復合磨床專利及機床行業知識產權現狀分析*

杜 雄 房小艷 傅正茂

(1.上海機床廠有限公司 上海 200093；2.上海科律專利代理事務所 上海 200235)

相比于其他外圓磨床產品，復合磨床通過B軸自動切換砂輪，工件一次裝夾下可完成其外圓、錐面、端面、內圓等多工位的加工磨削，是我國精密機械工業急需的高精度加工技術裝備，可應用于高精度主軸、卡盤、夾具、航空航天、軍工行業高精度軸套類零件和模夾具等零件的高效精密復合磨削加工[1]。在20世紀80年代，瑞士STUDER、德國SHAULT、英國JOHNSHIPMAN等公司開始在液壓半自動萬能外圓磨床上采用轉塔砂輪架體結構，在轉塔砂輪架上安裝外圓磨削主軸和內孔磨削主軸，實現外圓工件或內孔工件的磨削加工。那時的轉塔結構采用液壓頂起、手動轉位、鼠牙盤定位的結構，對于同一工件多工序集成的加工需求并未明確，而且轉塔結構的自動控制、內裝電機直接驅動等技術并未達到相應水平，因此復合磨削的概念也沒有明確提出。到了20世紀90年代，瑞士STUDER公司率先采用數控轉臺結構，設計開發了首臺數控高精度磨削中心，可以在工件一次裝卡過程中同時加工工件的外圓、內孔、端面、錐面、卡槽等多個部位，不僅實現了多工序復合，而且具有極高的精度,復合磨削的概念也就由此逐漸進入了高精度磨削領域。經過近 30年的發展，目前國外已經有瑞士的STUDER（斯圖特）、美國的KELLENBERGER（克林伯格）、西班牙的DANOBAT（達諾巴特）、意大利的 MORARA（莫羅拉）、日本的 TOYODA（豐田工機）等公司具備數控高精度復合磨削中心設計制造能力，其中瑞士STUDER公司的產品最具典型，型號有S40和S41。S40磨床B軸采用鼠牙盤分度裝置[2]，它的B軸有B1和B2兩個，B1軸依靠齒牙盤離散有限分度，B2軸可驅動體殼再旋轉一個小的任意角度，從而實現連續分度，結構比較復雜。S41磨床只有一個B軸，基于角度編碼器反饋控制采用力矩電機直接驅動實現連續分度[3]，一經推出，獲得了比較強的市場競爭力。

本文通過磨床專利的檢索，對 UNITED GRINDING集團的STUDER公司和HARDINGE集團的 KELLENBERGER公司在內的兩家高端磨床供應商相關的復合磨床技術進行專利分析[4]，了解其知識產權工作情況，針對我國磨床行業的知識產權工作提出幾點建議。

1 專利檢索式構建

根據當前市場上復合磨床的結構，提取出的檢索關鍵詞例舉如下：

驅動：力矩電機、電機直驅、伺服電機、伺服電機諧波減速傳動。

支承：靜壓軸承、轉臺軸承。

抱閘：氣動夾盤、液壓鎖緊。

分度：齒牙盤、角度編碼器（反饋控制任意分度）。

機床生產商：Fritz STUDER、KELLENBERGER等。

專利檢索的基本要求是全、準、快、靈[5]。其中，“全”是沒有遺漏，“準”是指有針對性，“快”是指用時短，“靈”是指靈活使用各類檢索要求和檢索策略。這里以查全率和查準率體現的前兩個要求作為重點進行檢索。

為了達到查準率，需要增加有針對性的IPC分類號，體現磨削的IPC分類號是B24B，其內容為：用于磨削或拋光的機床、裝置或工藝；磨削，拋光劑或研磨劑的進給。

為了提高查全率，需要對各種檢索要素進行擴展、組合、補充和排除，檢索的策略采用塊檢索策略，塊內采用邏輯關系 OR，塊與塊之間采用邏輯關系AND。

經過上述思考后，構建的檢索式例舉如下：

檢索式1：(Full=(伺服電機or ((servo(w)motor)or (actuating(w)motor))) AND TIABC=(諧波 or(harmonic(w)gear))) AND (IPC=(B24B))

