Комплексная автоматизация технологических процессов

Комплексная автоматизация 
технологических процессов

Учебное пособие 

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.9(075.8)
ББК 34.63
К63

К63
Комплексная автоматизация технологических процессов : учебное 
пособие / [А. П. Яковлева и др.]. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Бау мана, 2020. — 75, [1 ] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5319-1

Даны описание и анализ систем автоматизированного управления ка- 
чеством изделий. Рассмотрены особенности возникновения составляющих 
погрешностей обработки в условиях комплексной автоматизации. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности 
15.05.01.03 «Проектирование технологических машин и комплексов», 
15.05.01.23 «Проектирование технологических машин и комплексов», 
15.04.02.70 «Проектирование технологических машин и комплексов», а также 
молодых специалистов и инженеров.

                                                                                               УДК 621.9(075.8)
                                                                  ББК 34.63

 

 
 
        © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

 
 
        © Оформление. Издательство

ISBN 978-5-7038-5319-1                                                                   МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6437/

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Технологии машиностроения»

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

А в т о р ы:

А.П. Яковлева, Л.В. Савельева, А.В. Зайцев, Ю.С. Иванова, В.В. Галий

Предисловие 

Учебное пособие подготовлено в соответствии  с учебной программой дисциплины «
Комплексная автоматизация технологических процессов».
Цель пособия — познакомить студентов с теоретическими сведениями в 
области проектирования технологических процессов  изготовления деталей 
и технологического обеспечения качества изделий в  условиях комплексной 
автоматизации производства.
Задачи пособия: 
• объяснить специфику проектирования техпроцессов при комплексной 
автоматизации;

• показать как применять средства автоматизации;
• научить обеспечивать заданную точность изделий при автоматизации 
техпроцессов.
В пособии особое внимание уделено автоматизации технологических процессов 
изготовления деталей, обеспечению точности механической обработки 
в условиях автоматизации.
В настоящее время автоматизация производства является одним из основных 
факторов современной научно-технической революции, открывающей 
перед человечеством возможности преобразования природы, создания огромных 
материальных богатств, умножения творческих способностей человека. 
Развитие автоматизации характеризуется рядом крупных достижений. Одним 
из первых было внедрение сборочных конвейеров Генри Форда в процесс 
производства. Значительный переворот в автоматизации производства произвели 
промышленные роботы и персональные компьютеры. Все это подтолк- 
нуло наше общество на путь нового автоматизированного управления процессом 
производства.
Для эффективного функционирования предприятия повсеместно вводится 
автоматизация, она становится неотъемлемой частью всего производственного 
процесса. И это вполне оправданно и выгодно, ведь снижаются затраты и 
повышается качество продукции. Знания, полученные из данного курса, обязательно 
пригодятся молодому специалисту для дальнейшего совершенствования 
производства.
После изучения учебного пособия студенты будут знать отличительные 
особенности цикловых систем автоматизации, систем с прямым контролем, систем 
управления с косвенным контролем и контролем выходных параметров обработки, 
составляющие погрешности обработки и мероприятия по их снижению, 
причины возникновения погрешностей интерполяции, аппроксимации и погрешности 
позиционирования исполнительных органов станка, а также владеть 
навыками выбора технологических способов обеспечения качества изделий 
в автоматизированном производстве.

Глава 1

Этапы развития, цели и задачи 
комплексной автоматизации производства

Комплексная автоматизация производства — это процесс, при котором 
функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются 
приборам и автоматическим устройствам. Комплексная автоматизация является 
основой развития современной промышленности, генеральным направлением 
научно-технического прогресса. Цель комплексной автоматизации производства 
заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества 
выпускаемой продукции, создании условий для оптимального использования 
всех ресурсов производства и повышении производительности труда.
Развитие автоматизации производства можно условно подразделить на три 
этапа.
Первый этап охватывает период времени с начала XVIII до конца XIX сто- 
летия. В 20-е годы XVIII столетия в России изобретателем А.С. Нартовым был 
разработан автоматический суппорт для токарно-копировального станка. 
В 1765 г. русским механиком И.И. Ползуновым — творцом первой паровой 
машины универсального назначения — был создан первый в мире промышленный 
автоматический регулятор для поддержания постоянного уровня воды 
в котле паровой машины. В регуляторе Ползунова была реализована идея, являющаяся 
и поныне центральной в устройствах автоматического регулирования. 
В 1784 г. механиком Дж. Уаттом (Великобритания) также для паровой 
машины был разработан центробежный регулятор скорости. В течение всего 
XIX столетия происходило совершенствование регуляторов для паровых машин. 
На первом этапе развития автоматизации были попытки создания автоматических 
станков и линий с жесткой кинематической связью. Следует 
отметить, что развитие автоматизации производства в этот период времени 
основывалось на принципах и методах классической механики.
Второй этап развития автоматизации производства — конец XIX и середина 
XX столетия. Этот этап связан с развитием электротехники и практическим 
применением электричества в средствах автоматизации. Важное значение имеют 
изобретение П.Л. Шиллингом (Великобритания) магнитоэлектрического 
реле  в 1850 г. — одного из основных элементов электроавтоматики, разработка 
Ф.М. Балюкевичем в 1880 г. ряда устройств автоматической сигнализации на 
железнодорожном транспорте, создание русским инженером С.Н. Апостоловым-
Бердичевским первой в мире автоматической телефонной станции.
К началу XX в. относятся широкое развитие и использование электрических 
систем автоматического регулирования. Индивидуальный привод 
отдельных рабочих органов машин и введение между ними электрических 
связей существенно упростили кинематику машин, сделали их менее громоздкими 
и более надежными. Будучи более гибкими и удобными в эксплуатации, 
электрические связи позволили создать комбинированное электрическое 
и механическое программное управление, обеспечивающее автоматическое 

