Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts

Abstract

 Das Verfahren dient dem Betrieb einer Schneidevorrichtung (1), die zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere eines Nahrungsmittels (8), vorgesehen ist und die wenigstens ein Schneidewerkzeug in Form einer Klinge (11) aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung (12) angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler (13) und ein Kopplungselement (15) Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit (4) zugeführt wird. Erfindungsgemäss ist eine Steuereinheit (6) vorgesehen, welche die Ultraschalleinheit (4) derart steuert, dass die Frequenz der über nur ein Kopplungselement (15) der Klinge (11) zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz (f1a, f1b) umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Klinge (11) über ein erstes Kopplungselement (15A) mit einer ersten Arbeitsfrequenz (f1) und über ein zweites Kopplungselement (15B) mit einer zweiten Arbeitsfrequenz (f2) zugeführt wird, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) umgetastet werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere von Nahrungsmitteln, wie Fleisch, Käse, Gemüse, Brot oder Teigwaren.

[0002] 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. Dazu werden vorzugsweise Schneidevorrichtungen und Messer verwendet, mittels denen das Prozessgut unter Anwendung von Ultraschallenergie aufgeteilt wird. Vorrichtungen dieser Art sind aus der EP2551077A1 bekannt. Die von einem Ultraschallwandler abgegebene Ultraschallenergie wird dem Messer über wenigstens ein bogenförmiges, vorzugsweise U-förmiges Kopplungselement zugeführt, welches einerseits mit dem Klingenrücken der Klinge verschweisst und andererseits beispielsweise über eine Gewindebohrung und eine Kopplungsschraube mit dem Ultraschallwandler verbunden ist. Die beschriebene Schneidevorrichtung erlaubt im Vergleich zu konventionellen Anlagen, ein Prozessgut schneller und präziser zu bearbeiten.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Die aus der Offenlegungsschrift EP2551077A1 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.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schneidevorrichtung sowie das Verfahren zu dessen Betrieb zu verbessern.

[0007] Insbesondere ist eine Schneidevorrichtung anzugeben, die mit höherer Effizienz, insbesondere mit höheren Taktzyklen betrieben werden kann.

[0008] Das Prozessgut soll mit hoher Präzision und hohen Taktraten 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 ändert.

[0009] Bei Änderungen der Eigenschaften des Prozessguts, insbesondere bei der Bearbeitung unterschiedlicher Chargen eines Prozessguts, sollen keine Qualitätsmängel und auch keine höheren Belastungen des Messers oder weiterer Vorrichtungsteile auftreten.

[0010] Diese Aufgabe wird mit einer Schneidevorrichtung und einem Verfahren zu dessen Betrieb gelöst, welche die in Anspruch 1 bzw. 13 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

[0011] Das Verfahren dient dem Betrieb einer Schneidevorrichtung, die zum Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden eines Prozessguts vorgesehen ist und die wenigstens eine Sonotrode, insbesondere ein Schneidewerkzeug in Form einer Klinge aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler und ein Kopplungselement Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit zugeführt wird.

[0012] Erfindungsgemäss ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Ultraschalleinheit derart steuert, dass die Frequenz der über nur ein Kopplungselement der Sonotrode bzw. Klinge zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Sonotrode bzw. Klinge über ein erstes Kopplungselement mit einer ersten Arbeitsfrequenz und über ein zweites Kopplungselement mit einer zweiten Arbeitsfrequenz zugeführt wird, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen umgetastet werden.

[0013] 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.

[0014] 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, die bei der zweiten Frequenz auftreten. Die Schneidekante schwingt somit lückenlos, weshalb eine optimale Wirkung beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut erzielt wird.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] Bei einer rotierenden Klinge ist die Antriebswelle auf wenigstens einem Lagerelement gelagert und mit der

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] Erfindungsgemäss werden die Arbeitsfrequenzen unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenzen gewählt, die beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut auftreten. Die Resonanzfrequenz oder die Resonanzfrequenzen werden daher ermittelt, während das Prozessgut geschnitten wird. Anhand der ermittelten Resonanzfrequenzen können die Arbeitsfrequenzen vorteilhaft festgelegt werden. Sofern zwei oder mehrere 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. 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.

