УЛЬТРАЗВУКОВОЕ РЕЖУЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ULTRASONIC CUTTING DEVICE

Изобретение относится к ультразвуковому режущему устройству, содержащему по меньшей мере один соединенный с генератором ультразвуковой преобразователь, который соединен по меньшей мере одним звукопроводом с по меньшей мере одним лезвием, причем звукопровод выполнен изогнутым.
Подобное ультразвуковое режущее устройство для резки продуктов питания, например хлебобулочных изделий, сыра, мяса и аналогичных нарезаемых продуктов, известно из DE 4319832 А1. Режущее устройство имеет плоское, простирающееся по существу в одной плоскости лезвие, которое на своем удаленном от острия ножа конце монолитно соединено со звукопроводом. Отстоящий от лезвия участок звукопровода прикручен к ультразвуковому преобразователю, посредством которого ультразвуковые колебания могут подводиться к звукопроводу в направлении продольной протяженности лезвия. В плоскости между ультразвуковым преобразователем и лезвием, расположенной перпендикулярно плоскости простирания лезвия и проходящей в продольном направлении лезвия, звукопровод имеет изгиб под углом в 90° с заданным радиусом кривизны. На соединенном с лезвием конце проводника линия прохождения изгиба с постоянной дифференциацией сходит на лезвие. Благодаря прохождению звукопровода с отклонением от прямой линии он подвергается инициации колебаний, как в направлении продольной протяженности лезвия, так и в плоскости, развернутой перпендикулярно от лезвия. При этом колебательная составляющая, ориентированная по перпендикуляру к плоскости лезвия, вызывает уменьшение трения между боковыми поверхностями лезвия ножа и разрезанным продуктом. Тем не менее, при разрезании все равно возникает определенное трение, ограничивающее скорость резки. Также было установлено, что под воздействием ультразвуковых колебаний лезвие в различных местах подвергается механическим нагрузкам различной интенсивности.
Поэтому возникает задача, чтобы предусмотреть такое ультразвуковое режущее устройство вышеописанного типа, которое имело бы простую конструкцию с компактными размерами, но при этом обеспечивало бы высокую скорость резки и равномерное распределение механической нагрузки на лезвие.
Согласно изобретению эта задача решена за счет того, что по меньшей мере один генератор имеет средства для качания частоты ультразвуковых колебаний в предварительно заданном частотном диапазоне.
В этом случае узловые точки подвода ультразвуковых волн к лезвию в преимущественном решении не привязываются к стационарным точкам, а изменяют свое положение в зависимости от вариации частоты. Благодаря этому в узловых точках колебаний можно исключить прилипание лезвия к нарезанному продукту. Кроме того, благодаря вариации частоты уменьшается механическое напряжение в лезвии, поскольку большие резонансные амплитуды возникают только кратковременно, в результате чего получается импульсное возбуждение, которое, как было установлено, считается предпочтительным для резки, потому что благодаря этому происходит сбрасывание разрезаемого продукта (с ножа). С помощью вариации частоты можно обеспечивать возбуждение ультразвуковых колебаний в ножах наиболее различной геометрии и использовать несколько ультразвуковых преобразователей, связанных только с одним генератором, благодаря чему можно формировать очень широкие резаки. Отклоняющийся от прохождения по прямой линии профиль звукопровода можно выбрать таким образом, что возбуждение в лезвии ультразвуковых колебаний может осуществляться в проходящих поперечно друг к другу направлениях. В результате к лезвию могут подводиться плоские волны, которые могут распространяться между граничными поверхностями лезвия, проходящими по существу параллельно друг другу и/или клинообразно сходящимися между собой в сторону режущей кромки. Плоские волны включают в себя, как продольную составляющую, ориентированную в развернутой от лезвия плоскости поперек продольной протяженности лезвия, так и поперечную колебательную составляющую, ориентированную в направлении поперек к этой плоскости. Это благоприятно сказывается на процессе резки, поскольку, с одной стороны, нарезаемый продукт воспринимает боковой импульс, ориентированный поперек развернутой от лезвия плоскости, который способствует лучшему отделению нарезаемого продукта от лезвия, а с другой стороны, лезвие подвергается вибрации в направлении, проходящем в развернутой от него плоскости, предпочтительно в продольном направлении лезвия. Благодаря этому трение в процессе резки уменьшается, так что подводимая к лезвию мощность ультразвукового излучения может быть использована с лучшей отдачей для процесса резки. За счет использования плоских волн лезвие может иметь сопоставимо большие размеры, не прибегая к выполнению шлицов в лезвии. Это позволяет обеспечить экономичную конструкцию ножа. Что касается геометрии лезвия, то ограничения на этот счет практически отсутствуют.