выполнение неизмеримо более сложных операций, чем на машинах-автоматах 
с механическим программным устройством. Для второго этапа развития 
автоматизации характерно появление электронно-программного управления: 
были созданы станки с числовым программным управлением (ЧПУ), обрабатывающие 
центры и автоматические линии, содержащие в качестве компонента 
оборудование с программным управлением.
Переходом к третьему этапу развития (начиная со второй половины 
XX столетия) автоматизации послужили новые возможности ЧПУ, основанные 
на применении микропроцессорной техники, что позволило создавать 
принципиально новые системы машин, в которых сочетались бы высокая 
производительность автоматических линий с требованиями гибкости производственного 
процесса. Современные микроэлектроника и ЭВМ дают возможность 
достичь высшего уровня автоматизации.
Предшественником автоматизации производства была механизация производства, 
в процессе которой физические функции человека в производственном 
процессе выполнялись с помощью механизмов с ручным управлением. 
При этом труд человека облегчался физически и его основной функцией 
становилось управление механизмами. Механизация направлена на облегчение 
условий человеческого труда и повышение его производительности.
По мере развития механизации возникла задача полной или частичной 
автоматизации управления механизмами. В результате решения этой задачи 
были созданы 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 производства можно выделить ряд последовательных 
частей, каждая из которых характеризуется появлением новых средств 
автоматизации и расширением состава объектов автоматизации производства. 
Укрупненно, применительно к промышленному производству, можно выделить 
следующие основные части автоматизации:
1) комплексную автоматизацию массового производства;
2) автоматизацию основных операций обработки многономенклатурного 
производства;
3) промышленную робототехнику;
4) автоматизацию управления;
5) автоматизацию инженерного труда;
6) интеграцию автоматизированных производственных систем в единое 
гибкое автоматизированное производство (ГАП).
Комплексная 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), эти затраты 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 совсем.
Основной целью комплексной автоматизации является достижение 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 комплексной 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. Для достижения наивысшей 
производительности такая линия строится из специального и специа- 
лизированного оборудования. Создание и внедрение автоматической линии 
требует больших временнûх 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 имеет тенденцию 
к сокращению. Следовательно, уровень автоматизации производства 
с помощью автоматических линий и цикловых автоматов может составить не 
более 15–20 %. В действительности 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 применения таких 
средств ограничена и только на их основе полная автоматизация производства 
невозможна.
Автоматизация основных операций обработки многономенклатурного производства. 
Многономенклатурное производство предполагает изготовление разнообразных 
изделий партиями ограниченного объема в ограниченные сроки. 
Номенклатура изделий и объемы их 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 разнообразных изделий (в пределах 
технологических возможностей оборудования). При автоматизированном 
производстве переналадка и перестройка должны осуществляться в автоматизированном 
режиме с минимальным объемом ручных операций или с полным 
их исключением.
При снижении серийного производства используется гибкая автоматизация. 
Основным принципом гибкой автоматизации является программное 
управление технологическим оборудованием. Рабочий цикл технологического 
оборудования задается управляющей программой, содержащей кодированное 
описание последовательности элементов рабочего цикла с использованием 
определенной символики. Управляющая программа разрабатывается обособленно 
от управляемого оборудования и оформляется на некотором машинном 
носителе, что позволяет считывать ее автоматическому устройству управления 
технологического автомата.
Принцип программного управления технологическим оборудованием 
сначала был реализован для автоматизации металлорежущих станков, затем 
появились и стали широко распространяться станки с ЧПУ. Первые модели 
станков с ЧПУ из-за недостаточного совершенства требовали при изменении 
рабочего цикла не только замены управляющей программы, но и некоторых 
ручных операций для переналадки. Такие станки оказывались эффективными 
при обработке партий однотипных деталей объемом не менее 50–100 шт. 
По мере совершенствования принципов ЧПУ и технических решений этот 
предел постоянно снижался, и в настоящее время станки с ЧПУ эффективны 
даже в индивидуальном производстве.
Вначале были созданы станки с ЧПУ для определенных видов механической 
обработки. В последующем получили распространение многооперационные 
станки с ЧПУ с автоматической сменой обрабатывающего инструмента 
(обрабатывающие центры).
Станки с ЧПУ позволяют автоматизировать процесс обработки деталей и 
обладают гибкостью, поскольку способны перестраиваться на обработку деталей 
иной формы путем замены управляющей программы. Это обстоятельство 
позволяет автоматизировать процесс переналадки станка и, следовательно, 
повышает уровень автоматизации производства.
Принцип ЧПУ ввиду эффективности получил распространение и для другого 
технологического оборудования, что позволило обеспечить гибкую автоматизацию 
разнообразных технологических операций. Оборудование с ЧПУ 
в первую очередь стало применяться в машиностроении, приборостроении и 
металлообработке, а также в других отраслях.
Основным недостатком оборудования с ЧПУ является отсутствие автоматизации 
вспомогательных операций и необходимость в ручном обслуживании 
оборудования, что приводит к снижению коэффициента использования оборудования 
до уровня 40–60 %.