[0024] 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.

[0025] 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.

[0026] 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.

[0027] 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.

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] Alternativ kann der Frequenzgang eines Frequency Sweep gemessen werden, indem mit einem Ultraschallsignal der relevante Frequenzbereich durchlaufen wird und die resultierenden Schwingungen erfasst werden.

[0031] 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.

[0032] Messungen werden kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen durchgeführt, wobei die Arbeitsfrequenzen vorzugsweise optimiert werden, während die Klinge durch das Prozessgut geführt wird.

[0033] 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.

[0034] 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.

[0035] 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.

[0036] 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.

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] 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.

[0040] 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 einer Antriebsvorrichtung 12 gehalten wird und der über zwei Ultraschallwandler 13 Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit 4 zuführbar ist, die zudem zum Empfang von Ultraschallsignalen geeignet ist, die von der Klinge 11 wieder entnommen wurden;

Fig. 2

eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts 8, umfassend eine Schneidevorrichtung 1 mit vier Klingen 11A, ..., 11D, mittels denen ein Prozessgut 8, welches in Form von Stangen 8A, ..., 8L auf einem Fördertisch 93 zugeführt wird, in Scheiben 89 geschnitten wird;

Fig. 3

die Schneidevorrichtung 1 von Figur 2, mit zwei Antriebseinheiten 12A, 12B mittels denen die Klingen 11A, ..., 11D nach unten und wieder nach oben verschiebbar sind;

Fig. 4a

ein eine Klinge 11 mit einem Kopplungselement 15, auf dem ein erster Energiewandler 131 angeordnet ist, dem Ultraschallenergie zugeführt wird, und auf dem ein zweiter Energiewandler 132 angeordnet ist, welcher auf der Klinge 11 auftretende Ultraschallwellen erfasst und in elektrische Signale wandelt, die von 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 von Figur 4a mit zwei Kopplungselementen 15A, 15B, an die Ultraschallwandler 13A, 13B angeschlossen sind;

Fig. 6

die mehrkanalige Ultraschalleinheit 4 und die Steuereinheit 6 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung;

Fig. 7a

die Klinge 11 von Figur 5 mit den Ultraschallwandlern 13A, 13B, die mit einer 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 der Klinge 11 optimiert werden; und

Fig. 7c

an der Klinge 11 auftretende stehende Wellen sw1, die Schwingungsknoten swk und Schwingungsbäuche swb aufweisen.

[0041] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schneiden eines Prozessguts 8A, 8B, welches unterhalb und oberhalb eines Schneidewerkzeugs bzw. einer Klinge 11 zugeführt wird, die von einer Antriebsvorrichtung 12 gehalten wird. Es ist gezeigt, dass die Antriebsvorrichtung 12 die Klinge 11 auf beiden Seiten mit Haltearmen 121 hält, die synchron vertikal nach unten und nach oben verschoben werden können. Die Haltearme 121 können mit Halteelementen verbunden werden, die an der Klinge 11 befestigt sind. Vorteilhaft können die Haltearme 121 mit den Kopplungselementen 15A, 15B verbunden werden, über die die Ultraschallenergie in die Klinge 11 ein gekoppelt wird (siehe Figur 5).

[0042] 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.

[0043] 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.

[0044] 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 Figur 6 näher beschrieben wird.

