[0001] Die Erfindung bezieht sich eine Laborzentrifuge entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
[0002] Laborzentrifugen werden beispielsweise im medizinisch-pharmazeutischen Bereich eingesetzt
und dienen der Zerlegung von Stoffgemischen nach Maßgabe der unterschiedlichen Dichte
ihrer Komponenten, wobei das Trennverfahren in Abhängigkeit von den Eigenschaften
der zu behandelnden Stoffe unter definierten thermischen Bedingungen abläuft. Diese
Stoffe werden zur Durchführung des Verfahrens in einzelne Gefäße eingebracht, die
ihrerseits in vorbereitete Aufnahmen des Rotors eingesetzt werden, aus denen sie nach
Durchführung des Verfahrens auch wieder entnommen werden. Der Rotor steht mit einem
Antriebsmotor in Verbindung und ist zusammen mit diesem innerhalb eines Gehäuses schwingfähig
angeordnet.
[0003] Im Zuge einer fortschreitenden Automatisierung industrieller Arbeitsabläufe besteht
auch ein Bedürfnis, die Vorgänge des Einsetzens von Gefäßen in die Rotoren von Laborzentrifugen
sowie des Entnehmens von Gefäßen aus diesen Rotoren unter Verwendung von Industrierobotern
oder ähnlichen mechanisierten und programmgesteuerten Handhabungseinrichtungen durchzuführen.
Diese Vorgänge setzen r koordinierte Bewegungen, insbesondere Haltepunkte der Bewegungsbahn
einer Handhabungseinrichtung einerseits und des Standortes sowie der Drehwinkelposition
des Rotors andererseits voraus, um für die Vorgänge des Ergreifens eines Gefäßes sowie
des unmittelbaren Einsetzens reproduzierbare Ausgangslagen bereitzustellen. Aus Kostengründen
sollten die hierbei einzusetzenden Systeme sowie die durchzuführenden Bewegungen so
einfach wie möglich gehalten werden.
[0004] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Laborzentrifuge der eingangs bezeichneten
Art in einfacher Weise mit Hinblick auf ihre Tauglichkeit zur Verwendung in Verbindung
mit roboterartigen Handhabungseinrichtungen auszugestalten. Gelöst ist diese Aufgabe
bei einer solchen Laborzentrifuge durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs
1.
[0005] Erfindungswesentlich ist hiernach eine formschlüssig wirkende Arretieeinrichtung,
über welche der Rotor in einer definierten Drehwinkelposition feststellbar ist. Diese
Drehwinkelposition ist zweckmäßigerweise derart eingerichtet, daß sie zum Zusammenwirken
mit einer roboterartigen Handhabungseinrichtung geeignet ist. Der Arretierungsvorgang
wird mittels der, der Zentrifuge ohnehin zugeordneten Steuerung durchgeführt. In dieser
stehen Informationen über die Drehzahl des Rotors und - über die Auswertung des, sich
aus der Erfassung bzw. Abtastung der Signalträger ergebenden Signalmusters - auch
Informationen über die augenblickliche Drehwinkelposition des Rotors zur Verfügung,
wobei mit diesen Informationen der Bremsvorgang und - unter Mitwirkung der Arretiereinrichtung
auch die Arretierung ausgelöst werden. Der mechanisch konstruktive Aufbau der Arretiereinrichtung
gestaltet sich außerordentlich einfach, wobei weitestgehend von Bauelementen Gebrauch
gemacht wird, die bei einem herkömmlichen Laborzentrifugenantrieb ohnehin vorhanden
sind. Dies bedeutet, daß sich der technische Aufwand zum Nachrüsten einer Laborzentrifuge
im erfindungsgemäßen Sinne verhältnismäßig einfach gestaltet. Die formschlüssige Arretierung
gewährleistet eine besonders stabile und eindeutig reproduzierbare Stillstandsposition
des Rotors, welches für ein Zusammenwirken mit einer roboterartigen Handhabungseinrichtung
wesentlich ist. Eine Drehwinkelsteuerung unter Verwendung eines Schrittmotors bzw.
eines Inkrementalgebers würden demgegenüber in jeder Hinsicht wesentlich aufwendiger
ausfallen.
