Автоматизация производственных процессов

АВТОМАТИЗАЦИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 
ПРОЦЕССОВ

В.В. КЛЕПИКОВ
Н.М. СУЛТАН-ЗАДЕ
А.Г. СХИРТЛАДЗЕ

Рекомендовано 
Учебно-методическим советом СПО в качестве 
учебного пособия для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по специальностям 15.02.07 «Автоматизация технологических 
процессов и производств (по отраслям)», 15.02.08 «Технология 
машиностроения», 15.02.09 «Аддитивные технологии»  

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.8(075.32)
ББК 32.965я723
 
К48

Клепиков В.В.
Автоматизация производственных процессов : учебное пособие / В.В. Клепиков, Н.М. Султан-заде, А.Г. Схиртладзе. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 208 с.  — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-013871-8
Рассмотрены основные положения и принципы автоматизации технологических процессов изготовления деталей и сборки узлов машин, а также типовые технологические процессы автоматизации изготовления различных групп 
деталей машин. Приведены варианты заданий, методика, примеры выполнения практической работы и решения тестовых задач по автоматизации технологических процессов.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования укрупненной группы специальностей 15.02.00 «Машиностроение».

УДК 621.8(075.32)
ББК 32.965я723

Р е ц е н з е н т ы:
А.С. Калашников, доктор технических наук, профессор Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ);
В.П. Вороненко, доктор технических наук, профессор Московского государственного технологического университета «Станкин»

А в т о р ы:
Виктор Валентинович Клепиков, доктор технических наук, профессор — 
гл. 1–5, приложения (в соавт. с Н.М. Султан-заде), гл. 6 (в соавт. с Н.М. Султанзаде, А.Г. Схирт ладзе), гл. 7 (в соавт. с Н.М. Султан-заде);
Назим Музаффарович Султан-заде (1940–2015), доктор технических наук, 
профессор — гл. 1–5, приложения (в соавт. с В.В. Клепиковым), гл. 6 (в соавт. 
с В.В. Клепиковым, А.Г. Схиртладзе), гл. 7 (в  соавт. с В.В. Клепиковым);
Александр Георгиевич Схиртладзе, доктор технических наук, профессор — гл. 6 
(в соавт. с В.В. Клепиковым, Н.М. Султан-заде)

ISBN 978-5-16-013871-8
© Клепиков В.В., Султан-заде Н.М., 
Схиртладзе А.Г., 2016

К48

Глава 1 
Цель и задачи автоматизаЦии 
производства и еГо основные 
характеристики

Автоматизация производства — процесс в развитии машинного 
производства, при котором функции управления и контроля, выполняемые ранее человеком, передаются автоматическим управляющим 
устройствам. Различают три уровня автоматизации производства:
1) частичная — ограничивается автоматизацией отдельных операций технологического процесса за счет использования станков 
с автоматическим циклом управления или станков с ЧПУ;
2) комплексная — предполагает автоматизацию производственных процессов изготовления деталей или сборочных единиц 
с использованием автоматических систем машин (автоматических 
линий и гибких производственных систем);
3) полная — высшая ступень автоматизации, при которой все 
функции изготовления, контроля и управления производством выполняются автоматами.
Автомат — это самостоятельно действующее устройство или совокупность устройств, выполняющие по заданной программе без 
непосредственного участия человека процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации.
Автоматы могут работать в тяжелых, вредных и опасных для здоровья человека условиях, что полностью исключает или существенно 
снижает отрицательное воздействие производственного процесса на 
человека.
К экономическим преимуществам автоматизации можно отнести: 
возможность значительного повышения производительности труда; 
более экономичное использование физического труда, материалов 
и энергии; более высокое и стабильное качество продукции; сокращение периода времени от возникновения потребности в изделии до 
получения готовой продукции; возможность расширения производства без увеличения трудовых ресурсов.
Повышение производительности труда обеспечивается за счет:
1) более полного использования календарного времени при автоматической работе оборудования;
2) повышения скорости протекания процессов, которая не ограничивается физическими возможностями человека;

3) высвобождения людей для выполнения другой, еще не автома
тизированной работы.

