Автоматизация производственных процессов

АВТОМАТИЗАЦИЯ 

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 

ПРОЦЕССОВ

М. С. ЧЕПЧУРОВ
Б. С. ЧЕТВЕРИКОВ

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»)

Москва 
ИНФРА-М 

202

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, 2023. — 
274 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737 / text-
book_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 образова-

тельных 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 ка-

федрой 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 «Конструкторско-
технологическое 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

Обозна-

чение
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 непере-
крытого 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-