用于超聲波切割設備的刀頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于超聲波切割設備的刀頭以及一種具有該刀頭的超聲波切割設備。
【背景技術】
[0002]超聲波切割設備原則上是眾所周知的。它們例如用于裁截下料纖維復合材料的半成品。其中，要對特別是在三個維度上復雜幾何形狀的纖維復合半成品在其邊緣處進行裁截下料。這種裁切經常是通過具有機械手機構的超聲波切割設備予以實施。這樣的機械手機構、特別是機械手臂可以設計為例如能夠圍繞多達六個軸運動。為了實施裁切過程，在這種機械手臂的端部上典型地設置有刀頭。
[0003]在已知的超聲波切割設備中，其缺點是:必須通過超聲波切割設備實施非常煩瑣的刀頭運動過程/運動變化曲線。例如，如果設置有一機械手臂，則在復雜幾何形狀的情況下必須實施非常大量的、繞來繞去的(weitschleifend)切割運動。由此在設立這種超聲波切割設備時便導致很高的空間需求。在此，不利之處還包括:超聲波切割設備的在空間上大幅度延展的運動必要性伴隨著相對較高的時間需求。而在對半成品(例如形式上為纖維復合半成品)實施切割過程時用于刀頭跟蹤的時間花費對于整個時間需求來說是決定性的。因此，高的運動需求以及由此增大的時間需求導致了實施裁切時周期時間的延長。此外，由于對超聲波切割設備機械手臂的很高的運動需求還會達到各個鉸接部的高負荷以及用于沿著機械手臂供應介質的軟管組件的高磨損。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是，至少部分地消除前述缺點。特別是，本發明的目的在于，提供一種用于超聲波切割設備的刀頭以及一種這樣的超聲波切割設備，它們能夠以經濟而簡單的方式降低空間需求和/或縮短用于裁切纖維復合半成品的加工時間。
[0005]上述目的通過具有權利要求1所述特征的刀頭以及具有權利要求11所述特征的超聲波切割設備得以實現。本發明的其他特征和細節可由從屬權利要求、說明書和附圖得出。在此，結合本發明的刀頭所說明的特征和細節當然結合本發明的超聲波切割設備也是適用的，反之亦然，因而關于各發明方面的公開內容總是可以相互引用。
[0006]本發明的用于超聲波切割設備的刀頭具有包括切割刀具和聲學作用極(Sonotrode)的超聲波系統。本發明的刀頭的特征在于，超聲波系統圍繞一旋轉軸線可旋轉地支承。
[0007]在此，優選所述超聲波切割設備是按已知型式設計的。刀頭例如可以設置在該超聲波切割設備的機械手臂的一個端部上。同時超聲波系統本身同樣以已知方式構造。這樣，它設置有一個切割刀具和一個聲學作用極，它們共同實施裁切。在此，切割刀具本身具有至少一個切割刃，該切割刃直接執行裁切。為了延長切割刀具的切割刃的耐久性以及同時提高切割過程的速度，該切割刀具與聲學作用極是固定連接的。聲學作用極構造為用于在切割刀具上和在其自身上產生高頻振動。換言之，通過聲學作用極的高頻振動同樣使切割刀具振動。因此在切割刀具的切割刃上產生處于微米范圍內的切割運動或者說鋸切運動。如果現在配有該刀頭的超聲波系統的這種切割刀具為裁切纖維復合半成品而沿著其邊緣運動，則能夠以高使用壽命以及高速度實施邊緣裁切。
[0008]然而，與已知的刀頭相比，在本發明的刀頭中超聲波系統是圍繞一旋轉軸線可旋轉地支承的。這意味著:超聲波系統以及因此特別是切割刀具的切割刃能夠進行一種特別是主動的旋轉。由于切割刀具的切割刃的旋轉，可以至少部分地通過超聲波系統的旋轉進行對即使很復雜的幾何形狀的跟蹤。只要至少部分地通過超聲波系統的旋轉實現了對于復雜幾何形狀的跟蹤，就足以相應地減少通過超聲波切割設備的機械手臂實施的跟蹤。
[0009]可以概括地說:利用本發明的刀頭能夠通過超聲波系統的旋轉提供在邊緣裁切期間切割刀具的必要運動的至少一部分。與此相應地便減少了對于超聲波切割設備的機械手臂的必要的運動需求的這一部分。那就是說，切割刃的必要的運動分成由超聲波系統的旋轉實施的運動和由超聲波切割設備或者機械手臂實施的運動。相應地明顯減少了在超聲波切割設備的機械手臂方面的必要的運動需求。另一個優點是下述事實:由于刀具的可旋轉性和對稱的切割刃幾何形狀，該刀具在每次切割后可以旋轉，以便實現切割刃的均勻磨損。這一點導致提高刀具的使用壽命。
