1.本发明涉及具有监控装置的弹簧、包括门/闸(特别地为马达驱动的升降门/闸)和具有监控装置的弹簧的系统、以及用于监控弹簧的振动行为的方法。


背景技术：

2.升降门在实践中广为人知，并且经过了长时间的验证。升降门在私人领域和商业领域中用作各种类型的门洞的闭合件，并且升降门包括门扇，门扇覆盖门洞并且可以在竖直方向上从打开位置移动到闭合位置以及从闭合位置移动到打开位置。
3.作为升降门的示例，卷帘门是已知的，卷帘门通常具有：门扇，该门扇由片板组成，片板可以相互抵靠地弯曲并且在门洞的两侧边缘处通过竖直引导轨道被引导到闭合位置；卷绕轴，门扇紧固到该卷绕轴，并且门扇通过该卷绕轴向上移动到打开位置并且被卷绕；以及电动马达驱动器。
4.为了平衡卷帘门中的门扇重量，已知提供重量平衡装置。重量平衡装置通常具有弹簧，当门闭合时，弹簧处于最大预应力下，从而支撑门扇的打开移动。以这种方式，在这种卷帘门的致动期间可以实现所需的驱动扭矩的减小，并且通过正确地调整布置，可以防止在故障的情况下门扇的连续坍塌。
5.为此，弹簧的驱动力通常被选择为使得该驱动力超过自由门扇长度(即尚未移出门洞的门扇部分)的相应重量，直至在每种情况下达到期望的补偿点。结果，当由于驱动机构中的故障或者由于手动解锁(例如在供电故障的情况下)而不再有驱动器的任何阻挡作用时，门扇自动地移动到打开位置。
6.例如，众所周知，使用扭转弹簧以进行重量补偿。扭转弹簧相对于引导装置同轴地布置，并且扭转弹簧在门扇的闭合位置中完全张紧，而当门扇打开时相应地松弛。
7.此外，例如在ep 0 531 327b1中描述的类型的重量补偿装置是已知的。该弹簧通常具有作为弹簧的螺旋弹簧，以及紧固到螺旋弹簧的、通常呈缆绳、带或链的形式的张紧元件。弹簧元件的下端部牢固地连接到地板，而弹簧元件的上端部通过张紧元件联接到布置在卷帘门的过梁侧的卷绕轴上。在卷帘门的闭合过程期间，张紧元件卷绕到该卷绕轴上，并且张紧元件的层直接位于彼此的顶部上，使得弹簧元件被不断地张紧。另一方面，门扇的打开移动与张紧元件从卷绕轴展开的展开过程相关联，使得导致弹簧的松弛。卷绕轴联接到卷帘门的驱动器。
8.特别地在商业环境中，快速运行的升降门被用于闭合高频使用的门/闸的开口。在这种情况下，门扇被移动了长的行程，该行程往往有几米远。由于频繁地达到超过2m/s的高致动速度，因此通常能够在叉车或类似物的两个连续通道之间闭合这种高速门，从而提供保护以免受天气影响、通风或房间中空调环境的损失。
9.然而，随着门的快速移动，门的驱动组件的机械载荷增大，从而导致驱动组件的故障概率增大的问题。因此，张紧元件、弹簧、轴承以及保持部可能磨损，在最坏的情况下可能
撕裂或断裂，这可能导致门扇的不期望的掉落。这产生了很大的安全风险。
10.此外，不再能打开或关闭门或者穿过门通道。这可能对用户(例如货运代理人)造成相当大的经济损失。
11.为了避免这种情况，如今，门装置定期地维护，维护间隔被设置得如此之短，使得几乎可以排除由于环境影响、轻微损坏或者磨损造成的功能完全丧失。然而，门功能(特别是与安全相关的功能)的这种维护和手动监控是耗时的且高成本的。此外，在维护期间必须经常更换门的容易受到闭合的影响的组件和部件，这就是为什么如果维护间隔设置得太短，则不需要更换的组件和部件被不利地过早地更换。
12.鉴于此，从de 10 201 5 107 416a1获知一种用于监控门引导部的质量的系统，该系统通过直接安装在门扇上的传感器来检测门扇在移动(即打开或闭合)期间的加速度或振动。结果，可以确定门扇与门引导部之间的摩擦程度和/或门装置的支承组件的磨损程度，因此可以监控门装置的运行，使得门扇的运动自由度的损害可以在早期阶段被检测到并且可以被消除以避免相应的损坏。
13.然而，作为重量补偿装置的重要组件的弹簧的加载不仅在门扇移动时发生，而且在门扇静止时、由于弹簧的明显的后振荡(持续摆动)而到达相应的结束位置时也发生。这与另一个故障风险有关。
14.在这方面，在门装置的情况下，弹簧是关键的组件，弹簧的故障可能引起对人和技术上的危险。
15.此外，根据类型、门扇重量、打开和闭合速度，分别对于每个门特意系统地计算且制造了具有不同弹簧特性的弹簧。由于弹簧特性必须精确地匹配，所以有缺陷的、不匹配的或者改变的弹簧特性也是问题。
16.当使用不是为特定的门系统提供的其他弹簧时，可能会由此产生安全风险。
17.原则上，另一个问题是安装在门扇上的传感器的电能供应。用于门扇上的传感器的电能定期地通过螺旋电缆或牵引电缆或者通过布置在门扇中的能量链来提供。然而，特别地在高速门的情况下，由于高的移动载荷，这些电缆或能量链遭受了严重的机械老化或磨损。此外，电缆和能源链的使用要求高水平的设计复杂性，这与对应的成本相关联。


技术实现要素：

18.本发明的目的是提供用于增加具有弹簧的门的运行可靠性的装置、系统以及方法。
19.在这种情况下，进一步的目的可以是提供用于增加具有可靠的和/或性价比高的弹簧的门的运行可靠性的装置、系统以及方法。
20.特别地，门的运行可靠性可以包括如下方面：检测磨损、检测门机构的严重损坏、检测维护错误和/或检测门机构的长期行为。
21.通过独立权利要求的技术方案实现了该目的。本发明的进一步的方面和有利的拓展是从属权利要求的技术方案。
