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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen Positionieren einer tellerförmigen Aufnahme für mindestens eine Probe zu und in einem Untersuchungsgerät.
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Als Vorrichtung zum Zuführen von Proben zu einem Untersuchungsgerät, beispielsweise einem Analysegerät oder Messgerät oder einem Vorprobenvorbereitungsgerät zur Materialbestimmung, Prüfung, Fluoreszenzbestimmung usw. sind so genannte Probengeber bekannt. Dabei können die Proben unterschiedliche Medien umfassen, beispielsweise Flüssigkeit, Pulver oder auch Feststoffe. Für die Röntgenfluoreszenzanalyse RFA werden die Proben mittels eines Probenwechslers als feste Körper, wie Küvetten, Presstabletten, Schmelztabletten, als spezielle Probenträger usw. zur Messposition gebracht.
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Ein klassischer Probengeber ist ein solcher mit einer tellerförmigen Probenaufnahme, wobei der Probenteller im Zentrum angetrieben wird und um die Rotationsachse positioniert wird. Die Proben befinden sich in Gefäßen oder auf speziellen Trägern verteilt auf dem Probenteller. Einschwenkbares Dosierorgan, Greifer, Werkzeug oder Messeinrichtung schwenkt üblicherweise oberhalb des Probentellers.
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Aus der
DE 39 43 524 C2 ist beispielsweise ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatografie-Analysegerät bekannt, in dem ein Drehteller verwendet wird, der auf seiner Außenseite bzw. seinem Außenumfang mit einer Zahnung versehen ist, die mit einem Zahnriemen kämmt, der über ein von einem Schrittmotor angetriebenes Zahnritzel läuft.
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Aus dem Stand der Technik ist im Bereich der Zahnriementechnik eine Mehrzahl von Antrieben bekannt, beispielhaft wird auf die
DE 43 38 155 A1 hingewiesen, bei der ein Schlitten mit einem Differenzantrieb bewegt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zuführen und Positionieren einer mindestens eine Probe tragenden tellerförmigen Aufnahme zu und in einem Untersuchungsgerät zu schaffen, die eine schnelle Handhabung gestattet und kompakt, einfach und kostengünstig im Aufbau ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch, dass der Antrieb zum Bewegen der tellerförmigen Aufnahme als Differenzantrieb mit zwei Antriebseinheiten ausgebildet ist, die mit der tellerförmigen Aufnahme derart in Wirkverbindung stehen, dass sowohl eine lineare Bewegung der Aufnahme als auch eine Drehbewegung derselben ausführbar sind, ist es möglich jedes stationäre Element, Dosiernadel. Greifer, Aushubstation, Messeinheit, die sich im Arbeitsbereich des Probentellers befinden mit einer beliebigen Probe bzw. Position anzufahren und in axiale Deckung zu bringen. Der typische Schwenkarm, wie man ihn bei klassischen Probengebern kennt, kann entfallen. Schläuche zu Dosierelementen usw. können stationär verlegt werden und zudem kürzer gestaltet sein. Schließlich ist der Antrieb bzw. der Antrieb mit tellerförmiger Aufnahme einfach, kompakt und kostengünstig. Da typischerweise insbesondere bei der Röntgenfluoreszenzanalyse die Probenpräparation an einem anderen Ort als die Messung durchgeführt wird, kann eine kompakte Probenaufnahme verwendet werden, die auf einfache Weise eine dezentrale Bestückung, ein sicheren Transport und die einfache Zuführung zu dem Untersuchungsgerät ermöglicht.
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Die Antriebseinheiten sind vorzugsweise mechanisch voneinander unabhängig, wodurch es möglich ist, dem Probenteller zum einen zur kartesischen Achsrichtung zu positionieren und zum anderen durch Umkehr einer der beiden zugehörigen Motoren zu drehen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Antriebe als Zugmittelantriebe, insbesondere als Zahnriemenantriebe ausgebildet, die eine große Zuverlässigkeit aufweisen und kompakt und einfach konstruiert sein können.