檢索式說明：全文中涵蓋伺服電機（servo motor或 actuating motor）以及主要著錄項目（標題、摘要和權利要求書）中涵蓋諧波（齒輪或減速器）（harmonic），并且IPC分類號屬于B24B類的專利。

檢索式 2：(TIABC=(力矩電機 or 直接驅動電機 or 直驅電機 or (torque(w)motor) or(direct(W)drive(w)motor)or DD電機) AND TIABC=(角度編碼器 or 圓光柵 or(ANGLE(w)ENCODER) or (radial(w)grating)or(circle(w)grating))) AND (IPC=(B24B))

檢索式說明：主要著錄項目中涵蓋力矩電機/直驅電機和角度編碼器/圓光柵，并且IPC分類號屬于B24B類的專利。

檢索式 3：((AP=(KELLENBERGER)) OR(AEE=(KELLENBERGER)))

檢索式說明：申請人或專利權人名字內含有KELLENBERGER的專利。

檢索式 4：((AP=(Fritz STUDER)) OR(AEE=(Fritz STUDER)))

檢索式說明：申請人或專利權人名字內含有Fritz STUDER的專利。

為了保證查全率，進行了擴展檢索，構建的檢索式例舉如下：

擴展檢索式 1：(TIAB=(回轉 or 轉塔) AND TIAB=(磨削主軸 or 工具主軸 or 磨頭)) AND(IPC=(B24B))

擴展檢索式 2： (TIABC=(端齒盤 or 鼠牙盤or (（ end-toothed ）or （Transverse（w）Teeth）)))AND (IPC=(B24B))

擴展檢索式 3：(TIAB=(回轉 or 轉塔) AND FULL=(復合磨削 or 多磨頭 or 復合加工)) AND(IPC=(B24B))

等等。

2 檢索結果分析

2.1 磨床專利總體情況

以磨床整個技術領域進行專利檢索，得到總共40331組專利（檢索時間截止為2020年8月），按照國家排序得到前幾個國家專利的情況，如表1所示。

表1 磨床技術領域專利主要國家的分布情況

進一步，針對復合（萬能）磨床回轉砂輪架技術領域進行專利篩選，獲得2241組專利，其中中國專利587組，國外專利1595組，詳見表2。

表2 復合磨床相關專利檢索結果

依據表1的專利，按國家進行考察得到圖1所示的專利申請趨勢-國家圖。

圖1 磨床技術專利申請趨勢-國家圖

可以看出磨床技術領域最早出現的專利申請在1820年。1820年至1917年這近100年期間，磨床技術領域的專利申請數量并不突出，從全球申請量上來看，磨床技術處于萌芽期。自1918年開始，專利數量有了一個第一次飛躍，進入了第一快速發展期，其后磨床技術領域專利申請每年都維持在一個穩定的數量，直至1964年。1964年開始至1972年，全球磨床技術領域的專利申請數量呈現了一個直線上升的趨勢，進入了技術的二次突破。之后的二十年，多軸磨床的運動成為了該領域的研發主旋律，各大公司開始研究使用自動進給裝置來替代原始的人工手動進給。1996年開始隨著數控技術的大力發展，磨床技術迎來了第三次爆發期，并在2001年達到了頂峰。

中國磨床技術領域的專利申請趨勢則與世界申請趨勢有所不同，中國磨床技術領域的專利申請呈逐年上升趨勢，由于專利公開的滯后性，2019和2020年的專利申請數量有所失真，目前仍在持續增長上升期，這與中國的專利制度發展和專利政策息息相關，中國在1984年才設立專利制度，2000年之前中國專利申請數量很少，2000年后在政府政策支持和鼓勵下，專利申請量迅猛增長，從2011年開始中國專利申請量躍居世界第一，并持續增長，目前，中國一年的專利申請量已占到世界的一半；在磨床技術領域，也同樣體現了該趨勢，中國磨床技術領域公司的專利申請意識日益增強，預計還在持續高速增長中。