22.根据本发明的一个方面，提供了具有监控装置的弹簧，该监控装置具有：传感器板，该传感器板被布置在弹簧的振荡部分上；传感器装置，该传感器装置被布置在传感器板上，用于在弹簧振荡时检测弹簧的至少一个物理量；评估装置，该评估装置用于评估检测到
的物理量，该评估装置被设置成使得能够检测到或预测到弹簧的故障。例如，传感器板可以包括已知的材料fr4，并且在一个或两个侧面上具有安装在其上的导体线路、焊接接头以及有源组件和/或无源组件。
23.在此，弹簧通常表示可弹性变形的组件，可弹性变形的组件通过变形来存储机械能并且优选地适于形成重量平衡装置。术语“弹簧”可以表示弹簧元件、单弹簧或者包括多个单弹簧的弹簧组件。弹簧可以具有纵向轴线，并且可以用恢复力对张力和/或压力作出反应。如果弹簧的部分从静止位置偏转并且被释放，则尤其由于恢复力而发生弹簧的特征振荡/摆动。弹簧的特征振荡可以表示整个弹簧的振荡以及弹簧的一部分的振动。在弹簧振荡期间检测的弹簧的物理量是基于弹簧的特性，参照基础物理的通常定义，弹簧的特性可以包括弹簧常数d。因此，可以从以这种方式检测的物理量中获得关于弹簧的特性的信息，例如关于弹簧的机械稳定性的信息。弹簧可以是例如螺旋弹簧。
24.对弹簧的故障的检测涉及对弹簧断裂或弹簧的特性的另一不利变化的检测。缺点是如果故障对弹簧的预期使用产生不利影响，则特性发生改变。故障的预测是指在故障实际发生之前认识到即将发生的故障。由于弹簧的至少一个物理量在弹簧振荡期间通过传感器装置来检测，并且通过评估装置来评估使得可能的损坏(例如弹簧断裂)能够在其发生之前以高的概率被预测，因此，可以检测或预测故障。例如，在弹簧具有预定行为的情况下，可以通过实验来确定与至少一个物理量相关的极限值或阈值，在实验中，故障以门的正常运行不可再接受的概率发生。在这种情况下，用于安全装置的通常规则特别适用于(高速)卷帘门。
25.根据本发明的扩展，评估装置被设置成使得评估装置检测或预测弹簧的故障，即在弹簧受应力之后(例如在沿着弹簧的纵向轴线扩张或压缩之后)评估弹簧的后振荡行为；并且评估装置被设置成使得如果预测或检测到弹簧的故障，则评估装置输出正的监控信号。后振荡行为是指弹簧受应力之后弹簧的行为，而术语振荡行为通常表示例如在弹簧受应力期间的振荡行为。
26.正的监控信号表示适于指示弹簧发生故障或即将发生故障的信号。特别地，在转换到静止位置期间、弹簧受应力结束之后(例如在闭合或打开运行期间、门扇到达结束位置时)发生的振荡也可以被称为后振荡。门扇的结束位置取决于门打开和闭合的相应程度。门可以完全地闭合或打开或者部分地闭合或打开。可以根据弹簧在后振荡期间的常规(物理)特征来检测弹簧的后振荡。例如，可以在至少两个周期上(再次，例如，通过阈值)检测振荡幅度的减小，或者可以对检测的变量/量中的至少一个进行相关分析。这方面的进一步细节将在下文中参照附图来进行说明。
27.根据本发明的进一步的扩展，弹簧的振荡部分是弹簧的介于弹簧的总长度的30％至70％之间的中心部分。弹簧的总长度表示弹簧的两个相对的端部沿着弹簧的纵向轴线之间的距离。对于检测或预测弹簧故障，基于在弹簧的中间部分中的振荡来检测弹簧的至少一个物理量可能是有利的。
28.根据本发明的扩展，至少一个物理量是以下各项中的至少一项：传感器装置的位置、速度/速率、加速度、加加速度以及传感器板的定向。
29.术语“位置”被理解为表示空间中的位置，并且术语“定向”表示空间中的定向。主体可以通过扭转来改变方向而不改变位置，反之亦然。
30.加加速度(参照加加速度的经典力学概念)、加速度速度/速率以及位置之间的关系在数学上可以用以下方程来描述：
[0031][0032]
因此，例如，速度是位置向量相对于时间的一阶导数(即变化)，加速度是速度向量相对于时间的一阶导数，而加加速度是加速度向量相对于时间的一阶导数。
[0033]
在此，除非事实另有说明，术语“加速度”在广泛意义上使用，即，也在“制动”或“减速”的意义上使用。
[0034]
如果发生弹簧断裂或者弹簧特性的其他变化，则相比于具有“正常”特性的弹簧，传感器装置的位置、速度、加速度和/或加加速度和/或传感器板的定向可能因此而改变。因此，可以检测和/或预测弹簧的故障。
[0035]
用于检测物理量的装置可以是例如加速度传感器，该加速度传感器测量传感器装置沿弹簧的纵向轴线的加速度。加速度传感器可以是例如压电加速度传感器或者mems加速度传感器。使用这种传感器，传感器装置的加速度可以在高采样速率(例如》50hz)下相当准确地确定。
[0036]
根据本发明的扩展，评估装置被设置成基于至少一个检测的物理量来确定至少一个评估值，并且将至少一个评估值与对应的预定故障阈值或故障值范围进行比较，并且监控装置被设置成在满足比较条件时输出指示故障的监控信号。评估值还可以包括多个计算的单独的值，例如，评估值可以包括程序软件中物理量的阵列或数序。
[0037]
这种比较可以例如通过比较器或数字比较、或者通过更复杂的比较方法(例如通过模式比较或通过用神经网络进行的计算)来进行。例如，比较条件可以是评估值超过预定故障阈值一次或在预定时间段内超过预定故障阈值、或者评估值在故障值范围中。然而，根据如何限定故障阈值或故障值范围，比较条件也可以是：评估值低于预定故障阈值一次或在预定时间段内低于预定故障阈值，或者评估值在故障值范围之外。
