高档机床数控技术知识产权分析研究*

2022-07-04陈剑峰何无为赵涵卓

制造技术与机床 2022年7期

刘萌陈剑峰何无为赵涵卓

（①北京机床研究所有限公司，北京 100122；②通用技术集团机床工程研究院有限公司，北京 100102；③沈阳中科数控技术股份有限公司，辽宁沈阳 110168）

制造业是衡量一个国家综合国力的重要标志，制造业在各工业国的经济增长中都起到了发动机的作用[1−4]。而数控技术的发展水平直接影响了国家工业现代化的发展程度，从而影响到国家综合实力和国际地位。目前我国的机床数量虽位居世界第一，但在机床的核心技术上，我国自主研发的机床的关键部位以及高性能程序系统还需要依赖外国的技术支撑。由于高档数控系统关系到产业安全与国家安全，即使在全球一体化的今天，西方国家和日本仍对中国实行出口限制和监督使用政策，并且有更加严格的趋势，以限制中国国防技术的发展[5−10]。

近年来，越来越多的企业和科研院所认识到专利分析的重要性。慎金花等[11]利用Innography专利分析平台，结合专利情报分析理论，对国内外挖掘机专利进行了发展趋势、竞争国家、技术特点和申请人等方面的分析。邵伟等[12]采用Incopat软件和专利检索系统针对柔性夹持器全球专利申请主要技术情况进行分析，发现在全球主要申请人中，中国申请占比34%，美国占比16%，日本占比13%，越来越多申请人转向中国市场。许景龙等[13]通过统计微电子器件材料和工艺的专利年度申请量，对微电子器件材料和工艺的全球研发趋势进行总体分析、衡量，把握技术发展脉络、技术研发热点和未来发展方向。

本文以某一特定时期的各项技术类别的专利文献为目标，进行全面定量和定性分析，判断出数控领域的研发技术热点和技术空白点。通过分析国内外数控领域主要企业和研究机构的专利申请和布局情况，对掌握目前竞争对手的专利申请和布局情况，有针对性地制定专利战略，确定技术与产品研发的战略重点和战略步骤以及重要的竞争领域，进而制定相应的专利防御和进攻战略，推进专利技术开发和专利池的形成，对提高企业的技术竞争力，确保为企业的可持续发展具有重要作用。

1 数据来源与研究方法

数据来源于Derwent Innovation Index（DII）专利数据库，它收录了来自全球40个专利发行机构的2 300多万个基本发明，专利覆盖范围可追溯到1966年，引用信息可追溯到1976年，是最权威的检索全球专利的数据库。同时为了进一步确保检索内容的全面性，以中科院专利在线数据库和台湾连颖专利数据库的数据作为补充。专利数据分析工具采用（thomson data analyzer，TDA）数据分析软件和EXCEL软件。

专利分析分为准备期、数据采集期和分析期3个阶段。通过收集相关信息、确定专利分析策略、检索专利数据库、加工整合分析检索结果、形成分析报告，分析流程如图1所示。

图1 专利分析流程图

2 国内外知识产权状况分析

2.1 专利产出时间趋势分析

截至到2019年，在检索范围内共检索到数控技术的相关专利6 087件（其中2010年和 2011年的数据统计不完全），年均专利数量约为113件次，如图2所示。2001年以后数控技术迅速发展，每年的专利数量为100件次以上；2008−2019年为数控技术发展的鼎盛时期,每年的专利数量达到了200件次以上；2001−2019年专利数量累计达到了3 137件次，约占数控技术专利总数的68.45%，其中2019年的专利数量达到了480件次。

图2 数控技术专利数量的年度统计（1966—2019）

2.2 专利权人分析

在近50年中，数控技术的相关专利涉及的专利权人共有3 165家机构和个人，专利数量大于50件次的专利权人有49位，所拥有的专利累计3 325件次，占件次总量的26.75。如图3所示，其中拥有专利数量最多的是日本发那科公司，达到126件次；其次为日本安川电机公司，有91件次；日本三菱电机公司和西门子公司排名第三和第四。

图3 数控技术专利主要专利权人

2.3 主要技术构成分析

如图4所示，数控技术专利的第一热点主要集中在“X25 A03F:Industrial electrical equipment →Working materials→ Tools→ Control”专利技术分类，共有733项，近3年的专利占23%；第二热点表现在“T06 D06:Process and machine control →Applications→ Machine tool control”专利技术分类，有671项，近3年的专利占到了 20%；第三热点表现在“T06 A04A:Process and machine control→General control systems→Programme control systems→Numerical controllers”专利技术分类，有659项，近3年专利占43%。对主要技术构成统计研究发现：在数控系统功能安全技术、PLC电气功能安全以及失效识别、安全完整性等级评估等安全关键技术研究方面的专利较少，共有170项，近3年的专利占90%，大部分均为国外专利权人。