Рассмотрим эти факторы подробнее. В течение года автомати
ческое оборудование может работать 365 дней × 24 ч = 8760 ч без 
учета простоев на замену режущих инструментов, переналадку и ремонт. При работе в две смены производительное время оборудования 
составляет лишь 2545 ч, что составляет 29% от годового календарного 
фонда времени (рис. 1.1), столько же времени приблизительно занимают праздничные и выходные дни. Остальное время составляют 
неиспользованная третья смена и потери времени по организационным и техническим причинам.

Автоматизация производства позволяет более экономично ис
пользовать труд, материалы и энергию. Повышение производительности труда по существу означает более экономичное использование 
труда. Автоматизация технологической подготовки производства 
позволяет сделать выбор наиболее рациональных методов и средств 
изготовления продукции, оптимизацию технологических процессов. 
Автоматическое планирование и оперативное управление производства обеспечивают оптимальные организационные решения, сокращают запасы незавершенного производства. Автоматическое 
регулирование процесса предотвращает потери от поломок инструментов и вынужденных простоев оборудования.

1.1. основные характеристики производственноГо 

проЦесса

Производственный процесс характеризуется большим числом 

технико-экономических показателей, наиболее важные из них:
• гибкость процесса и степень автоматизации;
• эффективность производственного процесса. 

рис. 1.1. Распределение календарного фонда времени за год

Количество выпускаемой продукции определяется объемом выпуска 
изделий за планируемый период времени и величиной серии, которые задаются планом. Выпуск продукции заданного качества в требуемом количестве — основная задача производственного процесса.
В машиностроении качество процесса характеризуется обеспечиваемой точностью размеров изделий, расположения поверхностей, 
шероховатостью поверхностей, свойствами поверхностного слоя, 
которые должны находиться в регламентированных чертежом пределах.
Производительность производственного процесса определяется количеством изделий, выпускаемых в единицу времени или в течение 
определенного периода времени. В поточном производстве производительность q измеряется величиной, обратной такту выпуска изделий Т:

q = 1/Т.

Производительность производственного процесса должна быть 
достаточной для того, чтобы обеспечить требуемый объем выпуска 
продукции за планируемый период.

1.2. размерные и временные связи 
и автоматизированные проЦессы изГотовления деталей

Производственный и технологический процессы характеризуются наличием целенаправленных потоков предметов, к которым 
относятся:
1) исходные материалы, заготовки, детали, сборочные единицы;
2) вспомогательные материалы;
3) режущие инструменты, приспособления, технологическая оснастка;
4) отходы производства.
В производственном процессе заготовки перемещаются в соответствии с предписанным технологическим маршрутом, образуя 
поток заготовок, а затем на сборке потоки деталей.
Для изготовления деталей необходим инструмент, который 
должен быть собран, настроен на требуемый размер или измерен 
и в нужный момент доставлен на требуемое место. После выработки 
инструментом определенного периода стойкости режущий инструмент должен быть снят со станка и отправлен в отделение переточки, где инструмент разбирают, перетачивают, снова собирают 
и отправляют на склад.
Таким образом, в производственном процессе заготовки, изделия, 
инструменты, приспособления, отходы производства периодически 
перемещаются каждый по своему маршруту через технологическое 

оборудование, склады и накопители, различные производственные 
участки и отделения при помощи транспортных устройств (рис. 1.2).

Для организации и управления предметными потоками в произ
водственном процессе необходима различная информация: о наличии необходимых деталей и материалов; начале и окончании обработки конкретной заготовки на конкретном станке; достигнутой 
точности размеров; состоянии режущего инструмента и других параметрах производственного процесса.

В неавтоматизированном производстве многие информационные 

процессы оказываются скрытыми, поскольку они выполняются 
людьми, которые дополняют недостающую в документации информацию за счет своих знаний и опыта. Например, в мелкосерийном 
производстве технологические процессы изготовления простых деталей подробно не разрабатывают. Квалифицированный рабочий 
может сам изготовить на станке деталь, пользуясь чертежом. При 
автоматизации этого же процесса с использованием станка с числовым программным управлением (ЧПУ) необходимо не только 
учесть все нюансы обработки, включая режимы резания, траекторию 
перемещения инструментов и т.д., но и представить эту информацию 
в виде управляющей программы, пригодной для ввода в конкретную 
систему ЧПУ станка.