[0038]
评估值可以是例如振荡的幅度、和/或振荡的频率或周期持续时间、和/或后振荡的持续时间。为了限制干扰影响，评估值也可以是在至少两个门行程之后的振荡的幅度的平均值。评估值还可以包括多个单独的值。然而，本发明的可能的实施例不限于通过示例提到的评估值。合适的评估值可以是例如表示弹簧的特性的值。评估值还可以用于检测弹簧的持续摆动/后振荡。
[0039]
根据本发明的进一步的扩展，传感器板进一步包括：通信装置，该通信装置用于无线地或有线地传输至少一个物理量和/或与评估的结果有关的监控信号；以及电能供应装置，该电能供应装置优选地为电压恒定的电池，该电能供应装置用于向传感器装置和评估装置供应电能。
[0040]
因此，特别地，在用于无线通信的通信装置的情况下，不需要电缆来向监控装置提供电能以及向与监控装置分离的第二装置发送监控信号，其结果是降低了相当大的设计复杂性以及电缆断裂的风险。
[0041]
根据本发明的进一步的扩展，传感器板还具有存储装置，该存储装置包括可以唯一地指定给弹簧的第一系列数，并且评估装置被设置成将第一系列数与第二系列数进行比
较，以提供指示第一系列数与第二系列数匹配和/或偏离的控制信号。例如，如在下文进一步详细地描述的，这使得能够确保，只有适合于此目的的弹簧被安装在门系统中。例如，如上文所描述的，可以进行比较。
[0042]
根据本发明，还提供了一种具有门的系统，特别地，该门是升降门，该系统具有：门扇，该门扇覆盖门洞并且能够在打开位置和闭合位置之间移动；驱动装置，该驱动装置用于使门扇在打开位置(open position)和闭合位置(closed position)之间移动；门控制装置，该门控制装置用于控制驱动装置；弹簧，该弹簧连接到门扇并且具有监控装置，其中，弹簧被设计成产生抵消门扇的重力的力，其中，弹簧在闭合位置产生的力比在打开位置产生的力更大；并且其中，监控装置被设计成在检测到或预测到弹簧故障的情况下向门控制装置发送监控信号。
[0043]
本发明的意义上的门是具有覆盖门洞的可移动的门扇的装置，门特别地是升降门。根据本发明的门例如是卷筒门，在卷筒门中，门扇在横向安装的引导部中被引导，门扇包括多个可移动地彼此连接的单独的元件(片板)。
[0044]
门扇的这种运动是由门的驱动装置引起的，门的驱动装置例如具有大功率的电动马达，气动升降缸或液压系统。此外，驱动装置可以具有额外的机械组件，例如齿轮、传送带或联接构件。
[0045]
门控制装置可以被设置成半自动地或全自动地控制驱动装置。这种类型的门控制装置具有带有控制程序(软件)的微型计算机，该控制程序(软件)提供打开操作和闭合操作以及各种操作和/或安全例程。可替代地，门控制装置可以是硬连线的。
[0046]
根据本发明的具有门的系统使得能够在检测到或预测到门控制装置的弹簧的故障的情况下对检测到或预测到的弹簧的故障做出适当的反应。
[0047]
例如，适当的反应可以是在检测到或预测到弹簧故障的情况下中断门的运行。
[0048]
根据本发明的进一步的扩展，因此门控制装置可以被设置成如果监控信号指示弹簧故障则关闭驱动装置。
[0049]
适当的反应还可以是例如在检测到弹簧断裂以及与此相关联的门扇脱落的情况下，通过紧急停止机构(例如通过由门控制装置触发的发动机制动器和/或机械锁定螺栓)在预定的时间段内阻止门扇掉落。因此，不仅检测到门的坠落，而且尽可能快地阻止门的坠落。
[0050]
门扇的坠落是指门扇的不需要的或无意的移动。通常的脱落方向是例如沿重力方向向下朝向地面。
[0051]
适当的反应也可以是例如改变门扇的移动，例如使得弹簧上的载荷减少。例如，可以降低门扇的移动的加速度极限。
[0052]
根据本发明的进一步的扩展，因此门控制装置可以被设置成控制驱动装置，使得由于门扇的加速或断裂导致的弹簧的振荡/摆动被减弱，弹簧的振荡/摆动由门扇的移动触发并且通过监控装置检测到，特别地，弹簧的振荡/摆动是弹簧的随后振荡/后振荡。
[0053]
根据本发明的进一步的扩展，具有门的系统还具有：第一系列数，该第一系列数可以唯一地指定给弹簧；以及第二系列数，该第二系列数可以唯一地指定给门。监控装置进一步适于将第一系列数与第二系列数进行比较，并且将比较的结果发送到门控制装置。门控制装置被设置成：当作为比较的结果，第一系列数与第二系列数存在偏差时，输出误差信号
和/或关闭驱动装置。
[0054]
这样，可以确保只在预定使用的门中使用弹簧，或者只使用适合于此目的的弹簧来操作门。
[0055]
此外，根据本发明的具有门的系统具有如下的优点：在对弹簧进行监控期间，监控装置所遭受的移动幅度比在传感器直接附接到门扇的情况下监控装置所遭受的移动幅度小得多。因此，由于电缆上的移动载荷较低，因此即使是通过螺旋电缆或牵引电缆进行的电能供应也更少出现问题。
[0056]
根据本发明，还提供了用于监控弹簧的振动行为的方法，该方法包括以下步骤：通过布置在传感器板上的传感器装置，用监控装置检测弹簧的振荡行为，其中，传感器板被布置在弹簧的振荡部分上；在弹簧振荡期间检测弹簧的至少一个物理量；以及评估至少一个物理量，以检测或预测弹簧的故障。
[0057]