為了了解專利技術來源國和專利輸出國的情況，按地域進行提取專利申請量前十的國家以及專利輸出前十的國家，得到如圖2所示的結果。

圖2 磨床領域專利技術來源國及專利輸出國圖

圖2中，中國的專利申請數量雖然處于第一，但是中國對外的專利輸出率 1%都不到。專利申請數量第二的日本，其對外專利輸出率為 20.7%。位于第三的美國，對外專利輸出率為40%。其他對外輸出專利的國家主要還有德國、蘇聯、法國、韓國等。由于國際申請專利的質量較高，上圖充分表明在磨床領域的主流技術主要集中在日本、美國和德國三個國家。

在圖1的磨床技術中抽取出復合磨床（萬能磨床）來的相關專利，獲得如圖3所示的專利申請量的趨勢變化圖。

圖3 復合磨床（萬能磨床）專利申請趨勢圖

可以看到最早的萬能磨床概念在 1971年被提出，隨后在該技術領域有著零星的專利申請。結合圖1，自21世紀以來，中國在磨床技術領域的專利申請數量呈直線上升，該現象同步映射到復合磨床領域。結合中國國內對于數控機床的研究的發展，隨著國家2009年推出的“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，2009年之后專利申請數量出現了一個量的突變，每年都有著大量的專利申請。

由于復合磨床的核心是具有B軸，通過B軸進行砂輪回轉分度，在回轉砂輪架技術領域中，技術點主要體現在力矩電機和伺服電機+諧波減速器傳動兩個方面。磨床回轉工作臺的技術發展路線由最開始的鼠牙盤手動2.5°有限分度到自動1°有限分度的B軸驅動，再經過伺服電機驅動蝸桿蝸輪進行連續任意分度，到目前基于圓光柵進行直接檢測反饋控制的力矩電機直接驅動，圖4是相關技術路線發展圖。

圖4 復合磨床B軸專利技術路線圖

2.2 STUDER公司專利情況

Fritz STUDER AG成立于1912年，主要生產用于中小型工件加工的內外圓磨床。1994年，SCHLEIFRING集團整合了M?GERLE和STUDER兩大品牌。2013年，斯來福臨集團更名為UNITED GRINDING集團。通過提取，獲得Fritz STUDER公司的專利申請趨勢圖，如圖5所示。

圖5 Fritz STUDER公司專利申請趨勢圖

Fritz STUDER自1908年開始專利布局，1914年有了第一件磨床技術領域的專利申請。1908～1942年，Fritz STUDER公司的專利申請數量十分少，且技術領域的分布也很廣泛，處于技術的萌芽期。1946～1974年，專利申請數量相較于上一個時期有了一定的提升，但是技術集中度還是偏低。1975～2004年，專利申請數量和技術集中度都到了一定程度，企業逐步進入了技術成長期。2005～2019年期間，專利申請的整體趨勢并沒有太多的改變，但是由于在個別領域出現了技術突破，個別年的專利申請數量有了大幅的提升。

對其專利申請按技術來源國和技術輸出國情況進行分析，結果如圖6所示。

圖6 Fritz STUDER公司專利技術來源國和技術輸出國情況分布圖

可以看出Fritz STUDER公司的技術來源主要是瑞士本國，在德國、日本也有零星的專利申請。同時，Fritz STUDER公司也在積極進行全球專利布局[6]，其專利輸出的國家主要是德國、美國、法國、英國、中國等。通過上述數據可以看出，Fritz STUDER公司的主要產品銷售對象和技術保護地域還是集中在歐美，特別是歐洲地區，主要針對的是工業強國-德國。

