关于现代执行器技术在门窗五金产品应用的探讨

贾天民

一、概 述

现代技术的发展为建筑领域的各个行业的发展提供了创新发展的机遇和条件，如何使建筑门窗五金配套件这个传统行业在应用现代执行器技术 （从理论到应用）方面获得产品创新的机遇是值得我们认真仔细的研究探讨的课题，因为建筑和建筑门窗及相应的门窗配套件均属传统产业领域，它和以IT业为代表的高科技领域的各个行业的相比，其发展有着很大的差距和滞后，如何改变这一落后的现状，本文想通过分析现代执行器和建筑门窗五金配套件各自的特征，来探讨二者的有机结合的可能性，为建筑门窗五金配套件行业的创新发展提出一些本人思考与建议，供行业同仁参考。

二、现代执行器

传感器与执行器都是自动化系统中的重要组成部分。如果把电子计算机比成 “电脑”，传感器称为 “电五官”，而执行器则应该称为 “电手足”，其承担着重要和不可替代的任务。

传感器的定义：为测量目的将感受到的物理量 （一般是非电量）按照相应的关系转化为另外一种物理量 （一般为电量）输出的装置叫做传感器，在传感器中直接感受被测物理量部分叫做敏感元件，摘自 （QJ30-81标准）能感受 （或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的期间和装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。摘自 （GB7665-87）。

执行器的定义：按照一定规律产生某种运动的器件或装置。广义的定义：凡是利用物性 （物理、化学、生物等现象）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换的，并且输入与输出严格一一对应的，以便达到对对象物的驱动、控制、操作和改变其状态的目的的装置与器件均可称谓执行器。所谓现代执行器是在上述定义基础上，利用先进理论、原理与先进的制造技术利用物性效应制造的执行元器件。主要应用于国防与民用的高新技术领域和产业部门以及3A（办公自动化、家庭自动化、工厂自动化）设备与装置上。

