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 машиностроении: 
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 автоматизированных 
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 технологическими 
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, обучающихся 
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 подго-
товку производства, после чего начинается само производство. Про-
изводство продукции продолжается, пока существует спрос на нее 
и реализация продукции приносит прибыль.
В производственном процессе выпуска новой или модернизиро-
ванной продукции можно выделить ряд основных этапов. На первом 
этапе осуществляется проектирование продукции, в процессе кото-
рого разрабатывается техническая документация (технический про-
ект и рабочая документация) на продукцию и проводятся необходи-
мые исследования для обеспечения требуемого уровня потребитель-
ского качества продукции.
На основании разработанного проекта осуществляется проекти-
рование технологии изготовления продукции и подготовка ее про-
изводства. После завершения пусконаладочных работ и приемно-
сдаточных испытаний оборудования и технологических процессов 
начинается непосредственно производство продукции, которая реа-
лизуется 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 раз-
виваться 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 модернизи-
рованной продукции с целью опережения конкурентов и моно-
полизации ценообразования на продукцию (возможность уста-
новления максимальной цены продукции);
 
• сокращение затрат на проектирование продукции, подготовку ее 
производства и само производство;
 
• повышение потребительского качества продукции и ее конку-
рентной способности.
Для сокращения временных затрат необходимы либо привлече-
ние дополнительных материальных и людских ресурсов, либо интен-
сификация производственных процессов на всех этапах производ-
ства, либо сочетание обоих факторов. Наиболее предпочтителен путь 
интенсификации производства, который связан с необходимостью 
повышения производительности труда. Основным средством повы-
шения 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, оптимизиро-
вать продукцию и ее производство. Это влечет повышение потреби-
тельского качества продукции и ее конкурентной способности.
Таким образом, основным средством повышения эффективности 
производства является его комплексная автоматизация. Ком-
плексная автоматизация предполагает автоматизацию как интеллек-
туальных функций людей, занятых в производстве, так и их физиче-
ских функций, связанных с производством. Необходима автомати-
зация: процессов проектирования новой или модернизированной 
продукции; процессов научных исследований, выполняемых в ин-
тересах производства; процессов подготовки производства; процес-
сов 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 (се-
рийным). При массовом производстве продукция определенного вида 

производится в больших количествах и в течение продолжительного 
периода времени. Серийное производство характеризуется большой 
номенклатурой производимой продукции, выпускаемой ограничен-
ными партиями с частыми сменами вида продукции.
При автоматизации массового производства допустимы значи-
тельные затраты на автоматизацию производства данного вида про-
дукции, 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 кон-
кретные технологические процессы. Основной целью автоматизации 
массового производства является получение наивысшей производи-
тельности при выпуске определенной продукции.
Типичными примерами продукции массового производства яв-
ляются подшипники качения, патроны к стрелковому оружию мас-
сового применения, одноразовые медицинские шприцы и др. Эта 
продукция производится непрерывно в течение многих лет без вся-
ких 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 реа-
лизацией.
Технологические автоматы специального и специализированного 
назначения используются для автоматизации различных технологи-
ческих операций. В области машиностроения и металлообработки, 
например, нашли широкое применение кулачковые токарные авто-
маты для изготовления фасонных деталей; копировальные автома-
тические станки токарной, фрезерной и шлифовальной групп; мно-
горезцовые станки-автоматы; многошпиндельные станки-автоматы 
и др.
Иначе обстоит дело при многономенклатурном производстве. 
При выпуске, например, партии изделий в 100 шт. отсутствует ре-
альная возможность (с точки зрения экономической эффектив-