Например, из DE 102007014635 А1 уже известно устройство для ультразвукового возбуждения конструкций, которое включает в себя соединенный с генератором ультразвуковой преобразователь и средства для качания ультразвуковых колебаний в предварительно заданном ультразвуковом частотном диапазоне. Однако лезвие в этом устройстве отсутствует. Кроме того, устройство используется для того, чтобы с помощью ультразвукового преобразователя возбуждать одновременно несколько сетчатых элементов с разнящимися между собой резонансными частотами.
Как указано выше, звукопровод имеет изогнутый профиль. При этом направление, в котором проходит звукопровод, можно изменять по меньшей мере на 45°, прежде всего по меньшей мере на 60°, при необходимости по меньшей мере на 75°, предпочтительно примерно на 90°.
Предлагаемое в изобретении ультразвуковое режущее устройство может включать в себя измерительное устройство для регистрации мощности, отбираемой от генератора на ультразвуковой преобразователь, соединенное с генератором с возможностью управляемого выбора диапазона ультразвуковых частот, в который входит ультразвуковая частота, на которой генератор обеспечивает выдачу максимальной мощности на ультразвуковой преобразователь.
Частота, на которой осуществляется выдача максимальной мощности генератором на ультразвуковой преобразователь, предпочтительно соответствует середине диапазона качания частоты генератора между самой высокой и самой низкой частотой.
В предпочтительном конструктивном выполнении согласно изобретению лезвие выполнено в форме плоского элемента, а звукопровод выполнен в виде проводящего стержня, который расположен поперек плоскости, в которой расположено лезвие. Благодаря этому дополнительно улучшается возбуждение плоских волн в лезвии. Лезвие может иметь граничные поверхности, проходящие параллельно или концентрично относительно друг друга, или/или граничные поверхности, клинообразно сходящиеся между собой.
В целесообразном конструктивном выполнении согласно изобретению звукопровод выполнен кольцеобразной формы, и его первый концевой участок соединен с ультразвуковым преобразователем, а расположенный диаметрально противоположно первому концевому участку второй концевой участок соединен с лезвием. Тем самым обеспечивается возможность подвода ультразвука к лезвию симметрично с двух сторон. В своей плоскости проецирования звукопровод, предпочтительно, имеет овальную или кольцевую геометрию, но также может быть выполнен в форме многогранника.
Лезвие может быть выполнено в форме цилиндра, а звукопровод может быть соединен с лезвием на его цилиндрической боковой поверхности. При этом под цилиндрическим звукопроводом подразумевается плоский звукопровод, проходящий в плоскости, которая может быть задана в результате смещения проходящей в одной плоскости кривой вдоль прямой линии, не приходящейся на эту плоскость. Прямая линия может проходить перпендикулярно плоскости (прямой цилиндр) или по наклонной к плоскости (наклонный цилиндр).
В целесообразном конструктивном выполнении согласно изобретению лезвие может быть выполнено в виде кругового или овального цилиндра. С помощью такого лезвия можно, например, из цельного материала вырезать предметы в форме стержня.
При этом лезвие может быть выполнено также многогранным, преимущественно прямоугольным. С помощью такого лезвия можно, например, из нарезаемого продукта вырезать предметы в форме призмы.
