侧传入的振动。
按照本振动切割设备的一个实施形式， 其振动头经由一个弹簧组与第一夹具连 接。并且优选的是， 使用一个与第一振动头组合的第二振动头， 它与第二夹具连接， 同时第 一和第二振动头电和 / 或机械联接。
弹簧组与一个或多个振动头组合的应用支持在切割工具中为切割所需的振动的控制和维持。 根据可供使用的结构空间和待切割的材料， 可以组合地使用一个、 两个或许多 振动头， 它们将切割运动传递到切割工具上。为了达到所述至少两个振动头的一种最好的 振动产生， 将它们由一个共同的控制电路来控制。基于所述至少两个振动头的这种电连接 装置这样地控制它们， 以致由它们产生的振动能量最好地互补。 这样例如优选的是， 在谐振 范围内运行各振动头。除电联接装置外， 也可以以组合或按选择地使用至少两个振动头的 一个机械连接装置。 一种此类的机械连接装置例如经由一种在至少两个振动头之间的刚性 连接实现， 它支持所述至少两个振动头的一种同步的控制。
优选的是， 在 50 至 500Hz 优选 50Hz 至 60Hz 的频率范围内运行振动切割设备。在 本振动切割设备的另一实施形式中， 将切割工具以 ±5mm 的振幅平行于切割工具的纵轴线 偏移。并且使用长度在 10 至 150cm 优选 30 至 100cm 范围内的切割工具。为了实现这一点， 使用例如包括一个光滑的刀片、 一个有齿的刀片、 一根金属丝或一根绳索的切割工具。
在本发明的另一实施形式中， 振动切割设备包括一个用于待切割的产品的工作 台， 同时工作台至少垂直于切割工具的纵轴线优选沿全部三个空间方向可移动， 或切割工 具平行于工作台优选沿全部三个空间方向可移动。
利用上述工作台将一个待切割的产品针对性地供给振动切割设备。为此目的， 待 切割的产品由工作台保持、 固定在工作台上、 通过工作台供给振动切割设备和 / 或通过工 作台从振动切割设备中排出。在最简单的实施形式中， 待切割的产品的固定和针对性的供 给和排出可通过一种垂直于切割工具的纵轴线的运动来实现。 这通过工作台本身的一种运 动转化。此外可设想， 在工作台的面向切割设备的一侧上设置一个输送带。在该输送带上 设置待切割的产品， 从而经由输送带针对性地实现待切割的产品向切割工具的供给 / 从切 割工具的排出以及切割工具通过待切割的产品的一种可控的运动。 为了利用振动切割设备 舒适地工作， 还有利的是， 工作台沿全部三个空间方向可移动， 从而一个待切割的产品相对 于切割工具可任意定位。此外工作台的一种这样的活动性确保， 可实施沿任意方向通过待 切割的产品的切割。此外优选的是， 固定安装工作台继而将待切割的产品保持在一个确定 的位置。为了产生一种通过待切割的产品的切割， 切割工具至少平行于工作台的上支承面 可移动。并且有利的是， 切割工具沿全部三个空间方向可移动， 从而尽管固定安装工作台， 但仍可实现一种通过待切割的产品的任意的切割。
在振动切割设备的另一实施形式中， 它包括许多切割工具， 它们可同时移动通过 一个待切割的产品。优选的是， 许多切割工具就其相应的纵轴线而言相互平行和 / 或相互 成角度地定向。此外优选的是， 许多切割工具平行于和 / 或垂直于其切割方向相互位错地 设置。本发明也公开了一种用于振动焊接的方法， 其具有以下步骤 ： 激发至少一个第一振 动头， 以产生在低于千赫范围优选在 50 至 500Hz 之间的频率范围内的振动， 通过一种在第 一振动头与切割工具之间的机械联接将振动传递到一个切割工具上， 并且使一个带有待切 割的产品的工作台垂直于切割工具的纵轴线地运动， 以便切割该产品。在上述方法的另一 实施形式中， 任选包括以下步骤 ： 激发至少第一和一个第二振动头， 它们相互机械和 / 或电 联接， 并且以 50 至 60Hz 的频率和 / 或 ±5mm 的振幅平行于切割工具的纵轴线使切割工具 偏移。 作为方法的另一实施形式， 可以设想， 使许多切割工具同时移动通过一个待切割的产 品。为此使各切割工具在一种设置中平行于和 / 或垂直于其切割方向相互位错地设置， 以 便使它们按照该设置移动通过待切割的产品。附图说明