[0045] Ein Sendekanal 41 der Ultraschalleinheit 4 kann mit mehreren Ultraschallwandlern 13A, 13B bzw. Energiewandlern 131 (siehe Figur 6) verbunden sein, welche die elektrischen Ultraschallschwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen umwandeln und über die Kopplungselemente 15A, 15B der Klinge 11 zuführen. Den Ultraschallwandlern 13A, 13B können identische Ultraschallsignale zugeführt werden. Alternativ können den Ultraschallwandlern 13A, 13B über Schalter Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen im Time Sharing Verfahren zugeführt werden. Weiterhin kann für jeden Ultraschallwandler 13A bzw. 13B ein gesonderter Sendekanal 41 vorgesehen werden.

[0046] 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 Figur 7b). Den beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B werden vorzugsweise unterschiedliche Frequenzen zugeführt, so dass auf der Klinge 11 ein Frequenzgemisch resultiert und Schwingungsknoten nicht oder nur sehr kurzfristig in Erscheinung treten.

[0047] 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.

[0048] In Figur 1 ist ferner gezeigt, dass in einer vorzugsweisen Ausgestaltung Ultraschallenergie von der Klinge 11 ausgekoppelt und über einen oder mehrere in der Ultraschalleinheit 4 vorgesehene Empfangskanäle 42 zur Steuereinheit 6 übertragen werden kann. Wie dies nachstehend beschrieben wird, werden die an der Klinge 11 abgetasteten Ultraschallschwingungen ausgewertet, um das Schwingungsverhalten der Klinge 11 bei den gewählten Prozessparametern zu ermitteln.

[0049] In Figur 1 ist illustriert, dass Messungen während eines Schneidevorganges vorzugsweise mehrfach durchgeführt werden. Währenddem die Klinge 11 das Prozessgut 8A durchläuft, werden Signale sk1, ..., sk5 von der Klinge 11 in kurzen zeitlichen Abständen ausgekoppelt und über die Empfangskanäle 42 zur Steuereinheit 6 übertragen. Sofern ein optimales Schwingungsverhalten der Klinge 11 festgestellt wird, so werden die Prozessparameter nicht verändert. Sofern hingegen ein unvorteilhaftes Schwingungsverhalten festgestellt wird, so werden die Prozessparameter derart geändert, dass das Schwingungsverhalten schrittweise verbessert wird. Die Prozessparameter werden vorzugsweise nach jeder Abtastung von Schwingungen an der Klinge 11 und deren Auswertung nachjustiert. Während die Klinge 11 durch das Prozessgut 8 geführt wird, können somit kontinuierlich Verbesserungen und Anpassungen des Schneideprozesses vorgenommen werden. Die Schneideprozesse werden daher nicht nur in den Fällen optimiert, in denen sich vorangehendes und nachfolgendes Prozessgut unterscheiden. Korrekturen sind auch wirksam für Prozessgut, welches entlang dem Querschnitt bzw. der Schnittfläche unterschiedliche Eigenschaften aufweist.

[0050] 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.

[0051] 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 Figur 1 illustrierten Messungen der Signale sk1, ..., sk5 eine stetige Optimierung durch Ermittlung der Resonanzfrequenz angestrebt wird, die bei der Bearbeitung des Prozessgut aktuell auftritt.

[0052] 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.

[0053] 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.

[0054] 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.

[0055] 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.

[0056] Wie erwähnt kann das erfindungsgemässe Verfahren bei unterschiedlichen Schneidevorrichtungen oder auch bei weiteren Vorrichtungen mit anderen Ultraschall-Sonotroden eingesetzt werden.

[0057] Figur 2 zeigt eine Schneidevorrichtung 1 mit vier Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D, einer Schubeinheit 95 mit einem Schubwerkzeug 94, zwei Antriebsvorrichtungen 12A, 12B für den Antrieb der Schneidewerkzeuge 11A, ..., 11D, und einen Fördertisch 3, auf dem das Prozessgut 8 abgelegt und mittels des Schubwerkzeugs 94 hin zu den Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D gestossen werden kann. Die Schneidevorrichtung 1 wird von einer Montagestruktur 5 gehalten.

[0058] 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.

[0059] 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.

[0060] 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.

