基于专利分析的电主轴技术现状与发展研究＊

郑亚琦 闫 磊 彭子平 徐祎辰 宋菲菲

（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江苏德速智能机械股份有限公司，江苏 常州 213166）

高档数控机床战略意义重大，是支撑国家战略发展和应对复杂国际形势威胁的需要。数控机床主轴正在向高速、高精、大扭矩和智能化方向发展，满足宽域工况加工的轴承预紧力可调主轴产品成为最新发展趋势。随着航空航天等高端用户需求不断向复合化、专业化方向发展，单台数控机床需满足低速重切削、高速精加工多种需求，要求主轴同时具备低速大转矩、高速高精度的性能[1]。

电主轴是属于大型加工中心设备的核心零部件之一，其制造精度直接影响着整个加工中心机床的精度。主轴单元作为高精度机床的关键功能部件，直接带动刀具及工件进行切削运动，其转速和精度直接影响着机床的加工精度和生产效率[2]。国内天津大学[3-5]、西安交通大学[6-7]等高校在主轴方面做了大量研究，但从总体来看，当前我国数控机床与世界领先水平仍有一定差距，部分核心技术尚未完全掌握，国内功能部件产品主要满足中低端需求，高端配套能力不足。德国、美国、日本等国家的先进企业产品牢牢掌控着高端市场，其主轴产品能够占到国内全部需求量80%以上[8-10]。

专利大数据是科技大数据中的重要部分[11]，很多学者基于专利分析方法，对机床领域相关技术发展做了大量研究。杜雄等[12]以国外两家磨床企业为目标进行专利检索分析，为我国机床行业发展提出了一些合理的建议。刘宇飞[13]等分析了全球数控机床领域的研究现状和趋势，结果表明我国在高档数控机床领域仍存在不同层次的创新缺口。王健[14]利用专利分析方法，揭示了数控加工过程自适应控制技术的发展变化，并为我国企业技术的开发提供了相应的建议。

在此背景下，本研究将从专利分析的角度，利用各个平台所检索的专利数据，通过对比企业与高校之间的专利信息，各种专利类型之间不同的差异，分析近5 年(2016～2020 年）来电主轴相关领域的知识产权情况，从而针对我国电主轴技术领域的知识产权工作提出几点建议。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文分析专利数据检索范围重点为近5 年（2016～2020 年），除使用中国国家知识产权局专利检索与分析系统、INNOGRAPHY 专利数据及其检索分析平台外，还增加了Baiten 佰腾大数据开放平台、智慧芽专利分析管理平台、德温特创新平台为主要数据源，并辅助使用中国知网专利数据库等。

1.2 研究方法

本研究结合多源数据进行分析，通过跟需求方的联系人直接沟通，或者该项目相关的技术相关人员沟通确认等方式，了解到项目的类型及背景等相关情况，从而确定项目的客体和目的，明确项目的检索地区范围、语言范围、时间范围、文献类型范围、数据库范围以及技术内容范围等，继而根据项目的检索目的和检索范围进行检索主题词和分类号的确定，检索要素表的编写，检索式的构建以及检索的实施。通过不断地调试检索关键词和分类号以及构建不同的检索式以获得最佳的检索效果，进行多次调整检索。最后筛选、排除以及去噪。

2 知识产权现状分析

2.1 “电主轴”近5 年信息检索

以电主轴整个技术领域的近5 年（2016～2020 年）信息进行专利检索，得到总共 4 229 组专利，按照专利的是否授权情况分为“有权”、“无权”和“在审中”3 种类型，各类型专利的检索情况，如表1 所示。从检索数据可以看出，2016～2020 年，“电主轴”类已授权的专利发明462 项，相比2 656 件授权总量，其发明授权占比较小，实用新型占比居多，说明创新性能力存在不足，其“创造性与新颖性”偏低；但从发明审查中的数量来看，近5 年总计951 件，其中进入实质审查的911 件，占比达到了95.7%，说明近期我国企业在“电主轴”技术方面取得进步，申请专利开始大量申请发明为主，且速度明显加快。

表1 “电主轴”相关专利检索结果

2.2 “电主轴”“加工中心”近5 年信息检索

以电主轴与加工中心为技术领域的近5 年（2016～2020 年）信息进行专利检索，得到总共238 项专利，按照专利的是否授权情况分为“有权”、“无权”和“在审中”3 种类型，各类型专利的检索情况，如表2 所示。

2.2.1 “加工中心”领域总占比

从表2 检索可看出，近5 年（2016～2020 年）在“加工中心”领域中申请电主轴的专利数量为238 件，占检索的专利总数4 229 件的5.6%；说明电主轴在加工中心行业中占比极小。上述信息表明，该行业目前尚处于起步阶段，技术方面仍旧有很大的创造空间。随着产品市场规模不断扩大，技术不断进步，其知识产权比重将逐渐增大。

表2 “电主轴”“加工中心”相关专利检索结果

2.2.2 电主轴创新能力

根据近3 年来行业展销会及行业交流统计，目前我国从事数控加工中心设备及相关零部件的企业已超过6 000 余家。由此可见，大多数企业在数控加工中心的电主轴方面，研发能力偏低，国内电主轴创新能力不足，导致产品技术含量偏低，申请专利量少。国内中、高端电主轴依然依靠进口，国内产品大多只能满足低端市场。

