DE19706997A1

DE19706997A1 - Laborzentrifuge

Info

Publication number: DE19706997A1
Application number: DE19706997A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Toedteberg
Original assignee: Sigma Laborzentrifugen GmbH
Current assignee: Sigma Laborzentrifugen GmbH
Priority date: 1997-02-22
Filing date: 1997-02-22
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2017-02-23
Also published as: EP0861689A3; EP0861689A2; EP0861689B1; DE59707153D1; DE19706997C2

Description

Die Erfindung bezieht sich eine Laborzentrifuge entsprechend dem Ober begriff des Anspruchs 1.

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 behandeln den Stoffe unter definierten thermischen Bedingungen abläuft. Diese Stoffe werden zur Durchführung des Verfahrens in einzelne Gefäße ein gebracht, die ihrerseits in vorbereitete Aufnahmen des Rotors einge setzt werden, aus denen sie nach Durchführung des Verfahrens auch wie der entnommen werden. Der Rotor steht mit einem Antriebsmotor in Ver bindung und ist zusammen mit diesem innerhalb eines Gehäuses schwing fähig angeordnet.

Im Zuge einer fortschreitenden Automatisierung industrieller Arbeits abläufe 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 Handhabungseinrich tungen durchzuführen. Diese Vorgänge setzen r koordinierte Bewegungen, insbesondere Haltepunkte der Bewegungsbahn einer Handhabungs einrichtung einerseits und des Standortes sowie der Drehwinkelposition des Rotors andererseits voraus, um für die Vorgänge des Ergreifens ei nes Gefäßes sowie des unmittelbaren Einsetzens reproduzierbare Aus gangslagen bereitzustellen. Aus Kostengründen sollten die hierbei einzusetzenden Systeme sowie die durchzuführenden Bewegungen so ein fach wie möglich gehalten werden.

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 Handhabungseinrichtun gen auszugestalten. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Labor zentrifuge durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach eine formschlüssig wirkende Arretie einrichtung, über welche der Rotor in einer definierten Drehwinkel position feststellbar ist. Diese Drehwinkelposition ist zweckmäßiger weise derart eingerichtet, daß sie zum Zusammenwirken mit einer robo terartigen Handhabungseinrichtung geeignet ist. Der Arretierungsvor gang wird mittels der, der Zentrifuge ohnehin zugeordneten Steuerung durchgeführt. In dieser stehen Informationen über die Drehzahl des Ro tors und - über die Auswertung des, sich aus der Erfassung bzw. Ab tastung 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 me chanisch 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 ge währleistet eine besonders stabile und eindeutig reproduzierbare Stillstandsposition des Rotors, welches für ein Zusammenwirken mit einer roboterartigen Handhabungseinrichtung wesentlich ist. Eine Dreh winkelsteuerung unter Verwendung eines Schrittmotors bzw. eines In krementalgebers würden demgegenüber in jeder Hinsicht wesentlich auf wendiger ausfallen.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind auf die nähere Ausgestaltung der Betätigungseinrichtung gerichtet. Diese ist in jedem Fall ein mo torisch 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 Betätigungsein richtung 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 be wegbar 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 Zu griffsbereich der roboterartigen Handhabungseinrichtung liegt.

Die Merkmale des Anspruchs 4 sind auf die weitere Konkretisierung der Anordnung der Betätigungseinrichtung bei einer Laborzentrifuge ge richtet. 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 wei testgehende Nutzung ohnehin vorhandener Bauelemente gegeben ist. Glei ches gilt für die Anordnung der Betätigungseinrichtungen als solcher, die ebenfalls an einem Bauteil angebracht sind, welches ohnehin vor handen ist und zur Anbringung der mit den Signalträgern zusammenwir kenden Übertrager dient.

Die Signalträger können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 nach unterschiedlichen physikalischen Wirkungsprinzipien gestaltet sein, wobei für die Verwendung in Verbindung mit dem Erfindungsgegen stand nur eine Eigenschaft wesentlich ist, nämlich die Tauglichkeit zur Generierung von Informationen betreffend die augenblickliche Dreh winkelposition des Rotors, da diese Information im Rahmen der Zentri fugensteuerung zur Einleitung des Arretierungsvorgangs benötigt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer erfin dungsgemäßen Laborzentrifuge, welchem die Aufgabe zugrunde liegt, den Arretierungsvorgang und insbesondere die Arretierungsposition sicher und in reproduzierbarer Weise durchzuführen.

