Автоматизация производственных процессов в машиностроении

В.А. СКРЯБИН

А.Г. СХИРТЛАДЗЕ

А.Е. ЗВЕРОВЩИКОВ

А.Н. МАШКОВ

УЧЕБНИК

Москва
КУРС 

ИНФРА-М 

АВТОМАТИЗАЦИЯ 

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 

ПРОЦЕССОВ 

В МАШИНОСТРОЕНИИ

Допущено  

Учебно-методическим объединением (УМО АМ)  

по образованию в области автоматизированного машиностроения  

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлениям подготовки «Конструкторско
технологическое обеспечение машиностроительных производств», 

«Автоматизация технологических процессов и производств»

УДК 681.5:621(075.8)
ББК 39.17:34.4я73
 
С45

Скрябин В.А., Схиртладзе А.Г., Зверовщиков А.Е., Машков А.Н. 
Автоматизация производственных процессов в маши
ностроении: учебник / В.А. Скрябин, А.Г. Схиртладзе. — М.: 
КУРС: ИНФРА-М, 2023. — 320 с. 

ISBN 978-5-906818-60-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012387-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105407-9 (ИНФРА-М, online)
В учебнике рассматриваются общие принципы построения автоматизиро
ванных технологических систем современного производства: концепция автоматизации; оборудование и системы автоматизированного промышленного 
производства; принципы проектирования технологических процессов и операций механической обработки деталей на станках с ЧПУ и роботизированных 
технологических комплексах.

Рассмотрены также автоматизированные системы управления технологиче
скими процессами, их функции и структуры; автоматизация управления на базе 
программно-технических комплексов; обоснование и разработка функций  
системы управления, информационного, математического и программного 
обеспечения; интегрированные системы автоматизации и управления технологическими процессами, производствами и предприятиями.

Обсуждается концепция безлюдной и гибкой технологии, рассматриваются 

средства жесткой и гибкой автоматизации, принципы создания автоматизированных технологических комплексов и гибких производственных систем. Систематизированы вопросы автоматизации вспомогательных технологических 
операций и роботизации производства. 

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обуча
ющихся по направлению 2.15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 681.5:621(075.8)
ББК 39.17:34.4я73

Р е ц е н з е н т ы:
Захаров О.В. — д-р техн. наук, профессор кафедры «Проектирование 

технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А.;

Пахалин Ю.А.  — д-р техн. наук, директор ООО «Инструментальное 

производство ЮРПАХ».

С45

©  Скрябин В.А., Схиртладзе А.Г., 

Зверовщиков А.Е., Машков А.Н., 2016

© КУРС, 2016

ISBN 978-5-906818-60-7 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012387-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105407-9 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объема выпуска продукции и снижение ее себестоимости неизбежно связаны с автоматизацией производственных процессов. Автоматизация производства влечет за собой повышение 
производительности труда, рост объемов выпуска продукции, повышение качества продукции, сокращение доли человеческого труда 
в производственном процессе и интеллектуализацию человеческого 
труда. Прогресс производительных сил общества в современных 
условиях определяется степенью автоматизации производства. 
В странах с более высоким уровнем автоматизации производства 
обеспечивается более высокий уровень жизни населения.
Автоматизация производства в развитых странах идет высокими 
темпами и влечет за собой сокращение доли населения, участвующего в производстве. Предполагается, что в промышленном производстве развитых стран будет занято только около 2% трудоспособного населения. Это будут, в основном, специалисты высокой 
квалификации.
Основу производства представляют технологические процессы 
разного назначения. Автоматизация технологических процессов является наиболее сложной задачей. Современные средства автоматизации представляют комплекс машин и механизмов с электронными 
и компьютерными системами управления.
Несмотря на разнообразие технологических процессов в различных видах производства, их автоматизация базируется на общих 
принципах. Знание этих принципов позволяет специалисту по автоматизации работать на разных производствах и легко адаптироваться 
к решению конкретных задач автоматизации. Наибольший опыт автоматизации технологических процессов накоплен в области машиностроения и приборостроения. Именно для этих отраслей разработаны и широко используются многочисленные средства автоматизации различного назначения, которые находят применение и в других 
отраслях (например, широко распространенные промышленные роботы).
Рассматривая производство в целом как объект автоматизации, 
следует выделить производства массовые, характеризующиеся большими объемами выпуска продукции ограниченной номенклатуры, 
и производства многономенклатурные (серийные), характеризующиеся выпуском ограниченных по величине партий продукции 

