DE10132710A1

DE10132710A1 - Vorrichtung zum Positionieren von Proben

Info

Publication number: DE10132710A1
Application number: DE2001132710
Authority: DE
Inventors: Max Setzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Vorrichtung hat eine von einem Drehantrieb angetriebene Welle (2), einen auf der Welle verschiebbar und um die Drehachse drehbar gelagerten, die Proben haltenden Drehteller (3) und eine Hubvorrichtung (20) zur Axialbewegung des Drehtellers relativ zur Welle. Eine Rastvorrichtung, bestehend aus über den Umfang des Drehtellers verteilten Ausnehmungen (35A-C) und einer in Eigriffstellung federnd vorgespannten Rastnase (41) wird in einem bestimmten Axialstellungsbereich des Drehtellers aus einer der Ausnehmungen ausgehoben. Danach kann der Drehteller (3) der Wellendrehbewegung folgen, bis die Rastnase unter Eingriff in die nächste Drehtellerausnehmung die Drehbewegung des Drehtellers sperrt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren von Proben mit einer von einem Drehantrieb angetriebenen Welle, einem auf der Welle entlang deren Drehachse verschiebbar und um die Drehachse drehbar gelagerten, die Proben haltenden Drehteller und mit einer Hubvorrichtung zur Axialbewegung des Drehtellers relativ zur Welle.
Derartige Positioniervorrichtungen dienen beispielsweise als Probenwechsler bei der Durchführung von Analysen unter Schutzgasatmosphäre, unter Vakuum und/oder unter Reinstbedingungen. Das Umpositionieren von Proben unter derartigen Bedingungen hat sich bisher als schwierig erwiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Positionieren von Proben in gekapselten Räumen zu vereinfachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die gattungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Hubvorrichtung der Welle zugeordnete erste Führungsmittel und mit den ersten Führungsmitteln formschlüssig zusammenwirkende, dem Drehteller zugeordnete zweite Führungsmittel aufweist und derart ausgebildet ist, daß sie bei drehfest gehaltenem Drehteller die Drehbewegung der Welle in eine Axialbewegung des Drehtellers umsetzt; daß eine die Drehbewegung des Drehtellers arretierende und freigebende Rastvorrichtung vorgesehen ist, die bei Sperrung der Drehbewegung des Drehtellers die Hubvorrichtung auslöst, wobei die Rastvorrichtung mehrere erste Rastmittel in Form von über den Umfang des Drehtellers verteilten Anschlägen und wenigstens ein zweites Rastmittel mit einer an den Anschlägen zur Anlage kommenden Rastnase aufweist, die entgegen einer Federvorspannung radial auslenkbar und von einem Steuernocken betätigbar ist, wobei die Rastnase in einem vorgegebenen Axialstellungsbereich des Drehtellers aus der Anlage an einem der Anschläge ausgehoben wird, so daß der Drehteller der Wellen-Drehbewegung folgen kann, bis die Rastnase am nächsten Anschlag zur Anlage kommt und die Drehbewegung des Drehtellers sperrt.
Durch die Wechselwirkung der der Hubvorrichtung zugeordneten Führungsmittel mit der Rastvorrichtung wird die Drehbewegung der Welle sowohl zum rotatorischen Wechseln der Proben durch Umpositionieren genutzt, als auch in eine tranlatorische Hubbewegung umgesetzt. Bei gekapselten Räumen bedarf es daher lediglich einer einfachen Wellendurchführung mit nur einem rotatorischen Freiheitsgrad. Derartige Wellendurchführungen sind technisch gut beherrschbar, exakt steuerbar und leicht abdichtbar.