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Vorzugsweise sind die Antriebseinheiten beidseitig der tellerförmigen Aufnahme im Wesentlichen parallel zur linearen Bewegungsrichtung angeordnet. Insbesondere ist es auch in einfacher Weise möglich, den Probenteller automatisch einzuziehen, da die Verzahnungen der Zahnriemenantriebseinheiten beim linearen Einschub zwischen die Antriebseinheiten ineinandergreifen und anschließend in der orthogonalen, längs der Achse in der Drehachse referiert werden.
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Damit die tellerförmige Aufnahme gut geführt wird, weist jede Antriebseinheit ein lineares Führungselement auf, die jeweils mit einer Führungsfläche am Umfang der tellerförmigen Aufnahme zusammenarbeiten.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Umfang bzw. die Außenkontur der tellerförmigen Aufnahme abgestuft, so dass einerseits am Umfang die notwendige Verzahnung für den Zahnriemenantrieb und andererseits die Führungsfläche für die Führungselemente vorgesehen werden können. Dabei soll mit der Definition der Abstufung auch solche Ausführungsformen mit beinhalten, bei denen ein Teller zur Aufnahme der Proben vorgesehen ist und unterhalb des Tellers mehrere Abstufungen mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sind.
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Die Antriebseinheiten weisen jeweils mindestens einen Elektromotor und Umlenkrollen zur Führung eines Zug mittels, vorzugsweise des Zahnriemens auf, wobei die Motoren derart ansteuerbar sind, dass die lineare Bewegung oder die Drehbewegung ausführbar sind. Dabei ist die Steuerung der Motoren leicht zu erzielen, da für die lineare Bewegung die Motoren entgegengesetzt laufen müssen und für eine Drehbewegung der tellerförmigen Aufnahme in gleiche Richtung. Es ist jedoch auch eine überlagerte lineare Bewegung und Drehbewegung denkbar, indem die Drehzahlen unterschiedlich gewählt werden.
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In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Antriebseinheit um eine Achse schwenkbar, die parallel zu einer Drehachse der tellerförmigen Aufnahme ist, wodurch es möglich wird, für das Zuführen der tellerförmigen Aufnahme eine Antriebseinheit oder beide Antriebseinheiten seitlich relativ zueinander auseinander zu bewegen, so dass eine verbesserte und zuverlässigere Einführung in das Gerät durch sauberes Eingreifen der Verzahnung der tellerförmigen Aufnahme in die Verzahnung des Zahnriemens gewährleistet wird. Dies ermöglicht auch das Stapeln von tellerförmigen Aufnahmen, die zum Wechseln nur noch vertikal zwischen den ”klauenförmig” geöffneten Antriebseinheiten bewegt werden müssen. Auch eine besonders einfache Skalierung eines Probenwechslers ist möglich.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die tellerförmige Aufnahme einen verformbaren flexiblen Außenring, dessen Umfang den Eingriff mit den Antriebseinheiten realisiert. Vorzugsweise ist der flexible Ring eine Kombination aus einem flexiblen außen verzahnten Reifen (flex spline) und an den Übergängen fest verbundenen flexiblen Zylindern (flex cylinder), die an den Übergangsstellen fest mit dem nicht verformbaren Teil des Probentellers verbunden sind. Mit dieser Maßnahme können toleranzbehafteten Probenteller eingesetzt werden, die im Außendurchmesser und der Kontur in Grenzen schwanken. Der verformbare flexible Außenring kann sich somit der Breite der getrennten Zahnriemenantriebe anpassen. Aufgrund der auftretenden Kräfte im außen verzahnten Reifen und in den flexiblen Zylindern wird der nicht verformbare Teil der tellerförmigen Aufnahme stets die Position der geometrischen Mitte anstreben. Der Probenteller bzw. die tellerförmige Aufnahme besitzt somit eine definierte Vorspannung, die zum einen das Zahnflankenspiel der Außenverzahnung zu den Antriebseinheiten minimiert und zum anderen eine vergrößerte Aufnahmefläche auf den Gleitführungen einstellt.
