Глава 16. Организация НИОКР по созданию САС. Оценка сроков и стоимости крупномасштабных НИОКР по САС.
Теперь рассмотрим возможные варианты организации НИОКР по САС. Исключительная сложность поставленной задачи требует разработки национальной долговременной программы НИОКР, с выделением нескольких этапов, на каждом из которых будут создаваться и отрабатываться промежуточные проекты САС, постепенно приближающиеся к конечной цели - созданию полностью автоматической и самообеспечиваемой САС с коротким циклом воспроизводства и способной гибко перестраиваться на выпуск разнообразной продукции. Здесь возможны различные подходы. Одним из возможных вариантов могло бы быть выделение следующих 4-х этапов:
Нулевой этап - создание и отработка САС - I из серийно выпускаемого оборудования с небольшой долей специально заказанных машин и приспособлений. На ней полностью (или почти полностью) автоматизированы операции литья, термообработки, ковки и штамповки, механообработки и, частично, сварки (до 60%) узловой сборки (до 30-40%). Все операции общей сборки, монтажа, наладки и ремонта выполняются вручную. Общий уровень производительности труда не менее, чем в 5 раз выше уровня среднего машиностроительного предприятия. Обслуживающий производственный персонал - (около 100 чел. или 25 чел. в смену при непрерывной работе). Получает со стороны материалов и комплектующих до 20-30% (от общей стоимости оборудования), в т.ч. все подшипники, кабельные изделия, часть электрооборудования, измерительные приборы, электронные компоненты и узлы, особо точные и сложные детали, цветные металлы, часть полимеров и химикатов. Оборудование не сбалансировано по мощности и , возможно, размещено на раздельных испытательных стендах и участках с внешним энергоснабжением и т.д. Наработка на отказ оборудования - в среднем 1-3 тыс. часов.
Первый этап - создание и отработка САС-II из специально сконструированного оборудования полного состава, сбалансированного по мощности и размещенного в специальном корпусе, (в районе предполагаемой энергосырьевой базы). Полностью работает от своей энергоустановки и в основном на своем сырье ,вручную выполняется часть узловой и общей сборки (не более 50%), монтаж оборудования (до 60-70%), вся наладка и ремонт , а также транспортировка и монтаж блоков наземной САС. Обслуживающий производственный персонал - 24-32 чел. (или 6-8 чел. В смену при непрерывной работе). Получает со стороны материалов и комплектующих не более 10% (от общей стоимости оборудования), в т. ч. Особо точные подшипники и детали, особо сложные электроприводы и приборы, микросхемы и часть других электронных компонентов, дефицитные цветные металлы и химикаты сложного состава. Для отладки оборудования и технологии работает чистая комната полупроводникового производства, мини-производства, химическое оборудование с выпуском готовых изделий, частично отвечающих требованиям стандартов. Наработка на отказ оборудования - в среднем 5 тыс. часов.
Второй этап - создание и отработка САС-III с новым поколением специально сконструированного оборудования повышенной степени надежности, более автоматизированного, из недефицитных материалов. Автоматизирована почти вся сборка и монтаж (до 80-90%), кроме особо сложных изделий и операций исправления брака сборки и монтажа, а также часть операций по наладке и ремонту оборудования (в т.ч. разборка, транспортировка на испытательные стенды, диагностика и т.д.) Получает со стороны материалов и комплектующих не более 1-2% (от общей стоимости оборудования, в т. ч. Особо дефицитные трудно заменимые цветные металлы, а так же те материалы и комплектующие, изготовление которых на САС не обеспечивает необходимого уровня качества (сложные микросхемы и т. д.)
Оборудование САС работает три смены в безлюдном режиме ( при наличии одного оператора) и одну смену с персоналом из нескольких монтажников, наладчиков и ремонтников (5-6 человек). Проводится опытная безлюдная транспортировка и монтаж блоков наземной САС (под наблюдением оператора). Наработка на отказ оборудования - в среднем 20-15 тыс. часов.