широкой номенклатуры. Для массовых производств первостепенное 
значение имеет обеспечение высокой производительности. Для многономенклатурных производств большое значение приобретает фактор гибкости производства, заключающийся в возможности автоматизированной перестройки производства при смене выпускаемой 
продукции.

Глава 1
ОсНОВы аВтОматИзацИИ 
тЕхНОлОГИчЕскИх прОцЕссОВ 
И прОИзВОДстВ

1.1. современная концепция автоматизации 
производства

Промышленное производство призвано удовлетворять потребности общества в промышленной продукции. При возникновении 
в обществе потребности в новой или модернизированной промышленной продукции (возникновение спроса на продукцию) потенциальный производитель осуществляет ее проектирование и подготовку производства, после чего начинается само производство. Производство продукции продолжается, пока существует спрос на нее 
и реализация продукции приносит прибыль.
В производственном процессе выпуска новой или модернизированной продукции можно выделить ряд основных этапов. На первом 
этапе осуществляется проектирование продукции, в процессе которого разрабатывается техническая документация (технический проект и рабочая документация) на продукцию и проводятся необходимые исследования для обеспечения требуемого уровня потребительского качества продукции.
На основании разработанного проекта осуществляется проектирование технологии изготовления продукции и подготовка ее производства. После завершения пусконаладочных работ и приемносдаточных испытаний оборудования и технологических процессов 
начинается непосредственно производство продукции, которая реализуется конечным потребителям.
Каждый этап производственного процесса требует определенного 
(порой весьма значительного) времени и привлечения материальных 
и людских ресурсов. Все это обусловливает необходимые затраты на 
производство продукции. Производство может существовать и развиваться только в том случае, когда цена реализации продукции 
выше затрат на ее производство и производителю обеспечивается 
достаточная прибыль. В то же время в условиях рыночного хозяйства 
производитель стремится к максимальной прибыли.

Увеличению прибыли способствуют следующие обстоятельства:
 
• сокращение сроков на освоение выпуска новой или модернизированной продукции с целью опережения конкурентов и монополизации ценообразования на продукцию (возможность установления максимальной цены продукции);
 
• сокращение затрат на проектирование продукции, подготовку ее 
производства и само производство;
 
• повышение потребительского качества продукции и ее конкурентной способности.
Для сокращения временных затрат необходимы либо привлечение дополнительных материальных и людских ресурсов, либо интенсификация производственных процессов на всех этапах производства, либо сочетание обоих факторов. Наиболее предпочтителен путь 
интенсификации производства, который связан с необходимостью 
повышения производительности труда. Основным средством повышения производительности производственных процессов является 
их автоматизация.
В развитых странах до 80% производственных затрат составляет 
оплата труда участвующих в производстве людей. Следовательно, 
доминирующим фактором сокращения производственных затрат 
является сокращение в производстве доли человеческого труда, что 
опять-таки требует автоматизации производства.
Повышение производительности труда позволяет в приемлемые 
сроки провести больший объем исследований, больший объем работ 
по доводке продукции и технологии ее изготовления, оптимизировать продукцию и ее производство. Это влечет повышение потребительского качества продукции и ее конкурентной способности.
Таким образом, основным средством повышения эффективности 
производства является его комплексная автоматизация. Комплексная автоматизация предполагает автоматизацию как интеллектуальных функций людей, занятых в производстве, так и их физических функций, связанных с производством. Необходима автоматизация: процессов проектирования новой или модернизированной 
продукции; процессов научных исследований, выполняемых в интересах производства; процессов подготовки производства; процессов управления производством и технологическими процессами, 
а также самих технологических процессов производства продукции.
Подход к решению задачи автоматизации производства зависит 
от объема производства данного вида продукции. По этому признаку 
производство может быть массовым и многономенклатурным (серийным). При массовом производстве продукция определенного вида 