三、传感器与执行器的分类

(一)传感器分类

1.按照结构和材料分类：结构型 （空间型），物性型 （材料型或）；

2.按照能量关系分类：有源型与无源型，能量控制型与能量转换型；

3.按照输出量形式分类：模拟量与数字量；

4.按照物性效应分类。

一般是按照工作原理和使用要求 （被测量）分类或将二者结合起来综合分类。

传感器：结构型-机械结构与物理场

物性型-应变式、电容式、压电式、

压阻式、压磁式、光电式、电感式、电磁式、电动式；

传感器：按照使用要求 （被测量）分类：

物理量-力学量：力、力矩、压力、位置、位移 （线和角度）、流量、流速、密度、粘度、硬度、浊度；

-热学量：温度、热流量、热导率；

-光学量：可见光、红外、紫外、色度、CCD、激光；

-磁学量：磁通、磁场强度；

-声学量：超声、噪声、次声、表面波；

-放射线：X、γ、β、辐射剂量；化学量-湿度：露点、水分、为水分；

-气体：成分、分压；

-离子：pH值、离子活度、鲜度；生物量-生理量：血压、脉搏、心电、脑电、体温、体液、肺活量；

-生化量：血中离子、pH值；

(二)执行器可按照能源种类、工作机理 （作用原理）、使用要求、技术水平进行分类。

1.按照能量种类分类：机、电、热、光、声、磁6种能量执行器；

2.按照工作机理分类：结构型 （空间型）和物性型 （材料型）两大类，其中各类又可细分为：位移、振动、力、温度、压力执行器；

3.按照技术分类：普通型和先进型。按照综合分类：

（1） 结构型 （按能源分）：

-机械式：机械式 （各种机械结构与装置），热机式 （蒸汽机、内燃机、汽轮机、发动机）；

-电气式：电磁式 （电马达、电磁阀），电场式 （静电场、变电场）；

-流体式：油压式 （油缸、油马达），气动式（汽缸，空气马达、调节阀、转换器、定位器）；

-其他形式：泵类、阀类、开关类、继电器、转换器、控制器、报警器等。

（2） 物性型 （按效应分）：

-压电式：位移执行器 （叠堆、双晶）、超声波执行器、谐振式执行器；

-压磁式：磁致伸缩执行器、超磁致伸缩执行器；

-静电式：静电马达、静电驱动装置；

-形状记忆合金 （SMA）；

-光/热执行器：光执行器 （微移）、热执行器（微力）；

-微机电系统执行器：微力、微位移、微热板、微机器人手足、微夹钳、微电机、微泵、微阀、微开关；

-仿生执行器：仿生机器人手足、人工肌肉、人工皮肤、机器昆虫 （微机器人）、有机高聚物执行器、橡胶执行器、凝胶执行器；

-超导执行器：

-放射执行器：

-化学执行器。

四、现代执行器的功能

任何一个完整的自动化系统，无论是简单的还是复杂的，都包括信息的采集、信息的处理和信息的执行三个部分。而信息的执行则完全由执行器来承担完成。对执行器过去要求的是“三高”：高精度、高速度、高质量，自然导致价格也高。现在增加了 （三微），即结构的微型化、加工的微细化和微电子化。执行器具有一下作用与功能：

1.动和致动作用，对于大多数的执行器都具有这种作用，故许多情况称其为驱动器或致动器，如电动、气动、液动执行器都具有直行程或角行程的驱动功能；许多物性执行器，如压电式、电致伸缩、磁致伸缩、超声波、光/热效应等执行器偶微位移驱动或振动的功能。

2.施加载荷 （力、力矩、扭矩等）作用，许多位移执行器如果限制其位移便形成力的作用，如机器人的手 （机器人末端执行器），就既具有位移功能，又具有施力功能。

3.控制与调节作用，如液压执行器除了具有直接驱动功能，还用来驱动阀门、挡板、风门等元件的控制装置，接收统一的标准直流电流信号、气动信号、脉冲信号。并将其转换成与输入信号相对应的直线或角位移，自动地驱动阀门、挡板等的开度，完成工业过程的自动调节任务。

4.能量与信息转换功能，向传感器一样，对于许多执行器都具有能量转换与信息或信号转换的功能，如薄膜式电/气转换器是利用电磁力控制喷嘴/挡板的距离原理，可使标准的控制信号呈线性地转换为气压动力，推动阀杆等执行机构运动。应用广泛的压电执行器，它是利用逆压电效应，将电能直接转换为机械能的器件。

5.物质状态与成分的控制功能，依据铂耳帖效应制作的温差致冷器 （固态热泵）、半导体致冷器、微型节流致冷器等都是控制温度状态的执行器，这种执行器在宏观上并没有移动现象，又如控制物质酸碱度 （pH值）的化学执行器，是属于控制物质成分的执行器。

五、现代执行器的发展现状与动向

1.向高效、量轻、节能、低噪声、抗干扰、长寿命等方向发展：电气、液压、气动执行器为代表的结构型执行器在实用化的基础上，向着高效、量轻、节能、低噪声、抗干扰、长寿命方向发展，高性能材料的采用和化学、电化学加工工艺的采用促进了执行器的小型化和高性能化，IC制造技术和微细加工 （LIGA）技术的应用进一步促进驱动型执行器的微型化。此外电气、液压、气动结构执行器的智能化发展，如智能阀门定位器、智能变换器、现场总线控制系统等也是一个重要发展方向。智能阀门定位器是新的一代智能化气动执行器机构不可缺少的配套产品。

2.向物性型方向发展：物性型执行器研发中，压电执行器的研究和应用向着集成化、智能化、小型化、高机电转化率方向发展，与结构型执行器相比，物性型执行器具有更好的发展前景。其中以压电型执行器的研究发展无论是在基础理论和工程实际应用方面都取得了显著的成果。

3.微型化是执行器发展的重要方向之一：微执行器是随着微电子技术、微光学技术、微机械技术以及先进制造技术而发展起来的，为了实现精密和超精密的定位、位移、传动、转动、操作与控制等功能，现代执行器也与传感器一样，向着材料的功能化、结构的固体化与集成化、体积的微型化方向发展。通过先进的制造技术 （IC制造技术、LIGA工艺、三束 （电子、激光、离子）加工技术、电化学特种加工技术等研制出微马达（静电马达、超生马达、电磁马达、谐振马达、生物马达等）、微泵、微阀、微开关、微位移器、微定位器、微夹持器柔性铰链微工作台、微机械机构 （微齿轮、微连杆、微凸轮等）等关键器件，微微型机器人的发展提供可靠的基础执行器部品。

4.执行器与传感器的一体化发展：传感执行器与自感执行器 （SSA）一体化是执行器与传感器发展的一个重要方向，对于同一物性的传感器与执行器本来就是同一种效应下的不同功能，即传感器和执行器所应用的效应互为逆效应。