[0006] Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind auf die nähere Ausgestaltung der Betätigungseinrichtung
gerichtet. Diese ist in jedem Fall ein motorisch betätigbares Element, dessen wesentliche
Komponenten aus einem Arretierbolzen und einem diesem zugeordneten Antrieb bestehen,
wobei der Arretierbolzen zum Zusammenwirken mit einer Bohrung oder einer Ausnehmung
bestimmt ist und wobei die Bohrung und die Betätigungseinrichtung jeweils auf relativ
zueinander bewegten Teilen angeordnet sind. Die Art der Bewegungsübertragung auf den
Arretierbolzen, der zwischen einer Verriegelungsposition, in welcher er sich im Eingriff
mit der genannten Bohrung befindet und einer Entriegelungsposition bewegbar ist, in
welcher ein solcher Eingriff nicht gegeben ist, kann grundsätzlich beliebig vorgenommen
werden. Wesentlich ist, daß die Bohrungen oder die mit diesen vergleichbaren Ausnehmungen
jeweils mit den Drehwinkelpositionen der Gefäße identisch sind, die die, durch Zentrifugieren
zu behandelnden Stoffe aufnehmen. Indem somit der Rotor in solchen Drehwinkelpositionen
arretierbar ist, befindet sich stets ein bestimmtes Gefäß in einer solchen Drehwinkelposition,
die im Zugriffsbereich der roboterartigen Handhabungseinrichtung liegt.
[0007] Die Merkmale des Anspruchs 4 sind auf die weitere Konkretisierung der Anordnung der
Betätigungseinrichtung bei einer Laborzentrifuge gerichtet. Indem der ohnehin vorhandene
Informationsträger für die Signalkörper gleichzeitig als Träger der Bohrungen verwendet
wird, die einen Teil der erfindungsgemäß eingesetzten Arretierungseinrichtungen bilden,
ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau, bei dem eine weitestgehende Nutzung ohnehin
vorhandener Bauelemente gegeben ist. Gleiches gilt für die Anordnung der Betätigungseinrichtungen
als solcher, die ebenfalls an einem Bauteil angebracht sind, welches ohnehin vorhanden
ist und zur Anbringung der mit den Signalträgern zusammenwirkenden Übertrager dient.
[0008] Die Signalträger können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 nach unterschiedlichen
physikalischen Wirkungsprinzipien gestaltet sein, wobei für die Verwendung in Verbindung
mit dem Erfindungsgegenstand nur eine Eigenschaft wesentlich ist, nämlich die Tauglichkeit
zur Generierung von Informationen betreffend die augenblickliche Drehwinkelposition
des Rotors, da diese Information im Rahmen der Zentrifugensteuerung zur Einleitung
des Arretierungsvorgangs benötigt wird.
[0009] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Laborzentrifuge,
welchem die Aufgabe zugrunde liegt, den Arretierungsvorgang und insbesondere die Arretierungsposition
sicher und in reproduzierbarer Weise durchzuführen.
[0010] Die Merkmalskombination des Anspruchs 6 wird als notwendig zur Lösung dieser Aufgabenstellung
angesehen.
