Системотехника и мехатроника технологических машин и оборудования

В. В. Сторожев, Н. А. Феоктистов 

 

 

 

 

 
СИСТЕМОТЕХНИКА И МЕХАТРОНИКА 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН 

И ОБОРУДОВАНИЯ 

 

 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 

Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 

2018 

 

УДК 681.527.7 
ББК 621.865.8 
С82 
 
Авторы: 

В.В. Сторожев — заслуженный деятель науки и техники РФ, 
доктор технических наук, профессор. 
Н.А. Феоктистов — заслуженный работник высшей школы РФ,  
доктор технических наук, профессор. 
Рецензенты: 

Б.В. Тарасов — генеральный 
директор 
НПЦ 
«Модуль», 
доктор 
технических наук, профессор; 

Б.С. Сункуев — зав. кафедрой машин и аппаратов легкой промыш- 
ленности, доктор технических наук, профессор Витебского государст- 
венного технологического университета (республика Беларусь); 

М.С. Ершов — зав. кафедрой теоретической электротехники и элект- 
рификации нефтяной и газовой промышленности РГТУ нефти и газа  
им. Губкина, доктор технических наук, профессор. 

 
 
Сторожев В. В. 

Системотехника и мехатроника технологических машин и обо- 
рудования: Монография / В. В. Сторожев, Н. А. Феоктистов; под ред. д.т.н., 
профессора Феоктистова Н. А. — М.: Издательско-торговая корпорация 
«Дашков и К°», 2018. — 412 с. 
 
 
ISBN 978-5-394-02468-9 
В монографии рассмотрены основные элементы, узлы и устройства для 
построения электронных, электромехатронных и мехатронных систем и 
комплексов технологических машин и оборудования, принципы построения 
электромехатронных и мехатронных модулей и систем, приведены 
практические 
системы 
автоматизации 
технологических 
процессов 
и 
производств на их основе. 
Для инженерно-технических работников, связанных с разработкой и 
внедрением электромехатронных, мехатронных и интеллектуальных систем 
и комплексов, а также аспирантов и студентов технологических и маши- 
ностроительных направлений подготовки. 
 
 
 
© Сторожев В. В., Феоктистов Н. А., 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение ................................................................................................................. 5 
Глава 1. Элементы электронных схем ............................................................ 9 
1.1. Полупроводниковые приборы. Принцип работы электроннодырочного перехода .......................................................................................... 9 
1.2. Биполярные транзисторы ......................................................................... 18 
1.3. Полевые транзисторы ............................................................................... 32 
1.4. Операционные усилители ........................................................................ 41 
1.5. Интегральные микросхемы ...................................................................... 51 
Глава 2. Логические функции и логические элементы ............................. 55 
2.1. Основы алгебры логики. Логические функции и способы  
их записи ........................................................................................................... 55 
2.2. Минимизация логических функций ........................................................ 65 
2.3. Базовые логические элементы. Схемотехника логических  
элементов различных логик. ........................................................................... 73 
2.4. Особенности выходных каскадов цифровых микросхем ..................... 88 
2.5. Реализация логических функций. Особенности построения 
логических устройств ...................................................................................... 90 
Глава 3. Сигналы импульсных и цифровых устройств ............................ 96 
3.1. Общие сведения ........................................................................................ 96 
3.2. Сигналы импульсных устройств ............................................................. 97 
3.3. Сигналы цифровых устройств ............................................................... 103 
Глава 4. Последовательностные цифровые устройства .......................... 106 
4.1. Триггеры .................................................................................................. 107 
4.2. Регистры................................................................................................... 126 
4.3. Счетчики .................................................................................................. 131 
Глава 5. Комбинационные цифровые устройства .................................... 139 
5.1. Дешифраторы и шифраторы .................................................................. 139 
5.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ................................................ 142 
5.3. Компораторы ........................................................................................... 144 
5.4. Сумматоры ............................................................................................... 149 
Глава 6. Мехатронные системы в управлении механическим  
движением и функциями технологических машин .................................. 153 
6.1. Основы мехатроники и принципы построения мехатронных  
модулей в системах машин. Мехатроника, основные определения ......... 153 
6.2. Структурные особенности различных процессов производства  
и принципы построения модуля движения элементов машин ................. 161 
6.3. Промышленное оборудование для раскроя материалов .................... 163 
6.4. Общая структура и особенности функционирования машин 
швейного и обувного производства ............................................................. 182 
6.5. Основные механизмы швейных машин ............................................... 192 