Eine besonders einfache Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die über den Umfang des Drehtellers verteilten Anschläge als Ausnehmungen im Drehteller ausgebildet sind. Dabei bildet je nach Geometrie und Drehrichtung eine Ausnehmungsflanke den Anschlag für die Rastnase.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung reitet der Steuernocken zum Betätigen der Rastnase auf einer im zweiten Rastmittel vorgesehenen, eine Rampe bildenden Nockenbahn. Die Nockenbahn ist auf der Anschlagseite der Rastnase ausgebildet und steigt in Axialrichtung derart an, daß die Rampe bei Erreichen des vorgegebenen Axialstellungsbereichs des Drehtellers die Rastnase aus der Anlage an einem der Anschläge aushebt. Man erhält auf diese Weise die Möglichkeit, die Drehbewegung einfach und zuverlässig zu sperren und wieder zu entriegeln. Mit dem Sperren und Entriegeln wird die Hub- bzw. Senkbewegung des Drehtellers gesteuert.
Damit eine Drehbewegung der Welle in einer einzigen Drehrichtung und unabhängig von der Drehgeschwindigkeit sämtliche gewünschten Bewegungen des Drehtellers antreibt, weisen die ersten Führungsmittel der Hubvorrichtung eine Kulisse in Form von links- und rechtsgängigen, einander kreuzenden Gewindegängen auf. Die zweiten Führungsmittel weisen einen schwenkbaren Kulissenstein auf, der in den Gewindegängen des Kreuzgewindes geführt ist. Die Kulisse und der Kulissenstein sind derart ausgebildet, daß der Kulissenstein bei Erreichen einer axialen Extremposition des Drehtellers in einen kreuzenden Gewindegang der Kulisse umlenkbar ist. Dadurch wird eine Hubbewegung des Drehtellers in eine Senkbewegung umgelenkt und umgekehrt. Ferner sorgen die auf den Kulissenstein wirkenden Kräfte dafür, daß der Drehteller bei entriegelter Rastvorrichtung von der Welle mitgenommen wird.
Zum Vermeiden von Kippmomenten sind eine Mehrzahl von Kulissen und zugehörigen Kulissensteinen in gleichmäßigen Winkelabständen um die Drehachse verteilt angeordnet.
In alternativer Ausführungsform weisen die der Welle zugeordneten ersten Führungsmittel ein Gewinde mit mindestens einem Gewindegang auf. An dem dem Drehteller zugeordneten zweiten Führungsmittel ist mindestens eine Nase ausgebildet, die in den Gewindegang des Gewindes greift. Der Drehantrieb ist reversierbar ausgebildet, und es sind Umsteuermittel vorgesehen, die die Wellendrehrichtung bei Erreichen einer Extremposition der zweiten Führungsmittel umsteuern. Bei dieser Ausführungsform genügt ein einfach herzustellendes Gewinde zur Umsetzung der Drehbewegung der Welle in eine Hub/Senkbewegung bzw. Drehbewegung des Drehtellers.
Eine Automatisierung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ist in Weiterbildung der Erfindung dadurch erleichtert, daß Mittel zum Identifizieren der Position des Drehtellers und damit zum Identifizieren der einzelnen Proben vorgesehen sind.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht schräg von vorn und oben auf das Ausführungsbeispiel der Positioniervorrichtung, mit einem Drehteller und einer Rastklinke, die in einem gekapselten Gehäuse angeordnet sind, und mit einer drehbar gelagerten Welle, die das Gehäuse durchdringt;
Fig. 2 den oberen Bereich der in Fig. 1 gezeigten Rastklinke in vergrößerter perspektivischer Darstellung;
Fig. 3 eine Abwicklung der Umfangsfläche eines Wellenabschnittes mit einander kreuzenden Gewindegängen und einem in einen Gewindegang eingreifenen Kulissenstein; und
Fig. 4 einen Teilbereich der in Fig. 3 gezeigten Abwicklung in vergrößerter Darstellung.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Positionieren von Proben mit einem teilweise freigeschnittenen Gehäuse 1, einer das Gehäuse durchgreifenden Welle 2, die eine feste Drehachse hat, einem auf der Welle aufgesteckten Drehteller 3, einer federnd vorgespannten Rastklinke 4 und einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Antriebseinheit 5, die den Drehantrieb für die Welle 2 bildet. Das Gehäuse 1 hat in einer Bodenwand 6 eine Bohrung, in der die Welle 2 über ein Radiallager 7 drehbar und fluiddicht gelagert ist. An dem Drehteller sind die zu positionierenden Proben gehaltert.