[0011] Wesentlich ist hiernach, daß mit Beginn der Auslösung des Arretierungsvorgangs zunächst
eine Abbremsung mittels des Antriebsmotors durchgeführt wird, und zwar bis zum Erreichen
einer unteren Geschwindigkeit v
u. Es ist dies eine solche Geschwindigkeit bei deren Erreichen mittels der Betätigungseinrichtung
der Verriegelungsbolzen in Richtung auf seine Verriegelungsposition hin bewegt wird,
wobei er in schleifender Anlage an den Rotor gelangen kann und bei Erreichen der,
der endgültigen Drehwinkelposition zugeordneten Bohrung in diese einrasten kann. Um
einen einwandfreien Verrastungszustand festzustellen, wird nach erfolgtem Einrasten
über die Steuerung automatisch ein Wiederanfahren des Antriebsmotors versucht und
auf diesem Wege der endgültige Arretierungszustand sichergestellt, wobei davon ausgegangen
wird, daß sich ein nicht einwandfreier Verrastungszustand infolge eines Wiederanfahrversuchs
des Antriebsmotors lösen würde. Durch diese Maßnahme ist somit die endgültige Verrastungsposition
des Rotors gesichert und es kann ein, diesen Zustand beschreibendes Signal dazu benutzt
werden, um entsprechende Zustellbewegungen der genannten Handhabungseinrichtung auszulösen.
[0012] Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die zeichnerisch wiedergegebenen
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht des Antriebsabschnitts einer Laborzentrifuge;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Antriebsabschnitts entsprechend einer Ebene II-II der
Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Antriebsabschnitts einer Laborzentrifuge;
Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Antriebsabschnitts in teilweiser Schnittdarstellung
gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine, die Erkennung der Nullstellung des Rotors erläuternde Grafik.
[0013] Mit 1 ist in Fig. 1 der Antriebsmotor einer Laborzentrifuge bezeichnet, dessen Achse
2 sich vertikal erstreckt und der an seinem oberen Ende mit einem zeichnerisch lediglich
angedeuteten Zentrifugenrotor 3 in Verbindung steht. Das System aus Rotor 3 und Antriebsmotor
1 ist in zeichnerisch ebenfalls nicht dargestellter Weise innerhalb eines Gehäuses
schwingfähig angeordnet.
[0014] Der Rotor 3 trägt in an sich bekannter Weise in seinem peripheren Bereich eine Reihe
von auswechselbar angeordneten Gefäßen, die zur Aufnahme von durch Zentrifugation
in Komponenten unterschiedlicher Dichte bestimmte Stoffe eingerichtet sind, wobei
das Gehäuse weiterhin dahingehend ausgestaltet sein kann, daß der Prozeß des Zentrifugierens
unter wählbaren thermischen Bedingungen ablaufen kann. Hierauf soll jedoch im folgenden
nicht näher eingegangen werden.
[0015] Mit 4 ist ein scheibenartiger, mit dem Zentrifugenrotor in fester Verbindung stehender,
zu der Achse 2 rotationssymmetrisch angeordneter Informationsträger bezeichnet, der
u.a. zur Rotoridentifikation bestimmt und eingerichtet ist. Der Rotor 3 steht in auswechselbarer
Weise mit dem Antriebsmotor 1 in Verbindung und es sind einem jeden Rotor jeweils
rotorspezifische Höchstdrehzahlen zugeordnet, die in Anbetracht der vergleichsweise
hohen Drehzahlen, mit denen diese Rotoren betrieben werden, aus Sicherheitsgründen
nicht überschritten werden dürfen. Zu diesem Zweck ist der Informationsträger auf
seiner Unterseite 5 mit einer berührungslos abtastbaren, beispielsweise magnetischen
Kodierung versehen, welche in Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung bei der
Inbetriebnahme der Laborzentrifuge die Feststellung der jeweils höchstzulässigen Drehzahl
ermöglicht.
[0016] Zum Zweck der Rotoridentifikation ist der Informationsträger 4 auf einem ersten Teilkreis
6 mit dem Radius R2 mit einer Verteilung einzelner Magnetkörper 7 versehen, die sich
nach Maßgabe vorherbestimmter Winkelstellungen entlang dieses Teilkreises 6 befinden.