根据本发明的扩展，该方法进一步包括：在弹簧受应力之后，特别地在弹簧压缩或扩张/伸长之后，检测弹簧的后振荡的开始；在弹簧后振荡期间检测弹簧的至少一个物理量；以及如果预测到或检测到弹簧的故障，则输出正的监控信号。
[0058]
根据该方法的实施例，至少一个物理量是以下各项中的至少一项：传感器装置的位置、速度、加速度、加加速度和/或传感器板的定向。
[0059]
根据本发明的扩展，该方法进一步包括：基于检测到的至少一个物理量来确定评估值；将确定的评估值与对应的预定的故障阈值或故障值范围进行比较；当满足比较条件时，输出指示故障的正的监控信号。
[0060]
根据本发明的扩展，评估步骤包括将检测的物理量的检测的振动行为与检测的物理量的预先存储的振动行为进行互关联。
[0061]
弹簧的振荡行为也可以例如用模式识别或用关于检测的变量/量的关联函数来评估。例如通过互关联函数或小波变换，例如检测的量可以与“理想的”预先存储的振动行为关联，其中，关联计算的结果是表示检测的振动行为与预先存储的振动行为的相似程度或相似测量值。
[0062]
用数学术语来说，作为计算结果的关联积分是待检验的函数有多相似的基础。对于该测量值或对于关联积分，现在可以提供简单的阈值，例如以识别当前的振荡行为与预先存储的振荡行为偏离太大。换言之，能够计算出当前检测的振动行为与例如预先存储的“理想”振动行为有多相似。这是用于评估弹簧的振动行为的有效方法，因为检测中的扫描误差、噪声或甚至短期偏差可以通过外部扰动量更好地补偿。
[0063]
作为用于互关联的输入变量的预先存储的振荡行为可以有利地例如通过检测过程或通过对新的或正确运行的弹簧的测量来检测然后被存储。换言之，在门的新安装期间，监控装置可以执行至少一个第一检测操作以通过校准操作检测弹簧的初始振动行为，并且将检测结果存储在存储器中。
[0064]
因此，在监控装置中，弹簧的初始振荡行为可以永久地用作用于互关联函数的输入，而在弹簧的使用寿命期间，弹簧的振荡行为的当前的或随后的并且反复的检测过程可以用作用于关联函数的额外的输入，这同样地重复地进行。作为弹簧随时间老化的结果，关联计算的结果将导致弹簧的预先存储的“理想”振荡行为与弹簧的当前检测的振荡行为的相似性降低，该相似性可以例如与阈值进行比较以用于确定或预测弹簧的故障。作为振荡
行为，例如上述物理量中的一个物理量(例如检测的加速度值)可以用作随时间变化的函数，该函数可以用作例如作为用于关联函数的输入的(编程)阵列。
[0065]
优选地用于根据前述方面中的一方面的具有监控装置的弹簧的方法可以具有以下步骤：在校准期间检测弹簧的至少一种振动行为；将振动行为存储为用于关联函数的第一输入；在弹簧或门运行期间检测弹簧的至少一种振动行为，作为用于关联函数的第二输入；将第一输入与第二输入关联以确定两个输入的相似性测量值；可选地，将相似性测量值与阈值进行比较，以确定或预测弹簧的故障。
[0066]
优选地，可以重复地进行以下步骤：在弹簧或门运行期间检测弹簧的至少一种振动行为、作为用于关联函数的第二输入；将第一输入与第二输入关联以确定两个输入的相似性测量值；并且可选地，将相似性测量值与阈值进行比较以用于确定或预测弹簧故障，而当监控装置投入运行时，校准优选地是一次性操作。
[0067]
上述方法实现了与上述关于具有监控装置的弹簧以及具有门的系统相同的优点，而且更加可靠。
[0068]
在下文中参照附图中的图、以示例性实施例的方式更详细地说明了根据本发明的具有监控装置的弹簧以及根据本发明的具有门的系统。
[0069]
然而，在此使用的实施例和术语并不旨在将本公开限制于某些实施例，并且这些实施例应该被解释为包括根据本公开的实施例的各种改变、等价方案和/或替代方案。
[0070]
如果在对附图中示出的特征或元件的描述中使用更通用的术语，则其目的不仅是向本领域的技术人员公开附图中的特殊特征或元件，而且是更通用的技术教导。
[0071]
参照附图的描述，在各个附图中相同的附图标记可以用于表示类似的或技术上对应的元件。此外，为了清楚起见，在各个细节图或细节视图中可以用附图标记示出比在概览视图中更多的元件或特征。应当认为，即使这些元件或特征在概览视图中没有明确地列出，这些元件或特征也对应地在概览视图中公开。
[0072]
应当理解，与一个事物相对应的名词的单数形式可以包括一个或多个事物，除非在所讨论的上下文中另有清楚地指示。
[0073]
在本公开中，短语例如“a或b”、“a和/或b中的至少一个”或者“a和/或b中的一个或多个”可以包括一起列出的特征的任何可能的组合。
[0074]
例如，在技术上可能的情况下，在本公开中使用的短语“构造成”可以用“适合”、“适合于”、“适与”、“使得”、“能够”或“设计成”来代替。可替代地，在特定情况下，短语“装置被构造成”可能表示装置可以与另一个装置或组件组合运行、或者与另一个装置或组件一起执行对应的功能。
[0075]
此外，为了清楚起见，并不是所有的特征和元素(特别是当特征和元素重复时)都在附图中单独地指定。更确切地，元素和特征是通过示例的方式指定的。因此，类似的或相同的元件应当被这样理解。
附图说明
[0076]
在附图中：
[0077]
图1是根据本发明的系统的视图，该系统具有门1、驱动装置3、门控制装置4、重量补偿装置2、弹簧20以及监控装置5；
[0078]