Ультразвуковое режущее устройство в предпочтительном конструктивном выполнении согласно изобретению содержит несколько ультразвуковых преобразователей, каждый из которых по меньшей мере одним звукопроводом соединен с лезвием в удаленных друг от друга точках подвода ультразвуковых колебаний. Тем самым в случае с большими лезвиями можно исключить падение амплитуды на лезвии.
В усовершенствованном варианте изобретения звукопровод монолитно соединен с лезвием и, предпочтительно, выполнен в виде U-образно изогнутого хвостовика ножа. В результате получается наиболее простая и устойчивая конструкция ультразвукового режущего устройства.
Далее приведено подробное описание примеров конструктивного выполнения согласно изобретению со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - вид спереди ультразвукового режущего устройства, включающего в себя прямой нож, возбуждаемый с помощью нескольких ультразвуковых преобразователей,
на фиг. 2 - вид сбоку показанного на фиг. 1 ультразвукового режущего устройства,
на фиг. 3 - ультразвуковое режущее устройство с ножом в форме кругового цилиндра,
на фиг. 4 - ультразвуковое режущее устройство с ножом прямоугольной формы,
на фиг. 5 - вид сверху ультразвукового режущего устройства, в котором нож через овальный звукопровод соединен с ультразвуковым преобразователем,
на фиг. 6 и 7 - виды сбоку ультразвукового режущего устройства, в котором звукопровод монолитно приделан к ножу, и
на фиг. 8 - вид сбоку ультразвукового режущего устройства, в котором подвод ультразвуковых волн к ножу происходит сверху.
Показанное на фиг. 1 и обозначенное, в целом, позицией 1 ультразвуковое режущее устройство включает в себя ультразвуковой генератор 2, имеющий средства для качания частоты ультразвуковых колебаний в предварительно заданном частотном диапазоне (функция развертки). Генератор 2 посредством первого высокочастотного кабеля 3 соединен с входным присоединительным гнездом распределителя 4. Распределитель 4 имеет три выходных присоединительных гнезда, к каждому из которых посредством второго высокочастотного кабеля 5 подключается высокочастотный ввод ультразвукового преобразователя 6.
Каждый ультразвуковой преобразователь 6 соответственно посредством выполненного в форме стержня звукопровода 7 соединяется с выделенной для него точкой подвода ультразвука на лезвии 8. Как можно видеть на фиг. 1 и фиг. 2, лезвие 8 выполнено в виде тонкой пластины, имеющей две проходящие параллельно друг другу граничные поверхности 9, одна из которых прочно соединена со звукопроводами 7. На своем нижнем краевом участке лезвие 8 клинообразно сужается с переходом в режущую кромку 10. При этом, однако, можно продумать также и другие конструктивные выполнения, в которых лезвие 8 по всей своей высоте выполнено клинообразно.
На фиг. 2 можно видеть, что звукопровод 7 имеет дугообразно изогнутый отрезок, простирающийся в плоскости, расположенной перпендикулярно продольной оси лезвия 8 и проходящей параллельно плоскости чертежа на фиг. 2. Дугообразно изогнутый отрезок звукопровода имеет изгиб примерно в 90° и на своем обращенном к граничной поверхности 9 конце соединяется с лезвием 8 с помощью сварного шва, на чертежах не показанного. На своем другом, удаленном от лезвия 8 конце дугообразно изогнутый отрезок звукопровода через прямой отрезок звукопровода соединяется с выделенным для него ультразвуковым преобразователем 6. Этот преобразователь в направлении, проходящем перпендикулярно продольной оси лезвия 8, подводит параллельно этому направлению ультразвуковые колебания к удаленному от лезвия 8 концу звукопровода 7.
Следует упомянуть еще и то, что также возможны и другие, отклоняющиеся от прямой линии профили звукопровода 7, например S- или L-образный профиль звукопровода 7.