[0061] Figur 3 zeigt die demontierte Schneidevorrichtung 1 von Figur 1, die zwei identisch aufgebaute Schneidemodule umfasst, die von einer Montageplatte gehalten sind, die Teil der Montagestruktur 5 der Vorrichtung ist. Jedes der Schneidemodule umfasst eine Antriebseinheit 12A; 12B und eine mit der Montagestruktur 5 verbundene Lagervorrichtung 128A; 128B, welche es erlaubt, einen zugehörigen ersten bzw. zweiten Lagerblock 129A, 129B vertikal abzusenken und wieder anzuheben. An jedem Lagerblock 129A; 129B sind je zwei Ultraschallwandler 13A, 13B bzw. 13C, 13D angeordnet, welche je über ein Kopplungselement 15 mit einem Schneidewerkzeug 11A, 11B, 11C oder 11D verbunden sind.

[0062] 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.

[0063] Figur 4a zeigt, dass das Kopplungselement 15 mit einem Balken 130 verbunden, beispielsweise verschraubt ist, auf dem ein erster Energiewandler 131 angeordnet ist, dem Ultraschallenergie zugeführt wird, und auf dem ein zweiter Energiewandler 132 angeordnet ist, welcher auf der Klinge 11 auftretende Ultraschallwellen erfasst und in elektrische Signale wandelt, die zur Steuereinheit 6 übertragen werden. Der Balken 130, der zusammen mit den Energiewandlern 131, 132 einen Ultraschallwandler 13 bildet, weist beispielsweise frontseitig eine Schraube auf, die in eine Gewindebohrung in Kopplungsteil 15 eingedreht ist. Die Ultraschalleinheit 4 weist mehrere Sendekanäle 41 und mehrere Empfangskanäle 42 auf, so dass mehrere Ultraschallwandler 13 bedient werden können.

[0064] 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.

[0065] 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.

[0066] Figur 4b zeigt exemplarisch ein Spektrogramm mit einem Ultraschallimpuls TP, der Schwingungen mit mehreren Frequenzen f1, f2 und f3 umfasst. Nachdem der Ultraschallimpuls an die Klinge 11 angelegt wurde, wird das Schwingungsverhalten der Klinge 11 bzw. der weitere Verlauf der Schwingungen f1, f2 und f3 untersucht. Es wird geprüft mit welchen Amplituden die einzelnen Schwingungen f1, f2 und f3 auftreten und wie rasch sie abklingen. Die Kurven df1, df2 und df3 zeigen die Verläufe des Abklingens der Schwingungen f1, f2 und f3. Nachdem das Auswertemodul 600 diejenigen Frequenzen festgestellt hat, an denen eine maximale Schwingungsamplitude und eine minimale Dämpfung auftreten, so werden die entsprechenden Informationen an das Steuermodul 60 übergeben.

[0067] 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.

Figur 5 zeigt Klinge 11 von Figur 4a mit zwei Kopplungselementen 15A, 15B, an die Ultraschallwandler 13A, 13B angeschlossen sind. In die Ultraschallwandler 13A, 13B können grundsätzlich auch die Ultraschalleinheiten 4 teilweise oder vollständig integriert sein. Es ist gezeigt, dass die Klinge 11 von den Kopplungselementen 15A, 15B gehalten wird, die mit der Klinge 11 verschweisst sind. Die Kopplungselemente 15A, 15B ihrerseits sind von symbolisch gezeigten Haltearmen 121 gehalten, wie dies mit Bezug auf Figur 1 beschrieben wurde.

Figur 6 zeigt exemplarisch die mehrkanalige Ultraschalleinheit 4, die über ein Bussystem 63 mit der Steuereinheit 6 verbunden ist, um Daten auszutauschen. Die Ultraschalleinheit 4 weist zwei Sendekanäle 41 und zwei Empfangskanäle 42 auf.

[0068] 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.

[0069] 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.