5.执行器用功能材料与智能材料的新发展：不同类型的执行器使用的材料也是不同的，如结构性执行器主要使用结构材料，物性型执行器主要使用功能材料 （如压电石英、压电陶瓷、功能半导体材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料等）还有仿生-智能材料 （人造皮肤、人造肌肉用材料）等。

六、建筑门窗五金配套件的功能与存在的缺陷

建筑门窗五金配套件是负责执行门窗启闭运动的执行功能的结构型执行器，主要通过力的执行机构单元，借助连杆机构的力的传递功能，实现驱动启闭开关单元的锁闭机构运动，来达到实现门窗启闭的功能。驱动力的承接与转换、驱动力的传递、承受荷载单元的位移，实现将使用荷载的承受与力的传递是门窗五金配套件的主要功能。

1.驱动力的执行机构由驱动受力部分 （把手、拉手、执手）等和转动驱动部分 （传递驱动力的齿轮和齿轮组等旋转机构）组成；

2.驱动力的线性传递机构由传力的连杆齿条机构和角部柔性传力机构 （用于多点锁闭机构）组成；

3.驱动力的目标执行机构 （锁点-门窗所承受载荷的承受与传递机构）。

七、目前门窗配套件存在的缺陷

1.过多的消耗金属材料，产品重量大；

2.金属部件加工量大、加工能耗高；

3.金属部件易受环境腐蚀，表面处理技术落后，污染环境；

4.操控位置受限，不易远程操控；

5.锁闭机构复杂，生产精度要求高，成本大；

6.产品组装工时消耗大，产成品保护要求高；

7.产品体积大，包装成本高；

8.产品生产设备复杂，投入高，社会配套和物流成本高；

9.产品更新换代慢，创新产品少。

八、开发使用现代执行器技术应用于门窗五金配套件产品

1.从功能实现上用现代执行器替换现有门窗五金配套件的力驱动部件、力传动部件和力承受锁闭与转移部件的探讨：以平开门窗配套件为例，将平开门窗配套五金件的驱动部分-执手的结构简化成执行器的电、压电或磁致控制开关型机构、将连杆传力结构简化成电、磁、光等信号的传输线路、将门窗配套件锁闭机构替换成电、磁、超声波控制的执行器机构，将大大简化平开门窗配套件的结构和构造，使得门窗的密闭性能大大提高，可以更多的、任意的设置锁闭执行器的数量，提高门窗框与扇的传力能效，增强门窗的密封隔绝性能，进一步降低门窗的缝隙渗透能耗，有利于门窗性能的进一步提高。

2.用物性型执行器实现替代现有门窗五金配套件的操控自动化功能的探讨：通过物性执行器的操控简便的特性，即可采用电子操控、电磁操控、电子识别，红外遥控等现代操控技术实现门窗启闭向着自动化和智能化的方向发展，从而是建筑的自动化发展上升到一个更高的层面上。真正实现门窗五金配套件是建筑门窗的核心部件的关键地位。

3.从功能材料和智能材料实现上用现代执行器替换现有门窗五金配套件的探讨：通过采用新型的功能与智能材料来替代现有的比较单一的金属结构性材料，是实现用现代执行器更新门窗配套件的创新发展方向，如采用压电陶瓷材料、形状记忆材料、功能半导体材料和永磁性材料等新型材料技术的应用实现门窗五金配套件的小型化、加工的简便化、使用的长寿命化等方面有着很好的发展前景。

4.从产品的创新结果实现上用现代执行器替换现有门窗五金配套件的探讨：通过采用现代执行器替代现有门窗五金配套件，从而实现门窗五金配套件的小型化、简洁化、集成化、轻量化、可靠性高、长寿命、节能、智能化、降低成本，产品的品种会更丰富，产品的附加值和收益会大大增加，更有益于大规模化生产，产品的维护和维修性能也会更加快捷方便，生产企业的竞争力会有质的飞跃性提升。

九、结束语

综上所述，认为通过创新开发现代执行器在门窗五金配套件领域的应用，会彻底改变建筑门窗配套件行业的技术落后于现代社会的局面，使建筑门窗在实现节能、环保、绿色、自动化、智能化的目标得以真正实现，能够真正的使科技创新的理念、新型的材料技术、现代制造技术、建筑自动化和智能化技术以及节能环保的将人造环境与自然环境和谐共处的人类理想得以实现。让我们共同努力创新为实现这一宏伟目标而贡献力量。