[0010]通過減少超聲波切割設備的機械手臂的運動必要性，還減少了必要的空間需求。通過減少運動還相應地縮短了加工時間，因為可以在更短的時間內實施機械手臂的必要的運動。在此，需要指出的是:與超聲波切割設備的相應運動相比，超聲波系統本身的旋轉運動由于刀頭的緊湊尺寸之故而可以明顯更快地并且特別是節省空間地實施。通過本發明的刀頭，便能夠相應地縮短周期時間并且特別是還同時能夠減少用于超聲波切割設備的必要的結構空間。
[0011]在對超聲波系統的旋轉支承中，特別是對切割刀具和其切割刃的旋轉支承是重要的。然而由于為了將高頻振動從聲學作用極傳遞到切割刀具上，切割刀具與聲學作用極通常是相互固定地連接在一起的，優選整個超聲波系統能夠圍繞旋轉軸線可旋轉地支承。這樣進一步降低了機械手臂的必要的運動的復雜性。
[0012]在此，切割刀具可以具有一個或者多個切割刃。為了進一步增強超聲波系統的旋轉運動的效果，優選切割刃中的至少一個相對旋轉軸線成銳角設置。
[0013]當然，刀頭可以設計有一個機械的接口或者一個不同構造的接口，以便由超聲波切割設備夾持或者說固定在其上。這樣的接口例如可以是機械的標準接口，使得刀頭可以由標準機械手臂夾持。在此，超聲波切割設備優選設置有至少一個機械手設備或者說機械手臂。
[0014]作為用于超聲波系統的激發措施，特別是設定在約20kHz的范圍內的頻率。超聲波系統的支承優選以可旋轉方式設置在刀頭的殼體內部或者平臺系統(Plattensystem)內部。在此可以使用各種極其不同的支承系統或者支承件，正如后文還將闡述的那樣。在此，圍繞旋轉軸線的可旋轉性不必非得是隨意的或者說自由的。更確切地說，如果具有圍繞±180°的可旋轉性或甚至更小就可能足夠了。然而也可以考慮圍繞基本上完全360°的可旋轉性。特別是考慮到超聲波系統的必要的介質供應(特別是供電)，處于預先定義的旋轉范圍內的減少的可旋轉性可以帶來一些優點。因此超聲波系統的回轉軸或者說旋轉軸線構成一個附加的旋轉軸線。如果超聲波切割設備具有一種包括通常多達六個回轉軸的機械手臂，那么超聲波系統的該旋轉軸線可以說附加地構成了第七回轉軸。
[0015]本發明的刀頭可以如下地發展設計:所述超聲波系統具有用于將電振動轉換成機械振動的助動器(Booster)。該助動器用于將例如由發生器所產生的電振動轉換為聲學作用極上的必要的機械振動。由此，所述助動器優選同樣是超聲波系統的組成部分，因而該助動器能夠隨同聲學作用極和切割刀具一起圍繞旋轉軸線運動。所述助動器例如可以具有一個壓電系統，該壓電系統能夠將輸入的電振動轉換成所期望的機械振動。在此，發生器優選構造成與刀頭分離。特別是，所述發生器甚至可以設置為與超聲波切割設備分離并且例如對于大量不同的超聲波切割設備作為發生器提供使用。由助動器以機械方式所產生的振動在此優選處在聲學作用極和/或切割刀具的固有頻率的范圍內。這樣進一步提高了產生的頻率幅度，因而能夠以所期望的方式在提高切割刀具使用壽命的同時實現對切割過程的改進。
[0016]同樣可能有益的是:在本發明的刀頭中，切割刀具具有至少兩個切割刃，所述切割刃相對旋轉軸線成銳角設置。切割刀具設有至少兩個切割刃可以說就是至少使切割刃數量翻倍。這些切割刃優選以不同角度相對旋轉軸線成銳角定向調準。因此可以進一步提高切割刀具在使用中的靈活性。特別是可以減少圍繞旋轉軸線的必要的運動，使得例如在±90°的范圍內的自由的可旋轉性便已足夠。這樣，根據超聲波系統的旋轉位置和切割刃的實時的必要定位，既可以使用兩切割刃中的一個也可以使用另一個。不過，在本發明的意義下當然也可以考慮兩個以上、例如三個或者更多的切割刃。
[0017]同樣可能有益的是:在前一段落所述的本發明的刀頭中，切割刀具構造成三角形的形狀，特別是等腰三角形的形狀。這就降低了在制造本發明的切割刀具時的成本費用以及復雜性。如果切割刀具構造成等腰三角形的形狀，那么優選兩個相等的腰共同構成兩個切割刃。對稱的構造設計能夠使切割刀具特別簡單以及特別是基本上完美無誤地應用在聲學作用極上。因此便降低了在對本發明的刀頭進行修理或保養時的出錯率。
[0018]若在本發明的刀頭中，在兩個切割刃之間的尖端位于或者基本上位于旋轉軸線上，則又實現了進一步的優點。由此同樣實現了本發明刀頭的復雜性的降低。特別是能夠以相同方式將機械振動傳送到刀頭的兩個切割刃上。由此，在對切割過程調整時不必再區別兩個切