Автоматизация производственных процессов

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 
ПРОЦЕССОВ

М. С. ЧЕПЧУРОВ
Б. С. ЧЕТВЕРИКОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Учебно-методическим советом ВО 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение», 
15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств» (квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 621.7-52(075.8)
ББК 32.965я73
 
Ч44

Чепчуров М. С.
Автоматизация производственных процессов : учебное пособие / 
М. С. Чепчуров, Б. С. Четвериков. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
274 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737 / textbook_5bf2838b23e9f5.83215632.

ISBN 978-5-16-014256-2 (print)
ISBN 978-5-16-106747-5 (online)
Рассмотрены вопросы автоматизации в области машиностроения, 
конструирования для автоматизированного машиностроения, разработки технологических процессов автоматизированных производств, транспортирующие и ориентирующие устройства, современное оборудование, используемое в автоматизированном производстве, а также системы 
управления. В отдельной главе приведена методика сравнительной оценки экономической эффективности внедрения автоматизации.
Соответствует требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Учебное пособие рекомендовано для студентов направлений 15.03.01 
«Машиностроение» и 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», изучающих дисциплину 
«Автоматизация производственных процессов».

УДК 621.7-52(075.8)
ББК 32.965я73

Ч44

А в т о р ы:
Михаил Сергеевич Чепчуров, доктор технических наук, профессор 
кафедры технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета имени В. Г. Шухова;
Борис Сергеевич Четвериков, кандидат технических наук, старший 
преподаватель кафедры подъемно-транспортных и дорожных машин 
Белгородского государственного технологического университета 
имени В. Г. Шухова

Р е ц е н з е н т ы:
М. В. Вартанов, доктор технических наук, профессор, профессор 
кафедры технологии машиностроения Московского политехнического университета;
А. В. Аверченков, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой компьютерных технологий и систем Брянского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-014256-2 (print)
ISBN 978-5-16-106747-5 (online)
© Чепчуров М. С., 
Четвериков Б. С., 2019

Введение

Автоматизация — замена человеческого труда машинным. Это 
определение известно с древних времен. Человечество всегда пыталось заменить свой труд работой животных. Впервые действительно 
избавили от ручного труда механические устройства, заменяющие 
мускульную энергию человека, — машины, их первое упоминание 
содержится в Ветхом Завете1.
Первым, кто попытался систематизировать известные знания 
и разработки в области автоматизации, был Герон Александрийский, 
живший в I веке н.э. Он также является автором оригинальных разработок по использованию в качестве привода автоматов механической энергии, энергии воды и даже пара. К сожалению, собранная 
им библиотека не сохранилась, она была утрачена во время многочисленных войн Древнего мира и раннего Средневековья.
До наших дней дошли описания различных автоматических 
устройств, использовавшихся в Древнем Риме и Византии, а некоторые из них были найдены на раскопках, например автоматические мукомольные заводы, использующие энергию воды.
Средневековье принесло новые автоматические механизмы 
и машины, применявшиеся главным образом в военных целях. 
Использовали они чаще всего энергию сжатых пружин или скрученных сухожилий животных.
Эпоха Возрождения дала толчок не только развитию искусств, 
но и инженерного дела. В этот период выделяется отдельная наука — механика, частью которой  автоматизация. Один из самых 
известных ученых этого периода — Леонардо да Винчи (1452–1519), 
широко известный своими инженерными изобретениям. В это же 
время происходит первая попытка заменить умственный труд машинным — это изготовление Паскалем Блезом (1623–1662) счетной машины, получившей название «Паскалина», которая, по некоторым сведениям, использовалась в лавке его отца, являвшегося 
бакалейщиком.
Начало эпохи индустриализации связано с появлением ткацких машин, которые, по сути, были автоматическими или, точнее, 
полуавтоматическими, так как загрузку сырья в ткацкий станок 
и разгрузку продукции выполнял рабочий. Автоматизация посте
1 
Здесь имеется в виду греческий перевод Библии, откуда пришел термин 
«машина».