[0070] Figur 7a zeigt die Klinge 11 von Figur 5 mit den Ultraschallwandlern 13A, 13B, die über Leitungssysteme 40A, 40B mit einer Ultraschalleinheit 4 verbunden sind, die Ultraschallsignale abgibt und empfängt, wie dies mit Bezug auf die Figuren 4a, 4b und 6 beschrieben wurde.

[0071] 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 Figur 7c ist die erste stehende Welle sw1 mit Wellenknoten swk und Wellenbäuchen swb illustriert.

[0072] In Figur 7a sind ferner Temperatursensoren 72, 73, vorzugsweise Infrarotsensoren, gezeigt mittels denen die Temperatur der Klinge 11 oder der Kopplungselemente 15A, 15B, insbesondere der Verbindungsstellen, überwacht werden kann. Sofern ein kritischer Temperaturanstieg festgestellt wird, kann die an die Klinge 11 abgegebene Leistung reduziert werden. Ferner kann ein Prüfverfahren durchgeführt werden, um fehlerhafte Prozessparameter festzustellen. Beispielsweise wird der Frequenzgang der Klinge 11 aufgenommen, um Verschiebungen der Resonanzfrequenzen festzustellen. Auf diese Weise kann rechtzeitig verhindert werden, dass die Klinge 11 beschädigt wird.

[0073] Figur 7b zeigt ein Frequenzdiagramm mit Frequenzen f1, f1a, f1b, f2, f2a, f2b, die vom Steuermodul 60 einstellbar sind. Zur Ermittlung der Arbeitsfrequenzen wird vorzugsweise der Frequenzgang V der Sonotrode 11 aufgenommen, der in Figur 7b exemplarisch gezeigt ist. Es ist ersichtlich, dass der Frequenzgang V vier Maxima aufweist, die oberhalb eines festgelegten Schwellwerts s liegen. 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.

[0074] 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.

[0075] 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.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Schneidevorrichtung (1), die zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere eines Nahrungsmittels (8), vorgesehen ist und die wenigstens ein Schneidewerkzeug in Form einer Klinge (11) aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung (12) angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler (13) und ein Kopplungselement (15) Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (6) vorgesehen ist, welche die Ultraschalleinheit (4) derart steuert, dass die Frequenz der über nur ein Kopplungselement (15) der Klinge (11) zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz (f1a, f1b) umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Klinge (11) über ein erstes Kopplungselement (15A) mit einer ersten Arbeitsfrequenz (f1) und über ein zweites Kopplungselement (15B) mit einer zweiten Arbeitsfrequenz (f2) zugeführt wird, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) umgetastet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Resonanzfrequenz für die Klinge (11) ermittelt wird, die bei der Bearbeitung des Prozessguts (8) auftritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenzen (f1a, f1b bzw. f1, f2) derart gewählt und umgetastet werden, dass sich resultierende Schwingungsknoten (swk) nicht überlagern.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

a) dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz (f1a, f1b bzw. f1, f2) vorzugsweise in gleichem Frequenzabstand unterhalb und oberhalb der ermittelten Resonanzfrequenz liegen, oder

b) dass eine der Arbeitsfrequenzen (f1a) bei der Resonanzfrequenz liegt,

c) wobei der Frequenzabstand in einem Bereich von vorzugsweise 5 Hz bis 10 kHz gewählt wird.