6.6. Швейные машины специального назначения, включая машины  
с компьютерным управлением ..................................................................... 222 
Глава 7. Электромехатронные модули и их компоненты ....................... 285 
7.1. Электромехатронные модули и их связь с мехатронными  
системами и комплексами ............................................................................ 285 
7.2. Электрические двигатели – энергетические элементы 
мехатронных систем ...................................................................................... 290 
7.3. Преобразователи электрической энергии – энергетические  
элементы мехатронных систем .................................................................... 302 
7.4. Информационно – измерительные элементы мехатронных  
систем. ............................................................................................................. 340 
Глава 8. Мехатронные модули и системы в объектах управления 
технологическими процессами и производствами ................................... 345 
8.1. Модернизация системы автоматического управления установки 
очистки технологического оборудования от налипания сыпучих 
порошкообразных веществ. .......................................................................... 346 
8.2. Автоматизация пусковых режимов асинхронных двигателей 
технологических производств. ..................................................................... 353 
8.3. Тиристорный регулятор напряжения вентиляторного двигателя. .... 357 
8.4 Система автоматического управления мотальных машин. ................. 359 
8.5. Система автоматического регулирования электрофильтра. .............. 364 
8.6. Автоматизация режимов электролизно-водных генераторов 
водородно-кислородной смеси с применением микропроцессора  
и микро-ЭВМ. ................................................................................................. 366 
8.7. Тиристорные устройства защиты и управления электродвигателей 
технологических линий текстильного производства ................................. 385 
8.8. Генератор с транзисторным коммутатором импульсов для 
электроэрозивной обработки металлических изделий .............................. 389 
8.9. Ветроэлектронная станция (ВЭС) со стабилизацией параметров 
электрической энергии. ................................................................................. 390 
8.10. Автоматизация промышленных швейных машин на базе 
микропроцессорной техники ........................................................................ 393 
8.11. Цифровой регулятор температуры для автоматизированного 
гладильного пресса ........................................................................................ 397 
Литература ........................................................................................................ 403 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 

Для того чтобы технологическое оборудование могло автоматически 

работать, необходимо оснащение управляющими и регулирующими 

устройствами или системами. С развитием электроники и микроэлектроники 

произошел резкий скачок в процессы создания и внедрения этих систем. 

Наряду 
с 
управлением 
и 
регулированием 
важнейшими 
задачами 

технологического процесса являются контроль и анализ технологических 

операций, регистрация параметров процесса, индикация режимов, в том 

числе нарушений технологического процесса и аварий и т.д. Для этого 

возникает необходимость сбора и обработки информации, ввода, передачи и 

вывода данных, регистрации эксплуатационных параметров. С этой целью 

возникла реальная возможность внедрения микроконтроллеров (микро
ЭВМ) и управляющих вычислительных машин. Для того, чтобы создавать 

такие системы необходима современная элементная база на основе 

достижений 
электроники 
и 
микроэлектроники, 
электромеханики 
и 

информатики. Современная электроника позволяет обеспечить построение 

электронных систем и комплексов [5,6,14,19,27-29,31,49,65,86,87,89,90], в 

том 
числе 
создание 
автоматических 
систем 
электромеханического 

преобразования энергии [7,30,32,44,49,53,89,90]. Большие достижения и 

опыт 
разработки 
электронных, 
электротехнических 
или 

электромеханических, и механических систем позволяет перейти на новый 

уровень 
разработки 
систем 
автоматизированного 
управления 
и 

регулирования технологического оборудования машин и аппаратов с 

помощью мехатронных модулей систем технологического оборудования [9
11,20,45,46,50,51,52,60,69,72,73,82,83].  

В 
основу 
построения 
мехатронной 
системы 
заложены 
идеи 

взаимосвязи 
механических, 
электротехнических, 
электронных 
и 

компьютерных 
элементов 
и 
устройств. 
Каждая 
из 
перечисленных 

составляющих обеспечивает вполне самостоятельные функции и они 

объединяются таким образом, что образуют новую систему, которая 

получает качественно новые свойства. Наиболее точное определение, 

известное в научно-технической литературе: «Мехатроника изучает 

синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, 

электротехническими 
и 
компьютерными 
компонентами 
с 
целью 

проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин 

и комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональным 

движением». Началу этого нового направления в науке и технике положено 

в работах зарубежных ученых Иссии Х., Шмида Д., Хакса Иришика, Тамра 

М. и других. Среди отечественных ученых следует отметить работы 

Подураева Ю.В., Егорова О.Д., Карнаухова Н.Ф., Осипова Ю.М., Смирнова 

А.Б., Макарова И.М., Лохина В.М., Германа-Галкина С.Г. и других. 

Кроме того, в настоящее время существуют актуальные проблемы 

развития 
науки 
и 
техники, 
обусловленные 
необходимостью 

технологической модернизации российской промышленности, например в 

технологических комплексах формирования и обработки поверхностей 

изделий сложной пространственной формы, один из путей которого – 

создание 
их 
на 
основе 
мультикоординатных 
систем 
движения 
с 

интеллектуальным управлением. 

Вышеизложенное позволяет отметить, что развитие мехатроники 

продолжается и в новых прорывных направлениях науки и техники, и в 

«старых» областях, в которых высокое качество исследований и 

производство 
новых 
видов 
изделий. 
Оно 
обусловлено 
развитием 

микроэлектроники 
и 
компьютерных 
технологий, 
созданием 
новых 

электротехнических материалов. На стыке электромеханики, электроники и 

компьютерных технологий выделяется область мехатроники, названная 

исследователями «электромехатроника» (или «электромеханотроника»), 

обеспечивающая 
разработку 
интеллектуальных 
(самоуправляемых, 

самодиагностируемых и защищаемых от внешних воздействий), а также 

мультикоординатных 
устройств 
преобразования 
электрической 
и 

механической энергии. 