ности) компенсации больших затрат на автоматизацию производ-
ства именно данного вида изделия. Значительные затраты на авто-
матизацию производства здесь окупятся только в том случае, если 
используемые средства автоматизации пригодны для производства 
и других видов изделий, т.е. обладают определенной универсаль-
ностью.
Следовательно, автоматизация многономенклатурного производ-
ства должна быть гибкой и обеспечивать возможность оперативного 
перехода на выпуск иного вида продукции. При этом сам такой пе-
реход, связанный с перестройкой технологических процессов, дол-
жен осуществляться либо автоматически, либо в автоматизирован-
ном режиме с наименьшими дополнительными затратами. Таким 
образом, автоматизация многономенклатурного производства суще-
ственно отличается от автоматизации массового производства и тре-
бует более сложных принципиальных решений по сравнению с мас-
совым производством.
Если учесть, что массовое производство промышленной продук-
ции занимает менее 20% в общем объеме производства, то стано-
вится очевидной актуальность гибкой автоматизации.
В основе современного автоматизированного производства лежит 
концепция «безлюдной» и гибкой технологии. «Безлюдная» техно-
логия предполагает высокий уровень автоматизации всех производ-
ственных 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% трудоспо-
собного населения.
Гибкая технология означает возможность выпуска в автоматизи-
рованном производстве произвольной номенклатуры изделий в лю-
бых количествах (вплоть до индивидуального производства). При 
этом все процессы создания или модернизации продукции и пере-
стройки производства осуществляются в автоматизированном ре-
жиме.
Гибкая технология актуальна для производств с большой номен-
клатурой выпускаемой продукции при частом обновлении этой но-
менклатуры и основана на широком использовании принципов 
программного управления, когда изменение управляющей про-
граммы ведет к изменению рабочего цикла объекта управления, что 
позволяет перестраивать рабочие циклы простой заменой управля-
ющих программ.

1.2. Этапы и средства автоматизации производства

Предшественником автоматизации явилась комплексная меха-
низация производства, в процессе которой физические функции 
человека в производственном процессе выполнялись с помощью ме-
ханизмов с ручным управлением. Труд человека при этом облегчался 
физически, и его основной деятельностью становилось управление 
механизмами. Механизация направлена на облегчение условий че-
ловеческого труда и повышение его производительности.
По мере развития механизации возникает задача полной или час-
тичной автоматизации управления механизмами. В результате решения 
этой задачи создаются технологические автоматы, способные в большей 
или меньшей степени выполнять производственные функции без учас-
тия человека. Возникновение и распространение технологических ав-
томатов положило начало автоматизации производства.
В развитии автоматизации можно выделить ряд последовательных 
этапов, каждый из которых характеризуется появлением новых 
средств автоматизации и расширением состава объектов автомати-
зации производства. Укрупненно, применительно к промышленному 
производству, можно выделить следующие основные этапы автома-
тизации.
1. Автоматизация массового производства. При массовом произ-
водстве промышленной продукции задача повышения производи-
тельности труда стоит особенно остро. Здесь возможны значитель-
ные затраты на средства автоматизации, поскольку, будучи отнесен-
ными к единице продукции (при большом числе единиц продукции), 
они приводят к приемлемому росту ее цены.
В результате становится целесообразным создание и использова-
ние в производстве специализированных и специальных технологи-
ческих автоматов. Каждый такой автомат рассчитан на един-
ственную технологическую операцию или ограниченный набор тех-
нологических операций при производстве определенного изделия. 
Задача перестройки автомата на выпуск других изделий либо ста-
вится в ограниченном объеме, либо не ставится вовсе.
Основной целью автоматизации является получение максималь-
ной производительности. Технологический процесс изготовления 
изделия разбивается на простые операции малой длительности, ко-
торые можно выполнять параллельно на разных технологических 
автоматах.
Из технологических автоматов создаются поточные линии в соот-
ветствии с последовательностью технологических операций процесса 

изготовления изделия. Дальнейшее повышение уровня автоматиза-
ции достигается путем автоматизации межоперационного транс-
порта и промежуточного складирования (межоперационные нако-
пители полуфабрикатов). Результатом такой комплексной автомати-
зации технологического процесса является создание автоматических 
линий.
Автоматическая линия реализует в автоматическом режиме тех-
нологический процесс изготовления определенного изделия. Авто-
матическая линия для достижения наивысшей производительности 
строится из специального и специализированного оборудования. 
Создание и внедрение автоматической линии требует больших вре-
менных и материальных затрат; следовательно, такие линии эконо-
мически эффективны только при массовом производстве изделий, 
когда одно и то же изделие в неизменном виде выпускается непре-
рывно в больших количествах в течение ряда лет. Автоматические 
линии имеют ограниченные возможности для переналадки на изго-
товление иной продукции, или такие возможности вообще не пре-
дусматриваются.
Поскольку использование автоматических линий и цикловых тех-
нологических автоматов ограничено массовым и крупносерийным 
производством, то, соответственно, ограничены объемы автомати-
зированного 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-