Промышленная робототехника. Автоматизация основных операций технологических 
процессов привела к росту противоречия между уровнем автоматизации 
основных операций и уровнем автоматизации вспомогательных 
операций (в первую очередь операций загрузки–разгрузки автоматизиро- 
ванного оборудования). В качестве средства устранения этого противоречия 
была предложена концепция программно-управляемого перестраиваемого автомата 
для выполнения вспомогательных операций по обслуживанию автоматизированного 
оборудования.
Такие автоматы появились в 60-е годы XX века и получили название промышленных 
роботов (ПР). Первые разработки ПР были ориентированы на 
замену человека при выполнении операций загрузки заготовок в технологические 
автоматы и разгрузки обработанных изделий. На базе технологического 
автомата и обслуживающего его робота были созданы и продолжают совершенствоваться 
роботизированные технологические комплексы (РТК).
С помощью РТК появилась возможность комплексной автоматизации 
отдельных технологических операций или ограниченного набора технологических 
операций в многономенклатурном производстве. Первые РТК с использованием 
простых ПР с программным управлением были эффективны 
в среднесерийном производстве. По мере совершенствования ПР (роботы с 
ЧПУ, адаптивные роботы, интеллектуальные роботы) повысилась их гибкость 
и появилась возможность эффективного применения в мелкосерийном и индивидуальном 
производстве.
Промышленные роботы постоянно совершенствуются, улучшаются технические 
характеристики роботов, расширяются их функциональные возможности, 
расширяется сфера применения. В настоящее время основная масса 
выпускаемых ПР ориентирована на выполнение таких технологических операций, 
как сварка, окраска, сборка, и некоторых других основных технологических 
операций. Наряду с такими ПР продолжают использоваться загрузочно-
разгрузочные роботы, появились транспортные роботы и др.
Автоматизация управления. Управление в любом производстве требует решения 
большого объема задач по сбору и обработке информации, принятию 
решений и контролю их исполнения. Для решения задач управления привлекаются 
значительные людские ресурсы. Качество решения управленческих задач 
в существенной мере определяет результат производства.
Возможность автоматизации управления появилась с развитием и широким 
распространением ЭВМ и соответствующего программного обеспечения, 
когда это стало доступно для использования отдельными предприятиями и 
позволило автоматизировать процессы сбора и обработки информации, необходимой 
для принятия управленческих решений и контроля хода производства, 
а также решать задачи планирования производства, материального 
обеспечения, учета труда и заработной платы и ряда других задач управления 
производством. Эти системы получили название автоматизированных систем 
управления производством (АСУП). Они обеспечивают решение задач организационного 
и диспетчерского управления производством. Основной эффект 
от внедрения АСУП заключается в сокращении времени, необходимого 