参照附图更详细地说明本发明。其中 ： 图 1 振动切割设备的第一实施形式的示意侧视图， 图 2 振动切割设备的另一实施形式的透视图， 图 3 图 2 的振动切割设备的侧视图， 和 图 4 振动切割设备的另一实施形式的视图。具体实施方式
图 1 示出按照本发明的振动切割设备 1 的第一实施形式。振动切割设备 1 包括一 个振动头 10， 它与一个振动板 15 连接。例如由图 4 更详细说明的振动头 10 包括一个质量 体和一个电磁驱动装置。振动头 10 的电磁驱动装置与一个控制装置连接， 从而利用振动头 10 针对性地可产生一种规定频率范围的机械振动。 该频率范围处在 50 与 500Hz 之间， 亦即 低于具有在千赫范围内的频率的超声波范围。 优选这样控制振动切割设备的一个或多个振 动头， 以致一个切割工具 50 以一种 50 至 500Hz 优选 50 至 60Hz 的频率运动。 参照图 4 更详细地说明振动头 10 的结构。振动头 10 的结构与对置于第一振动头 10 设置的第二振动头 70 的结构一致。振动头 10、 70 包括一个质量体 12、 72 和一个包括一 个可通电流的线圈装置 14a、 74a 和一个软铁装置 14b、 74b 的电磁驱动装置 14、 74， 线圈装置 和软铁装置处在一个共同的驱动轴线 A 上。在线圈装置 14a、 74a 与软铁装置 14b、 74b 之间 具有一个空气隙。 通过给线圈装置 14a、 74a 通电流， 软铁装置 14b、 74b 处于振动状态。 为了 将振动传递到切割工具 50 上， 软铁装置 14b、 74b 经由一个任选的弹簧组 60 与用于切割工 具 50 的夹具 30、 40 连接 ( 参见图 4)。按图 2， 软铁装置 ( 未示出 ) 与夹具 30、 40 连接， 同 时夹具 30、 40 弹性地经由弹簧组 60 固定在桥式体 80 上。按照不同的示出的实施例， 弹簧 组 60 例如包括一些类似碟簧的弹簧片 ( 参见图 4) 或一个按图 2 的类似梳子的弹簧结构。 上述振动头 10、 70 的结构和功能方式同样描述在 DE 10 2006 011 974 和 EP 1 772253 中。
切割工具 50 固定在第一夹具 30 和第二夹具 40 上。分别通过一个振动头 10、 70 或只通过一个或多个共同的振动头， 夹具 30、 40 处于振动状态。同样可设想， 只使切割工具 50 的一端或只使一个夹具 30 通过联接到一个振动头 10 上而处于振动状态。在这种情况 下， 切割工具 50 的另一端和 / 或另一夹具 40 弹性地例如通过一个弹簧组固定和 / 或固定 在一个滑动轴承中， 以便支持切割工具 50 的运动。因此振动切割设备 1 的最简单的实施形 式拟包括一个设置在切割工具 50 的一端上的弹簧组、 切割工具 50 和一个设置在切割工具 50 的另一端上的振动头。
按照本振动切割设备的另一实施形式， 通过这种实施形式使许多切割工具 50 处 于振动状态。所述许多切割工具 50 用于在待切割的产品中同时实施多个切割。例如可设 想， 借助振动切割设备 50 将一个圆形大蛋糕切成三部分。为此目的将两个或三个切割工具 50 按上述方式固定在第一夹具 30 和第二夹具 40 上。 并且相对于切割方向垂直相互位错通 过待切割的产品地亦即以一定的间距地设置多个切割工具 50。在各切割工具 50 之间的间 距确定例如一个从待切割的产品切掉的层的厚度。此外为了避免多个切割工具 50 在切割 过程中相互妨碍， 优选将它们设置成同样平行于切割方向相互位错通过待切割的产品。基