Die Merkmalskombination des Anspruchs 6 wird als notwendig zur Lösung dieser Aufgabenstellung angesehen.

Wesentlich ist hiernach, daß mit Beginn der Auslösung des Arretie rungsvorgangs zunächst eine Abbremsung mittels des Antriebsmotors durchgeführt wird, und zwar bis zum Erreichen einer unteren Geschwin digkeit 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 schlei fender 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 Wie deranfahren des Antriebsmotors versucht und auf diesem Wege der end gültige Arretierungszustand sichergestellt, wobei davon ausgegangen wird, daß sich ein nicht einwandfreier Verrastungszustand infolge ei nes Wiederanfahrversuchs des Antriebsmotors lösen würde. Durch diese Maßnahme ist somit die endgültige Verrastungsposition des Rotors ge sichert und es kann ein, diesen Zustand beschreibendes Signal dazu benutzt werden, um entsprechende Zustellbewegungen der genannten Handhabungseinrichtung auszulösen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die zeichnerisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zei gen:

Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht des Antriebsabschnitts einer La borzentrifuge;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Antriebsabschnitts entsprechend einer Ebene II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Antriebsabschnitts einer La borzentrifuge;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Antriebsabschnitts in teilwei ser Schnittdarstellung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine, die Erkennung der Nullstellung des Rotors erläuternde Grafik.

Mit 1 ist in Fig. 1 der Antriebsmotor einer Laborzentrifuge bezeich net, 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 Ge häuses schwingfähig angeordnet.

Der Rotor 3 trägt in an sich bekannter Weise in seinem peripheren Be reich eine Reihe von auswechselbar angeordneten Gefäßen, die zur Auf nahme von durch Zentrifugation in Komponenten unterschiedlicher Dichte bestimmte Stoffe eingerichtet sind, wobei das Gehäuse weiterhin dahin gehend ausgestaltet sein kann, daß der Prozeß des Zentrifugierens un ter wählbaren thermischen Bedingungen ablaufen kann. Hierauf soll je doch im folgenden nicht näher eingegangen werden.

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 be stimmt 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 An betracht der vergleichsweise hohen Drehzahlen, mit denen diese Rotoren betrieben werden, aus Sicherheitsgründen nicht überschritten werden dürfen. Zu diesem Zweck ist der Informationsträger auf seiner Un terseite 5 mit einer berührungslos abtastbaren, beispielsweise magne tischen Kodierung versehen, welche in Verbindung mit einer übergeord neten Steuerung bei der Inbetriebnahme der Laborzentrifuge die Fest stellung der jeweils höchstzulässigen Drehzahl ermöglicht.

Zum Zweck der Rotoridentifikation ist der Informationsträger 4 auf ei nem ersten Teilkreis 6 mit dem Radius R2 mit einer Verteilung einzel ner 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 Informationsträ ger, insbesondere den Magnetkörpern 7 aufweisenden induktiven Übertra ger 8 ein elektrisches Signal, welches nach entsprechender elektro nischer Aufbereitung den in Fig. 5 gezeigten Verlauf aufweisen kann.

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 Polari tät 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 zu mindest die höchst zulässige Drehzahl des jeweils eingesetzten Rotors im Eingangskreis des Übertragers darstellt.

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 eingeschobe nen, somit die Drehung des Rotors arretierenden und einer, aus der Bohrung 10 zurückgezogenen, somit eine Drehung des Rotors freigebenden Position motorisch verschiebbar angeordnet ist.

Mit 12 ist eine weitere, sich koaxial zu der Achse 2 erstreckende, je doch mit dem Gehäuse des Antriebsmotors 1 in fester Verbindung ste hende Lagerplatte bezeichnet, auf der neben dem Übertrager 8 auch eine Betätigungseinrichtung 13 für den Arretierbolzen 11 befestigt ist. So wohl der Übertrager 8 als auch die Betätigungseinrichtung 13 stehen in zeichnerisch nicht näher dargestellter Weise mit einer übergeordneten Steuerung in Verbindung.

Schließlich ist mit 14 ein die Drehzahl des Antriebsmotors 1 berüh rungslos abtastender Drehzahlgeber, zum Beispiel ein Tachogenerator bezeichnet, der ebenfalls mit der genannten Steuerung in Verbindung steht. Es kommt hier jedoch auch jede sonstige, vorzugsweise berüh rungslos wirkende Drehzahlmeßeinrichtung in Betracht, die ausgangssei tig ein der gemessenen Drehzahl entsprechendes elektrisches Meßsignal erzeugt.

