Мехатронные модули и системы в технологическом оборудовании для микроэлектроники

В. С. Камлюк
Д. В. Камлюк

МЕХАТРОННЫЕ МОДУЛИ И СИСТЕМЫ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь 

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений 

образования, реализующих образовательные программы среднего 

специального образования по специальности «Мехатроника»

(специализация «Мехатроник 5-го разряда 

(радиоэлектронное производство)»)

Минск
РИПО

2016

УДК  621.3.049.77(075.32)
ББК  32.844.1я723

К18

А в т о ры:

преподаватель учреждения образования «Минский 

государственный колледж электроники» В. С. Камлюк; 

инженер ОАО «Интеграл» Д. В. Камлюк.

Рецен з ен т ы:

кафедра «Автоматизированные системы управления производством» 

учреждения образования «Белорусский государственный 

аграрный технический университет» (кандидат технических наук, 

доцент А. Г. Сеньков);

директор ИТПУП «Фесто», магистр технических наук В. А. Антонов.

Камлюк, В. С.

К18
Мехатронные модули и системы в технологическом оборудо
вании для микроэлектроники : учеб. пособие / В. С. Камлюк, 
Д. В. Камлюк. – Минск : РИПО, 2016. – 384 с. : ил.

ISBN 978-985-503-627-3.

Представлены основы мехатроники. Описано устройство и изложен 

принцип действия мехатронных модулей и систем, наиболее широко 
применяемых в технологическом оборудовании полупроводникового 
производства. Показаны принципы и приемы интеграции компонентов в мехатронных модулях и системах, связующие элементы – аппаратные и программные интерфейсы, пути организации данной связи 
с целью снижения аппаратных интерфейсов. Отдельные главы посвящены надежности и техническому диагностированию, обслуживанию 
и ремонту мехатронных систем.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального 

образования, обучающихся по специальности «Мехатроника» (специализация «Мехатроник 5-го разряда (радиоэлектронное производство)»).

УДК 621.3.049.77(075.32)
ББК 32.844.1я723

ISBN 978-985-503-627-3*78-985-5© Камлюк В. С., Камлюк Д. В., 2016

© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2016

ПРИНЯТЫЕ СОКРАщЕНИЯ

А 
специальный регистраккумулятор

АЛУ 
арифметико-логическое 
устройство

АРО 
адрес расположения операндов

АРП 
адрес регистров памяти

АЦП аналого-цифровой 

преобразователь

БВП 
блок ввода программы

БИД базис исполнительного 

движения

БИС
большие интегральные схемы

БОИ
блок отображения 
информации

ВЧ
высокая частота

ГПС
гибкие производственные 
системы

ДОС
датчик обратной связи

ЗРУ
загрузочно-разгрузочное 
устройство

ИИС
информационноизмерительные системы

ИММ интеллектуальный 

мехатронный модуль

ИП
исходное положение

ИС
интегральная схема

ИСП
интеллектуальные силовые 
преобразователи

ИУ
интерфейсное устройство

КИА
контрольно-измерительная 
аппаратура

КОП
код операции

ЛШД линейный шаговый двигатель
МД
модуль движения

ММ
мехатронный модуль

МП
микропроцессор

МПСУ микропроцессорные 

системы управления

МПУ
микропроцессорное 
управление

МЭУ
микроэлектронное устройство

ОЗУ
оперативное запоминающее 
устройство

ОМУ
оптико-механическое 
устройство

ОШ
общая шина

ПЛК
программируемый 
логический контроллер

ПН
программный носитель

РЗУ
регистровое запоминающее 
устройство

РК
регистр команд

РОН
регистр общего назначения

РФН
распределение 
функциональной нагрузки

САИ
система анализа изображения

СБИС сверхбольшие 

интегральные схемы

СВЧ
сверхвысокая частота

СК
счетчик команд

СТО
специальное технологическое 
оборудование

СУ
система управления

СУЭП схема управления 

электроприводом 

СЧЭП силовая часть электропривода
ТО
технологическое оборудование

УВВ
устройство ввода/вывода

УУ
устройство управления

УС
устройство сопряжения

ЦАП
цифро-аналоговый 
преобразователь

ЧПУ
числовое программное 
управление

ША
шина адресов

ШД
шина данных

ШИМ широтно-импульсная 

модуляция

ШУ
шина управления

ЭА
электроавтоматика

ЭП
электропривод

ВВЕДЕНИЕ

Мехатроника – новое направление науки, техники и тех
нологий, которое стремительно развивается во всем мире. Задача мехатроники – создание интеллектуальных машин с качественно новыми функциями и свойствами. Именно принципиальная новизна мехатронных систем стимулирует высокую 
активность специалистов в научно-исследовательской, образовательной и производственной сферах. Удельный вес мехатроники среди других технологических методов постоянно 
растет, а объем производства мехатронных модулей и систем 
ежегодно увеличивается, охватывая профессиональную и повседневную жизнь современного человека.