Sie erzeugen bei einer vollen Umdrehung des Informationsträgers um die Achse 2 im
Eingangskreis einer mit dem Gehäuse des Antriebsmotors 1 in fester Verbindung stehenden,
einen geringen Abstand zu dem Informationsträger, insbesondere den Magnetkörpern 7
aufweisenden induktiven Übertrager 8 ein elektrisches Signal, welches nach entsprechender
elektronischer Aufbereitung den in Fig. 5 gezeigten Verlauf aufweisen kann.
[0017] Die Magnetkörper können hierbei von gleicher Polarität sein, so daß es lediglich
auf deren Verteilung entlang des Teilkreises ankommt - sie können jedoch auch in definierter
Weise von unterschiedlicher Polarität sein. Anstelle eines elektromagnetisch wirksamen
Abtastsystems kommt auch beispielsweise ein optisches, auf Lichtdurchgang oder Lichtreflexion
basierendes System in Betracht. Hierauf soll jedoch nicht näher eingegangen werden.
Wesentlich ist insoweit lediglich, daß durch das Eingangssignal ein Bitmuster gebildet
wird, welches zumindest die höchst zulässige Drehzahl des jeweils eingesetzten Rotors
im Eingangskreis des Übertragers darstellt.
[0018] Mit 9 ist ein weiterer, koaxial zu der Achse 2 verlaufender Teilkreis innerhalb des
Teilkreises 6 bezeichnet, der in der 0° , der 90°, der 180° und der 270° Stellung
mit Bohrungen 10 versehen ist. Es sind dies Arretierbohrungen, die zum Zusammenwirken
mit einem Arretierbolzen 11 bestimmt sind, der mittels einer, im folgenden noch zu
beschreibenden Betätigungseinrichtung zwischen einer, in eine Bohrung 10 eingeschobenen,
somit die Drehung des Rotors arretierenden und einer, aus der Bohrung 10 zurückgezogenen,
somit eine Drehung des Rotors freigebenden Position motorisch verschiebbar angeordnet
ist.
[0019] Mit 12 ist eine weitere, sich koaxial zu der Achse 2 erstreckende, jedoch mit dem
Gehäuse des Antriebsmotors 1 in fester Verbindung stehende Lagerplatte bezeichnet,
auf der neben dem Übertrager 8 auch eine Betätigungseinrichtung 13 für den Arretierbolzen
11 befestigt ist. Sowohl der Übertrager 8 als auch die Betätigungseinrichtung 13 stehen
in zeichnerisch nicht näher dargestellter Weise mit einer übergeordneten Steuerung
in Verbindung.
[0020] Schließlich ist mit 14 ein die Drehzahl des Antriebsmotors 1 berührungslos abtastender
Drehzahlgeber, zum Beispiel ein Tachogenerator bezeichnet, der ebenfalls mit der genannten
Steuerung in Verbindung steht. Es kommt hier jedoch auch jede sonstige, vorzugsweise
berührungslos wirkende Drehzahlmeßeinrichtung in Betracht, die ausgangsseitig ein
der gemessenen Drehzahl entsprechendes elektrisches Meßsignal erzeugt.
[0021] In den Fig. 3 und 4 sind Bauelemente, die mit denjenigen der Fig. 1 und 2 übereinstimmen,
entsprechend beziffert, so daß auf eine diesbezügliche wiederholte Beschreibung verzichtet
werden kann.
[0022] Wesensmerkmal der jeweils eingesetzten Betätigungseinrichtung ist ein Antriebssystem
zur Überführung des Arretierbolzens 11 zwischen den genannten Positionen. Dieses Antriebssystem
kann in beiden Richtungen wirksam sein - es kann sich jedoch auch um ein in einer
Richtung federbelastetes System handeln, so daß eine der beiden Positionen durch die
Rückstellkraft einer Feder definiert wird. Es kann sich um ein elektromechanisches,
jedoch auch um ein druckmittelbetätigtes Antriebssystem handeln.
[0023] Lediglich beispielhaft ist in den Fig. 3 und 4 eine elektromechanisch ausgebildete
Betätigungseinrichtung 13' gezeigt, bei welcher die Bewegung des Arretierbolzens 11
mittels eines Hebels 15 erzeugt wird.