пенно проникала и в другие отрасти, революцию в механической 
обработке произвело изобретение Андреем Константиновичем 
Нартовым (1693–1756) «самоходного пьедестальца», используемого 
и в наши дни как самоходный суппорт.
Изобретение во второй половине XVIII в. парового двигателя 
привело к необходимости регулирования оборотов на его валу, что 
вначале выполнял человек, периодически открывая и закрывая выпускной клапан. Изобретение Джеймсом Уатом в 1794 г. центробежного регулятора оборотов на валу паровой машины — по сути, 
реализация основного принципа автоматического управления: 
принципа обратной связи. Это явилось значительным шагом в области автоматизации.
В XIX в. появился новый источник энергии для машин — электричество. Изобретение профессором Дерптского университета 
Борисом Семеновичем Якоби электрического двигателя, используемого в качестве привода оборудования, значительно упростило 
процессы создания автоматических устройств. Во второй половине 
XIX и в начале XX в. происходит бурный рост производства, или 
массовая индустриализация, которая стала возможной благодаря 
появлению в машиностроительных производствах полуавтоматов 
и автоматов. В этот период были построены первые поточные и автоматические линии, до настоящего времени используемые в массовом производстве.
Накопление задач в области автоматизации производственных 
процессов породило проблему управления, что привело к возникновению одноименной области науки. Первым, кто попытался 
обобщить и систематизировать знания в области управления1, был 
Норберт Виннер.
В середине XX в. появились первые электронные вычислительные машины, выполняющие большие объемы операций в короткие 
промежутки времени, что позволило управлять сложными технологическими процессами, в том числе и машиностроительными 
производствами. Если до появления возможности выполнения 
больших объемов вычислений применялись средства «жесткой» 
автоматизации, т.е., например, автоматическая линия изготавливалась под конкретное изделие, и ее переналадка на выпуск другого подобного изделия с другими параметрами требовала больших временных затрат, то использование вычислителя позволило 
перейти к «гибкой» автоматизации. В результате появились новое 
оборудование с программным управлением и промышленные ро
1 
Здесь авторы понимают только управление в технике.

боты. Отдельным классом выступает оборудование с адаптивным 
управлением, впервые в СССР разработанное под руководством 
Б. С. Балакшина.
Увеличение мощности вычислительных устройств, в том числе 
и графического проектирования, повлекло появление автоматизации процессов технологической подготовки производства. Таким 
образом, совмещение систем управления оборудованием, технологическим процессом, подготовкой производства привело к созданию современных цифровых производств, являющихся синтезом 
различных технологий.
Появившиеся новые информационные технологии дают возможность создавать целые производства с распределением технологических ресурсов, с организацией удаленного доступа к процессам.
Авторы настоящего учебного пособия не ставят своей целью обобщение знаний в области автоматизации производственных процессов машиностроительных предприятий, в издании рассмотрены 
только те вопросы, которые являются актуальными при решении 
часто встречающихся производственных задач.
Учебное пособие рекомендовано для студентов направлений 15.03.01 «Машиностроение» и 15.03.05 «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств», 
обучающихся по программе бакалавриата, оно полезно при подготовке к экзаменам и выполнении расчетов в курсовых и выпускных 
квалификационных работах.
По окончании обучения студент будет:
знать
 
• основные понятия и определения в области автоматизации технологических процессов машиностроительных производств;
 
• методические, нормативные и руководящие материалы, относящееся к автоматизации производственных процессов в машиностроении;
 
• принципы работы, технические характеристики, конструктивные и технологические особенности технических средств автоматизации технологических процессов;
 
• основные цели, задачи и перспективы автоматизации машиностроительных производств;
 
• методы системного решения задач автоматизации;
уметь
 
• выполнять работы по проектированию, информационному обслуживанию;
 