Третий этап - создание и отработка САС IV с новым поколением полностью автоматизированного особо надежного оборудования. САС полностью самообеспечивает воспроизводственный цикл сырьем, материалами и комплектующими, работает в ( безлюдном) режиме предполагающем возможность периодического вахтового обслуживания ( в начальный период развертывания биоэкономической системы производства) Наработка оборудования на отказ - в среднем не ниже 40 тыс. часов.
Продолжительность всей программы и каждого этапа в отдельности зависит от многих факторов, в т.ч. от « интеллектуального потенциала», привлеченных к разработке организаций и специалистов, объемов финансирования программы, форм организации НИОКР (параллельные разработки в нескольких коллективах на конкурсной основе или последовательные работы в одном центре и т.д.), а также от общего мирового прогресса в области средств автоматизации, робототехники и т.д. Учесть их влияние затруднительно. Поэтому обратимся к примерам из мировой практики. Проект создания первой атомной бомбы был осуществлен за 4 года (1942 -1945 г), первой космической ракеты Р-7 с искусственным спутником земли -5 лет (1953-1957 г), проект «Аполло» (до первой высадки человека на Луну) - 8 лет (1962-1969 г.), космического корабля многоразового использования «Спейсл Шаттл» - 7 лет (1972-1979 г), первой ЭВМ- «Эниск» -4 года (1943- 1946 г.), первых интегральных микросхем фирмами TI и Fairshild - 3 года (1958- 1960 г), первого микропроцессора фирмой Intel - 3 года (1969-1971 г)1) первого промышленного робота фирмой «Юнимейшн» - 3 года (1956-1958 г.)2)
Японский проект завода-автомата в Цукуба рассчитан был на 7 лет (1977-1984г), а I этап российского проекта КИБЕР создания авторазвивающейся системы автоматизированных опытных производств -5 лет (1989-1993 г.).Исходя из приведенных данных можно ожидать, что при условии достаточной концентрации сил и средств каждый этап программы займет не более 5 лет, а вся программа создания САС -20 лет.
Конечно эти цифры ориентировочные и могли бы быть, видимо, сокращены при развертывании параллельных разработок проектов САС в нескольких центрах на конкурсной основе, привлечения по контракту передовых зарубежных фирм и специалистов и т.д.
После завершения программы и успешной апробации земного варианта САС или параллельно с его разработкой может быть принята новая программа - создания космической САС (лунной или астероидной) в течение, например, 5-10 лет.
Не менее важным, чем сроки, является вопрос оценки затрат, необходимых для выполнения программы. Это можно сделать несколькими способами.:
1) прямым подсчетом трудоемкости проектирования узлов и деталей САС;
2) по данным о расходах на НИОКР аналогов оборудования;
3) по удельным затратам на НИОКР в расчете на 1 руб. стоимости головного (или серийного) образцов новой техники в промышленности и предполагаемой стоимости экспериментальных САС.
Первый способ сложен, требует наличия детальных проектов и поэтому может быть использован нами лишь в упрощенном виде. Предположим, что проектируемая САС состоит из 100 единиц основного оборудования (включающем 3-4 обрабатывающих центра, 20-30 роботов и т.д. ) общей массой около 360 т, то есть соответствует по своим масштабам варианту САС, приведенному в таблице № 28. . Предположим, что оборудование состоит из примерно 1 млн. деталей со средним К повторяемости -2 и средней группой сложности - 4. 3) Согласно укрупненным нормативам на опытно-конструкторские работы по каждой единице оборудования на разработку технического задания, эскизное проектирование и обзор патентов потребуется 4,5 тыс. чел.-часов времени (относя каждый проект оборудования к высшей пятой категории новизны и сложности)4) . Техническое и рабочее проектирование каждой условной детали требует при высшей группе новизны ( V ) и средней группы сложности (IV ) - 14 чел.-час. времени.5) В расчете на всю САС это составит: 100 ед. оборудования х 4,5 тыс. чел.-часов + (1000 тыс. деталей : 2 х 16 чел. час.) = 7450 тыс. чел. часов.