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Wie schon erwähnt, ist eine besondere Art der Ausführung eine solche, bei der mehrere tellerförmige Aufnahmen stapelartig übereinander angeordnet sind, wo bei vorzugsweise eine Zuführ- und Abführvorrichtung zum Entfernen einer tellerförmigen Aufnahme nach der Behandlung aus dem Bereich der Antriebseinheiten und Einführen einer zu behandelnden tellerförmigen Aufnahme zwischen die Antriebseinheiten vorgesehen ist, damit dann ein automatischer Wechsel der tellerförmigen Aufnahmen gewährleistet wird.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Antriebseinheiten gemeinsam um mindestens ±90° schwenkbar, wobei dies durch Fixieren und Lösen bestimmter Drehpunkte bzw. Antriebsachsen vorgenommen werden kann. Dadurch werden weitere Manipulationsfreiheitsgrade geliefert. Die Vorrichtung kann mit den beiden Antriebseinheiten als Ganzes um die Motorachse einer ausgewählten Antriebseinheit rotieren, indem sie durch eine geeignete mechanische Vorrichtung ausschließlich an die Antriebswelle des einzelnen Motors gekoppelt wird. Diese Schwenkbewegung der gesamten Baugruppe kann für zusätzliche Positionieraufgaben genutzt werden. Sobald die Vorrichtung wieder von der Motorwelle entkoppelt und z. B. mit dem Motorgehäuse fest verbunden wird, kann in der oben beschriebenen Art und Weise eine Probenpositionierung durch die differenzielle oder synchrone Betriebsweise beider Antriebseinheiten erfolgen.
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Vorzugsweise ist die tellerförmige Aufnahme in einer Kassette oder Kartusche aufgenommen, die an das Untersuchungsgerät ansetzbar ist und aus der die tellerförmige Aufnahme manuell oder motorisch zwischen die Antriebseinheiten einführbar ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei der Röntgenfluoreszenzanalyse, bei der die Proben möglichst kontaminationsarm behandelt werden müssen. Eine solche Kassette kann an einen Übergabeschlitz des Untersuchungsgeräts angedockt werden, wobei sich dabei eine Schleuse öffnen kann.
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Schließlich ist es besonders vorteilhaft, dass der Abstand der Antriebseinheiten zueinander manuell oder motorisch veränderbar ist, da auf diese Weise unterschiedliche Durchmesser von tellerförmigen Aufnahmen verwendbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1a eine schematische Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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1b eine Seitenansicht auf die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete tellerförmige Auflage,
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2 eine Ansicht entsprechend 1a, bei der die tellerförmige Auflage sich innerhalb der zwei Antriebseinheiten befindet und die Drehbewegung angedeutet ist,
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3 eine Ansicht entsprechend 1a, bei der die lineare oder kartesische Bewegung angedeutet ist und
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4 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit flexiblem Rand der tellerförmigen Aufnahme.
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In 1a ist prinzipiell eine Vorrichtung zum Zuführen und Positionieren einer tellerförmigen Aufnahme für mindestens eine Probe zu einem und in einem Untersuchungsgerät dargestellt. Die Vorrichtung ist Bestandteil eines Untersuchungsgeräts, das mit 9 gestrichelt angedeutet ist, oder das diesem vorgeschaltet ist. Die Vorrichtung umfasst einen Antrieb 10, der zwei im Wesentlichen identische Antriebseinheiten 3, 4 aufweist. Die Antriebseinheit 3, 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Zahnriemenantrieb, der einen mit Verzahnungen versehenen Zahnriemen 11 einschließt, der von einem Motor 2 angetrieben wird, auf dessen Ausgangswelle ein Ritzel 12 sitzt. Der Zahnriemen 11 ist über zwei außen liegende Umlenkrollen 13, 14 und zwei in der Nähe des Ritzels angebrachten Umlenkrollen 15, 16 endlos derart geführt, dass die Zähne des Riemens 11 nach außen gerichtet sind. Damit der Zahnriemen 11 sich nicht zu sehr biegt, ist jeweils eine Riemenführung 6 vorgesehen, an der der jeweilige Zahnriemen 11 entlang gleitet. Außerdem ist ein schienenartiges Führungselement über die Länge der Antriebseinheit angeordnet, wobei das schienenartige Führungselement 17 unterschiedlich ausgebildet sein kann, wie weiter unten ausgeführt wird.
