賈天民

一、概 述

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為建筑領(lǐng)域的各個行業(yè)的發(fā)展提供了創(chuàng)新發(fā)展的機遇和條件，如何使建筑門窗五金配套件這個傳統(tǒng)行業(yè)在應(yīng)用現(xiàn)代執(zhí)行器技術(shù) （從理論到應(yīng)用）方面獲得產(chǎn)品創(chuàng)新的機遇是值得我們認(rèn)真仔細(xì)的研究探討的課題，因為建筑和建筑門窗及相應(yīng)的門窗配套件均屬傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，它和以IT業(yè)為代表的高科技領(lǐng)域的各個行業(yè)的相比，其發(fā)展有著很大的差距和滯后，如何改變這一落后的現(xiàn)狀，本文想通過分析現(xiàn)代執(zhí)行器和建筑門窗五金配套件各自的特征，來探討二者的有機結(jié)合的可能性，為建筑門窗五金配套件行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提出一些本人思考與建議，供行業(yè)同仁參考。

二、現(xiàn)代執(zhí)行器

傳感器與執(zhí)行器都是自動化系統(tǒng)中的重要組成部分。如果把電子計算機比成 “電腦”，傳感器稱為 “電五官”，而執(zhí)行器則應(yīng)該稱為 “電手足”，其承擔(dān)著重要和不可替代的任務(wù)。

傳感器的定義：為測量目的將感受到的物理量 （一般是非電量）按照相應(yīng)的關(guān)系轉(zhuǎn)化為另外一種物理量 （一般為電量）輸出的裝置叫做傳感器，在傳感器中直接感受被測物理量部分叫做敏感元件，摘自 （QJ30-81標(biāo)準(zhǔn)）能感受 （或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的期間和裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路所組成。摘自 （GB7665-87）。

執(zhí)行器的定義：按照一定規(guī)律產(chǎn)生某種運動的器件或裝置。廣義的定義：凡是利用物性 （物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象）法則、定理、定律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換的，并且輸入與輸出嚴(yán)格一一對應(yīng)的，以便達(dá)到對對象物的驅(qū)動、控制、操作和改變其狀態(tài)的目的的裝置與器件均可稱謂執(zhí)行器。所謂現(xiàn)代執(zhí)行器是在上述定義基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)理論、原理與先進(jìn)的制造技術(shù)利用物性效應(yīng)制造的執(zhí)行元器件。主要應(yīng)用于國防與民用的高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)部門以及3A（辦公自動化、家庭自動化、工廠自動化）設(shè)備與裝置上。

三、傳感器與執(zhí)行器的分類

(一)傳感器分類

1.按照結(jié)構(gòu)和材料分類：結(jié)構(gòu)型 （空間型），物性型 （材料型或）；

2.按照能量關(guān)系分類：有源型與無源型，能量控制型與能量轉(zhuǎn)換型；

3.按照輸出量形式分類：模擬量與數(shù)字量；

4.按照物性效應(yīng)分類。

一般是按照工作原理和使用要求 （被測量）分類或?qū)⒍呓Y(jié)合起來綜合分類。

傳感器：結(jié)構(gòu)型-機械結(jié)構(gòu)與物理場

物性型-應(yīng)變式、電容式、壓電式、

壓阻式、壓磁式、光電式、電感式、電磁式、電動式；

傳感器：按照使用要求 （被測量）分類：

物理量-力學(xué)量：力、力矩、壓力、位置、位移 （線和角度）、流量、流速、密度、粘度、硬度、濁度；

-熱學(xué)量：溫度、熱流量、熱導(dǎo)率；

-光學(xué)量：可見光、紅外、紫外、色度、CCD、激光；

-磁學(xué)量：磁通、磁場強度；

-聲學(xué)量：超聲、噪聲、次聲、表面波；

-放射線：X、γ、β、輻射劑量；化學(xué)量-濕度：露點、水分、為水分；

-氣體：成分、分壓；

-離子：pH值、離子活度、鮮度；生物量-生理量：血壓、脈搏、心電、腦電、體溫、體液、肺活量；

-生化量：血中離子、pH值；

(二)執(zhí)行器可按照能源種類、工作機理 （作用原理）、使用要求、技術(shù)水平進(jìn)行分類。

1.按照能量種類分類：機、電、熱、光、聲、磁6種能量執(zhí)行器；

2.按照工作機理分類：結(jié)構(gòu)型 （空間型）和物性型 （材料型）兩大類，其中各類又可細(xì)分為：位移、振動、力、溫度、壓力執(zhí)行器；

3.按照技術(shù)分類：普通型和先進(jìn)型。按照綜合分類：

（1） 結(jié)構(gòu)型 （按能源分）：

-機械式：機械式 （各種機械結(jié)構(gòu)與裝置），熱機式 （蒸汽機、內(nèi)燃機、汽輪機、發(fā)動機）；

-電氣式：電磁式 （電馬達(dá)、電磁閥），電場式 （靜電場、變電場）；

-流體式：油壓式 （油缸、油馬達(dá)），氣動式（汽缸，空氣馬達(dá)、調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)換器、定位器）；