На изготовление опытных образцов, наладочные работы, заводские стендовые и эксплуатационные испытания, доводку опытного образца, корректировку механической документации, представление образцов на приемные испытания уходит при создании новой техники еще 22-35% времени или в среднем 28% (от общей трудоемкости опытно-конструкторских работ)5). С учетом последнего трудоемкость равна - 10,3 млн. чел.час. (7450 тыс. чел.час. х100% : (100-28) . Кроме того по каждой оригинальной детали должна быть разработана технология обработки и составлена программа для ЧПУ. На одну деталь IV группы сложности в станкостроении норматив затрат времени на разработку и внедрение технологических процессов (включая литье, термообработку, механообработку и сборку) составляет около 50 чел.час.5), а стоимость разработки и внедрения управляющих программ для станков с ЧПУ (при ручном программировании) -11,2 руб./деталь (в ценах конца 80-х годов)5). Общая трудоемкость разработки одного образца САС составит : 10,3 млн. чел.час. + 1000 тыс. детал. : 2 х (50 чел.час. +11,2 руб.) = 35,3 млн. чел.час. + 5,5 млн. руб. При среднем уровне оплаты труда разработчиков в конце 80-х годов -1 руб/час и соотношении всех расходов на НИОКР и зарплаты (среднее по науке в 1987 г. в СССР) как 2,68 к 1. Общие затраты на один этап программы составят: (в ценах 80-х годов):
35,3 млн. чел. час. х 1 руб/час х 2,68 + 5,5 млн. руб. = 100,1 млн. руб., а на всю программу -400 млн. руб. или по официальному курсу валют - приблизительно 600 млн. долларов. Оценка сделана для ручных работ. При внедрении САПР и машинных методов программирования трудоемкость и затраты снижаются.
Оценка затрат на программу по аналогам может быть сделана на уровне отдельных видов оборудования (прежде всего роботов и станков) или на уровне проекта в целом. Рассмотрим с начала первый подход. Из литературных источников известно, что один из самых распространенных типов сборочных роботов -СКАРА был создан коллективом из 4-х специалистов под руководством профессора Хироти Макино за 3 года (1977-1980 г.) при бюджете НИОКР - 39 млн. иен. (около 200 тыс. долларов), 6) большой сварочный робот IRB 905/2 фирмы ASEA (грузоподъемностью 90 кг) был разработан, изготовлен и испытан силами 100 человек за 3,5 года (1979-1982 г)7) , завод «Красный Пролетарий» за 3 года (1987-1989 г) израсходовал на НИОКР по робототехнике 1680 тыс. руб. (около 400-500 чел. лет) и создал роботы модульной конструкции - М20К. 83.05 и М20К 95. 01.
В КБ Ивановского станкостроительного объединения численностью более 600 чел. первый обрабатывающий центр ИР 500 МФИ был создан от начала проектирования до опытного образца - всего за 1 год ( 1975-1976 г ), и затем ежегодно разрабатывалось по одному новому обрабатывающему центру (в 1977 - модуль 500, в 1978 г. - ИР 800 МФИ, в 1979 г. ИР 500 ПМФИ, в 1980 г. - ИР 1600 МФИ, в 1981 г. - ИР 320 МФИ и т. д. В среднем по станкостроению бывшего СССР в 80 -е годы ежегодно силами 40 тыс. сотрудников КБ и НИИ разрабатывалось 400 новых образцов металлорежущего оборудования (станков, КПО, литейных машин), т.е. в среднем одна на 100 человек. Из приведенных примеров видно, что разработка главных элементов будущей САС - роботов и станков, занимает в современной практике соответственно от 12 до 350 чел. лет и от 100 до 600 чел. лет. Если для САС, учитывая сложность стоящих задач, принять средний уровень трудоемкости создания одной единицы оборудования - 300 чел. лет, то общая трудоемкость одного этапа программы составит: 300чел. лет х 100 ед. = 30 тыс. чел. лет или 60 млн. чел. час., что несколько выше предыдущей оценки ( в 1,7 раза).
