Автоматизация технологических процессов и производств. Введение в специальность

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ 

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

В.М. Виноградов, А.А. Черепахин

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

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723
 
В49

Виноградов В.М.
В49 
 
Автоматизация технологических процессов и производств. Введение в специальность : учебное пособие / В.М. Виноградов, А.А. Черепахин. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 161 с. — (Среднее 
профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-536-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013873-2 (ИНФРА-М)

В учебном пособии рассмотрены этапы развития техники, машиностроения и автоматизации производства как основы проектирования технологических машин и комплексов. Приведены примеры оригинальных 
проектных решений по автоматизирующему оборудованию и в целом 
по современным технологическим комплексам в машиностроении.
Учебное пособие предназначено для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям 
15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств» 
и 15.02.08 «Технология машиностроения».

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

Р е ц е н з е н т ы:
Ю.В. Максимов — доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Автоматизированные станочные системы и инструменты» 
Московского государственного машиностроительного университета 
(МАМИ);
В.В. Клепиков — доктор технических наук, профессор Московского 
государственного индустриального университета

ISBN 978-5-00091-536-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013873-2 (ИНФРА-М)

© Виноградов В.М., 
Черепахин А.А., 2014
© ФОРУМ, 2014

Предисловие

Основной задачей курса «Введение в специальность» является 
формирование у студентов четкого представления о характере их будущей профессиональной деятельности, ее видах, профессиональных 
компетенциях, а также других возможных специализациях, связанных 
с конкретным профилем подготовки.
Для обеспечения успешного усвоения основных технических 
дисциплин по данному профилю необходимо сформировать у студентов правильное мировоззрение по истории развития техники, 
машиностроения, промышленного производства и технологии машиностроения как науки. Особое внимание следует обратить на 
развитие автоматизации производственных процессов и оборудования как основу проектирования технологических машин и комплексов.
Один из характерных процессов научно-технической революции 
заключается в том, что к традиционным трем звеньям машин (двигатель, передаточный механизм, рабочий орган) добавляется новое, 
четвертое звено — универсальные средства автоматизации с программным управлением, с охватом всего комплекса операций. Это 
резко улучшает работу оборудования, открывает большие возможности для сокращения ручного труда, в первую очередь тяжелого как 
в физическом, так и психологическом отношении.
В настоящее время в технической политике взят курс на создание 
автоматизированных производств, построенных на базе технологических комплексов, обеспечивающих выпуск требуемой номенклатуры и количества деталей машин при минимальном экономически обоснованном количестве обслуживающего персонала и производственных площадей.

Под автоматизированным производством рекомендуется понимать действующую совокупность технологических комплексов, объединенных единой транспортно-накопительной системой, системой 
управления и диспетчирования, необходимыми для унифицирования, 
обеспечивающую выполнение замкнутого технологического процесса 
на совокупности обрабатываемых деталей с минимальным участием 
человека.
Признано считать центральной задачей создание надежных и высокоавтоматизированных станочных модулей и комплексов, которые 
допускали бы их объединение без дополнительного привлечения рабочей силы посредством транспортно-накопительных систем и централизованного управления в крупные автоматизированные производства, обеспечивающие обработку и контроль деталей.
Технические и технологические обрабатывающие комплексы следует создавать на базе отработанных конструкций станочных модулей, 
объединенных единым технологическим процессом, управлением 
и транспортом, в том числе роботизированным.
Загрузочные устройства и устройства межоперационного транспортирования в большинстве проектируются вместе с обрабатывающим оборудованием и предназначаются для определенных изделий. 
Однако обеспечение их работоспособности в эксплуатации является 
достаточно сложной задачей, требующей высокой квалификации обслуживающего персонала.
Повышение требований к работе оборудования привело к созданию типовых конструкций, обеспечивающих оптимальные варианты станков и транспортно-загрузочных устройств. Часть загрузочно-разгрузочных операций выполняют механизмы самих станков, 
для других — используют специальные устройства, имеющие самостоятельный привод и систему управления.
В связи с поставленными задачами весь курс введения в специальность целесообразно представить в виде двух частей — теоретической 
и лабораторно-практической. Теоретическую часть следует посвятить 
представлению информации об истории развития техники и машиностроения; автоматизации технологических процессов и оборудования 
как основе проектирования технологических машин и комплексов; 
примерам проектных решений при создании технологических комплексов.

В лабораторно-практической части необходимо дать студентам 
начальные знания по металлорежущим станкам, инструментам, технологической оснастке, конструкционным материалам, резанию 
и пластическому деформированию металла в процессе обработки 
заготовок, промышленным роботам и прочим автоматизирующим 
устройствам.