• выполнять работы по техническому контролю в автоматизированном машиностроительном производстве;

 
• выбирать эффективные средства изготовления деталей с рациональным уровнем автоматизации;
 
• выбирать оптимальные варианты вспомогательных средств автоматизации (транспорта, накопителей, загрузочных устройств);
 
• выявлять размерные, временные и информационные связи в автоматизированном технологическом процессе с целью повышения эффективности производства;
владеть
 
• современными методами разработки оптимальных автоматизированных и автоматических производственных процессов;
 
• методами проведения комплексного техноэкономического анализа обоснованного принятия решений в автоматизированном 
машиностроении;
 
• методами сокращения производственного цикла изделия, содействия подготовке процесса их реализации с обеспечением 
необходимых технических данных в автоматизированном машиностроительном производстве.

Глава 1
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Перед началом изучения нового курса следует усвоить основные 
термины и определения, используемые для данной предметной области. Определим термины, используемые в области автоматизации. 
Они строго устанавливаются стандартом, хотя некоторые из них существуют значительное время и авторство их неизвестно. Согласно 
ГОСТ 23004—78 [10] используются следующие определения.
Механизация технологического процесса — применение энергии 
неживой природы в технологическом процессе или его составных 
частях, полностью управляемых людьми, осуществляемое в целях 
сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства, 
повышения объема выпуска и качества продукции.
Таким образом, под механизацией можно понимать замену мускульной энергии человека или животного энергией устройств или 
машин.
Автоматизация технологического процесса — применение энергии неживой природы в технологическом процессе или его составных частях для их выполнения и управления ими без непосредственного участия людей, необходимое для сокращения трудовых 
затрат, повышения объема выпуска и качества продукции, а также 
улучшения условий производства.
Согласно этому определению заменяется не только физический 
труд человека, но и умственный, что актуально в наше время, так 
как электронные вычислительные машины используются не только 
в производстве расчетов при решении математических и управленческих задач, но и способны генерировать решения и моделировать 
ситуации.
Механизация живого труда — применение энергии неживой 
природы в технологическом процессе, обеспечивающее исключение людей из его выполнения или облегчение их труда при сохранении за ними управления этим процессом.
При механизации живого труда человека его функции заключаются в контроле и управлении технологическим процессом.
Автоматизация живого труда — применение энергии неживой 
природы в технологическом процессе, обеспечивающее исключение участия людей в выполнении процесса и управления им.

При автоматизации живого труда участие человека в выполнении технологического процесса исключается полностью, но за ним 
могут оставаться функции мониторинга технологического процесса 
и принятия ключевых решений, например аварийной остановке.
Автоматический метод выполнения технологического процесса — 
метод выполнения технологического процесса и управления им без 
непосредственного участия людей.
Данный метод содержит способы реализации безлюдной технологии как в ходе самого технологического процесса, так и управления им.
Для понимания описания автоматической реализации технологических процессов различных производств необходимо использовать термины и определения, приводимые в ГОСТ 3.1109—82 [13], 
характеризующие технологический процесс:
Цикл технологической операции — интервал календарного времени от начала до конца периодически повторяющейся технологической операции независимо от числа одновременно изготовляемых или ремонтируемых изделий.
Такт выпуска — интервал времени, через который периодически производится выпуск изделий или заготовок определенных наименований, типоразмеров и исполнений.
Ритм выпуска — количество изделий или заготовок определенных наименований, типоразмеров и исполнений, выпускаемых 
в единицу времени.
Технологический режим — совокупность значений параметров 
технологического процесса в определенном интервале времени.
К параметрам технологического процесса относятся: скорость 
резания, подача, глубина резания, температура нагрева или охлаждения и т.д.
При нормировании автоматизированных технологических процессов следует пользоваться следующими определениями штучного 
времени и его составляющих.
Штучное время (Тш) — интервал времени, определяемый отношением цикла технологической операции к числу изделий, одновременно изготовляемых или ремонтируемых на одном рабочем месте.
Ручное время (Тр) — часть штучного времени, затрачиваемая 
людьми при выполнении технологической операции без применения средств технологического оснащения.
Кооперированно-ручное время (Ткр) — часть штучного времени, 
затрачиваемая людьми при выполнении технологической операции 
с применением средств технологического оснащения, приводимых 
в действие энергией людей или животных.