Из существующих проектов создания автоматизированных производств наиболее близко к программе САС стоят два. Японский национальны проект экспериментального завода-автомата в г. Цукуба и российский проект КИБЕР. Стоимость НИОКР и капитальных затрат первого - 40 млн. долларов. Первый этап российского проекта ( НИОКР и создание 3-х первых образцов инженерных центров) оценивается по 3-му варианту в 23 млн. руб. и 2 млн. долларов ( в ценах 1990 г), в т.ч. НИОКР по созданию головного образца - 6,5 млн. руб. и 0,3 млн. долл., НИОКР по АСУ - 1,5 млн. руб. ; НИР по созданию ИППс печатных плат - 0,6 млн. руб.; НИР по созданию ИППс полупроводниковых структур - 1,2 млн. руб; НИР по созданию ИППс заказного привода - 0,8 млн. руб.; создание головного образца инженерного центра -4,2 млн. руб. и 1,2 млн. долл., создание АСУ -0,5 млн. руб., капитальное строительство -4,0 млн. руб., пусконаладочные работы и опытная эксплуатация -1,8 млн. руб..8) Японский проект охватывал производство заготовок, механообработку, контроль и сборку. В российском проекте нет автоматизированных систем производства заготовок и сборки, но есть изготовление электроприводов, печатных плат, микросхем, а в перспективе - создание малотоннажного автоматизированного химического производства. Вместе оба проекта стоили 75 млн. долларов (по среднему официальному курсу пересчета валют) и охватывают примерно 60-70% технологических процессов, которые необходимо осуществить на САС. Если проэкстраполировать эти расходы на остальную часть процессов ( автоматизированную сборку крупных узлов, транспортировку и монтаж блоков, операции добычи и металлургической переработки сырья, корпус строительные работы, часть мини-производства и т.д.), то в целом стоимость НИОКР одного (начального) этапа программы создания САС можно оценить в 125-107 млн. дол.
Третий способ оценки затрат на НИОКР выполним на основе средних удельных показателей, сложившихся в станкостроении -отрасли, наиболее близкой по объекту производства к САС.
В 1987 году в СССР было создано 217 новых образцов металлорежущих станков, кузнечно-прессовых и литейных машин . В 1984 г в Минстанкпроме было изготовлено 200 тыс. единиц металлорежущих станков, кузнечно-прессовых и литейных машин на общую сумму 2753 млн. руб. со средней стоимостью 13,8 тыс. руб., что составляло примерно 83% общего выпуска соответствующего оборудования в стране. В среднем за 1981-85 год в стране создавалось в год 405 новых образцов металлорежущих станков, кузнечно-прессовых и литейных машин, в т.ч. примерно 336 единиц образцов в Минстанкпроме (исходя из его доли в общем выпуске). Расходы на НИОКР в Минстанкпроме составляли 115 млн. руб. или 342 тыс. руб. в среднем на один созданный новый образец. Если полагать, что стоимость изготовления нового образца приблизительно равна стоимости серийно выпускаемых изделий (13,8 тыс. руб.) то на 1 руб. стоимости новой машины приходится в среднем 25 руб НИОКР. Найденное соотношение весьма высокое и характерно для разработки мелко - и среднесерийного оборудования. При создании уникальных единичных образцов новой техники отношение стоимости НИОКР и изготовления образца обычно меньше. Так, при разработке космических кораблей многоразового использования, по программе «Спейс Шаттл» затраты на разработку и испытания были равны 10083 млн. дол., а стоимость 4 кораблей -3794 млн. дол. Или около 950 млн. дол. каждого9) , что дает соотношение равное 10,6 (10083 млн. дол. : 950 млн. дол.). Однако учитывая сложность программы САС и другие соображения более правильным будет исходить из первой величины удельных затрат. Для САС со стоимостью оборудования около 7 млн. дол. (исходя из состава оборудования приведенного в таблице №28 ). В этом случае объем НИОКР одного этапа программы составит 175 млн. дол. (7 млн. дол. х 25).