Ðàçäåë I
ÒÅÎÐÅÒÈ×ÅÑÊÀß ×ÀÑÒÜ

Глава 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ,
МАШИНОСТРОЕНИЯ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ

1.1. Исторический путь развития промышленности
и машиностроения в России

История возникновения металлообработки в России исследована
мало, хотя и известно, что уже в Х в. русские мастераремесленники
обладали высокой техникой изготовления оружия, предметов домашнего обихода и т. п. Уже в ХII в. при изготовлении оружия применяли
сверлильные и токарные устройства с ручным приводом и вращательным движением инструмента или обрабатываемой заготовки, а в
ХIV—ХVI вв. стали использовать токарные и сверлильные станки с
вращательным движением от водяной мельницы (рис. 1.1).
Зарождение металлообрабатывающей промышленности первоначально было отмечено в окрестностях г. Тулы в ХVI в. Эта промышленность была основана на использовании местной железной руды.
Более значительное развитие металлообработка получила во времена
Петра I, когда ремесленные мастерские стали превращаться в фабрики и заводы, оборудованные машинами.
К этому времени относятся также и первые шаги в механизации
производственных процессов.
Военная промышленность как единственная область массового
производства в то время положила начало введению принципа взаимозаменяемости в технологию производства.

В 1615 г. в России была изготовлена первая пушка с нарезным
стволом, а в 1632 г. около Тулы построены заводы для производства
литых пушек, стволы которых изготавливались сверлением и растачиванием. Значительный вклад в технологию машиностроения был
внесен в эпоху Петра I путем внедрения в производство ряда новых
технологических процессов по изготовлению артиллерийского и
стрелкового вооружения, монет, постройки кораблей и создания для
этих технологий новых оригинальных станков и инструментов, принципиальные схемы которых используются и в наше время.
В последующие годы металлообрабатывающая промышленность
получила дальнейшее развитие не только на оружейных, но и на
вновь возникших машиностроительных заводах, занимающихся изготовлением паровозов, вагонов, станков и других изделий.
Основой развития машиностроения в России послужили проекты
и труды русских механиков, изобретателей и ученых, которые сумели
обобщить и успешно внедрить в производство опыт изготовления
вооружений и предметов быта. Начало ХVIII в. было отмечено созданием производственных процессов и машин для обработки деталей,
которые легли в основу будущего станкостроения.

Глава 2. История развития техники, машиностроения...
25

Рис. 1.1. Станок А.К. Нартова для обтачивания опорных цапф орудийных стволов:
1 — орудийный ствол; 2 — цапфа; 3 — вращающаяся резцовая головка; 4 — водяное колесо; 5 — груз механизма продольной подачи каретки ствола; 6 — рейка каретки ствола; 7 — деревянная рама, установленная на вбитых в землю сваях;
8 — подвижная каретка ствола

В 1712 г. на Тульском оружейном заводе русский механик
М.В. Сидоров создал «вододействующие машины» для сверления
оружейных стволов (рис. 1.2).

В 1714 г. Яков Батищев построил станки для одновременного
сверления 16 ружейных стволов и зачистки напильниками наружных
и внутренних поверхностей оружейных стволов с помощью «водил»
от мельничных приводов.
В период с 1718 по 1725 г. русский механик и изобретатель
А.К. Нартов создал механический суппорт для токарного станка, который с помощью реечношестеренного привода перемещался вдоль обрабатываемой детали. Он также создал винторезный, зуборезный, пилонасекательный и другие станки оригинальной конструкции (рис. 1.3).
Большой вклад в создание обрабатывающего оборудования внес
М.В. Ломоносов (1711—1765), построивший лоботокарные, сферотокарные и шлифовальные станки. Изобретатель паровой машины
И.И. Ползунов (1728—1764) построил специальные цилиндрорасточные и другие станки для обработки деталей паровой машины. Русский механик И.П. Кулибин (1735—1818) создал специальные станки
для производства зубчатых колес часовых механизмов.
В это же время были сделаны первые шаги в механизации производственных процессов. Простейшее автоматическое устройство на
основе поплавка и системы прикрепленных к нему рычагов, способное производить те или иные действия по управлению машиной,
было создано И.И. Ползуновым.