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Wie schon dargelegt, sind die Antriebe 3 und 4 im Wesentlichen gleich ausgebildet und die Bestandteile haben bis auf den jeweiligen Motor gleiche Bezugszeichen. Der Motor der Antriebseinheit 3 ist mit 1 bezeichnet, während der Motor der Antriebseinheit 4 mit 4 bezeichnet wird.
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In der 1a ist vor den Antriebseinheiten eine tellerförmige Aufnahme 8, auch Probenteller genannt, dargestellt, die beim Einführen in das Untersuchungsgerät 9 bzw. zwischen die Antriebseinheiten 3, 4 schon mit Proben 7 bestückt ist. Üblicherweise werden die Proben 7 außerhalb des Untersuchungsgeräts 9 an einem entfernter liegenden Ort auf dem Probenteller 8 angeordnet. Die tellerförmige Aufnahme 8 ist an ihrem äußeren Umfang mit einer Verzahnung 18 versehen, die mit der Verzahnung des Riemens 11 zusammenarbeitet.
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Wenn der Probenteller in das Untersuchungsgerät 9 bzw. in den Antrieb 10 eingeführt werden soll, wird er entsprechend dem Pfeil 20 bewegt und auf dem Führungselement 17 mit seinem Rand abgelegt. Es kann noch ein entsprechendes Führungselement oberhalb des Probentellers vorgesehen sein, derart, dass ein Führungsschlitz mit einer oberen und unteren Führung ausgebildet wird. In 1b ist ein Probenteller 8 mit einem abgestuften Umfangsprofil dargestellt, wobei am oberen Umfang die Verzahnung 18 angebracht ist und der darunter liegende Umfang mit kleinerem Durchmesser kann eine Führungsfläche 19 bilden, die mit den Führungselementen 17 zusammenarbeiten kann. Selbstverständlich kann die Verzahnung 18 auch am in 1b unten liegenden Umfang angebracht sein oder auch an noch einer weiteren abgestuften Schulter kleineren Durchmessers.
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Beim Einführen des Probentellers 8 in das Gerät entsprechend dem Pfeil 20 greifen die Verzahnungen 18 des Probentellers 8 nacheinander in beide Zahnriemen 11 der Antriebseinheiten 3 und 4 ein und der Probenteller 8 wird durch die Antriebseinheiten 3 und 4 weiter eingezogen und in die gewünschte Stellung bewegt. Der mit 5 bezeichnete Punkt soll ein stationäres Werkzeug oder eine Dosierposition oder eine Messposition andeuten.
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In 2 wird der Bewegungsablauf des Probentellers 8 in dem Antrieb 10 noch etwas näher erläutert. In diesen Darstellungen ist zu erkennen, dass jede Probenposition durch die Kombination der Bewegung beider Antriebseinheiten 3 und 4 mit dem stationären Werkzeug, der Dosierposition oder der Messposition 5 in Deckung gebracht werden kann. In 3 ist die Längsbewegung entsprechend dem Pfeil 20 dargestellt, bei der die Motoren 1 und 2, wie durch die Pfeile 21 und 22 angedeutet, in entgegengesetzte Richtungen angetrieben werden. Wenn die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl beider Motoren 1, 2 gleich ist, findet eine lineare, d. h. eine kartesische Bewegung des Probentellers 8 statt. Damit kann die mittlere Längsreihe an Proben 7 mit der Position 5 in Übereinstimmung gebracht werden. Wenn sich entsprechend 2 die Motoren 1, 2 in die gleiche Richtung bewegen, entsprechend den Pfeilen 23 und 24, führt der Probenteller 8 eine Drehbewegung entsprechend dem Pfeil 25 aus, wobei bei einer reinen Drehbewegung der äußere Kranz von Proben 7 mit der Position 5 in Übereinstimmung gebracht werden kann. Bei einer kombinierten Längsbewegung entsprechend Pfeil 20 und einer Drehbewegung entsprechend Pfeil 25 kann somit jede Position der Proben angefahren werden.