按照時間和技術分支獲得Fritz STUDER公司的專利技術路線，如圖7所示。可以看出21世紀之前Fritz STUDER公司的重點在于磨床的基礎硬件改進，針對磨床結構、加工效率、夾持方式等方面進行了技術創新。21世紀之后更多的是結合數控、量測系統對機床進行發明創造，實現自動化生產。

Fritz STUDER公司在中國共布局了8項專利，8項專利中3項專利處于失效狀態，1項專利處于實質審查階段，4項授權專利,專利主要是磨床的進給系統和工件測量系統以及磨床運行狀態的監控系統。

針對復合磨床技術領域，Fritz STUDER公司的專利申請主要集中在20世紀70～80年代，在B軸回轉領域申請了2項專利（EP311820A2和US5018309A），但是均未獲得授權。

鑒于Fritz STUDER公司的數控外圓、內外圓數控磨床產品處于世界頂尖水平，但是在相關領域的專利申請數量卻不突出，再加上磨床技術領域機械結構的長期發展瓶頸因素，小結如下：

(1)對于核心的控制方法和加工方法，Fritz STUDER 公司采取的是商業秘密保護形式。

(2)由于磨床的機械結構已經日益完善和成熟，加上反求工程技術大大發展，Fritz STUDER公司對其研究主要是局部改進，研究方向重點通過數控方法和程序來和機械一體提升機床性能。

2.3 KELLENBERGER公司專利情況

哈挺公司誕生于 1980年，由 Henry Hardinge和Franklin Hardinge在美國伊利諾伊州芝加哥成立；1995年，收購了德國具有80年歷史的世界著名磨床生產廠家 KELLENBERGER（克林伯格），KELLENBERGER以其在磨床領域內的技術優勢結合哈挺的雄厚實力使得這一產品更具輝煌，KELLENBERGER品牌萬能外圓磨床即復合型內外圓磨床處于全球領先的地位，其中K1000則更是代表了全球最高水平。

通過提取，獲得 HARDINGE集團及KELLENBERGER公司磨床技術的專利申請趨勢圖，如圖8所示。

可以明顯地看出，在20世紀20至30年代是KELLENBERGER公司在磨床領域進行主要布局的時期，后續一段時間KELLENBERGER公司并沒有通過專利手段來保護其技術。KELLENBERGER能查詢到的最近公開專利是2013年申請的，之后KELLENBERGER沒有再進行專利申請（2019、2020年數據由于專利公開的滯后性數據有所失真）。

對其專利申請按技術來源國和技術輸出國情況進行分析，結果如圖9所示。

圖9 KELLENBERGER公司專利技術來源國和技術輸出國情況分布圖

可以看出KELLENBERGER公司的磨床技術來源主要是德國，其次是美國、瑞士、中國和英國。同時，KELLENBERGER也進行了專利全球布局，其專利輸出的國家主要是美國和瑞士。在中國的專利，由其在中國的全資控股公司哈挺精密機械(嘉興)有限公司進行專利申請。

KELLENBERGER公司在中國針對磨床技術領域共申請了4項專利，相對于KELLENBERGER公司整體的專利申請數量來說，其對中國市場的重視程度還是處于一個較低的水準。4項專利中3項專利處于失效狀態，其中兩件實用新型因未繳納年費而失效，1項發明專利駁回后失效。目前僅有1項實用新型外圓磨床的緊湊式頭架獲得權利保護。由于KELLENBERGER公司在磨床技術領域申請的專利數量較少，其中和回轉B軸密切相關的專利只有一件，且是與測量控制系統相關，即 Kel-Set砂輪自動測量系統的支撐專利，該專利為1991年10月17日申請的，申請號為CH00303391的瑞士專利。該專利進行了歐洲、德國和美國三個國家的布局，目前已經處于失效狀態。