Современный термин «мехатроника» (мechatronics) был 

введен японской фирмой Yaskawa Electric в 1969 г. и зарегистрирован как торговая марка в 1972 г. Тем не менее еще в 
1950-х гг. в СССР использовались приборы под названием 
«механотроны».

Слово «мехатроника» образовано от mecha – механизм и 

tronics – электроника. Объединение этих понятий означает, 
по оригинальному определению Yasakawa Electric, что «мы говорим о технологии и созданных на ее основе продуктах, в 
которых электроника проникает в традиционные механизмы 
так глубоко, что наступает момент, когда трудно провести границу, отделяющую механизм от электроники». Иными словами, в результате тесного взаимопроникающего объединения 
встраиваемой микрокомпьютерной системы и механического 
устройства появились конструкции, немеханотронные аналоги которых просто невозможны.

Введение 

Интеграция электромеханики и микроэлектроники при
вела к появлению комплектных интегрированных мехатронных модулей движения рабочих органов и узлов машин, а также создаваемого на их основе оборудования.

К началу 1980-х гг. термин «мехатроника» утверждается в 

мировой технической литературе как название целого класса 
машин с компьютерным управлением движением. При этом 
интегрируются достижения в области не только электромеханики и электроники, но и систем компьютерного управления 
движением машин и сложных пространственных механизмов.

Особо подчеркивается триединая сущность мехатронных 

систем, в основу построения которых заложена идея глубокой 
взаимосвязи механических, электронных и компьютерных 
элементов. Поэтому наиболее распространенным графическим символом мехатронных систем стали три пересекающихся круга, помещенные во внешнюю оболочку автоматизации и 
роботизации производства (рис. 1).

Роботизация

Автоматизация

Мехатронные  
модули и системы

Компоненты  
прецизионной  
механики

Компоненты  
электроники

Компьютерное 
управление

Рис. 1. Графический символ мехатронных систем

«От механики к мехатронике» – такова ведущая тенденция 

развития современного машиностроения. Это особенно проявляется при создании промышленных роботов, современных 
гибких производственных систем с использованием мехатронных модулей и машин, обеспечивающих заданные параметры 
управляемого движения не только объектов производства, ра

Введение

бочих органов технологического оборудования, но и функционирование логистических транспортно-накопительных систем.

Обычно мехатронная система является объединением 

собственно электромеханических компонентов с новейшей 
силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, программируемых контроллеров (ПК) или других вычислительных устройств. При этом 
конструкторы стараются связать все части системы воедино 
с использованием минимального числа интерфейсов между 
модулями, например, применяя встроенные непосредственно 
в микроконтроллеры АЦП, интеллектуальные силовые преобразователи и т. п. (рис. 2). Это уменьшает массу и размеры 
системы, повышает ее надежность и дает некоторые другие 
преимущества.

Исполнительные элементы

Элементы силовой электроники

Информационные элементы

Управляющие вычислительные элементы

Интеллектуальные элементы

Механические элементы

Заготовительные 
операции

Изготовление 
элементов

Сборка 
мехатронных 
моделей и 
систем

Контроль и 
испытание 
мехатронных 
систем

Электротехнические элементы

Рис. 2. Схема мехатронной системы

Любая система, обладающая информационной составляю
щей, с помощью которой производится управление группой приводов, может считаться мехатронной. Иногда система содержит 
принципиально новые, с конструкторской точки зрения, узлы, 

Введение 

такие как электромагнитные подвесы, заменяющие обычные 
подшипниковые узлы. Одной из областей применения электромагнитных подвесов являются турбины, перекачивающие газ 
по трубопроводам. Обычные подшипники здесь не годятся, так 
как в смазку проникают газы, и она теряет свои свойства.

Наглядным примером мехатрон
ной системы является винчестер компьютера (рис. 3). Современный жесткий диск стал неотъемлемой частью 
компьютера и представляет собой мехатронную систему. Появились многочисленные стандарты, позволяющие 
работать с большими скоростями и 
хранить большие объемы данных. 

Также примером использования 

мехатронных технологий может служить оптическое устройство – конденсор (рис. 4), который устраняет аберрацию, обеспечивает высокую разрешающую способность и четкое изображение при экспонировании элементов ИМС с нанометровыми размерами.