Благодаря выполнению звукопровода 7 в форме изогнутого проводящего стержня возбуждение колебаний в лезвии 8 в плоскости, проходящей перпендикулярно продольной оси лезвия 8 и соответствующей плоскости чертежа на фиг. 2, обеспечивается как в направлении линии разреза между этой плоскостью и плоскостью простирания лезвия 8 в соответствии с двунаправленными стрелками 11, так и в направлении, ориентированном перпендикулярно относительно плоскости простирания лезвия 8 и обозначенном двунаправленными стрелками 12.
Для регистрации мощности, отбираемой от генераторов 2 на ультразвуковые преобразователи 6 ультразвуковое режущее устройство 1 включает в себя измерительное устройство, на чертеже не показанное. Это измерительное устройство соединено с генератором 2 с возможностью управляемого выбора диапазона ультразвуковых частот, в который входит ультразвуковая частота, на которой генератор 2 обеспечивает выдачу максимальной мощности на ультразвуковой преобразователь 6. Сначала выполняют первый проход (сканирование), во время которого ультразвуковую частоту изменяют от заданного исходного значения до заданного конечного значения. Исходное значение может составлять, например, приблизительно 30 кГц, а конечное значение приблизительно 38 кГц.
0
min
max
0
min
0
max
0
При прохождении ультразвуковых колебаний в этом частотном диапазоне отбираемую от генератора 2 мощность измеряют в функциональной зависимости от ультразвуковой частоты. Затем с помощью микропроцессора определяют частоты f, в которой отбирается наибольшая мощность. Эта точка частоты заносится в запоминающее устройство. Затем определяют наименьшее значение частоты f и наибольшее значение частоты f в полосе ультразвуковых частот, которая с регулируемой шириной полосы, например до 4000 Гц, предпочтительно симметрично, занимает диапазон вокруг этой точки частоты f. Наименьшее значение частоты может составлять, например, f=f-2000 Гц, а наибольшее значение частоты может составлять f=f+2000 Гц. В этом случае частота, на которой осуществляется выдача максимальной мощности генератором 2 на ультразвуковой преобразователь 6, соответствует середине диапазона качания частоты генератора 2 между самой высокой и самой низкой частотой.
min
Генератором 2 сначала управляют так, что возбуждение лезвия 8 осуществляется на наименьшем значении частоты f. После этого частоту соответственно увеличивают на определенную величину, например, в 1 Гц для осуществления возбуждения лезвия 8 на соответственно полученной новой частоте.
max
max
После каждого увеличения частоты проверяют, меньше ли эта новая частота, чем заранее определенное наибольшее значение частоты f. Если это так, снова повторяют вышеуказанные операции, включающие в себя увеличение частоты, возбуждение лезвия 8 на этой частоте и проверку, является ли эта новая частота меньшей, чем наибольшее значение частоты f.
max
Если новая частота превышает наибольшее значение частоты f, частоту соответственно уменьшают на определенную величину для осуществления возбуждения лезвия 8 на соответственно полученной новой частоте.
min
min
После каждого уменьшения частоты проверяют, больше ли эта новая частота, чем заранее определенное наименьшее значение частоты f. Если это так, снова повторяют вышеуказанные операции, включающие в себя уменьшение частоты, возбуждение лезвия 8 на этой частоте и проверку, больше ли эта новая частота, чем заранее определенное наименьшее значение частоты f.
min
min
Если новая частота не больше, чем наименьшее значение частоты f, вышеуказанные операции при необходимости повторяют снова в привязке к наименьшему значению частоты f.
0
0
Оператор может задать ширину полосы, в которой выполняется эта развертка, от 200 Гц до 4000 Гц. Величина шага приращения частоты может также составлять более 1 Гц. С помощью регулирования ширины полосы можно дополнительно оптимизировать результат резки. Для компенсации сдвига точки резонанса под воздействием температуры или связанных колебаний через регулярные интервалы времени выполняют новое сканирование, как вначале при включении, чтобы отследить точку резонанса f. При этом это новое сканирование выполняют уже не во всем диапазоне от 30 до 38 кГц, а только непосредственно в пределах точки резонанса f, чтобы не генерировать зоны нечувствительности, поскольку новое сканирование проводится на незначительной мощности.