2.2.3 产品技术含量

已授权的152 件专利中，发明授权仅为20 件，占总数的13.15%，实用新型专利授权占比达到79.6%。由此可见，加工中心的电主轴制造企业，在新产品的工艺、方法和产品方面发明创造力度不够，仅在电主轴的结构、构造及其结合方面开展研发创新，技术偏低，电主轴普遍不具有突出的实质性特点和显著的进步。在进行发明专利的申请过程中，企业应当重视技术的先进程度，根据产品特点，不断挖掘新产品、新技术，提高产品技术附加值。数据分析显示，数控机床加工中心行业处于迅速发展阶段，在吸收和借鉴国外技术点的同时，对于电主轴方面的研发力度应该加大。并且随着国外知识产权垄断和防侵权等方面，我国应加以重视需要不断申请高质量的发明专利，保护企业产品核心技术和企业利益，逐渐参与到中、高端电主轴市场中，与国外进口产品开展竞争，才能促使企业长期稳定发展。

2.3 “电主轴” “加工中心”近5 年专利“无权”信息检索

以电主轴与加工中心为技术领域的近5 年（2016～2020 年）信息进行专利检索，其中无权的专利共有27 项，其无权原因可分为“未缴年费”、“驳回”、“视为撤回”、“主动撤回”、“避重放弃”、“主动放弃”、“全部无效”和“视为放弃”等8 种类型，各类别数量情况如图1 所示。从上图无权分布结构上看，加工中心的电主轴专利无权中，“未缴年费”和“驳回”分别占到了总无权数量的41% 和37%，由此可见，企业对于知识产权的维护与管理方面存在不足，主动放弃缴纳年费或者因跟踪问题，产生未及时缴纳年费导致发明授权专利权利终止。

图1 “专利”无权信息检索结果

从后面几项数据（撤回、无效）等，可以反映出一个现象，就是我国在加工中心的电主轴技术方面，知识产权纠纷较少，企业保护产品技术和市场利益的重视程度不够。在生产经营过程中，对于知识产权的侵权与被侵权管理工作欠缺，在未发生侵权纠纷，未赔偿知识产权侵权费用情况下，不能采取有效的知识产权保护措施。

2.4 重点专利筛选

通过重点专利筛选后，有39 件发明专利授权，重点涉及到加工中心的电主轴，其中高校申请专利7 项，企业申请专利31 项，个人申请专利1 项。其各类型主轴数量如图2 所示。

图2 重点专利筛选分布结果

从其申请的主体来看，以同行业单位、竞争单位、国内高等院校为主，个人申请较少。且分布上看，专利较为集中。数据表明，加工中心的电主轴核心技术，主要掌握在少数企业和多家高校手中。而高等院校的专利技术，其先进程度高于企业，但是专利状态表明未能进行有效的技术转让和成果转化。

2.4.1 专利技术方案特征

目前主轴的专利研究主要包括主轴结构、主轴维修、抗冲击力、应用场合、散热结构、空间体积、刚性和冷却结构研究等8 个方向，如图3 所示。目前高校的研发方向与企业研发方向虽有共性，但也存在区别：

图3 主轴主要研究方向对比

一是高等院校在电主轴领域的研发重点在于电主轴的刚性、抗冲击力以及材料方面的研发，受市场需求影响较小，注重理论方法研究，在不考虑成本的基础上，重视电主轴性能和使用寿命的研发，针对该方向的知识产权偏多。

二是生产制造企业在电主轴方面，关注点集中在整体结构、散热性能、维修保养以及应用领域方面的开发，受市场影响大，偏向于市场需求，在充分考虑制造成本和市场需求的基础上，对主轴产品的构造、结构及其结合提出的新技术方案较多，知识产权偏实用。

2.4.2 主轴涵盖范围与科技含量

高速电主轴对数控机床的发展以及金属切削技术的影响极大。从知识产权分析的角度看，国内厂商各自为战，技术资源分散，除了个别厂家拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上在模仿国内外的产品进行生产，技术实力较弱，创新不足。主要涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、送拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是外国产品占领中高端市场，也是制约我国该方面知识产权发展的关键原因。

专利分布量小，未来电主轴知识产权发展前景广阔。根据重点专利分布来看，我国电主轴仍然处于初期阶段，参与市场竞争范围仍旧偏小。知识产权在行业中实施范围小，并且高等院校占比高，企业与个人占比量远远低于国外同行业的知识产权占比。这表明我国企业在该电主轴方面技术突破能力偏低；另一方面也反映了高等院校缺乏技术输出机制，不能有效将技术转移，导致我国在加工中心的电主轴领域，产品科技含量偏低，市场占有处于弱势。

3 结语

根据知识产权检索和现状分析表明，目前我国国内企业和高等院校在加工中心的电主轴方面申请知识产权量少、技术创新性不高、侵权和维权意识较为薄弱。在后续研发过程中，应当极大研发力度，积极开展新产品、新技术及新工艺的研发，并且注重知识产权的时效性和重要性。在申请知识产权过程中，应当合理布局，围绕电主轴产品开展系列措施。

为此，本文提出以下3 点建议：

（1）增加知识产权数，尤其是增加电主轴发明专利申请量，扩大产品保护范围，并且形成产品专利群。

（2）提升专利质量，围绕电主轴的新技术、新工艺开展突破创新，申请的发明专利要有突出的实质性特点和显著的进步，增加授权率。

（3）加大产学研合作，利用高校的研发实力和平台资源，提升产品技术升级，实现产品的进一步更新换代。