于这种设置， 确保各切割工具 50 依次切割待切割的产品。这防止了在切割过程中排挤的材 料妨碍另一切割工具 50 的切割过程。因此不仅在高度上而且在深度上相互位错地设置多 个切割工具 50。
按照本振动切割设备 1 的另一实施形式， 多个切割工具 50 或一部分切割工具不相 互平行地设置。也可设想相对于切割工具 50 的纵轴线相互成角度地定向， 以便在待切割的 产品中实现确定的切割图案。
优选第一夹具 30 和第二夹具 40 配备有用于切割工具 50 的夹紧装置 34、 44 和张 紧装置 32、 42( 参见图 1、 2)。夹紧装置 34、 44 确保精确地保持和引导切割工具 50。张紧装 置 32、 42 能够实现切割工具 50 的预张紧和 / 或再张紧。夹紧装置 34、 44 或张紧装置 32、 42 的实施形式和必要性取决于切割工具 50 的形状和使用。
按照不同的实施形式， 切割工具 50 由一个光滑的刀片、 一个有齿的刀片、 一个具 有波纹轮廓的刀片、 一根金属丝或一根绳索构成。切割工具 50 约为 10 至 150cm 长， 优选 30 至 100cm 长。
通过一个或许多振动头 10、 70 产生的振动经由夹具 30、 40 这样传递到切割工具 50 上， 以致切割工具 50 沿其纵轴线方向偏移。由切割工具 50 按这种方式平行于其纵轴线实 施的振动在频率和振幅上通过控制振动头 10、 70 进行预定。切割工具 50 以在 5 至 -5mm 范 围内的振幅振动。该振幅范围与例如一个有齿的刀片的齿结构的尺寸一致， 这样齿结构锯 式地在待切割的产品中运动。因此在切割工具 50 的振动切割运动过程中， 切割工具 50 例 如锯齿的进行切割的来回运动和几何形状互补， 以便达到一种最好的切割作用。 为了单个或组合地控制振动头 10、 70， 将一个电压接到相应的线圈装置 14a、 74a 上。该电压在线圈装置 14a、 74a 中产生一个电磁力， 它试图反抗弹簧组 60 的恢复力朝线圈 装置 14a、 74a 方向吸引软铁装置 14b、 74b 继而吸引夹具 30、 40。在断开电压时， 弹簧组 60 的恢复力使软铁装置 14b、 74b 继而使夹具 30、 40 重新返回到静止位置。在该反向运动过程 中， 存储在弹簧组 60 中的能量转变为软铁装置 14b、 74b 继而夹具 30、 40 越过其静止位置的 一种运动。在微小的损失的理想情况下， 这几乎以如在朝线圈装置 14a、 74a 方向运动时相 同的振幅实现。现在如果将交流电压接到线圈装置 14a、 74b 上， 则软铁装置 14b、 74b 和夹 具 30、 40 实施一种直线的振动运动， 它们用作为用于振动切割设备 1 的驱动装置。
如果将与振动切割设备 1 的机械谐振频率相应的那种频率用作为用于电磁驱动 装置 14、 74 的电控制装置的工作频率， 则振动头 10、 70 特别有效地工作。机械谐振频率基 本上由弹簧组 60 的弹簧率和振动头 10、 70 的参与振动的质量产生。 在电磁驱动装置 14、 74 的一种优选的控制装置中， 电谐振频率等于机械谐振频率的一半。
按照在图 2、 3、 4 中所示的实施形式， 所述至少两个振动头 10、 70 不仅经由切割工 具 50， 而且也经由桥式体 80 相互机械连接。桥式体 80 连接振动头 10、 70 的质量体， 这样它 们构成一个统一的质量系统。在该实施形式中， 交替地电控制两个振动头 10、 70 的线圈装 置 14a、 74a， 以产生软铁装置 14b、 74b、 夹具 30、 40 和切割工具 50 的一种谐振动。因此两个 振动头 10、 70 的弹簧组 60 还只需用于将振动头 10、 70 复位到其静止位置或与进行振动的 质量一起用于产生一个机械谐振频率。振动头 10、 70 从静止位置朝两个方向的偏移由两个 被交替电控制的线圈装置 14a、 74a 产生。按这种方式提供一种稳定的和功能可靠的振动切 割设备 1， 其中切割工具 50 实施一种直线的振动而没有重叠的垂直分量。