-其他形式：泵類、閥類、開關(guān)類、繼電器、轉(zhuǎn)換器、控制器、報警器等。

（2） 物性型 （按效應(yīng)分）：

-壓電式：位移執(zhí)行器 （疊堆、雙晶）、超聲波執(zhí)行器、諧振式執(zhí)行器；

-壓磁式：磁致伸縮執(zhí)行器、超磁致伸縮執(zhí)行器；

-靜電式：靜電馬達(dá)、靜電驅(qū)動裝置；

-形狀記憶合金 （SMA）；

-光/熱執(zhí)行器：光執(zhí)行器 （微移）、熱執(zhí)行器（微力）；

-微機電系統(tǒng)執(zhí)行器：微力、微位移、微熱板、微機器人手足、微夾鉗、微電機、微泵、微閥、微開關(guān)；

-仿生執(zhí)行器：仿生機器人手足、人工肌肉、人工皮膚、機器昆蟲 （微機器人）、有機高聚物執(zhí)行器、橡膠執(zhí)行器、凝膠執(zhí)行器；

-超導(dǎo)執(zhí)行器：

-放射執(zhí)行器：

-化學(xué)執(zhí)行器。

四、現(xiàn)代執(zhí)行器的功能

任何一個完整的自動化系統(tǒng)，無論是簡單的還是復(fù)雜的，都包括信息的采集、信息的處理和信息的執(zhí)行三個部分。而信息的執(zhí)行則完全由執(zhí)行器來承擔(dān)完成。對執(zhí)行器過去要求的是“三高”：高精度、高速度、高質(zhì)量，自然導(dǎo)致價格也高?，F(xiàn)在增加了 （三微），即結(jié)構(gòu)的微型化、加工的微細(xì)化和微電子化。執(zhí)行器具有一下作用與功能：

1.動和致動作用，對于大多數(shù)的執(zhí)行器都具有這種作用，故許多情況稱其為驅(qū)動器或致動器，如電動、氣動、液動執(zhí)行器都具有直行程或角行程的驅(qū)動功能；許多物性執(zhí)行器，如壓電式、電致伸縮、磁致伸縮、超聲波、光/熱效應(yīng)等執(zhí)行器偶微位移驅(qū)動或振動的功能。

2.施加載荷 （力、力矩、扭矩等）作用，許多位移執(zhí)行器如果限制其位移便形成力的作用，如機器人的手 （機器人末端執(zhí)行器），就既具有位移功能，又具有施力功能。

3.控制與調(diào)節(jié)作用，如液壓執(zhí)行器除了具有直接驅(qū)動功能，還用來驅(qū)動閥門、擋板、風(fēng)門等元件的控制裝置，接收統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號、氣動信號、脈沖信號。并將其轉(zhuǎn)換成與輸入信號相對應(yīng)的直線或角位移，自動地驅(qū)動閥門、擋板等的開度，完成工業(yè)過程的自動調(diào)節(jié)任務(wù)。

4.能量與信息轉(zhuǎn)換功能，向傳感器一樣，對于許多執(zhí)行器都具有能量轉(zhuǎn)換與信息或信號轉(zhuǎn)換的功能，如薄膜式電/氣轉(zhuǎn)換器是利用電磁力控制噴嘴/擋板的距離原理，可使標(biāo)準(zhǔn)的控制信號呈線性地轉(zhuǎn)換為氣壓動力，推動閥桿等執(zhí)行機構(gòu)運動。應(yīng)用廣泛的壓電執(zhí)行器，它是利用逆壓電效應(yīng)，將電能直接轉(zhuǎn)換為機械能的器件。

5.物質(zhì)狀態(tài)與成分的控制功能，依據(jù)鉑耳帖效應(yīng)制作的溫差致冷器 （固態(tài)熱泵）、半導(dǎo)體致冷器、微型節(jié)流致冷器等都是控制溫度狀態(tài)的執(zhí)行器，這種執(zhí)行器在宏觀上并沒有移動現(xiàn)象，又如控制物質(zhì)酸堿度 （pH值）的化學(xué)執(zhí)行器，是屬于控制物質(zhì)成分的執(zhí)行器。

