从专利角度看数控车床的发展趋势*

吴凤和 刘成勋

（燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004）

数控机床是国民经济和装备制造业的重要基础。近年来，随着国家对装备制造业的大力支持，我国数控机床行业的技术发展水平不断提高，但是我国数控技术起步较晚［1］，相对于已经完成数控机床产业化进程的发达国家，我国数控机床技术仍处于追随阶段。数控车床是数控机床的一种，随着科技的进步和信息技术应用的深化，人们对数控车床的精度、效率、可靠性、柔性化等方面的要求不断提高，而这种需求决定了数控车床技术的不断向前发展。

专利是科学研究成果的一种表现形式，据世界知识产权统计，全球90%～95%的发明能在专利文献中查到［2］，通过对专利文献的分析，可以找到某种技术的研究现状和热点，可以统计出此种研究的核心技术分布，进而为自己的技术研究提供创新性信息和战略性信息［3］。本文通过对数控车床专利技术的分析，找出发达国家数控车床的发展趋势和我国数控车床技术发展的特点，为我国数控车床的发展提供参考。

1 数控车床专利统计分析

在德文特专利数据库输入“CNC lathe”，获得了401篇关于数控车床的专利文献，按专利号的国别进行归类，可得如图1所示的统计结果。

由图1可以看出，日本是全球最大的数控车床专利申请国，占有38%的专利份额;德国（17%）排在第二位，其次是中国（14%）和美国（13%），俄罗斯占11%，其他国家仅占有7%。

通过对所检索的数控车床专利文献分析，可以得到数控车床相关专利申请人的排名情况。1970－2011年间，数控车床领域专利申请量居前十位的申请人中，MORI SEIKI SEISAKUSHO KK（森精机制作所株式会社）以33件的申请量排在首位，其他申请人按申请量依次是OKUMA CORP（大隈公司）20件，NAKAMURA RYU SEIMITSU KOGYO KK（中村隆精密工业株式会社）18件，CITIZEN WATCH CO.LTD（西铁城钟表有限公司）16件，ORI SEIKI CO.LTD（ORI精机有限公司）12件，TAKAMATSU KIKAI KOGYO KK（高松尾池机械株式会社）12件，HITACHI SEIKI KK（日立精机株式会社）8件，STAR SEIMITSU KK（星精密株式会社）8件，DOOSAN INFRACORE CO.LTD（斗山工程机械有限公司）6件，EGURO TEKKOSHO KK 6件。根据上述统计分析可知，日本专利申请人相对集中，大多为有名的大集团、大公司，而我国近几年虽然在专利申请量上远远超过日本，但申请人相对分散，没有集团化或区域化优势。

对数控车床专利申请国排名前五位进行年度分析（时间跨度为1970－2011年），其结果如图2所示。

由图2可以看出，在20世纪70年代初期，德国、俄罗斯和美国在数控车床技术领域齐头并进;1979年以后，德国开始占据优势并在80年代末达到顶峰;到了20世纪90年代，日本抓住机遇在数控车床领域迅速崛起，专利申请量大大超过德国、美国、俄罗斯。进入2000年以后，中国在数控车床领域开始崭露头角，尤其是在2003年以后，专利申请量超过日本，展现了强劲的发展势头。值得一提的是，美国在2000年以后，在数控车床方面的专利开始逐渐增加，在2008年左右开始超过处于衰退期的日本。

由图2还可以看出，德国、日本和美国对数控车床技术的发展起了重要的作用。德国政府在工业发展过程中一贯重视机床行业的发展，大力引导和扶持机床行业［4］。德国企业在发展生产自动化的同时，不断提高从业人员的素质，注重企业与大学科研部门紧密合作，对加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行了深入的研究。在质量上精益求精，且在20世纪60年代抓住了机电一体化的技术转变契机，利用本国基础不错的电子工业，快速进入了采用集成电路的机床数字程控时代，并且经过十几年的技术积累，在20世纪70年代末赶超美国，成为了数控机床行业的龙头。在20世纪90年代，日本以基于PC数控技术的重大突破为锲机，全力促进电子和计算机技术的发展，在CNC系统技术上，学习美国，并改进和发展了美国的成果，取得了很好的效果;在机床部件配套方面，学习德国，使机床的精度、设计方面达到世界一流水平［5］。美国政府重视机床工业，国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务，并提供充足的经费，且网罗世界人才。1952年，美国研制出世界上第一台数控机床;1958年，制造出加工中心;20世纪70年代初，研制成功FMS;1987年，首创开放式数控系统等。美国的高性能数控机床技术在世界也一直领先，但其偏重基础科研，忽视应用技术，20世纪80年代美国政府放松了对企业的引导，一度导致美国机床发展缓慢，在20世纪90年代被日本赶超;到了20世纪90年代中后期，美国纠正了过去的偏向，其机床行业又逐渐发展了起来。近些年来，虽然我国数控车床专利增长迅猛，但我国数控车床的实际状况是还处于追随阶段，核心技术与德国、美国、日本等国家还有较大差距。

按照结构特点和技术特点，可以将检索到的德国、日本和美国的数控车床专利文献大致分成四类，即数控车床机身设计、机身功能部件、伺服装置及其他电子元件、CNC系统相关技术。上述三国在这些核心技术数量对比情况如图3所示。