图2是根据本发明的系统的示意图，该系统具有门1、驱动装置3、门控制装置4、监控装置5以及紧急停止装置6；
[0079]
图3是在两个不同的门扇位置(左侧：打开位置；右侧：闭合位置)处的重量补偿装置2的详细视图，该重量补偿装置具有三个弹簧20和三个监控装置5；
[0080]
图4左侧：是其上布置有监控装置5的弹簧20(螺旋弹簧)的详细视图；右侧：用于对弹簧20的回弹行为/后振荡行为进行建模的替代图；
[0081]
图5a是在结束位置27(平衡状态下)处的具有监控装置5的完整的弹簧20的示意图；
[0082]
图5b是在后振荡期间(上反转点)的具有监控装置5的完整弹簧20的示意图；
[0083]
图5c是在后振荡期间的具有监控装置5的变形的弹簧20的示意图；
[0084]
图5d是在弹簧断裂之后的第一时间t1时的具有监控装置5的断裂的弹簧20的示意图；
[0085]
图5e是在弹簧断裂之后的第一时间t2(t2》t1)时的具有监控装置5的断裂的弹簧20的示意图；
[0086]
图6a示意性地示出了对于完整的弹簧(实线)、变形的弹簧(点线)以及断裂的弹簧(点划线)在闭合运行期间布置在弹簧20上的监控装置5的位置x(t)；
[0087]
图6b示意性地示出了对于完整的弹簧(实线)、变形的弹簧(点线)以及断裂的弹簧(点划线)在闭合运行期间布置在弹簧20上的监控装置5的速度v(t)；
[0088]
图6c示意性地示出了对于完整的弹簧(实线)、变形的弹簧(点线)以及断裂的弹簧(点划线)在闭合运行期间布置在弹簧20上的监控装置5的加速度a(t)；
[0089]
图7a是用于根据本发明的弹簧20的监控装置5的详细顶部视图；
[0090]
图7b是用于根据本发明的弹簧20的监控装置5的详细侧视图。
具体实施方式
[0091]
图1示出了根据本发明的系统的视图，该系统具有门1、弹簧20以及监控装置5。
[0092]
门1例如是高速卷帘门，在该高速卷帘门中，门扇10以例如以超过1m/s、优选地超过2m/s的高峰值速度移动。门的门扇10被保持在横向引导部(未示出)中，并且包括多个片板11，这些片板以铰接的方式彼此联接并且通过门洞垂直于引导部延伸。此外，门扇10具有端部元件12，该端部元件被布置在底部侧上，具有橡胶密封件或类似物。
[0093]
图1示出了例如处于完全闭合状态的门1，在该门中，门扇10完全覆盖门洞。
[0094]
门扇10在其结束位置之间的移动由驱动装置3实现。驱动装置3由门控制装置4控制。驱动装置3具有马达31(例如大功率的电动马达)，该马达通过驱动轴35以本身已知的方式将马达动力传递到过梁侧的卷绕轴32。此外，驱动装置3可以具有额外的机械组件(未示出)，例如齿轮、传送带或联接构件。
[0095]
门扇10以已知的方式通过一个或多个连接元件37(例如用带)在端部处连接到卷绕轴32，并且可以通过使卷绕轴32沿卷绕方向旋转来卷绕到卷绕轴32上。同样地，通过使卷绕轴32沿展开方向旋转，门扇可以从卷绕轴32展开。卷绕方向与展开方向相反。按照门控制装置4的设计，门扇10可以处于完全闭合位置和完全打开位置之间的任何位置。
[0096]
门1还具有重量平衡装置2。重量平衡装置包括弹簧20、张紧元件21以及安装到卷
绕轴32的引导装置36。
[0097]
在本示例中，弹簧20是螺旋弹簧，并且例如由以螺旋形式卷绕的足够粗的线钢或圆钢形成。弹簧20通过其底部端部(第二端部24)固定到底部。在其另一端部(第一端部23)处，弹簧20通过紧固元件22固定地连接到拉紧元件21/张紧元件21(例如金属带)。端部面上的张紧元件/拉紧元件的端部围绕偏转辊25(在图3中可见)偏转，并且以如下的方式紧固到引导装置36：由于门扇从卷绕轴32上展开(闭合操作)，拉紧元件21在重合位置处卷绕到引导装置36上，使得弹簧20不断地张紧并且抵消门扇10的展开部分的重量。另一方面，门扇10在卷绕轴32上的卷绕(打开过程)与张紧元件从引导装置36的展开相关联，使得导致弹簧20的松弛。
[0098]
重量补偿装置2可以被布置成使得当门1闭合时，弹簧20拉伸到如下的程度：存在超出由门扇10的重量的力产生的力矩的过量力矩。结果，当闭合的门1被致动时，门扇10也在没有附加驱动器的情况下向上移动到大约自由门扇部分的重量与所施加的弹簧20的弹簧力平衡的高度。当门扇10进一步打开时，相应需要的驱动扭矩几乎与重量补偿装置2提供的扭矩平衡，使得驱动装置3基本上只需对抗现有的摩擦力。
[0099]
弹簧20例如在其总长度的30％至70％之间的中间范围内具有根据本发明的监控装置5。监控装置5的详细视图在图7a和图7b中示出，并且将在下面更详细地描述。监控装置5被设置成检测或预测弹簧20的故障，并且被布置在弹簧20上，使得例如在弹簧20受应力之后的后振荡期间，当弹簧20振荡时，监控装置可以与弹簧20一起振荡。
[0100]
例如在门扇10卷绕或展开过程期间，特别是在卷绕或展开过程开始或结束时，当卷绕运动加速或减速时产生应力。由马达31产生并且传递到卷绕轴21的扭矩通过张紧元件传递到弹簧20，因此，在本示例性实施例中，当门扇10从卷绕轴32展开(张紧元件卷绕到卷绕轴上)时，弹簧20可以扩张，如果合适的话(取决于张紧元件的性质)，当门扇10卷绕到卷绕轴32上(张紧元件52从卷绕轴32展开)时，弹簧20可以压缩。由于这种应力，弹簧20振荡，从而导致监控装置5振荡。