В нашей стране наиболее перспективно развивалось направление, 

связанное с электронизацией технических устройств, которое заключается в 

совмещении 
электромеханических 
преобразователей 
с 
электронными 

приборами и устройствами или электронными компонентами. В результате 

возник новый термин «электромеханотроника». Официальное признание 

электромеханотроники состоялось в октябре 1987 года на Первой 

Всесоюзной НТК по электромеханотронике. Развитие этого направления в 

соответствие с новой терминологией нашло отражение в работах Осипова 

Ю.М., Коськина Ю.П., Глебова И.А., Германа-Галкина С.Г., Бута Д.А., 

Смирнова Ю.С., Домрачева В.И., Аракепян А.К., Афанасьева А.А. и других. 

Мехатронные модули и системы включают в себя исполнительные 

органы, электромехатронные их не содержат. Кроме этого мехатроника 

предполагает в качестве главного признака использование компьютерного 

управления. 

В настоящее время и в ближайшем будущем бурное развитие 

нанотехнологий вторгается в мехатронику и определяет пути развития 

наномехатроники, расширяющего понятие «мехатроника» – нового понятия 

в 
связи 
с 
прогрессом 
науки 
и 
техники. 
Системы 
движения 
в 

наномехатронике организованы на уровне молекул, групп и отдельных 

атомов, возникают условия для инновационного развития экономики [7]. 

В данной книге авторы уделили внимание современной элементной 

базе, на базе которой можно построить составные компоненты мехатроники: 

электронным 
компонентам 
энергетического 
и 
информационного 

назначения, электромеханотронным комплексам, связующим звеньям 

электромеханотроники с электротехнологическими установками. Изложены 

принципы построения мехатронных модулей систем технологического 

оборудования, электромехатронных преобразователей и ихкомпонент. 

В последней главе приведены разработки авторов по разработке 

электронных 
и 
мехатронных 
систем 
управления 
технологическими 

процессами и производствами в области легкой промышленности и 

сервисного обслуживания. 

Книга 
предназначена 
для 
инженерно-технических 
работников, 

занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией систем 

автоматизации технологического оборудования, а также аспирантов и 

магистров технологических направлений подготовки. 

 

 

 
 

ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 

 

1.1. Полупроводниковые приборы. Принцип работы электронно
дырочного перехода 

 

К полупроводникам относят материалы, проводимость которых 

больше 
проводимости 
диэлектриков, 
но 
меньше 
проводимости 

проводников. В радиоэлектронике в качестве полупроводников наиболее 

часто используются кремний, германий, арсенид галлия, селен и др. 

Химически чистые или i-полупроводники имеют небольшую собственную 

проводимость, обусловленную свободными электронами и дырками 

теплового происхождения [3]. 

Полупроводник n-типа — это полупроводник с преобладающей 

электронной проводимостью. Преобладающая электронная проводимость 

возникает при добавлении донорных примесей, например пятивалентных 

сурьмы, мышьяка и т. п. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси 

легко ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной 

проводимости. 

Полупроводник р-типа возникает при добавлении к химически 

чистому полупроводнику акцепторных примесей, например, при добавлении 

трехвалентных бора, алюминия и др. к четырехвалентному кремнию. Атом 

примеси ионизируется, принимая электрон от соседнего атома основного 

полупроводника и создавая тем самым дырку в полупроводнике. Примесные 

полупроводники называются легированными. 

При нормальной температуре практически все атомы примесей 

ионизируются и проводимость примесного полупроводника существенно 

возрастает. Отметим, что, несмотря на возникновение только одного типа 

проводимости: или n-, или p-типа, примесные полупроводники будут 

электрически нейтральны, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами 

основных носителей заряда — электронов в n-области и дырок p-области 

полупроводника. Дырки в n-полупроводнике или электроны в р
полупроводнике называют неосновными носителями зарядов. 

Наибольшее применение нашли полупроводники, одна часть которых 

легирована акцепторными примесями, а другая — донорными. Переход 

между 
двумя 
областями 
полупроводника 
с 
разными 
типами 

электропроводности называется электронно-дырочным или р-п-переходом 

(рис. 1.1). 

 

 

Рис. 1.1. P-n-переход 

После создания в полупроводнике р- и n-областей начинается 

диффузионный ток основных носителей заряда: дырок из р-области в n
область и электронов в обратном направлении. Диффундируя, электроны и 

дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно 

заряженные ионы примесей. Отметим, что эти ионы жестко закреплены в 

кристаллической решетке и перемещаться не могут. В n-области 

диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая 

концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные 

положительные ионы. Аналогично в р-области диффундирующие электроны 

рекомбинируют с дырками, резко уменьшая концентрацию основных 

носителей 
заряда 
и 
дополнительно 
образуя 
нескомпенсированные 

отрицательные ионы. 

Таким образом, вблизи границы р- и n-областей концентрация 

основных 
носителей 
заряда 
резко 
падает. 
Возникает 
обедненный 

носителями слой, где "обнажаются" не скомпенсированные отрицательные и