五、現(xiàn)代執(zhí)行器的發(fā)展現(xiàn)狀與動向

1.向高效、量輕、節(jié)能、低噪聲、抗干擾、長壽命等方向發(fā)展：電氣、液壓、氣動執(zhí)行器為代表的結(jié)構(gòu)型執(zhí)行器在實用化的基礎(chǔ)上，向著高效、量輕、節(jié)能、低噪聲、抗干擾、長壽命方向發(fā)展，高性能材料的采用和化學(xué)、電化學(xué)加工工藝的采用促進(jìn)了執(zhí)行器的小型化和高性能化，IC制造技術(shù)和微細(xì)加工 （LIGA）技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步促進(jìn)驅(qū)動型執(zhí)行器的微型化。此外電氣、液壓、氣動結(jié)構(gòu)執(zhí)行器的智能化發(fā)展，如智能閥門定位器、智能變換器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等也是一個重要發(fā)展方向。智能閥門定位器是新的一代智能化氣動執(zhí)行器機構(gòu)不可缺少的配套產(chǎn)品。

2.向物性型方向發(fā)展：物性型執(zhí)行器研發(fā)中，壓電執(zhí)行器的研究和應(yīng)用向著集成化、智能化、小型化、高機電轉(zhuǎn)化率方向發(fā)展，與結(jié)構(gòu)型執(zhí)行器相比，物性型執(zhí)行器具有更好的發(fā)展前景。其中以壓電型執(zhí)行器的研究發(fā)展無論是在基礎(chǔ)理論和工程實際應(yīng)用方面都取得了顯著的成果。

3.微型化是執(zhí)行器發(fā)展的重要方向之一：微執(zhí)行器是隨著微電子技術(shù)、微光學(xué)技術(shù)、微機械技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)而發(fā)展起來的，為了實現(xiàn)精密和超精密的定位、位移、傳動、轉(zhuǎn)動、操作與控制等功能，現(xiàn)代執(zhí)行器也與傳感器一樣，向著材料的功能化、結(jié)構(gòu)的固體化與集成化、體積的微型化方向發(fā)展。通過先進(jìn)的制造技術(shù) （IC制造技術(shù)、LIGA工藝、三束 （電子、激光、離子）加工技術(shù)、電化學(xué)特種加工技術(shù)等研制出微馬達(dá)（靜電馬達(dá)、超生馬達(dá)、電磁馬達(dá)、諧振馬達(dá)、生物馬達(dá)等）、微泵、微閥、微開關(guān)、微位移器、微定位器、微夾持器柔性鉸鏈微工作臺、微機械機構(gòu) （微齒輪、微連桿、微凸輪等）等關(guān)鍵器件，微微型機器人的發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)執(zhí)行器部品。

4.執(zhí)行器與傳感器的一體化發(fā)展：傳感執(zhí)行器與自感執(zhí)行器 （SSA）一體化是執(zhí)行器與傳感器發(fā)展的一個重要方向，對于同一物性的傳感器與執(zhí)行器本來就是同一種效應(yīng)下的不同功能，即傳感器和執(zhí)行器所應(yīng)用的效應(yīng)互為逆效應(yīng)。

5.執(zhí)行器用功能材料與智能材料的新發(fā)展：不同類型的執(zhí)行器使用的材料也是不同的，如結(jié)構(gòu)性執(zhí)行器主要使用結(jié)構(gòu)材料，物性型執(zhí)行器主要使用功能材料 （如壓電石英、壓電陶瓷、功能半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料等）還有仿生-智能材料 （人造皮膚、人造肌肉用材料）等。

六、建筑門窗五金配套件的功能與存在的缺陷

建筑門窗五金配套件是負(fù)責(zé)執(zhí)行門窗啟閉運動的執(zhí)行功能的結(jié)構(gòu)型執(zhí)行器，主要通過力的執(zhí)行機構(gòu)單元，借助連桿機構(gòu)的力的傳遞功能，實現(xiàn)驅(qū)動啟閉開關(guān)單元的鎖閉機構(gòu)運動，來達(dá)到實現(xiàn)門窗啟閉的功能。驅(qū)動力的承接與轉(zhuǎn)換、驅(qū)動力的傳遞、承受荷載單元的位移，實現(xiàn)將使用荷載的承受與力的傳遞是門窗五金配套件的主要功能。

1.驅(qū)動力的執(zhí)行機構(gòu)由驅(qū)動受力部分 （把手、拉手、執(zhí)手）等和轉(zhuǎn)動驅(qū)動部分 （傳遞驅(qū)動力的齒輪和齒輪組等旋轉(zhuǎn)機構(gòu)）組成；