[0101]
图2是系统的示意图，该系统包括门1、具有监控装置5的根据本发明的弹簧20、门控制装置4以及驱动装置3。如图1所示，监控装置5被布置在弹簧20中或弹簧上，例如紧固到该弹簧。门控制装置4进一步连接到至少一个紧急停止装置6。紧急停止装置6用于在例如由于弹簧断裂而导致门扇10坍塌的情况下使门扇10停止。这可以用根据本发明的监控装置5来检测，如将在下文更具体地描述。例如，锁定装置可以布置在门扇10的引导部中或布置在门扇的引导部附近，并且当被门控制装置4激活时，锁定装置可以在掉落的情况下防止或阻止门扇10的移动。具体地，例如，锁紧螺栓或制动蹄可以用于该目的。可选择地，紧急停止装置6还可以接合在门1的驱动装置3中，并且例如以适当的方式防止卷绕轴32的旋转。
[0102]
驱动装置3和门控制装置4可以以固定的方式并且邻近门扇10而布置。监控装置5、门控制装置4以及驱动装置3之间的通信可以如图1所示通过电缆34实现、或者通过无线电无线地实现。
[0103]
如果监控装置5和门控制装置4之间的通信是单向的(在图2中由箭头a示出)，那么监控装置5设计有发送单元，门控制装置4布置有接收单元。如果监控装置5和门控制装置4之间的通信是双向进行的(由箭头a)和箭头b)示出)，那么监控装置5和门控制装置4都设计为发送和接收单元。
[0104]
第一发送和接收单元与第二发送和接收单元(无线通信装置54的示例)之间的信号传输可以通过双向无线电链路进行。例如，传输可以用蓝牙进行。在通过相应的48位地址识别第一发送和接收单元或第二发送和接收单元之后，通过数据包进行数据传输。
[0105]
优选地，信号传输可以通过单向无线电链路进行。因此，在门控制装置4上仅布置一个接收单元，同时在监控装置5上仅布置一个发送单元(无线通信装置40的示例)。因此，单向数据传输对于某些应用可能是足够的。此外，与双向数据传输相比，这种类型的数据传输是节能的，因为监控装置5不消耗用于准备接收数据或用于接收数据的能量。
[0106]
因此，一般而言，对于例如仅由具有识别码和数据场的单个无线电信号组成的监控信号(在该监控信号中，弹簧的故障或预测故障被明确地记录)，只需要单向传输。为了确保监控信号实际上被接收，单向传输可以例如重复多次(例如两次)。
[0107]
门控制装置4和驱动装置3之间的连接可以通过电缆34进行并且例如上文所示出的通过无线电无线地进行。驱动装置3根据接收到的命令驱动门扇10。
[0108]
多个额外的装置(例如打开开关、远程控制器或者检测门洞区域的额外的传感器)可以连接到门控制装置4。门控制装置4考虑从这些额外的装置接收的信息或与运行相关的参数，并且控制驱动装置3，使得驱动装置根据期望的运行模式打开或闭合门1。
[0109]
图3示出了在门扇10的打开位置(左)和门扇10的闭合位置(右)的示例性重量补偿装置2。在此，术语打开位置和闭合位置不一定表示门1的完全打开位置或完全闭合位置。相反地，这些术语是相对地使用的。打开位置的特征在于，相比于在闭合位置，门扇10覆盖更小的门洞部分。示出的重量补偿装置2具有例如三个弹簧20，并且监控装置5被布置在每个弹簧20上。然而，也能够为重量补偿装置3提供更少或更多的弹簧20。弹簧20的数量和类型由给定的载荷决定，即特别地由门扇10的类型、重量以及尺寸决定。
[0110]
如上文参照图1所描述的，弹簧20在闭合位置比在打开位置更加张紧。弹簧20在闭合位置比在打开位置保持得更长。这改变了监控装置5所在的位置(在下文中简略地表示为x)。例如在闭合位置中，监控装置5所在的位置x比在打开位置中监控装置所在的位置离地面远dx。因此，通过检测监控装置所在的位置x可以确定门扇的位置。
[0111]
在门扇10在闭合位置和打开位置之间转换期间，由于作用在弹簧20上的力，监控装置5的速率/速度(在下文中简略地表示为v)、加速度和/或加加速度(在下文中简略地表示为a或j)至少间歇地变化。相反地，在图5a中示意性地示出，当门板10达到其结束位置27或静止位置并且建立平衡时，监控装置5的速度v、加速度和加加速度j为零。因此，关于门扇位置的信息也可以从动力学变量、速度v、加速度a以及加加速度j中获得。
[0112]
然而，当门扇10在其结束位置27处停止时，由于弹簧20的固有质量以及监控装置的固有质量，动能e0仍然存储在弹簧20中，并且，如在图5b中示意性地示出的，弹簧20继续振荡/弹簧20进行后振荡。后振荡一方面是弹簧20的附加载荷，并且可能导致弹簧磨损。另一方面，后振荡接收关于弹簧20的状态的信息，并且因此可以用于弹簧监控。
[0113]
为了描述弹簧20(以及布置在弹簧上的监控装置5)的振动行为，该系统可以被认为是阻尼弹簧-质量-弹簧系统，例如图4(右侧)中所示的。监控装置5沿纵向轴线26的运动近似为谐波阻尼振荡。适用以下方程：
[0114][0115]
其中
[0116][0117]
以及
[0118][0119]
t表示时间，
[0120]
x0表示从平衡位置的基于惯性的初始偏转，
[0121]
d表示系统的阻尼常数，
[0122]cf
表示系统的弹簧系数，
[0123]