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Um das Einführen des Probentellers 8 zu erleichtern, kann eine Antriebseinheit oder beide Antriebseinheiten um eine Drehachse, beispielsweise die Drehachse der Umlenkrollen 14 oder aber auch um die Drehachse der Ritzel 12, schwenkbar ausgebildet sein, derart, dass sich ein V-förmiger Einführungsweg ergibt. Eine andere Möglichkeit ist, beide Antriebseinheiten 3, 4 seitlich auseinanderzubewegen, damit sie sich wie eine ”Klaue” öffnen. Dies ermöglicht das Stapeln von Probentellern 8, die zum Wechseln nur noch vertikal zwischen den ”Klauen” bewegt werden müssen.
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Mit dem Fixieren und Lösen von bestimmten Drehachsen lässt sich auch der gesamte Antrieb beispielsweise um ±90° drehen. Wenn beispielsweise der gesamte Antrieb 10 um die Antriebsachse des Motors 1 unter Vorsehen einer elektrischen Bremse drehbar gelagert wird und eine der Umlenkrollen angebremst wird, führt eine Motorbewegung der Antriebseinheit 1 zu einer Schwenkbewegung um die Motorachse.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine andere Art von Probenteller verwendet wird, wobei alle anderen Bestandteile des Antriebs 10 gleich sind. Der Probenteller 26 besteht hier aus einem nicht verformbaren inneren Tellerteil als Probenträger 27 und einem verformbaren Außenring 28, der aus einem flexiblen außen verzahnten Reif 29 und flexiblen Zylindern 30 besteht.
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Ein solcher Probenteller 26 wird besonders dann verwendet, wenn an die Positionierung des Probentellers 26 besonders hohe Anforderungen gestellt werden oder wenn aufgrund des Herstellungsverfahrens toleranzbehaftete Probenteller eingesetzt werden, die im Außendurchmesser und der Kontur in Grenzen schwanken, wie Massenartikel oder Einwegteller aus Kunststoff. Die genannte Anordnung aus flexiblem Ring 28 und nicht verformbarem Probenträger stellt einen in der axialen Richtung des Probentellers 26 festen Bezug des nicht verformbaren Probenträgers 27 her, während in der Fläche der nicht verformbare Teil des Probentellers 26 in Grenzen ausgelenkt werden kann. Der Probenteller 26, der üblicherweise kreisrund ist, wie unten in der 4 dargestellt, wird während des Einschiebens zwischen die Antriebseinheiten 3, 4 dahingehend verformt, dass der flexible Ring 28 mit außen verzahntem Reif 29 und flexiblen Zylindern 30 eine ovale Kontur annimmt. Der flexible Ring 28 wird bei Rotationsbewegungen des Probentellers 26 stetig verformt, und aufgrund der auftretenden Kräfte im flexiblen Ring 28 wird der nicht verformbare Probenträger 27 stets die Position der geometrischen Mitte anstreben. Der Probenteller 26 besitzt dann eine definierte Vorspannung, die zum einen das Zahnflankenspiel der Außenverzahnung zu den Antrieben minimiert und zum anderen eine vergrößerte Auflagefläche auf den Gleitführungen einstellt.
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Die beschriebene Vorrichtung kann direkt als Grundlage für ein ortsaufgelöstes Messverfahren genutzt werden, um z. B. eine große Probe oder Probenstücke in Polarkoordinaten mit einem physikalischen Messverfahren abzuscannen. Dabei werden dann die Motoren 1 und 2 in ihren Richtungen, gegebenenfalls in ihrer Drehzahl entsprechend angesteuert, um die vorgegebenen Polarkoordinaten zu erreichen.
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In einigen Anwendungsbeispielen kann es sinnvoll sein, dass die Ober- oder Unterseite des Probentellers 8, 26 eine gas- oder vakuumdichte Fläche zu einer Messkammer oder dergleichen bildet, um korrekte Messungen in der Messposition durchzuführen.
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In den Antrieben können neben den Zahnriemen z. B. Ketten, perforierte Stahlbänder oder auch Kugelschnüre eingesetzt werden. Die Position wird in diesem Fall indirekt über die Geber an den Motoren erfasst. Wird zur Positionierung des Probentellers die Position direkt am Probenteller erfasst, so sind auch Friktionsantriebe z. B. Keilriemen, Schnüre und Bänder einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3943524 C2 [0004]
- DE 4338155 A1 [0005]