2.驅(qū)動力的線性傳遞機構(gòu)由傳力的連桿齒條機構(gòu)和角部柔性傳力機構(gòu) （用于多點鎖閉機構(gòu)）組成；

3.驅(qū)動力的目標(biāo)執(zhí)行機構(gòu) （鎖點-門窗所承受載荷的承受與傳遞機構(gòu)）。

七、目前門窗配套件存在的缺陷

1.過多的消耗金屬材料，產(chǎn)品重量大；

2.金屬部件加工量大、加工能耗高；

3.金屬部件易受環(huán)境腐蝕，表面處理技術(shù)落后，污染環(huán)境；

4.操控位置受限，不易遠(yuǎn)程操控；

5.鎖閉機構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)精度要求高，成本大；

6.產(chǎn)品組裝工時消耗大，產(chǎn)成品保護(hù)要求高；

7.產(chǎn)品體積大，包裝成本高；

8.產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，投入高，社會配套和物流成本高；

9.產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，創(chuàng)新產(chǎn)品少。

八、開發(fā)使用現(xiàn)代執(zhí)行器技術(shù)應(yīng)用于門窗五金配套件產(chǎn)品

1.從功能實現(xiàn)上用現(xiàn)代執(zhí)行器替換現(xiàn)有門窗五金配套件的力驅(qū)動部件、力傳動部件和力承受鎖閉與轉(zhuǎn)移部件的探討：以平開門窗配套件為例，將平開門窗配套五金件的驅(qū)動部分-執(zhí)手的結(jié)構(gòu)簡化成執(zhí)行器的電、壓電或磁致控制開關(guān)型機構(gòu)、將連桿傳力結(jié)構(gòu)簡化成電、磁、光等信號的傳輸線路、將門窗配套件鎖閉機構(gòu)替換成電、磁、超聲波控制的執(zhí)行器機構(gòu)，將大大簡化平開門窗配套件的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，使得門窗的密閉性能大大提高，可以更多的、任意的設(shè)置鎖閉執(zhí)行器的數(shù)量，提高門窗框與扇的傳力能效，增強門窗的密封隔絕性能，進(jìn)一步降低門窗的縫隙滲透能耗，有利于門窗性能的進(jìn)一步提高。

2.用物性型執(zhí)行器實現(xiàn)替代現(xiàn)有門窗五金配套件的操控自動化功能的探討：通過物性執(zhí)行器的操控簡便的特性，即可采用電子操控、電磁操控、電子識別，紅外遙控等現(xiàn)代操控技術(shù)實現(xiàn)門窗啟閉向著自動化和智能化的方向發(fā)展，從而是建筑的自動化發(fā)展上升到一個更高的層面上。真正實現(xiàn)門窗五金配套件是建筑門窗的核心部件的關(guān)鍵地位。

3.從功能材料和智能材料實現(xiàn)上用現(xiàn)代執(zhí)行器替換現(xiàn)有門窗五金配套件的探討：通過采用新型的功能與智能材料來替代現(xiàn)有的比較單一的金屬結(jié)構(gòu)性材料，是實現(xiàn)用現(xiàn)代執(zhí)行器更新門窗配套件的創(chuàng)新發(fā)展方向，如采用壓電陶瓷材料、形狀記憶材料、功能半導(dǎo)體材料和永磁性材料等新型材料技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)門窗五金配套件的小型化、加工的簡便化、使用的長壽命化等方面有著很好的發(fā)展前景。

4.從產(chǎn)品的創(chuàng)新結(jié)果實現(xiàn)上用現(xiàn)代執(zhí)行器替換現(xiàn)有門窗五金配套件的探討：通過采用現(xiàn)代執(zhí)行器替代現(xiàn)有門窗五金配套件，從而實現(xiàn)門窗五金配套件的小型化、簡潔化、集成化、輕量化、可靠性高、長壽命、節(jié)能、智能化、降低成本，產(chǎn)品的品種會更豐富，產(chǎn)品的附加值和收益會大大增加，更有益于大規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品的維護(hù)和維修性能也會更加快捷方便，生產(chǎn)企業(yè)的競爭力會有質(zhì)的飛躍性提升。

九、結(jié)束語

綜上所述，認(rèn)為通過創(chuàng)新開發(fā)現(xiàn)代執(zhí)行器在門窗五金配套件領(lǐng)域的應(yīng)用，會徹底改變建筑門窗配套件行業(yè)的技術(shù)落后于現(xiàn)代社會的局面，使建筑門窗在實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、綠色、自動化、智能化的目標(biāo)得以真正實現(xiàn)，能夠真正的使科技創(chuàng)新的理念、新型的材料技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù)、建筑自動化和智能化技術(shù)以及節(jié)能環(huán)保的將人造環(huán)境與自然環(huán)境和諧共處的人類理想得以實現(xiàn)。讓我們共同努力創(chuàng)新為實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)而貢獻(xiàn)力量。