[0024] Erfindungswesentlich ist nunmehr, daß durch die Verteilung der Magnetkörper 7 entlang
des Teilkreises aufgrund der festen Winkelbeziehung zwischen diesen Magnetkörpern
einerseits und dem Einsetz- bzw. Einhängepositionen der Gefäße des Rotors auch die
Drehwinkelposition der Gefäße kodiert ist. Dies wiederum eröffnet eine besonders vorteilhafte
Möglichkeit, eine Nullstellung des Rotors in einfacher und insbesondere reproduzierbarer
Weise bei hoher Positioniergenauigkeit aufzufinden und im Bedarfsfall den Rotor in
eben dieser Stellung anzuhalten und zu arretieren.
[0025] Zu diesem Zweck wird das Bitmuster gemäß Fig. 5 laufend im Rahmen einer übergeordneten
Steuerung überwacht, wobei dann, wenn der Rotor in der 0
0-Stellung angehalten werden soll, zunächst eine Abbremsung bis auf eine definierte
Mindestgeschwindigkeit v
u vorgenommen wird, woraufhin mittels der Betätigungseinrichtung 13 der Arretierbolzen
11 ausgefahren wird und infolge eines Einrastens in der jeweils nächsten Bohrung 10
den Stillstand des Rotors auslöst. Die Mindestgeschwindigkeit v
u, der Zeitpunkt des Auslösens der Bremsung und die Ansteuerung der Betätigungseinrichtung
13, 13' werden in einer durch die genannte Steuerung zeitlich koordinierten Weise
vollzogen, wobei ferner nach erfolgtem Einrasten anhand eines blockierten Weiterdrehversuchs
ein sicherer Arretierungszustand des Rotors gesichert ist.
[0026] Es kann sich bei dieser Position um die 0°-Stellung handeln, jedoch gleichermaßen
auch um die 90
0-Stellung, die 180
0-Stellung usw. Die Zahl dieser Arretierpositionen entspricht der Zahl der Einsetz-
bzw. Einhängepositionen der Gefäße des Rotors.
[0027] Eine in diesem Sinne ausgerüstete Laborzentrifuge ist im besonderen Maße zum Zusammenwirken
mit roboterartigen Handhabungseinrichtungen geeignet, wenn es beispielsweise um die
Aufgabe geht, ein bestimmtes Gefäß der Einhängeposition des Rotors zu entnehmen und
für diesen Vorgang eine definierte Position eben dieses Gefäßes bereitzustellen ist.
Die in obigem Sinne ausgerüstete Zentrifuge kann dahingehend gesteuert werden, daß
der Rotor mit der Maßgabe bis zum Stillstand abgebremst und arretiert ist, daß sich
ein bestimmtes Gefäß in der Nullstellung bzw. einer sonstigen definierten Winkelstellung
befindet und für eine Entnahme aus dem Rotor mittels einer roboterartigen Einrichtung
zur Verfügung steht. Letztgenannte Einrichtung kann somit dahingehend ausgebildet
bzw. gesteuert werden, daß lediglich eine bestimmte, zentrifugenspezifische Entnahmeposition
beachten werden muß, welches die Bewegung der roboterartigen Einrichtung vereinfacht.
[0028] Durch den formschlüssigen Eingriff des Arretierungsbolzens in der genannten Bohrung
des Informationsträgers ist eine stabile Arretierungsposition gegeben, welche auch
bei ungenauen Bewegungssteuerung der roboterartigen Einrichtung nicht verändert wird,
so daß ein sicheres Ergreifen und Entnehmen des jeweiligen Gefäßes möglich ist.