车床机身功能部件和车床机身设计主要涉及数控车床本体，主运动部件，进给运动执行部件，床身、立柱支承部件等;CNC系统是数控车床的控制系统，是数控车床的中枢，从CNC系统中输入信息并输出相应的指令以驱动伺服系统，进而控制车床动作;伺服系统主要包括进给伺服单元、伺服进给电动机、位置检测装置等，进给伺服单元接收来自CNC系统的指令，经处理后驱动伺服电动机转动，实现刀架或工作台的运动，同时反馈系统通过检测装置将车床移动的实际位置、速度参数检测出来，转变成电信号，并反馈到CNC系统中，使系统能随时判断车床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应的指令，纠正所产生的误差。一般说来，数控车床功能的强弱主要取决于CNC系统，而数控车床的性能，如速度与精度等，则主要取决于伺服系统。通过图3可以发现，日本在数控系统相关技术、伺服装置及其他电子元件、机身功能部件上比德国有优势;德国在机身设计上则优势明显;美国在数控系统上比德国稍占优势，但其他方面则略有不足。针对以上4类核心技术，为了预测这4项核心技术的发展趋势，本文通过表1给出了德国、美国、日本最近两年关于上述4项核心技术的专利统计（由于专利数量过多，仅列举其中的部分专利）。

表1 2009－2011数控车床核心技术发展方向统计

从近两年德国、美国、日本的数控车床技术的专利统计可以直观地看到，数控车床的控制系统正向着开放化、智能化、多轴化、复合化和网络化方向发展，以进一步降低价格，增加可靠性，拓宽功能，提高操作舒适性、集成性、系统的柔性和开放性，减小体积，提高数控车床的生产能力;而伺服系统随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的交流伺服系统、直线伺服系统及高速电主轴等将成为数控车床行业关注的热点.并成为伺服系统的发展方向;数控车床机身设计随着对高速度、高效率、操作舒适性要求的提高，也必然向复合化、多轴化、人性化方向发展;机身功能部件随着数控技术的发展，必须随着机身性能要求的提高而有所改进，向着更高精度，更高柔性化方向发展。德国、美国、日本数控车床的发展趋势为我国数控车床的发展提供了重要参考。

2 由专利分布看中国数控车床的发展趋势

由图2可知，近年来我国在数控车床方面的专利数量迅速增加，2006年，我国数控车床专利的申请量已经超过日本，显示出了强劲的发展势头，这表明我国数控车床企业及研究机构正在大力开展高性能、高可靠性数控车床、功能部件及软件系统研究。从目前发展态势看，我国数控车床专利技术体系正加速形成，在不久的将来，我国数控车床行业将实现高新技术的飞速发展。

通过对我国数控车床专利的分析，可以得到如表2和表3所示的我国数控车床功能部件及整体结构相关技术的分布状况。

我国数控车床相关专利统计情况如下:数控车床整体结构专利数量129个，其中高精度、高效率、复合加工方面的整机专利29个，占整机专利总数量的22%，包括高精度机床专利7个，可加工2个或2个以上工件的机床及复合机床专利22个;加工各式零件的专机专利21个，占整机专利总数量的16%;功能部件专利数量176个，其中主轴、导轨、进给系统、夹具、测量误差补偿装置及控制系统调整机构等对加工零件精度影响较高的功能部件的专利数量为45个，占功能部件专利数量的26%，包括主轴相关专利3个，导轨相关专利3个，进给系统相关专利6个，夹具相关专利19个，测量误差补偿装置及控制系统调整机构相关专利17个;上下料装置、自动化、换刀及刀具固定装置等对机床工作效率影响较大的功能部件的专利数量为23个，占所列功能部件专利数量的13%。

表2 国内数控车床功能部件相关专利主要分布领域

表3 国内数控车床整体结构相关专利主要分布领域

近年来，我国数控车床相关专利申请数量虽较高，但高精度、高效率、复合化、具有网络通讯功能等的高档数控机床数量较少，基于结构改进的专利较多，而发明型专利数量却很少，大部分专利对提升企业竞争力的作用有限。因而，我国数控车床专利数量的高速增长背后也存在诸多隐忧。可以预见，未来几年我国数控车床还将继续向高精度、高效率、复合化加工方向发展。

3 结语

通过对数控车床专利的分析，给出了德国、美国和日本等国的数控车床专利年度分布、核心技术分布及近两年核心技术发展方向分布，并从深层次分析了德国、美国和日本数控车床技术快速发展的原因，总结了数控车床核心技术的最新发展趋势，为我国数控车床核心技术的发展指明了方向。在此基础上，通过对近十年来中国数控车床专利的数据分析，找出了中国数控车床发展的特点，并结合国际数控车床的发展趋势，指出了我国数控车床发展过程中需要改进和加强的地方，为我国数控车床技术的发展提供了参考意见。

［1］师鸿飞，邹翠波，张彩虹.我国数控车床的现状和发展趋势［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2004（6）:83－87.

［2］李建蓉.专利文献与信息［M］.北京:知识产权出版社，2002.

［3］刘立，王博.基于情报分析的数控机床产业研究［J］.科技管理研究，2010（30）:149－152.

［4］世界机床行业综合水平研究课题组.德国机床技术水平长期居于世界前列的原因［J］.装备机械，2005（1）:25－26.

［5］李佳.德、日、中机床工业相关技术专利分布比较分析［J］.中国高新技术企业，2011（10）:6－9.