Неперекрытое ручное время — часть штучного времени, определяемая суммой ручного и кооперированно-ручного времени.
Машинно-ручное время (Тмр) — часть штучного времени, затрачиваемая при одновременном применении энергии людей и неживой природы.
Полное ручное время — часть штучного времени, затрачиваемая 
людьми при выполнении технологической операции и определяемая, в общем случае, суммой ручного, кооперированно-ручного 
и машинно-ручного времени.
Неперекрытое машинное время — часть штучного времени, равная времени функционирования средств технологического оснащения при использовании только энергии неживой природы.
Полное машинное время (Тм) — часть штучного времени, равная 
времени функционирования средств технологического оснащения 
при использовании энергии неживой природы совместно с энергией людей и без нее.
Время управления (Ту) — время, затрачиваемое людьми при наблюдении за технологической операцией и воздействиях на средства управления для обеспечения их правильного функционирования.
Согласно [13] существуют показатели автоматизации, которые 
приведены в табл. 1.1.
Согласно ГОСТ 23004—78 [10] существуют следующие средства 
технологического оснащения:
Ручное техническое устройство — техническое устройство, которое управляется при участии людей и функционирует без использования энергии неживой природы.
Техническим устройством называется изделие машиностроения 
или приборостроения, применяемое для преобразования, перемещения, контроля объектов или управления ими. К техническим 
устройствам относят машины, инструменты, приспособления и т.д.
Объектами воздействий технических устройств могут быть материалы, заготовки, изделия, энергия, информация, ископаемые, 
растения и т.д.
Функционирование технического устройства представляет выполнение технологической операции по установленному алгоритму.
Механизированно-ручное (автоматизированно-ручное) техническое устройство — техническое устройство, функционирующее при 
одновременном применении энергии людей и неживой природы, 
которое управляется людьми без использования (с частичным использованием) энергии неживой природы.

Таблица 1.1

Основные показатели автоматизации

Основные показатели 
автоматизации

Обозначение
Содержание

Временной уровень 
механизации (автоматизации) живого труда

dт
Отношение неперекрытого машинного 
времени к штучному времени

Временной уровень 
механизации (автоматизации) средств технологического оснащения

dп
Отношение полного машинного времени к штучному времени

Энергетический уровень механизации (автоматизации) живого 
труда

Wт
Отношение полезных затрат энергии 
неживой природы в течение неперекрытого машинного времени к сумме 
полезных затрат энергии неживой 
природы и людей в течение штучного 
времени.
Примечание. При оценке состояния 
автоматизации технологических процессов показатели Wт и Wп применяются в качестве дополнительных 
показателей

Энергетический уровень механизации (автоматизации) средств 
технологического оснащения

Wп
Отношение полезных затрат энергии 
неживой природы в течение полного 
машинного времени к сумме полезных 
затрат энергии неживой природы и людей в течение штучного времени

Механизированное (автоматизированное) техническое устройство — техническое устройство, функционирующее при последовательном применении энергии людей и неживой природы, которое 
управляется людьми без использования (с частичным использованием) энергии неживой природы.
Автоматическое техническое устройство — техническое устройство, функционирующее и управляемое по заданному алгоритму 
с использованием энергии неживой природы, без непосредственного участия людей.
Машина ручного действия (ручная машина) — машина, являющаяся ручным техническим устройством.
Машиной называется отдельное техническое устройство, состоящее, в общем случае, из энергетической, передаточной, ис