图4 数控技术专利的主要技术构成（top10）

2.4 国家/地区专利机构分布分析

数控机床作为工业自动化和数字工厂的重要组成部分，被广泛应用于汽车制造、金属加工和航天航空等多个领域，是工业现代化的基石。数控机床的技术能力体现了一个国家制造业的核心竞争力。中国作为全球最大的制造业大国，数控机床产业得到快速发展，但是近年来机床产量连续负增长。随着制造业复苏，机床市场开始温和复苏，全年产量为44.60万台，同比增长7.21%。但与德、日等领先国家相比，仍存在较大差距，功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑。例如，2014年国内高档数控系统仍有90%需要依赖进口。数控机床领域的技术研发与突破成为了“中国制造2025”战略重要工作。

如图5所示，截止到2019年12月，数控机床领域全球申请量达到10 708件。从申请趋势来看，自2006年后呈现爆发式的增长，并在2012年前后达到高峰。目前数控机床专利申请量进入了阶段性的回落，2016年更是出现了大幅度下滑。随着工业4.0的深入推进，数控机床技术进入新一轮的更新周期，技术的更新换代必将导致产业格局的重新洗牌。

图5 专利申请反映数控机床技术进入更新周期

中国成为最大专利产出国，但技术的国际竞争力不足，在新一轮的技术更新中，世界主要工业国家都积极开展技术和专利布局。目前，中国、日本、美国和德国是数控机床专利的主要产出地，如图6所示，四国的专利产出量超过专利总量的85%。而其中，中国成为了最大专利产出国，专利产出量为6 586件，约占总申请量的60%。图7为专利受理区域分布，从图中可以看出，中国、日本和美国是当前数控机床技术竞争最为激烈的地区。美国、德国、前苏联、韩国、中国台湾、法国、英国、俄罗斯、欧洲专利局、东德、瑞士、意大利、印度、世界知识产权组织、澳大利亚和西班牙的专利机构受理的专利都超过了数十件次。

图6 专利申请区域分布

图7 专利受理区域分布

虽然中国专利产出量巨大，但对外输出量少，只有26件，技术的国际竞争力弱。如图8所示，相比之下，日本专利对外输出高达1 121件，其中向中国输出82件占输出总量 4.06%，向美国输出247件占输出总量12.24%，向德国输出224件先输出总量11.10%，其技术能力展现出很强的国际竞争力。此外，美国和德国数控机床专利输出量也比较大，分别是506件和220件，也展示了较强的国际竞争力。

图8 主要国家数控机床专利输出状况

数控机床专利类别分布如图9所示，技术研发需要全面突破数控机床专利分主要有控制技术、加工技术、机床零件和相关附件等。从专利申请量来看，数控机床技术集中在控制技术(2 827件)、加工技术(3 505件)和机床部件(3 286件)三大方面。

图9 数控机床专利类别分布

如图10所示，中国企业技术研发能力有待加强，技术产业转化能力有待提升全球专利申请人前20名中，日本企业占11个，中国企业大学共4个，与日本企业相比，中国企业的技术实力存在明显劣势，企业技术研发能力有待加强。此外，如图11所示，从中国专利申请人前20看，中国的高校和科研院所具有较强的知识和技术产出能力，但是并未能真正转化为产业成果，需要加强产学合作，提升技术产业转化能力。

图10 世界专利申请人前20

图11 中国专利申请人前20

3 竞争对手分析

以专利家族数量排名前五位的机构为竞争对手进行分析，这5个机构分别是日本发那科公司、日本安川电机公司、日本三菱电机公司、西门子公司和宝元数控科技有限公司。

3.1 竞争对手专利产出时间趋势分析

日本、德国技术沉淀凸显工匠精神，中国技术积累根基尚浅，如图12所示，从各国的专利申请趋势来看：日本、德国数控机床专利从上世纪70年代后一直维持较为稳定的输出，一方面反映出这两个国家的数控机床技术具有较长时间积累；另一方面说明了日本、德国对技术的持续研发和完善，凸显出日本和德国企业对技术精益求精的工匠精神。中国数控机床专利申请主要集中在2005年以后，得益于“十一五”后，国家推动了制造业产业升级和发展，数控机床技术因此得到长足发展。但是与日本、德国超过40年的技术沉淀相比，中国技术积累有所欠缺，根基尚浅。

图12 主要国家专利申请趋势

3.2 竞争对手专利申请规模分析

5个公司共拥有数控技术专利1 097件次，其专利的受理机构主要集中在日本、中国、德国、美国和台湾地区等专利机构，具体内容如表1所示。

表1 竞争对手数控专利规模分析表格

3.3 竞争对手重点研发领域分析

图13为五大竞争对手在数控专利技术相关的10个领域内的分布图，纵坐标为用德温特手工代码表示的技术领域，主要德温特代码如表2所示。分析图13可以发现，在列出的前10个技术领域中，发那科公司的专利数量在前5位和第10位共6个技术领域均位列第一，与其余4个公司相比，有较明显的优势。

表2 主要徳温特手工代码与技术领域对照表

图13 五大竞争对手数控专利技术分布图

图14为五大竞争对手所拥有的数控专利的技术构成，从图中可以看出，其围绕的研发热点主要有以下几个方面：第一热点主要集中在“T06-D06”专利技术领域，共有118项，近3年的专利占4%；第二热点集中在“X25-A03F”专利技术领域，有113项，近3年的专利占6%；第三热点集中在“T06-A04A2”专利技术领域，共有75项，近3年的专利占5%。