t表示振动的周期，
[0124]
δ表示振动的衰减常数，以及
[0125]
m表示系统的振荡质量。
[0126]
衰减常数表示振荡的幅度是如何随时间而减小的。
[0127]
系统的弹簧常数cf由第一弹簧f1的弹簧常数c
f1
以及第二弹簧f2的弹簧常数c
f2
按照如下方程计算：
[0128][0129]
对于螺旋弹簧的特殊情况，弹簧常数c
sf
适用如下方程：
[0130][0131]
g表示推力模量，
[0132]
表示线直径，表示弹簧直径，以及
[0133]
nf表示圈数。
[0134]
对于振荡质量，当m考虑弹簧的质量时，点质量应该是：
[0135][0136]mf1
和m
f2
表示弹簧f1和f2的质量，以及
[0137]m传感器
表示监控装置5的质量。
[0138]
根据方程1可以计算加加速度j、加速度a以及速度v。
[0139]
如果弹簧常数cf或者阻尼常数d变化，这对振荡行为有直接影响。因此，通过分析弹簧20的振动行为，可以检测弹簧20的特征的变化，例如弹簧20的变形(如图5c所示)或者弹簧断裂(如图5d和图5e所示)。弹簧20的变形可能例如造成特征的变化，从而减小系统的弹簧常数cf，或者增大系统的阻尼常数d，并且这导致振动频率ω和/或振动幅度的减小。相应地，弹簧20的特性变化使得弹簧常数cf增大或者阻尼常数d减小，这可能导致振动频率ω和/或振动幅度的增大。
[0140]
然而，上述参数并不是影响振动行为的仅有的参数。例如，弹簧20的预应力以及门扇运动的动力学也对振动行为有影响。
[0141]
图6a示出了对于完整的弹簧(实线)、变形的弹簧(点线)以及断裂的弹簧(点划线)，在闭合门时作为时间t的函数的监控装置5的位置x的示意图。图6b和图6c对应地示出了监控装置5的速度v(t)和加速度a(t)。变形例如使得弹簧常数cf减小，并且阻尼常数d保持不变。然而，弹簧中的其他变化也可能增大弹簧常数cf和/或改变阻尼常数d。竖直的点划线71表示门扇10到达地面并且闭合过程结束的时间点。竖直的点划线的左侧的区域示出了闭合过程的最后阶段，在闭合过程的最后阶段中，门扇10例如以基本恒定的速度沿地板的方向向下移动。在该过程中，弹簧20扩张并且监控装置5向上移动(另参见图3)。在竖直的点划线的右侧，示出了弹簧的后振荡。t1和δ1表示完整的弹簧的振荡的周期持续时间和衰减常数，并且t2和δ2表示异常的弹簧的振荡的周期持续时间。
[0142]
在异常的弹簧的情况下，与完整的弹簧相比，周期持续时间增加(t2》t1)。对于完整的弹簧和异常的弹簧，幅度包络75和76、以及衰减常数δ1和δ2基本上是相同的。这是因为在目前的示例中，假定弹簧的变形只作用于弹簧常数。因此，为了检测弹簧故障或即将发生的弹簧故障，例如可以限定极限值ts(在本发明的意义上的故障阈值)，超过该极限值表示弹簧出现异常。换言之，根据检测到物理量(例如x)，可以确定评估值(例如t)，并且将该评估值与对应的预定故障阈值(例如ts)或故障阈值范围进行比较，使得能够检测或预测弹簧20的故障。还可以根据测量的速度v、测量的加速度a、测量的加加速度j、或者其组合来执行类似的过程。在另一种情况下，也可以限定衰减常数的极限值δs。
[0143]
如图5d和图5e所示的弹簧断裂(通过示例的方式假定弹簧断裂位于监控装置5之上)可能导致监控装置5的位置发生比完整的弹簧振动/振荡/后振荡(参见图5和图6a)时更大程度的变化，因为监控装置5由于缺乏反作用力而被拉向地面。同样，如图5e所示，例如由于弹簧断部28相对于其纵向轴线26倾斜，因此监控装置5的定向可能改变，即，监控装置的位置与竖直方向成一角度地改变。由于缺乏反作用力，监控装置还可能在更长的时间段内在朝地面的方向上遭受更高的加速度，这又可能导致更高的速度。因此，如图6a至图6c所示，还能够确定位置极限72，xs、速度极限73，vs、或者加速度极限74，as，通过以上各项可以
将断裂的弹簧与完整的弹簧区分开来。在本发明的意义内，这些极限值也是故障阈值。
[0144]
此外，可以使用由监控装置5检测到的物理量以及由此确定的评估值，从而以使得后振荡最小化的方式来优化门扇10的移动控制。
[0145]
图7a示出了根据本发明的示例性监控装置5的顶部视图，并且图7b示出了其侧视图。监控装置5包括：传感器板51、在传感器板51上的用于检测至少一个物理量的传感器装置52、以及用于评估物理量的评估装置53。传感器装置52具有至少一个传感器以及可选的信号控制单元(未示出)，至少一个传感器用于检测监控装置5的位置x、定向和/或动力学参数(例如，速度v、加速度a、加加速度j)。例如，传感器可以是加速度传感器，例如压电加速度传感器、或mems加速度传感器、或者基于磁感应的加速度传感器。
[0146]
信号控制单元可以将由传感器输出的电信号(例如数字加速度数据)处理(例如滤波、放大或者转换)成绝对测量值(例如g)。在存在多个检测到的物理动力学参数的情况下，信号控制单元还可以多路传输电信号。
[0147]
监控装置5还可以在传感器板51上具有通信装置54，以无线传输所检测的物理量和/或与其评估结果有关的监控信号。该通信装置可以是例如具有集成的天线或单独的天线的无线电芯片。此外，监控装置5可以例如在传感器板51的下侧上具有电能供应装置55(例如为具有恒定电压的电池)，以向传感器装置52和评估装置53供电。此外，传感器板51可以具有用于存储系列数的存储装置56。可以根据请求从存储装置56中读出系列数。