производится в больших количествах и в течение продолжительного 
периода времени. Серийное производство характеризуется большой 
номенклатурой производимой продукции, выпускаемой ограниченными партиями с частыми сменами вида продукции.
При автоматизации массового производства допустимы значительные затраты на автоматизацию производства данного вида продукции, поскольку их компенсация требует приемлемого роста цены 
продукции. Например, затраты на автоматизацию производства 
в 500 тыс. руб. при производстве партии изделий в 500 тыс. шт. могут 
быть компенсированы повышением цены одного изделия всего на 
1 руб. Следовательно, при массовом производстве допустимо 
(и в большинстве случаев желательно) использование специальных 
и специализированных средств автоматизации, предназначенных 
только для производства данной продукции и реализующих конкретные технологические процессы. Основной целью автоматизации 
массового производства является получение наивысшей производительности при выпуске определенной продукции.
Типичными примерами продукции массового производства являются подшипники качения, патроны к стрелковому оружию массового применения, одноразовые медицинские шприцы и др. Эта 
продукция производится непрерывно в течение многих лет без всяких изменений и потребляется в больших количествах.
Основными средствами автоматизации массового производства 
являются цикловые автоматы и автоматические линии с жестким 
рабочим циклом. Отсутствие необходимости перестройки рабочего 
цикла автомата или редко возникающая необходимость позволяет 
использовать в таких автоматах кулачковые и рычажные механизмы 
с заданной траекторией движения, кулачковые системы управления, 
командоаппараты и цикловые системы управления с аппаратной реализацией.
Технологические автоматы специального и специализированного 
назначения используются для автоматизации различных технологических операций. В области машиностроения и металлообработки, 
например, нашли широкое применение кулачковые токарные автоматы для изготовления фасонных деталей; копировальные автоматические станки токарной, фрезерной и шлифовальной групп; многорезцовые станки-автоматы; многошпиндельные станки-автоматы 
и др.
Иначе обстоит дело при многономенклатурном производстве. 
При выпуске, например, партии изделий в 100 шт. отсутствует реальная возможность (с точки зрения экономической эффектив

ности) компенсации больших затрат на автоматизацию производства именно данного вида изделия. Значительные затраты на автоматизацию производства здесь окупятся только в том случае, если 
используемые средства автоматизации пригодны для производства 
и других видов изделий, т.е. обладают определенной универсальностью.
Следовательно, автоматизация многономенклатурного производства должна быть гибкой и обеспечивать возможность оперативного 
перехода на выпуск иного вида продукции. При этом сам такой переход, связанный с перестройкой технологических процессов, должен осуществляться либо автоматически, либо в автоматизированном режиме с наименьшими дополнительными затратами. Таким 
образом, автоматизация многономенклатурного производства существенно отличается от автоматизации массового производства и требует более сложных принципиальных решений по сравнению с массовым производством.
Если учесть, что массовое производство промышленной продукции занимает менее 20% в общем объеме производства, то становится очевидной актуальность гибкой автоматизации.
В основе современного автоматизированного производства лежит 
концепция «безлюдной» и гибкой технологии. «Безлюдная» технология предполагает высокий уровень автоматизации всех производственных процессов с сокращением доли человеческого труда на 
производстве в 20 и более раз. Предполагается, что полномасштабная 
реализация этой концепции приведет к тому, что в промышленном 
производстве ведущих стран будет занято только около 2% трудоспособного населения.
Гибкая технология означает возможность выпуска в автоматизированном производстве произвольной номенклатуры изделий в любых количествах (вплоть до индивидуального производства). При 
этом все процессы создания или модернизации продукции и перестройки производства осуществляются в автоматизированном режиме.
Гибкая технология актуальна для производств с большой номенклатурой выпускаемой продукции при частом обновлении этой номенклатуры и основана на широком использовании принципов 
программного управления, когда изменение управляющей программы ведет к изменению рабочего цикла объекта управления, что 
позволяет перестраивать рабочие циклы простой заменой управляющих программ.