In den Fig. 3 und 4 sind Bauelemente, die mit denjenigen der Fig. 1 und 2 übereinstimmen, entsprechend beziffert, so daß auf eine diesbe zügliche wiederholte Beschreibung verzichtet werden kann.

Wesensmerkmal der jeweils eingesetzten Betätigungseinrichtung ist ein Antriebssystem zur Überführung des Arretierbolzens 11 zwischen den ge nannten Positionen. Dieses Antriebssystem kann in beiden Richtungen wirksam sein - es kann sich jedoch auch um ein in einer Richtung fe derbelastetes 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 An triebssystem handeln.

Lediglich beispielhaft ist in den Fig. 3 und 4 eine elektromechanisch ausgebildete Betätigungseinrichtung 13' gezeigt, bei welcher die Bewe gung des Arretierbolzens 11 mittels eines Hebels 15 erzeugt wird.

Erfindungswesentlich ist nunmehr, daß durch die Verteilung der Magnet körper 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 vorteil hafte Möglichkeit, eine Nullstellung des Rotors in einfacher und ins besondere reproduzierbarer Weise bei hoher Positioniergenauigkeit auf zufinden und im Bedarfsfall den Rotor in eben dieser Stellung anzuhal ten und zu arretieren.

Zu diesem Zweck wird das Bitmuster gemäß Fig. 5 laufend im Rahmen ei ner übergeordneten Steuerung überwacht, wobei dann, wenn der Rotor in der 0°-Stellung angehalten werden soll, zunächst eine Abbremsung bis auf eine definierte Mindestgeschwindigkeit v_u vorgenommen wird, worauf hin mittels der Betätigungseinrichtung 13 der Arretierbolzen 11 ausge fahren wird und infolge eines Einrastens in der jeweils nächsten Boh rung 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.

Es kann sich bei dieser Position um die 0°-Stellung handeln, jedoch gleichermaßen auch um die 90°-Stellung, die 180°-Stellung usw. Die Zahl dieser Arretierpositionen entspricht der Zahl der Einsetz- bzw. Ein hängepositionen der Gefäße des Rotors.

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 Vor gang 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.

Durch den formschlüssigen Eingriff des Arretierungsbolzens in der ge nannten Bohrung des Informationsträgers ist eine stabile Arretierungs position gegeben, welche auch bei ungenauen Bewegungssteuerung der ro boterartigen Einrichtung nicht verändert wird, so daß ein sicheres Er greifen und Entnehmen des jeweiligen Gefäßes möglich ist.

Claims

1. Laborzentrifuge, bestehend aus einem, im peripheren Bereich mit Aufnahmen für auswechselbar angeordnete, ein zu behandelndes Stoff gemisch aufnehmende Gefäße versehenen Rotor (3) und einem Antriebs motor (1), welche beide in einem Gehäuse schwingfähig aufgenommen sind, wobei der Rotor (3) mit einer Anordnung von berührungslos er faßbaren 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 Verbin dung 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 Winkel position 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 An triebsmotor (1) angebrachten, einen Arretierbolzen (11) aufwei senden Betätigungseinrichtung (13, 13') besteht, dem Bohrungen (10) oder vergleichbare, zum Zusammenwirken mit dem Arretierbol zen (11) geeignete Ausnehmungen des Rotors (3) oder eines mit dem Rotor (3) in fester Verbindung stehenden Bauteils gegenüberlie gend 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 Teil kreises (9) jeweils Winkelpositionen der Aufnahmen jeweils wenig stens 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 ste henden Informationsträger (4) angeordnet sind und
- daß der wenigstens eine, den Signalträgern zugeordnete Übertrager sowie die Betätigungseinrichtung (13, 13') durch eine, an dem Ge häuse des Antriebsmotors (1) angeordnete, dem Informationsträger (4) mit geringem Abstand gegenüberliegende Lagerplatte (12) ge halten sind.

5. Laborzentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Signalträger in an sich bekannter Weise durch Magnetkör per (7) oder optisch wirksame lichtdurchlässige oder lichtreflek tierende 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 Ab bremsung bis auf eine untere Geschwindigkeit v_u eingeleitet wird,
- daß nach Erreichen der unteren Geschwindigkeit v_u mittels der Be tätigungseinrichtung der Arretierbolzen (11) bis in eine solche Stellung in Richtung auf seine Verriegelungsstellung hin verscho ben 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 An triebsmotors (1) überprüft wird.