[0148]
评估装置53还可以具有计算单元。在一个应用中，计算逻辑单元用于实现图6a至图6c所示的处理。例如，计算单元可以通过积分将加速度传感器的数据转换为关于振荡的速度值。然后，计算单元可以将该数字速度值(评估值的示例)与预定速度极限值或速度值范围进行比较。如果超过预定的速度极限值(或者偏离速度值范围)，计算逻辑单元触发监控信号，然后在超过速度极限值之后，该监控信号立刻例如通过通信装置54被发送到门控制装置4。然后，门控制装置可以例如通过改变门扇移动的移动参数，对故障或预测的故障作出适当的反应。
[0149]
评估装置53还可以被设置成：从存储器装置56中读出可以被明确地指定给弹簧20的第一系列数，并且将第一系列数与可以明确地指定给门1的第二系列数进行比较，并且例如通过通信装置54发送比较结果来向门控制装置4提供比较结果(例如呈控制信号的形式)，使得门控制装置可以适当地进行反应。适当的反应可以是：例如，当作为比较的结果，即，第一系列数与第二系列数存在偏差时，输出误差信号和/或关闭驱动装置3。
[0150]
优选地，监控装置5的形状和尺寸适应于待监测的弹簧20。例如，特别地在螺旋弹簧的情况下，传感器板51的直径可以基本上对应于弹簧20的平均线圈直径，并且可以是圆形的。
[0151]
监控装置5中的负荷被进一步地设计使得确保可靠的电能供应。为此，监控装置5中的电子组件优选地/可选地设计成使得电子组件具有非常低的电流消耗(优选地在μ有范围内)，并且同样优选地仅在需要时才被提供电流。这种电子组件(例如dc-dc转换器或者微处理器)可作为所谓的“超低能耗”组件使用。
[0152]
除了所解释的实施例和方面之外，本发明还提出了进一步的设计原理。因此，只要本领域技术人员能够实现，各种实施例和方面的各个特征也可以任意地相互组合。
[0153]
根据本发明的具有门的系统中的门，在上文中被解释为卷帘门，也可以是例如折
叠门或铰链门。因此，根据本发明，包括所有如下的门：在该门中，门扇经历限定的移动或预定的行进路径。
[0154]
此外，监控装置5可以被容纳在弹簧20的任何部分上。
[0155]
原则上，监控装置还可以进一步装配例如低能耗的显示元件。
[0156]
在图1中，在门洞的两侧上布置平衡补偿装置(或弹簧20)。特别地在具有较大宽度的门扇的情况下这可能是有利的，从而减少布置上的单侧载荷。但是，平衡补偿装置也可以只在一侧布置。
[0157]
在示例性实施例中，弹簧20被描述为螺旋弹簧。此外，也可以提供其他弹性元件(例如可拉伸带等)来代替螺旋弹簧。
[0158]
张紧元件21不一定呈带的形式，而是可以呈链或类似物的形式。为此，尺寸稳定的材料(特别地，例如金属)是优选的。
[0159]
引导装置36不一定安装在卷绕轴32上，也可以安装在单独的轴承轴上。特别地，马达31也可能不直接地驱动卷绕轴32和/或单独的轴承轴，而是通过齿形带、链、齿轮等间接地驱动卷绕轴和/或单独的轴承轴。然而，就最紧凑的可能布置而言，这些组件的直接驱动是优选的。
[0160]
在本示例性实施例中，基于弹簧的沿纵向方向的振荡来检测物理量。然而，也可以利用弹簧的沿着偏离纵向方向的方向的振荡。
[0161]
在所示的示例性实施例中，评估装置53被布置在传感器板51上。然而，也可以提供单独的装置，例如，将评估装置布置在门控制装置4中。
[0162]
在图1中所示的门扇10可以从底部移动到顶部，以及从顶部移动到底部。然而，本发明还包括如下的门：该门的门扇可以在其他方向上移动，例如横向地移动。
[0163]
参照弹簧的后振荡行为和门的闭合描述了根据本发明的方法以及根据本发明的装置。然而，本发明的原理可以广泛地应用于弹簧振荡。
[0164]
附图标记列表
[0165]
1 门
[0166]
10 门扇
[0167]
11 片板
[0168]
12 端部元件
[0169]
2 重量平衡装置
[0170]
20 弹簧
[0171]
21 张紧元件
[0172]
22 紧固元件
[0173]
23 第一弹簧端部
[0174]
24 第二弹簧端部
[0175]
25 偏转滑轮
[0176]
26 弹簧的纵向轴线
[0177]
27 结束位置
[0178]
28 弹簧断部
[0179]
3 驱动装置
[0180]
31 马达
[0181]
32 卷绕轴
[0182]
34 电缆
[0183]
35 驱动轴
[0184]
36 引导装置
[0185]
37 连接元件
[0186]
4 门控制装置
[0187]
5 监控装置
[0188]
51 传感器板
[0189]
52 传感器装置
[0190]
53 评估装置
[0191]
54 通信装置或通信单元
[0192]
55 电能供应装置
[0193]
56 存储装置
[0194]
6 紧急停止装置
[0195]
71 门扇到达地面时的时间
[0196]
72 位置极限值
[0197]
73 速度极限值
[0198]
74 加速度极限值
[0199]
75 完整的弹簧的幅度包络
[0200]
76 异常/断裂的弹簧的幅度包络