26
Раздел I. Теоретическая часть

Рис. 1.2. Модель «вододействующей машины» для сверления оружейных стволов
М.В. Сидорова

История развития машиностроения показывает, что темпы технического прогресса непрерывно возрастали, сокращалось время от
появления технической идеи до ее реализации, от изобретения до
широкого применения технических средств.
Рост темпов технического прогресса можно проиллюстрировать
также следующими примерами: с момента открытия электрического
тока в конце ХVIII в. до создания первой электростанции прошло
около века. В 1942 г. был создан первый маломощный атомный реактор Ферми. Прошло только 12 лет до пуска в СССР первой атомной
электростанции (1954 г.). Если идея создания телефона была сформулирована в 1820 г., а осуществлена в опытном образце через 56 лет, то
радио проделало этот путь за 35, радар — за 15, телевизор — за 14, лазер — за 9, транзистор — за 5 лет.
Конструкция машин непрерывно совершенствовалась. Замена
машин новыми чаще всего происходила потому, что обеспечивалась
большая экономичность, производительность, улучшались условия

Глава 2. История развития техники, машиностроения...
27

Рис. 1.3. Модели станков А.К. Нартова:
а — большой токарнокопировальный станок; б — токарнополировальный медальерный станок (1712 г.)

а

б

труда. Так, в 1814 г. был создан первый паровоз, который усердно служил человечеству 150 лет. В 1955 г. производство паровозов в СССР
было полностью прекращено, так как он оказался менее экономичным, чем электровоз и тепловоз. Путь прогресса в машиностроении
включал также непрерывное расширение производства машин, работающих при высоких скоростях, нагрузках, давлениях и температурах.
Развитие техники неизбежно вело к усложнению конструкции
машин, увеличению составляющих их деталей как с механическими
элементами (валами, зубчатыми колесами, рычагами и др.), так и с
гидравлическими, пневматическими, электрическими и электронными элементами. Возрастали требования к быстроте управления машинами, их надежности и долговечности. Актуальной становилась задача автоматизации процесса управления с помощью быстродействующих электронных устройств.
История техники убедительно показывает, что наряду с развитием конструкции машин непрерывно совершенствовались и способы
их изготовления, процессы обработки деталей, оборудование и формы организации производства.
Под влиянием расширяющихся потребностей производства различных деталей машин непрерывно изменялись и совершенствовались металлорежущие станки и инструменты. Создание новых станков и инструментов, использование новых схем обработки являлось
одним из путей повышения эффективности обработки деталей машин.
Следует учитывать, что не только методы обработки оказывали
влияние на конструкцию деталей всевозможных машин, но и развитие машиностроения влияло на развитие способов обработки и конструкции металлообрабатывающих станков и инструментов. Например, создание реактивных двигателей заставило машиностроителей
разработать не только способы обработки лопаток турбин, имеющих
сложную фасонную поверхность, но и создать новые станки и инструменты для реализации этих способов.
Необходимость резкого увеличения производительности труда
при расширении объемов производства деталей заставило машиностроителей обратить внимание на возможности сокращения затрат
вспомогательного времени (на закрепление и съем детали, пуск станка, его подналадку и т. п.).
Наиболее эффективным средством, обеспечивающим сокращение вспомогательного времени, является автоматизация производ28
Раздел I. Теоретическая часть

ства, где все функции станочника заменяются техническими средствами, созданными на основе достижений науки. Переход к автоматизации стал возможным в результате разработки и освоения
производства автоматов и полуавтоматов, поточных и автоматических линий.
Соединение в одно целое отдельных машинавтоматов и механических транспортных устройств позволил получить техническую систему большой производительности. Однако эффективно работать
такая система может только при полной нагрузке. Поэтому комплексноавтоматизированное производство должно базироваться на
продукции, имеющей массовый характер.
Однако массовое производство составляет 15—20 % общего объема машиностроения. До 85 % составляет серийное и единичное производство, требующее гибкого быстропереналаживаемого оборудования. До 80х гг. прошлого столетия создалась парадоксальная ситуация: 15—25 % продукции изготавливалось на автоматизированном
оборудовании, а большая часть (55—75 %) на универсальном оборудовании с ручным управлением. И только появление станков с ЧПУ и
использование групповой технологии позволили в корне изменить
ситуацию.

1.2. История развития автоматизации
технологических машин и комплексов

Автоматизация появилась практически сразу с возникновением
производства. Самодействующие устройства, прообразы автоматов,
известны еще с глубокой древности. Однако в условиях мелкого кустарного и полукустарного производства вплоть до XVIII в. практического применения они не получили и, оставаясь занимательными
«игрушками», свидетельствовали лишь о высоком искусстве древних
мастеров. Совершенствование орудий и приемов труда, приспособление машин и механизмов для замены человека в производственных
процессах вызвали в конце XVIII — начале XIX в. резкий скачок уровня и масштабов производства, известный как промышленная революция XVIII—XIX вв.
Промышленная революция создала необходимые условия для механизации производства, в первую очередь прядильного, металлои деревообрабатывающего.

Глава 2. История развития техники, машиностроения...
29