Ein im Gehäuseinnenraum 10 gelegener Umfangsabschnitt der Welle 2 ist mit einander kreuzenden rechtsgängigen 22 und linksgängigen 23 Gewindenuten versehen, die erste Führungsmittel 21 zum Heben und Senken des Drehtellers 3 bilden. Der Drehteller 3 hat eine zentrale Durchgangsbohrung 30 in der zweite Führungsmittel 31 in Form eines Kulissensteins um eine horizontale Schwenkachse 32 schwenkbar angeordnet. Wie die vergrößerten Abwicklungen des die Hubvorrichtung 20 tragenden Abschnitts der Welle 2 zeigen, greift der Kulissenstein 31 in die rechtsgängigen bzw. linksgängigen Gewindenuten 22, 23 passend ein und steuert die vertikale Position des Drehtellers 3. Dies wird weiter unten bei der Funktionsbeschreibung der Positioniervorrichtung näher erläutert.
Der Drehscheibenumfang 34 ist mit rechteckigen Ausnehmungen 35A, 35B, 35C versehen, die in gleichem Winkelabstand um die Drehachse der Drehscheibe 3 angeordnet sind. Diese Drehtellerausnehmungen bilden erste Rastmittel, die in unteren Axialstellungen des Drehtellers 3 mit zur Rastklinke 4 gehörigen zweiten Rastmitteln in Form einer Rastnase 41 zusammenwirken. Die Rastnase 41 greift in der schematisch in Fig. 1 dargestellten unteren Position des Drehtellers in eine Ausnehmung 35A ein. In dieser Eingriffsstellung ist der Drehteller 3 gegen Drehbewegungen gesperrt; er kann der Antriebsbewegung der Welle 2 nicht folgen. Die Rastnase 41 ist flankiert von einer Nockenbahn 42, die beim Anheben des Drehtellers 3 durch das Zusammenwirken der ersten und zweiten Führungsmittel 21 und 31 die Klinke 4 entgegen der Andruckkraft einer Andruckfeder 45 aus dem Rasteingriff mit der zugehörigen Ausnehmung 35A aushebt. In einem oberen Endabschnitt 44 der Rastklinke ist die Rastnase 41 vollständig aus dem Rasteingriff in der zugehörigen Drehtellerausnehmung 35A ausgehoben, und der Drehteller 3 kann der Drehbewegung der Welle 2 ungehindert folgen.
Die Funktionsweise der Positioniervorrichtung ist wie folgt:
Der Antrieb 5 treibt die Welle 2 beispielsweise im Uhrzeigersinn an. Es sei angenommen, daß der Drehteller 3 in einer ersten Phase der Drehbewegung in der in Fig. 1 dargestellten unteren Axialposition ist. In dieser Position wird der Drehteller 3 durch den Eingriff der Rastnase 41 in die Ausnehmung 35A drehfest gehalten. Wie am besten in den vergrößerten Abwicklungen gemäß den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, dreht der Gewindeabschnitt der Hubvorrichtung 20 in Pfeilrichtung, während der Kulissenstein 31 aufgrund der Sperrung der Drehbewegung des Drehtellers 3 drehfest gehalten wird. Die Wirkungslinie der Rastnase verläuft parallel zur Drehachse der Welle. Der Kulissenstein 31 folgt der Bahn der rechtsgängigen Gewindenut 22, in die er eingreift. Die am Drehteller 3 feste Schwenkachse 32 wird daher bei fortgesetzter Drehbewegung der Welle 2 angehoben und hebt dementsprechend den ganzen Drehteller 3 an. Bei Erreichen des oberen Endes der zugehörigen rechtsgängigen Gewindenut 22 erreicht der Kulissenstein 31 einen oberen Umkehrpunkt 24, in welchem er in die Bahn der linksgängigen Gewindenut 23 entsprechend dem strichzweigepunktetem Pfeil L (Fig. 4) umgelegt wird. Bei weiterem Drehen der Welle 2 gleitet der in Fig. 4 strichzweigepunktet dargestellte Kulissenstein 31 in der anschließenden linksgängigen Gewindenut 23 schräg nach unten und zieht über die Schwenkachse 32 den Drehteller 3 in eine Abwärtsbewegung mit.