В показанных на фиг. 3 и фиг. 4 примерах конструктивного выполнения лезвие 8 имеет по существу цилиндрическую форму. В примере конструктивного выполнения на фиг. 3 лезвие 8 задано тонкостенной трубкой в форме кругового цилиндра, которая на своем нижнем краевом участке клинообразно сужается с переходом в режущую кромку 10. Подвод ультразвука осуществляется через изогнутый звукопровод 7, геометрия которого по существу соответствует геометрии звукопровода 7, показанного на фиг. 2. Точка подвода отстоит от режущей кромки 10 и приходится на верхний краевой участок лезвия 8. При этом точка подвода может располагаться на лезвии 8 также и в другом месте, например, на соседствующем с режущей кромкой 10 нижнем краевом участке лезвия 8.
В показанном на фиг. 4 примере конструктивного выполнения режущая кромка 10 имеет прямоугольный профиль. Можно отчетливо видеть, что лезвие 8 имеет два первых, расположенных параллельно друг другу отрезка 13 лезвия и два других, расположенных поперечно им и также проходящих параллельно друг другу отрезка 14 лезвия. Первые отрезки 13 лезвия и вторые отрезки 14 лезвия соответственно выполнены в виде тонких ровных пластинок, которые на их нижнем краевом участке клинообразно сужаются с переходом в режущую кромку 10.
Первые отрезки 13 лезвия соединены со вторыми отрезками 14 лезвия с образованием коробчатой конструкции. Подвод ультразвука осуществляется, опять же, через изогнутый звукопровод 7, геометрия которого по существу соответствует геометрии звукопровода 7, показанного на фиг. 2. Точка подвода отстоит от режущей кромки 10 и приходится на верхний краевой участок лезвия 8.
В показанном на фиг. 5 примере конструктивного выполнения звукопровод 7 имеет овальную форму. При этом развернутая от звукопровода 7 плоскость выставлена под прямым углом к плоскости, в которой располагается пластинчатый звукопровод 7. Режущая кромка 10 лезвия 8 простирается по существу параллельно образованной звукопроводом 7 плоскости.
Первый концевой участок звукопровода 7 соединен с ультразвуковым преобразователем 6, а расположенный диаметрально противоположно первому концевому участку второй концевой участок соединен с лезвием 8. Ультразвуковой преобразователь 6 расположен на прямой надставке лезвия 8 и в продольном направлении лезвия 8 подводит ультразвуковые волны к звукопроводу 7.
В показанном на фиг. 6 и фиг. 7 примере конструктивного выполнения лезвие 8 выполнено в виде ровной тонкой пластинки, которая клинообразно сужается с переходом в режущую кромку 10, предпочтительно по всей высоте лезвия 8. Высота лезвия 8, начиная от удаленного от звукопровода 7 конца лезвия 8, непрерывно увеличивается в сторону звукопровода 7.
Звукопровод 7 выполнен монолитно с лезвием 8 и образует хвостовик ножа или черенок лезвия 8. В плоскости, расположенной под прямым углом к плоскости простирания лезвия 8 и проходящей параллельно продольной оси лезвия 8, хвостовик ножа имеет U-образный профиль. Звукопровод 7 имеет приблизительно прямоугольное поперечное сечение. На своем удаленном от лезвия 8 свободном конце звукопровод 7 с помощью винта 15 соединен разъемным соединением с ультразвуковым преобразователем 6.
В показанном на фиг. 8 примере конструктивного выполнения лезвие 8 на своей удаленной от режущей кромки 10 тыльной стороне соединено со звукопроводом 7. Таким образом, введение ультразвуковых волн в лезвие 8 происходит сверху. Можно отчетливо видеть, что обращенный к лезвию 8 концевой участок звукопровода 7 простирается примерно перпендикулярно по отношению к режущей кромке 10. При этом звукопровод 7 дугообразно изогнут в плоскости, в которой простирается пластинчатое лезвие 8, во взаимно противоположных направлениях. Ультразвуковой преобразователь 6 своей продольной осью выставлен параллельно режущей кромке 10.