Таким образом, при автоматизации производственного процесса 

за счет детализации автоматически выполняемых действий для 

рис. 1.2. Потоки заготовок, изделий и информации в производственном 

процессе

реализации производственного процесса резко возрастает количество необходимой информации. Особенно это касается гибкого 
автоматизированного производства с автоматической переналадкой 
станков на изготовление требуемого изделия. Автоматизация производства предполагает автоматизацию предметных и информационных потоков. Автоматизация предметных потоков осуществляется 
с помощью автоматических транспортных систем, автоматических 
складов и накопителей, устройств автоматической загрузки и выгрузки станков и другого технологического оборудования. Автоматизация сбора информации о состоянии производственной системы 
осуществляется установкой различных автоматических измерительных средств: устройств активного контроля размеров и свойств 
деталей, контактных измерительных головок, координатно-измерительных машин, устройств отсчета перемещений, путевых выключателей и других датчиков информации. Для автоматической передачи 
информации используются различные каналы связи, а для автоматического преобразования информации и принятия решения 
о совер шении какого-либо действия — ЭВМ, устройства ЧПУ, программируемые контроллеры, различные устройства ввода и вывода 
информации и др.
Таким образом, производственный процесс подразделяется на:
 
• процесс транспортирования и складирования материалов;
 
• процесс сборки (сборка изделия, загрузка и разгрузка заготовок, 
сборка и разборка приспособлений и т.д.);
 
• процессы формообразования и обеспечения требуемого качества 
деталей.

1.3. размерные и временные связи проЦессов

Основой автоматизации производственных процессов является 
автоматизация действий, составляющих содержание технологической операции, так как автоматизированный производственный 
процесс состоит из множества автоматизированных технологических 
операций и операций транспортирования заготовок из мест складирования к рабочим местам и от рабочих мест к местам складирования. При этом координаты месторасположения складов выбираются в зависимости от характера производства.
Действия в рамках одной операции по отношению к одной заготовке могут осуществляться один раз или многократно, поэтому необходимо ввести коэффициент повторяемости этих действий. Кроме 
того, эти действия по отношению к их началу должны подчиняться 
определенному отношению, т.е. одни действия должны предшествовать другим. Отсюда следует, что для составления временной структуры каждое действие должно задаваться моментом начала этого 

действия. По своей сущности действие должно осуществляться 
в определенной точке пространства и над определенными предметами или материальными точками. В общем случае для определенности задания действия должно быть указано, в какой точке пространства оно начинается, над какими материальными точками 
и в какой точке пространства должно завершиться. Таким образом, 
каждое действие задается множеством параметров:

В = {i [(х1, у1); (х2, у2) ... (хп, уп)]  f (x, y)},

где (xi, yi) — пространственные координаты i-й материальной точки 
в начале выполнения действия и по его завершению; f(x, y) — траектория перемещения i-й материальной точки. Перемещение i-й 
материальной точки осуществляется во времени, т.е. х и yt являются 
функциями времени или f (x,(t), y,(t)). При этом выполняется следующее условие: tg < t < tg, где tg″ и tg
k — моменты начала и окончания 
действия, в рамках которого осуществляется перенос i-й материальной точки по требуемой траектории.