Die Anordnung der aus Gewindenuten bestehenden Hubvorrichtung 20 und der Klinke 4 ist so gewählt, daß der Drehteller bis in den oberen Stirnflächenabschnitt 44 der Kombination aus Rastnase 41 und der Nockenbahn 42 angehoben werden kann. Im Zuge der Umlenkbewegung des Kulissensteins 31 wird daher der Drehteller 3, der von dem Rastnaseneingriff freigesetzt ist, um eine Vierteldrehung mit der Drehbewegung der Welle 2 mitgeführt. Der Kulissenstein 31 zieht den Drehteller durch Gleiten in der linksgängigen Gewindenut 23 nach unten. Sobald die Rastnase 41 die nächste Ausnehmung 35B erreicht, hat der Drehteller die vertikale Höhe der Stirnfläche 44 verlassen, und die Rastklinke 4 kann unter der Federbelastung der Andruckfeder 45 mit der Rastnase 41 in die dann gegenüberliegende Drehtellerausnehmung 35B einfallen. Wie aus dem vergrößerten Ausschnitt der Fig. 4 zu sehen ist, geht die rechtsgängige Gewindenut 22 im oberen Endabschnitt in eine etwa dreieckige Freisparung 26 über, welche die Schwenkbewegung des länglichen Kulissensteins 31 ermöglicht. Eine entsprechende Freisparung 26 gibt es auch am unteren Ende jedes linksgängigen Gewindes, wo der Kulissenstein 31 in Gegenrichtung wieder in ein rechtsgängiges Gewinde umschwenkt. Dieser untere Umkehrpunkt 25 bestimmt diejenige Betriebsphase, bei der der von den ersten und zweiten Rastmitteln 35A, 41 festgehaltene Drehteller 3 wieder die Hubbewegung beginnt, wie vorstehend beschrieben worden ist.
Aufgrund der Wechselwirkung der ersten und zweiten Führungsmittel 21 und 31 und der ersten und zweiten Rastmittel 35(a) und 4, 41 und 42 wird der Drehteller 3 abwechselnd um ein vorgegebenes Maß angehoben und wieder abgesenkt und in den oberen Umkehrbereichen um einen dem Winkelabstand der Ausnehmungen 35A, 35B und 35c entsprechenden Drehwinkel verschwenkt. Dieser Bewegungsablauf (Heben - Drehen - Senken) wird mit einer einfachen Drehbewegung der achsfesten Welle 2 erreicht. Der Innenraum 10 des Gehäuses kann daher mit einfachsten Mitteln fluiddicht gehalten werden und die Positioniervorrichtung ihre gewünschte Funktion als Probenwechsler beispielsweise in Analysengeräten erfüllen.
Anstelle des anhand der Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels mit einem als Kulissenstein 31 ausgebildeten zweiten Führungsmittel kann an dem Drehteller 3 eine Nase ausgebildet sein, die in einen Gewindegang passend eingreift. Der Drehantrieb 5 wird dabei reversierbar ausgebildet, wobei dem Drehantrieb 5 Umsteuermittel zugeordnet sind, welche die Wellendrehrichtung bei Erreichen einer Extremposition am oberen Ende bzw. am unteren Ende des Gewindegangs umsteuern. Das zweite Führungsmittel bewegt sich daher in einem einzigen Gewindegang zwischen den unteren und oberen Extrempositionen entweder in einer Richtung nach oben oder in der entgegengesetzten Richtung nach unten.
Eine weitere Umsteuermöglichkeit ergibt sich durch Anordnung einer um den Umfang der Welle umlaufenden Zickzacknut. Dieser Zickzacknut folgt ein geeigneter Kulissenstein oder eine Walze und steuert den Drehteller 3 in die gewünschten oberen und unteren Hubpositionen und in die Teilkreisbewegungen.