5. Verfahren einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umtastung der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz (f1a, f1b bzw. f1, f2) mit einer Umtastfrequenz erfolgt, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt und/oder dass die Umtastung zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinge (11) direkt oder über eines der Kopplungselemente (15A, 15B) mit einem Sensor (71), vorzugsweise einem Wandlerelement (132) verbunden ist, mittels dessen Schwingungen der Klinge (11) erfasst, gewandelt und als elektrische Signale zur Steuereinheit (6) übertragen und dort ausgewertet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Schwingungen und/oder die Phasenlage der Schwingungen bezüglich eines Referenzsignals und/oder der Zerfall der Schwingungen für die registrierten Resonanzfrequenzen, die Arbeitsfrequenzen (f1a, f1b bzw. f1, f2) und/oder von gewählten Testfrequenzen (f1, f2, f3) ermittelt wird, wonach die Arbeitsfrequenzen (f1a, f1b bzw. f1, f2) in Bereiche verschoben werden, für die höhere Amplituden und/oder eine geringere Phasenverschiebung und/oder ein langsamerer Zerfall der Schwingungen ermittelt wurden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinge (11) während eines Intervalls mit einer oder mehreren Testfrequenzen (f1, f2, f3) angelegt wird, wonach die resultierenden Schwingungen erfasst, gewandelt, gegebenenfalls anhand einer Fourier-Transformation bearbeitet und ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen Messungen durchgeführt und die Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) optimiert werden, während die Klinge (11) durch das Prozessgut (8) geführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfang von Ultraschallenergie von der Klinge (11) während Intervallen erfolgt, in denen keine Ultraschallschwingung an die Klinge (11) abgegeben wird, oder in denen die an die Klinge (11) abgegebene Ultraschallschwingung einen Nulldurchgang aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallenergie kontinuierlich an die Klinge (11) abgegeben wird und dass ein entsprechender Anteil der abgegebenen Ultraschallenergie von der empfangenen Ultraschallenergie subtrahiert wird, um die Eigenschwingung der Klinge (11) zu ermitteln.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise nach der Frequenzoptimierung die an die Klinge (11) abgegebene Leistung optimiert wird, wobei die Leistung gesteigert wird, bis eine gewünschte Schwingungsamplitude gemessen wird und/oder dass Sensoren (72, 73) vorgesehen sind, mittels denen die Temperatur der Klinge (11) oder der Kopplungselemente (15A, 15B) gemessen und bei Überschreiten einer Maximaltemperatur die zugeführte Ultraschall-Leistung reduziert wird.

13. Schneidevorrichtung (1) geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-13 mit wenigstens einem Schneidewerkzeug in Form einer verschiebbaren oder rotierbaren Klinge (11), die mit einer Antriebsvorrichtung (12) verbunden ist und der über wenigstens einen Energiewandler (13) und ein Kopplungselement (15) Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit (4) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (6) vorgesehen ist, mittels der die Ultraschalleinheit (4) derart steuerbar ist, dass die Frequenz der über nur ein Kopplungselement (15) zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz (f1a, f1b) umtastbar ist oder dass die Ultraschallenergie der Klinge (11) über ein erstes Kopplungselement (15A) mit einer ersten Arbeitsfrequenz (f1) und über ein zweites Kopplungselement (15B) mit einer zweiten Arbeitsfrequenz (f2) zuführbar ist, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) umtastbar ist.

14. Schneidevorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (71, 72) und ein Wandler (41) vorgesehen sind, mittels denen Ultraschallenergie an der Klinge (11) abtastbar, wandelbar und zur Steuereinheit (6) übertragbar sind, in der ein Signalverarbeitungsmodul (60) vorgesehen ist, mittels dessen die von der Klinge (11) stammenden Signale auswertbar und entsprechende Messresultate bildbar sind und dass ein Steuermodul (600) vorgesehen ist, mittels dessen die Ultraschalleinheit (4) entsprechend den gewonnenen Messeresultaten steuerbar ist, um diese zu optimieren.

15. Schneidevorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperatursensor (72, 73) vorgesehen ist, der direkt oder indirekt mit der Klinge (11) mechanisch gekoppelt ist und der mit der Steuereinheit (6) gekoppelt ist, welche zur Überwachung der Temperatur der Klinge (11) oder des Kopplungselements (15A, 15B) sowie zur Steuerung der Ultraschalleinheit (4) geeignet ist, so dass bei erhöhten Temperaturen die Ultraschallleistung reduziert und/oder ein Alarmsignal abgegeben werden kann.

Zeichnung