根據 KELLENBERGER公司磨床技術專利申請情況，小結如下：

（1）相對于STUDER公司仍在磨床技術持續投入大力發展外，KELLENBERGER公司只是跟隨技術的發展維持其業務。

（2）和 STUDER 公司一樣，KELLENBERGER公司也在通過數控方法和程序提升其機床性能，知識產權保護措施主要也是商業秘密方式。

2.4 專利檢索分析結論

前述內容重點針對的是磨床技術領域的復合（萬能）磨床專利，特別是砂輪架回轉裝置的專利技術檢索，得出結論如下：

1）高新技術在不斷改造傳統行業

磨床領域最早的專利申請能追溯到1820年，在這200年的發展過程中，傳統的磨床構造已經日漸趨于成熟，整體申請趨勢也是呈現階段性穩定的申請量。但是隨著驅動技術、傳動技術、密封技術和數控測試技術的不斷發展，磨床領域也有著明顯的技術爆發期，從技術生命周期來看，目前全球范圍（除中國）磨床領域處于技術成熟期，整體的專利增長速度變緩并趨于穩定。

2）國外技術先進，國內迎頭追趕

通過對技術來源國和技術輸出國，可以看出美國、日本、歐洲，特別是德國和瑞士是主要的磨床專利技術來源國，并且這些國家積極地在多個國家進行專利布局，通過專利手段來保護其研發成果，保持市場競爭力。

3）專利壁壘薄弱

國外在磨床技術領域的專利申請和技術積累雖然遠超我國，但是國際巨頭更多的是將中國作為市場銷售目標而非競爭目標，世界一流的磨床生產企業在中國的專利申請數量并不突出，并未在中國設立明顯的專利壁壘。

3 知識產權工作建議

對于磨床技術來說，我國的磨床技術發展的較晚，整體上還處于技術成長期；中國作為亞太地區最大的市場，國外機床制造業紛紛進入，在競爭中紛紛在中國建廠，對我國機床制造業形成了一定的影響。此時，我們必須清醒地認識到自身的不足，在做好自身產品研發工作的同時，也急需做好知識產權特別是專利挖掘相關方面的工作，避免貿易戰。

基于上述情況，提出如下幾點建議，以供參考：

（1）磨床乃至金屬切削機床，仍是以機械結構為主體，在國外企業沒有針對中國進行大規模專利布局的情況下，國內機床制造企業不僅需要采用反向工程技術來彌補自身在技術上的不足，而且還要做好自身產品的定位，結合企業主導產品的方向進行結構創新和改進，在機械部件和整機結構等方面申請一定數量的發明或實用新型專利，構建以點和線形式為主的專利技術方案，形成包繞式專利布局的知識產權保護。

（2）隨著信息技術的發展，機床領域也避免不了應用各種先進技術，當前5G技術、物聯網技術、大數據技術等相關技術發展迅速，處于同一起跑線的我國制造業，無疑處于有利時機，響應黨的十九屆五中全會《全面加強知識產權保護工作，激發創新活力推動構建新發展格局》精神，對機床技術空白點進行專利分析和挖掘，結合企業研究方向和新技術的應用，構建以面為主的專利技術方案和商業秘密，形成組合式專利布局的知識產權保護。

（3）除了以專利布局為主的知識產權保護外，還需要進一步加強專利挖掘[7]等方面的知識產權工作，同時切實做好專利許可與轉讓、專利質押與保險等方面的知識產權運用工作。根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》，自2009年起國家實施了包括“高檔數控機床與基礎制造裝備”在內的十六個科技重大專項，取得了不少基礎研究和應用研究成果。在機床制造業自身研究能力下滑的局面下，急需國內機床制造企業結合自身的發展吸收和消化這些科技重大專項的相關成果，通過合理運用知識產權，形成基礎性專利，圍繞基礎專利構建專利圍墻，形成與國外高端品牌可抗衡的專利交叉許可格局，避免專利糾紛解決時容易處于被動的局面。

通過上述知識產權工作，逐漸從知識產權引進向知識產權創造轉變，維持中國機床制造業健康發展，擴大中國機床產品和技術的優勢。