Claims

1. Vorrichtung zum Positionieren von Proben mit einer von einem Drehantrieb angetriebenen Welle (2), einem auf der Welle entlang deren Drehachse verschiebbar und um die Drehachse drehbar gelagerten, die Proben haltenden Drehteller (3) und mit einer Hubvorrichtung zur Axialbewegung des Drehtellers (3) relativ zur Welle (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hubvorrichtung (20) der Welle (2) zugeordnete erste Führungsmittel (21) und mit den ersten Führungsmitteln (21) formschlüssig zusammenwirkende, dem Drehteller (3) zugeordnete zweite Führungsmittel (31) aufweist und derart ausgebildet ist, daß sie bei drehfest gehaltenem Drehteller (3) die Drehbewegung der Welle (2) in eine Axialbewegung des Drehtellers (3) umsetzt;
daß eine die Drehbewegung des Drehtellers (3) arretierende und freigebende Rastvorrichtung vorgesehen ist, die bei Sperrung der Drehbewegung des Drehtellers die Hubvorrichtung auslöst,
wobei die Rastvorrichtung mehrere erste Rastmittel in Form von über den Umfang des Drehtellers verteilten Anschlägen und wenigstens ein zweites Rastmittel mit einer an den Anschlägen zur Anlage kommenden Rastnase (41) aufweist, die entgegen einer Federvorspannung radial auslenkbar und von einem Steuernocken betätigbar ist, wobei die Rastnase (41) in einem vorgegebenen Axialstellungsbereich des Drehtellers (3) aus der Anlage an einem der Anschläge ausgehoben wird,
so daß der Drehteller (3) der Wellen-Drehbewegung folgen kann, bis die Rastnase (41) am nächsten Anschlag zur Anlage kommt und die Drehbewegung des Drehtellers (3) sperrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Umfang (34) des Drehtellers (3) verteilten Anschläge als Drehtellerausnehmungen (35A, 35B, 35C) ausgebildet sind, wobei eine Ausnehmungsflanke den Anschlag bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuernocken zum Betätigen der Rastnase auf einer im zweiten Rastmittel vorgesehenen, eine Rampe bildenden Nockenbahn (42) reitet;
daß die Nockenbahn (42) auf der Anschlagseite der Rastnase (41) ausgebildet ist und in Axialrichtung derart radial ansteigt, daß die Rampe bei Erreichen des vorgegebenen Axialstellungsbereichs des Drehtellers (3) die Rastnase (41) aus der Anlage an einem der Anschläge aushebt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Führungsmittel (21) der Hubvorrichtung (20) eine Kulisse in Fom von links- und rechtsgängigen, einander kreuzenden Gewindegängen (22, 23) aufweisen;
daß die zweiten Führungsmittel (31) einen schwenkbaren Kulissenstein aufweisen, der in den Gewindegängen (22, 23) der Kulisse geführt ist; und
daß die Kulisse und der Kulissenstein derart ausgebildet sind, daß der Kulissenstein bei Erreichen einer axialen Extremposition des Drehtellers (3) in einen kreuzenden Gewindegang der Kulisse umlenkbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kulissen und zugehörigen Kulissensteinen, die in gleichmäßigen Winkelabständen um die Drehachse verteilt angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die der Welle (2) zugeordneten ersten Führungsmittel (21) ein Gewinde mit mindestens einem Gewindegang aufweisen;
daß an den dem Drehteller (3) zugeordneten zweiten Führungsmitteln (31) mindestens eine Nase ausgebildet ist, die in den Gewindegang des Gewindes greift;
daß der Drehantrieb (5) reversierbar ausgebildet ist;
und
daß Umsteuermittel vorgesehen sind, welche die Wellendrehrichtung bei Erreichen einer Extremposition der zweiten Führungsmittel (31) umsteuern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Nasen und zugehörigen Gewindegängen, die in gleichmäßigen Winkelabständen um die Welle (2) verteilt angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rastmittel (41) um eine Achse schwenkbar gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel zum Identifizieren der Position des Drehtellers (3) und damit zum Identifizieren der einzelnen Proben.