для принятия управленческих решений, повышении оперативности управления 
и его качества, а также в сокращении управленческого персонала, занятого 
рутинной обработкой информации.
Наряду с АСУП появились системы автоматизированного управления 
технологическими процессами (АСУ ТП), которые позволяют в автоматизированном 
режиме решать задачи оперативно-технического, диспетчерского 
и организационного управления отдельными технологическими процессами 
производства. Интеграция АСУ ТП с автоматизированным технологическим 
комплексом обеспечивает реализацию концепции «безлюдной» технологии в 
производстве.
Автоматизация инженерного труда. Производство требует затрат высококвалифицированного 
труда специалистов — инженеров. Инженеры создают 
новую продукцию, проводят научные исследования и испытания, разрабатывают 
новые технологические процессы и модернизируют старые. Без инженерного 
труда невозможен прогресс производства. Затраты на оплату инженерного 
труда в производственных расходах составляют значительную долю 
(по стандартам промышленно развитых стран).
Стремление повысить эффективность инженерного труда, сократить материальные 
и временнûе затраты на проектирование новой или модернизированной 
продукции, проведение исследований, подготовку производства привели 
к созданию соответствующих автоматизированных систем на базе ЭВМ, 
поскольку инженерный труд — интеллектуальный. Типичные инженерные 
задачи являются эвристическими, опирающимися на значительный объем рутинных 
работ.
Для автоматизации инженерного труда используются программно-технические 
комплексы на базе ЭВМ: системы автоматизации проектирования (
САПР); автоматизированные системы научных исследований (АСНИ); 
автоматизированные системы технологической подготовки производства 
(АСТПП). Первые две системы используются конструкторами и исследователями 
для разработки новой или модернизации существующей продукции. 
Результатом их работы являются технические и рабочие проекты новой продукции.

Для реализации этих проектов необходимо выполнить подготовку производства 
спроектированной продукции. Эта задача возлагается на специалистов-
технологов, осуществляющих проектирование новых технологических 
процессов или модернизацию существующих. Для автоматизации труда технологов, 
который поддается алгоритмизации, предназначены АСТПП. Использование 
АСТПП позволяет повысить эффективность подготовки производства, 
сократить материальные и временнûе затраты на этот процесс, улучшить 
качество результатов и сократить затраты человеческого труда.
Интеграция автоматизированных производственных систем в единое гибкое 
автоматизированное производство (ГАП). Интеграция заключается в совместном 
использовании и взаимодействии перечисленных выше систем автоматизации 
для достижения конечной цели производства. При этом системы 

автоматизации интеллектуальных функций человека (проектирование, управление, 
исследования, разработка технологий) используют общие базы данных, 
что обеспечивает прямой обмен информацией между базами.
В ГАП основным принципом управления оборудованием и процессами 
является программное управление от вычислительной системы (ВС), что обеспечивает 
перестройку производства на выпуск новой или модернизированной 
продукции программным путем (заменой управляющих программ) в автоматизированном 
режиме. В результате производство приобретает свойство 
гибкости и реализует концепцию гибкой технологии. Комплексная автоматизация 
человеческого труда позволяет сократить долю человеческого труда в 
ГАП в 20 раз по сравнению с традиционным производством. Такое производство 
реализует концепцию «безлюдной» технологии.
В условиях ГАП автоматизированы как физические, так и интеллектуальные 
функции человека. Для автоматизации интеллектуальных функций основным 
средством является вычислительный комплекс (ВК). Поэтому ГАП 
часто называют интегрированным и компьютеризированным производством.
Повышение нестабильности рынка, усиление конкурентной борьбы за потребителя 
между производителями, практически неограниченные возможности 
научно-технического прогресса привели к частой сменяемости продукта. 
Главным фактором в конкурентной борьбе стало время. Фирма, которая может 
за короткий срок довести идею до промышленного освоения и предложить 
потребителю высококачественный и относительно дешевый товар, становится 
победителем.
Быстрая сменяемость продукции и требования ее дешевизны при высоком 
качестве приводят к противоречию: с одной стороны, низкие производственные 
издержки (при прочих равных условиях) обеспечиваются применением 
автоматических линий, специального оборудования, с другой стороны, проектирование 
и изготовление такого оборудования нередко занимают 1,5–2 года 
(даже в настоящих условиях), т. е. к моменту начала выпуска изделия оно уже 
морально устареет.
Применение универсального оборудования (неавтоматического) увеличивает 
трудоемкость изготовления, т. е. цену, что недопустимо в рыночных отношениях.

Главным требованием комплексной автоматизации производства является 
повышение его гибкости, т. е. увеличение возможности переналадки на изготовление 
различного вида изделий без остановки производства. Основные 
достоинства комплексной автоматизации:

• машинная гибкость — способность автоматического перехода на обработку 
любого изделия;

• маршрутная гибкость — способность нормально функционировать при 
отказе отдельных частей;

• встраиваемость — способность наращивать технические средства методом 
дополнения;

• малочисленность обслуживающего персонала.