Сегодня мехатронные модули и систе
мы находят широкое применение в следующих областях: 

станкостроение и оборудование для 

автоматизации, технологических процессов в машиностроении; 

промышленная и специальная робото
техника;   

авиационная и космическая техника; 
военная техника, машины для поли
ции и спецслужб; 

электронное машиностроение и обору
дование для быстрого прототипирования; 

автомобилестроение (приводные мо
дули «мотор-колесо», антиблокировочные 
устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической 
парковки);  

Рис. 3. Винчестер 

со снятой крышкой

Рис. 4. Конденсор

Введение

нетрадиционные транспортные средства (электромобили, 

электровелосипеды, инвалидные коляски);     

офисная техника (например, копировальные и факси
мильные аппараты);    

периферийные устройства компьютеров (например,  прин
теры, плоттеры, дисководы CD-ROM);   

медицинское и спортивное оборудование (биоэлектриче
ские и экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры 
и т. д.); 

бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные 

машины, автономные пылесосы); 

микромашины (для медицины, биотехнологии, средств 

связи и телекоммуникации); 

контрольно-измерительные устройства и машины; 
лифтовое и складское оборудование, автоматические две
ри в отелях и аэропортах; 

фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, 

устройства фокусировки видеокамер); 

тренажеры для подготовки операторов сложных техниче
ских систем и пилотов; 

железнодорожный транспорт (системы контроля и стаби
лизации движения поездов); 

интеллектуальные машины для пищевой и мясо-молочной 

промышленности; 

полиграфические машины; 
интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттрак
ционы. 

Соответственно возрастает потребность в кадрах, владею
щих мехатронными технологиями. 

В чем же отличие мехатроника от техника-электромеха
ника? При тех же знаниях устройства технологического оборудования, блоков и узлов, умении при диагностировании разбивать оборудование на функционально законченные блоки 
мехатроник дополнительно должен владеть инструментом мехатронного изделия – реализацией очень сложных информационных функций. Это значит, что мехатроник должен знать 
наиболее распространенные системы управления современ

Введение 

ными мехатронными модулями, аппаратное и программное 
обеспечение, стандартизированные и универсальные языки 
программирования.

Мехатроника как научно-техническая дисциплина изуча
ет построение систем управления движением, обладающих 
принципиально новыми атрибутами и более высокими характеристиками. Мехатронный подход заключается в принципах 
построения и образовании мехатронных систем. Мехатроника 
основывается на следующих областях науки и техники: механика (точная механика), электротехника, электромеханика, 
теория электрических машин, электроника, силовая электроника, цифровая техника, микропроцессорная техника и 
микропроцессорные устройства управления, теория автоматического управления. Специалисты в области мехатроники 
владеют знаниями и навыками в таких компонентах мехатроники, как пневматика, гидравлика, бионика, техническая 
кибернетика. В мехатронике широко используются математический анализ и моделирование систем, компьютерная техника и компьютеризированный инженерный труд (КИТ), 
информационные технологии (информатика, программирование и программная компонента конфигурационных моделей, 
аппаратная компонента). В связи с этим мехатронику необходимо знание различных пакетов систем автоматического 
проектирования (САПР), например, AutoCAD, ProEngineer, 
TFLEX-CAD. Кроме того, при моделировании и проектировании мехатроник должен уметь пользоваться программными 
системами MATLAB/Simulink, MAPLE, LabView, P-CAD, производить программирование микроконтроллеров и их отладку 
с применением специализированных отладчиков – симуляторов, ПЗУ-мониторов или эмуляторов, например, ICE-Connect, 
JTAG, BDM, отладочных интерфейсов NEXUS, Pinnacle.

ГЛАВА 1. МЕХАТРОНИКА – НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ 

ДИСЦИПЛИНА

1.1. ПРЕДПОСЫЛКИ РАзВИТИЯ МЕХАТРОНИКИ И ОБЛАСТИ 

ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ

Эпоха микроэлектроники сыграла основную роль в ав
томатизации промышленности. Если на первом этапе задача 
автоматизации состояла в том, чтобы освободить человека от 
монотонного физического труда, то на следующем этапе объектом автоматизации становится интеллектуальный труд. Таким образом, необходимой предпосылкой появления и развития мехатроники явилось развитие микроэлектроники. В свою 
очередь, высокие требования, предъявляемые к мехатронике, 
привели к более интенсивному развитию микроэлектроники.

В жизни приходится иметь дело с такими быстропротека
ющими процессами, как горение, разрушение, взрыв, причем 
скорость их протекания часто оказывается выше скорости выполнения необходимых операций микроЭВМ. Быстродействие 
микроэлектронных устройств становится очень важной их характеристикой и с учетом реализации сложных информационных функций, позволяющих связать разнородные движения и 
состояние окружающей среды во времени, создает предпосылки разработки мехатронных устройств высокого порядка.

Следовательно, можно утверждать, что мехатроника нуж
дается в микроэлектронике, а микроэлектроника, через мехатронизацию оборудования для микроэлектроники, нуждается 
в мехатронике. Оба направления непрерывно развиваются, 
удовлетворяя потребности друг друга.