Результаты оценок, сделанных разными способами, приведены в таблице №34
Таблица№34
| Способ оценки расходов на НИОКР | НИОКР одного этапа программы САС млн. дол. | Вся программа САС млн. дол |
| 1) прямой подсчет трудоемкости проектирования узлов и деталей | ||
| 2) по аналогам оборудования | ||
| 3) по аналогам проектов | ||
| 4) по удельным затратам НИОКР на 1 руб. стоимости образца |
Если исходить из максимальной цифры, содержащейся в таблице, то на программу САС потребуется 920 млн. дол. или около 500 млрд. руб. в текущих ценах (по современному рыночному курсу валют). Хотя эта величина в 20-30 раз меньше стоимости таких проектов, как высадка человека на Луну или многоразового космического корабля «Энергия - Буран», тем не менее абсолютный ее размер большой и справится с таким объемом финансирования, видимо, сможет только государство. Потребуется принятие долговременной национальной программы с ежегодным объемом ассигнований 45-50 млн.дол. (25-30 млрд. руб. в текущих ценах).
Однако возможна в принципе организация работ по программе САС и частной организацией или инициативной группой за счет небюджетных источников, в частности, путем привлечения добровольных пожертвований и средств спонсоров или через создание акционерного общества, выпуск целевого займа, получение долгосрочного кредита и т. д. Чтобы программа САС стала привлекательной для частных инвесторов, стоимость и сроки ее реализации должны быть существенно уменьшены. Достигнуть этого можно в первую очередь за счет:
1) автоматизации с помощью машинных систем проектирования всех работ по конструированию деталей и технологических процессов с помощью ПЭВМ .
2) максимальное использование с самого начала работ экспериментального оборудования для изготовления опытных деталей и узлов, а также новых поколений САС.
3) максимальной реализации в ходе НИОКР на сторону промежуточных результатов разработок, которые могут быть использованы в других сферах (патентов и лицензий на созданные станки, работы, процессы и т.д.), излишнего оборудования, а также , возможно, организации параллельного производства на оборудовании опытных САС продукции для продажи (или частичное развертывание промежуточных вариантов САС для изготовления продукции и компенсации за счет этого затрат по дальнейшим НИОКР.)
4) некоторого упрощения программы САС путем отказа от достижения полной автоматизации и самообеспечения САС.
Перечисленные меры могут в 20-30 раз снизить стоимость НИОКР и сократить сроки реализации в 2-3 раза.
Одним из возможных вариантов реализации частной программы САС может быть учреждение акционерного общества на условиях начала выплаты дивидендов по акциям и погашения облигаций после разработки конечного варианта САС,( например, через 5-10 лет). Общество создает опытную базу на основе первой экспериментальной САС, собранной из серийного оборудования, малые разрабатывающие бригады, оснащенные системами автоматизированного проектирования разработки деталей (САПР-Д) и автоматическими системами технической подготовки производства (АСТПП). Каждая разрабатывающая бригада специализируется на создании какого-то одного основного вида оборудования или технологического процесса. Общее число бригад может достигнуть 50-100 ( исходя из количества и сложности основного оборудования), численность -в среднем 5-10 чел каждой. Технико- экономические параметры САПР-Д и АСТПП берем аналогичные из проекта « КИБЕР», производительность проектирования -0,3-3 детали средней сложности в час. (в среднем 1 деталь в час), технические средства -АРМ 2.01.04, или ПЭВМ IBM PC/AT, стоимость каждого комплекта (САПР-Д +АСТПП+ технические средства) включая ПЭВМ, плоттер (графопостроитель) пакет программ и т.д. составит 10-20 тыс. дол. Для более полной загрузки САПР и АСТПП работа на них организуется в 2 смены.
Б. Создание исследовательской базы по САС при ограниченных финансовых ресурсах
(***********************)