按照不同的实施形式可设想， 利用或也省略桥式体 80。如果省略桥式体 80， 则两 个振动头 10、 70 机械脱耦。仅仅经由切割工具 50 实现在两个相对置的振动头 10、 70 之间 的机械连接。由于在该实施形式中两个振动头 10、 70 的振动的共同频率不是自动出现， 所 以必须设置两个振动头的一个相应的电连接装置或共同的控制装置。在这种控制情况下， 两个振动头 10、 70 的振动的频率和振幅这样控制或调节， 以致两个振动头 10、 70 的频率一 致而振幅反相。
在各图中所示的各种实施形式只示出一个振动切割设备 1 的可能的结构的一种 选择。因此也可设想， 除了图 1 中的一个振动头 10 和图 2 至 4 中的两个振动头 10、 70 外， 也可使用更多数量的振动头。它们例如并排编组设置， 同时在各编组内各振动头则相互机 械和 / 或电联接。一些在其中不仅夹具 30、 40 而且振动头 10、 70 的质量体被机械脱耦的 设置特别是可能的， 这样然后只经由一个电连接装置和一个共同的控制装置便实现振动头 10、 70 的振动的同步。
因此利用振动切割设备的上述的各结构特征， 可以实施一种振动切割， 其中首先 激发至少一个第一振动头， 以产生在低于千赫范围优选在 50 与 500Hz 之间的频率范围内的 振动。将激发的振动通过描述的不同的结构传递到切割工具 50 上。如果现在一个工作台 90( 参见图 4) 连同一个设置在其上的待切割的产品垂直于切割工具 50 的纵轴线移动， 则由 于切割工具 50 的振动而切割产品。为了切割工具 50 的振动可以最好地匹配于待切割的材 料， 在振动切割设备 1 内使用上述的机械和 / 或电联接装置。同时一方面工作台 90 可以平 行于切割方向优选沿全部三个空间方向移动， 以便实施所要求的切割， 同样优选的是， 使切 割工具 50 移动， 而将工作台 90 固定安装。为此目的， 将振动切割设备 1 这样设置， 以致它 至少沿切割方向优选沿全部三个空间方向是可移动的。按这种方式， 可在一个待切割的产 品中实现任意的切割。同样可设想， 计算机控制地实施工作台 90 和 / 或振动切割设备 1 的 运动， 以便实现一种规定的切割。在该前提下， 切割持续时间、 切割速度和切割进程是可预 定的并且在切割过程中是可改变的并且可最好地适应于不同的待切割的材料。
关于工作台 90 和 / 或振动切割设备 1 的运动， 还可设想， 特别为了定位待切割的 产品或切割工具 50， 设置沿两个空间方向的运动， 同时沿第三空间方向的运动适应于待实 施的切割过程。为了实现这一点， 人们在振动切割设备 1 和 / 或工作台 90 中使用用于不同 的空间方向的不同的驱动装置， 因为与一个特别针对定位的驱动装置相比， 例如实施切割 运动则需要一个可不很精确定位的但较强的驱动装置。此外可设想， 将沿三个空间方向的 运动分配到振动切割设备 1 和工作台 90 上。而工作台 90 沿两个空间方向可调节例如只用 于定位， 振动切割设备 1 只沿留下的第三空间方向可移动用于进行切割就相应足够了。按 这种方式， 运动中的自由度可任意分配在工作台 90 和振动切割设备 1 上。
为了将切割工具 50 的几何形状例如锯齿结构或波纹磨光面可以以最好的切割效 果用于待切割的产品， 切割工具 50 以 ±1 至 10mm 优选 ±1 至 5mm 的振幅范围内平行于其 纵轴线偏移。与其组合或单独地使切割工具 50 以 50 至 60Hz 的频率振动同样是优选的。