1.4. автоматизированные проЦессы изГотовления 
деталей

В качестве средств автоматизации процесса изготовления деталей 
используются: оборудование с ЧПУ; робототехнические комплексы 
(РТК); гибкие производственные системы (ГПС); автоматические 
линии (АЛ). Применение тех или иных средств определяется программой выпуска деталей, их номенклатурой, конструктивными особенностями.
Основным оборудованием для механической обработки различных по своему служебному назначению деталей в условиях 
крупно серийного и массового производства являются АЛ или 
система из них. В крупносерийном производстве за АЛ закрепляются 
от одной до десяти различных деталей. Технологический процесс 
обработки заготовок на АЛ кроме обычных технико-экономических 
и технических требований должен удовлетворять условиям, согласно 
специфике автоматического производства. При обработке заготовок 
на синхронных АЛ необходимо обеспечить приблизительно равную 
или кратную длительность выполнения отдельных операций за счет 
коррекции режимов резания. Если основное технологическое время 
на одной или нескольких операциях значительно превышает машинное время на остальных операциях, часто приходится эти лимитирующие операции разделять на несколько операций, выполняемых 
на дополнительных позициях. Первые подготовительные операции, 
на которых обрабатываются базовые поверхности, обычно выносятся 
на отдельные станки. Это объясняется тем, что подобные операции 

трудно автоматизировать, так как заготовку устанавливают на необработанные поверхности, а последующая установка заготовок на АЛ 
на чистовые базы требует другой ориентации заготовки и приспособлений. При необходимости вести обработку от черновых баз на всех 
операциях на АЛ используют спутники, на которых заготовка закрепляется один раз.
Среднесерийное производство, находясь на стыке крупносерийного и серийного производства, предъявляет специфические требования к металлообрабатывающему оборудованию. Традиционные АЛ 
в среднесерийном производстве не рентабельны из-за малого коэффициента загрузки, а использование одношпиндельных многооперационных станков с ЧПУ невыгодно, так как для обработки 
больших партий деталей требуется значительное количество этого 
дорогостоящего оборудования. Поэтому в среднесерийном производстве производительность повышают за счет использования многошпиндельной обработки. В оборудовании со сменными шпиндельными коробками корпусная заготовка остается неподвижной в течение всего цикла обработки, а инструменты, установленные 
в сменную шпиндельную коробку, подаются к заготовке в соответствии с технологическим процессом обработки. Ее производительность определяется суммой затрат времени на выполнение всех операций. Количество наименований деталей, обрабатываемых на оборудовании со сменными шпиндельными коробками, зависит от 
программы выпуска и трудоемкости обработки и может достигать 
10–12 шт.
В серийном производстве с программой выпуска от 5000 до 
30 000 шт. в год включительно многошпиндельную обработку деталей 
экономически целесообразно выполнять на агрегатном оборудовании со сменными шпиндельными коробками, что увеличивает 
производительность труда в 5–10 раз по сравнению с одношпиндельной обработкой на станках с ЧПУ.
Основным средством автоматизации мелкосерийного и серийного производств является гибкая производственная система (ГПС). 
К основным функциям ГПС и ее основного элемента — гибкого производственного модуля (ГПМ) — относятся: механическая обработка 
заготовок; загрузка заготовок и выгрузка деталей с основного и вспомогательного оборудования; подача заготовок и деталей на позиции 
загрузки-выгрузки; складирование заготовок и деталей; контроль 
состояния элементов ГПС; контроль выполнения технологических 
процессов; управление технологическим процессом, материальными 
и информационными потоками; обеспечение ГПМ станочной, контрольной и вспомогательной оснасткой.

1.5. типовые компоновки автоматических линий и Гпс

Автоматическая линия — это система машин, автоматически
выполняющих в определенной технологической последовательности 
и с заданным ритмом весь процесс изготовления или переработки 
продукции производства. АЛ по структурной компоновке делятся на 
(рис. 1.3): однопоточные синхронного действия (а); двухучастковые 
однопоточные линии асинхронного действия (б); многоучастковые 
однопоточные асинхронного действия с накопителями (в); многопоточные многоучастковые асинхронного действия без накопителей 
(г); многопоточные многоучастковые асинхронного действия с накопителями (д).

1

1

1

1
1
1

1
1
1

2

2

2

2
2
2

2
2
2

3

3
k

k –1
k

q1

q1

z1

z1

z2

z2

n1

n1

n2

n2

zk–1

zk–1

nk

nk

q2

q2

q3
qk
а

б

в

д

г

рис. 1.3. Типовые компоновки автоматических линий