1.2. Этапы и средства автоматизации производства

Предшественником автоматизации явилась комплексная механизация производства, в процессе которой физические функции 
человека в производственном процессе выполнялись с помощью механизмов с ручным управлением. Труд человека при этом облегчался 
физически, и его основной деятельностью становилось управление 
механизмами. Механизация направлена на облегчение условий человеческого труда и повышение его производительности.
По мере развития механизации возникает задача полной или частичной автоматизации управления механизмами. В результате решения 
этой задачи создаются технологические автоматы, способные в большей 
или меньшей степени выполнять производственные функции без участия человека. Возникновение и распространение технологических автоматов положило начало автоматизации производства.
В развитии автоматизации можно выделить ряд последовательных 
этапов, каждый из которых характеризуется появлением новых 
средств автоматизации и расширением состава объектов автоматизации производства. Укрупненно, применительно к промышленному 
производству, можно выделить следующие основные этапы автоматизации.
1. Автоматизация массового производства. При массовом производстве промышленной продукции задача повышения производительности труда стоит особенно остро. Здесь возможны значительные затраты на средства автоматизации, поскольку, будучи отнесенными к единице продукции (при большом числе единиц продукции), 
они приводят к приемлемому росту ее цены.
В результате становится целесообразным создание и использование в производстве специализированных и специальных технологических автоматов. Каждый такой автомат рассчитан на единственную технологическую операцию или ограниченный набор технологических операций при производстве определенного изделия. 
Задача перестройки автомата на выпуск других изделий либо ставится в ограниченном объеме, либо не ставится вовсе.
Основной целью автоматизации является получение максимальной производительности. Технологический процесс изготовления 
изделия разбивается на простые операции малой длительности, которые можно выполнять параллельно на разных технологических 
автоматах.
Из технологических автоматов создаются поточные линии в соответствии с последовательностью технологических операций процесса 

изготовления изделия. Дальнейшее повышение уровня автоматизации достигается путем автоматизации межоперационного транспорта и промежуточного складирования (межоперационные накопители полуфабрикатов). Результатом такой комплексной автоматизации технологического процесса является создание автоматических 
линий.
Автоматическая линия реализует в автоматическом режиме технологический процесс изготовления определенного изделия. Автоматическая линия для достижения наивысшей производительности 
строится из специального и специализированного оборудования. 
Создание и внедрение автоматической линии требует больших временных и материальных затрат; следовательно, такие линии экономически эффективны только при массовом производстве изделий, 
когда одно и то же изделие в неизменном виде выпускается непрерывно в больших количествах в течение ряда лет. Автоматические 
линии имеют ограниченные возможности для переналадки на изготовление иной продукции, или такие возможности вообще не предусматриваются.
Поскольку использование автоматических линий и цикловых технологических автоматов ограничено массовым и крупносерийным 
производством, то, соответственно, ограничены объемы автоматизированного производства на их основе. По разным оценкам, объем 
массового и крупносерийного производства составляет от 15 до 20% 
общего объема производства, и эта доля имеет тенденцию к сокращению. Следовательно, уровень автоматизации производства с помощью автоматических линий и цикловых автоматов может составить не более 15–20%. Реально этот уровень еще меньше.
Цикловые технологические автоматы и автоматические линии 
относятся к средствам «жесткой» автоматизации. С их помощью 
можно достичь весьма высокой производительности труда, однако 
область использования таких средств ограничена и только на их основе полная автоматизация производства невозможна.
2. Автоматизация основных операций обработки многономенклатурного производства. Многономенклатурное производство предполагает изготовление разнообразных изделий партиями ограниченного 
объема в ограниченные сроки. Номенклатура изделий и объемы партий могут колебаться в широких пределах: от единичных изделий до 
партий среднесерийного производства.
При многономенклатурном производстве технологическое оборудование должно быть в значительной степени универсальным и 
обеспечивать переналадку и перестройку на изготовление разнооб