1. Laborzentrifuge, bestehend aus einem, im peripheren Bereich mit Aufnahmen für auswechselbar
angeordnete, ein zu behandelndes Stoffgemisch aufnehmende Gefäße versehenen Rotor
(3) und einem Antriebsmotor (1), welche beide in einem Gehäuse schwingfähig aufgenommen
sind, wobei der Rotor (3) mit einer Anordnung von berührungslos erfaßbaren Signalträgern
versehen ist, durch deren Anordnung entlang eines Teilkreises (6) zumindest die zulässige
Höchstdrehzahl des Rotors (3) kodiert ist, wobei dem Antriebsmotor (1) eine Steuerung
zugeordnet ist, die ihrerseits mit einem Übertrager (4) in Verbindung steht, der zum
Zusammenwirken mit den Signalträgern bestimmt und eingerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß dem Rotor (3) eine formschlüssig wirksame Arretiereinrichtung zugeordnet ist,
die mit der Steuerung in Wirkverbindung steht und
- daß die Steuerung ausgehend von der Drehzahl des Antriebsmotors (1) und der über
die Erfassung der Signalträger gegebenen Winkelposition zum Abbremsen und zum Arretieren
des Rotors (3) mittels der Arretiereinrichtung in definierten Winkelpositionen bestimmt
und eingerichtet ist.
2. Laborzentrifuge nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Arretiereinrichtung aus einer vorzugsweise an dem Antriebsmotor (1) angebrachten,
einen Arretierbolzen (11) aufweisenden Betätigungseinrichtung (13, 13') besteht, dem
Bohrungen (10) oder vergleichbare, zum Zusammenwirken mit dem Arretierbolzen (11)
geeignete Ausnehmungen des Rotors (3) oder eines mit dem Rotor (3) in fester Verbindung
stehenden Bauteils gegenüberliegend angeordnet sind.
3. Laborzentrifuge nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Bohrungen (10) entlang eines Teilkreises (9) um die Achse (2) des Rotors
(3) angeordnet sind und
- daß den Winkelpositionen der Bohrungen (10) entlang dieses Teilkreises (9) jeweils
Winkelpositionen der Aufnahmen jeweils wenigstens eines Gefäßes entsprechen.
4. Laborzentrifuge nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Bohrungen (10) und die Signalträger in bzw. an einem kreisscheibenartigen,
mit dem Rotor (3) in fester Verbindung stehenden Informationsträger (4) angeordnet
sind und
- daß der wenigstens eine, den Signalträgern zugeordnete Übertrager sowie die Betätigungseinrichtung
(13, 13') durch eine, an dem Gehäuse des Antriebsmotors (1) angeordnete, dem Informationsträger
(4) mit geringem Abstand gegenüberliegende Lagerplatte (12) gehalten sind.
5. Laborzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Signalträger in an sich bekannter Weise durch Magnetkörper (7) oder optisch
wirksame lichtdurchlässige oder lichtreflektierende Elemente gebildet werden und
- daß der Übertrager dementsprechend als induktiv wirksames oder als ein zum Lichtempfang
eingerichtetes Element ausgebildet ist.
6. Verfahren zum Arretieren des Rotors (3) einer Laborzentrifuge nach einem der vorangegangenen
Ansprüche 1 bis 5 in wählbaren, jeweils den Aufnahmen der Gefäße entsprechenden 'Winkelpositionen,
dadurch gekennzeichnet,
- daß ausgehend von den Meßwerten der Drehzahl des Rotors (3) und der über die Signalträger
gegebenen Winkelpositionen eine Abbremsung bis auf eine untere Geschwindigkeit vu eingeleitet wird,
- daß nach Erreichen der unteren Geschwindigkeit vu mittels der Betätigungseinrichtung der Arretierbolzen (11) bis in eine solche Stellung
in Richtung auf seine Verriegelungsstellung hin verschoben wird, in der bei Erreichen
der jeweiligen Bohrung (10) ein Einrasten ausgelöst wird und
- daß die Verrastungsposition des Arretierbolzens (11) durch einen, mittel der Steuerung
eingeleiteten Wiederanfahrversuch des Antriebsmotors (1) überprüft wird.