高檔機床數(shù)控技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)分析研究*

劉 萌 陳劍峰 何無為 趙涵卓

（①北京機床研究所有限公司，北京 100122；②通用技術(shù)集團機床工程研究院有限公司，北京 100102；③沈陽中科數(shù)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

制造業(yè)是衡量一個國家綜合國力的重要標志，制造業(yè)在各工業(yè)國的經(jīng)濟增長中都起到了發(fā)動機的作用[1?4]。而數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平直接影響了國家工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展程度，從而影響到國家綜合實力和國際地位。目前我國的機床數(shù)量雖位居世界第一，但在機床的核心技術(shù)上，我國自主研發(fā)的機床的關(guān)鍵部位以及高性能程序系統(tǒng)還需要依賴外國的技術(shù)支撐。由于高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)系到產(chǎn)業(yè)安全與國家安全，即使在全球一體化的今天，西方國家和日本仍對中國實行出口限制和監(jiān)督使用政策，并且有更加嚴格的趨勢，以限制中國國防技術(shù)的發(fā)展[5?10]。

近年來，越來越多的企業(yè)和科研院所認識到專利分析的重要性。慎金花等[11]利用Innography專利分析平臺，結(jié)合專利情報分析理論，對國內(nèi)外挖掘機專利進行了發(fā)展趨勢、競爭國家、技術(shù)特點和申請人等方面的分析。邵偉等[12]采用Incopat軟件和專利檢索系統(tǒng)針對柔性夾持器全球?qū)＠暾堉饕夹g(shù)情況進行分析，發(fā)現(xiàn)在全球主要申請人中，中國申請占比34%，美國占比16%，日本占比13%，越來越多申請人轉(zhuǎn)向中國市場。許景龍等[13]通過統(tǒng)計微電子器件材料和工藝的專利年度申請量，對微電子器件材料和工藝的全球研發(fā)趨勢進行總體分析、衡量，把握技術(shù)發(fā)展脈絡、技術(shù)研發(fā)熱點和未來發(fā)展方向。

本文以某一特定時期的各項技術(shù)類別的專利文獻為目標，進行全面定量和定性分析，判斷出數(shù)控領(lǐng)域的研發(fā)技術(shù)熱點和技術(shù)空白點。通過分析國內(nèi)外數(shù)控領(lǐng)域主要企業(yè)和研究機構(gòu)的專利申請和布局情況，對掌握目前競爭對手的專利申請和布局情況，有針對性地制定專利戰(zhàn)略，確定技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)的戰(zhàn)略重點和戰(zhàn)略步驟以及重要的競爭領(lǐng)域，進而制定相應的專利防御和進攻戰(zhàn)略，推進專利技術(shù)開發(fā)和專利池的形成，對提高企業(yè)的技術(shù)競爭力，確保為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

數(shù)據(jù)來源于Derwent Innovation Index（DII）專利數(shù)據(jù)庫，它收錄了來自全球40個專利發(fā)行機構(gòu)的2 300多萬個基本發(fā)明，專利覆蓋范圍可追溯到1966年，引用信息可追溯到1976年，是最權(quán)威的檢索全球?qū)＠臄?shù)據(jù)庫。同時為了進一步確保檢索內(nèi)容的全面性，以中科院專利在線數(shù)據(jù)庫和臺灣連穎專利數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)作為補充。專利數(shù)據(jù)分析工具采用（thomson data analyzer，TDA）數(shù)據(jù)分析軟件和EXCEL軟件。

專利分析分為準備期、數(shù)據(jù)采集期和分析期3個階段。通過收集相關(guān)信息、確定專利分析策略、檢索專利數(shù)據(jù)庫、加工整合分析檢索結(jié)果、形成分析報告，分析流程如圖1所示。

圖1 專利分析流程圖

2 國內(nèi)外知識產(chǎn)權(quán)狀況分析

2.1 專利產(chǎn)出時間趨勢分析

截至到2019年，在檢索范圍內(nèi)共檢索到數(shù)控技術(shù)的相關(guān)專利6 087件（其中2010年和 2011年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完全），年均專利數(shù)量約為113件次，如圖2所示。2001年以后數(shù)控技術(shù)迅速發(fā)展，每年的專利數(shù)量為100件次以上；2008?2019年為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的鼎盛時期,每年的專利數(shù)量達到了200件次以上；2001?2019年專利數(shù)量累計達到了3 137件次，約占數(shù)控技術(shù)專利總數(shù)的68.45%，其中2019年的專利數(shù)量達到了480件次。

圖2 數(shù)控技術(shù)專利數(shù)量的年度統(tǒng)計（1966—2019）

2.2 專利權(quán)人分析

在近50年中，數(shù)控技術(shù)的相關(guān)專利涉及的專利權(quán)人共有3 165家機構(gòu)和個人，專利數(shù)量大于50件次的專利權(quán)人有49位，所擁有的專利累計3 325件次，占件次總量的26.75。如圖3所示，其中擁有專利數(shù)量最多的是日本發(fā)那科公司，達到126件次；其次為日本安川電機公司，有91件次；日本三菱電機公司和西門子公司排名第三和第四。

圖3 數(shù)控技術(shù)專利主要專利權(quán)人

2.3 主要技術(shù)構(gòu)成分析

如圖4所示，數(shù)控技術(shù)專利的第一熱點主要集中 在“X25 A03F:Industrial electrical equipment →Working materials→ Tools→ Control”專利技術(shù)分類，共有733項，近3年的專利占23%；第二熱點表現(xiàn)在“T06 D06:Process and machine control →Applications→ Machine tool control”專利技術(shù)分類，有671項，近3年的專利占到了 20%；第三熱點表現(xiàn)在“T06 A04A:Process and machine control→General control systems→Programme control systems→Numerical controllers”專利技術(shù)分類，有659項，近3年專利占43%。對主要技術(shù)構(gòu)成統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)：在數(shù)控系統(tǒng)功能安全技術(shù)、PLC電氣功能安全以及失效識別、安全完整性等級評估等安全關(guān)鍵技術(shù)研究方面的專利較少，共有170項，近3年的專利占90%，大部分均為國外專利權(quán)人。

圖4 數(shù)控技術(shù)專利的主要技術(shù)構(gòu)成（top10）

2.4 國家/地區(qū)專利機構(gòu)分布分析

數(shù)控機床作為工業(yè)自動化和數(shù)字工廠的重要組成部分，被廣泛應用于汽車制造、金屬加工和航天航空等多個領(lǐng)域，是工業(yè)現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機床的技術(shù)能力體現(xiàn)了一個國家制造業(yè)的核心競爭力。中國作為全球最大的制造業(yè)大國，數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，但是近年來機床產(chǎn)量連續(xù)負增長。隨著制造業(yè)復蘇，機床市場開始溫和復蘇，全年產(chǎn)量為44.60萬臺，同比增長7.21%。但與德、日等領(lǐng)先國家相比，仍存在較大差距，功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐。例如，2014年國內(nèi)高檔數(shù)控系統(tǒng)仍有90%需要依賴進口。數(shù)控機床領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)與突破成為了“中國制造2025”戰(zhàn)略重要工作。

如圖5所示，截止到2019年12月，數(shù)控機床領(lǐng)域全球申請量達到10 708件。從申請趨勢來看，自2006年后呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，并在2012年前后達到高峰。目前數(shù)控機床專利申請量進入了階段性的回落，2016年更是出現(xiàn)了大幅度下滑。隨著工業(yè)4.0的深入推進，數(shù)控機床技術(shù)進入新一輪的更新周期，技術(shù)的更新?lián)Q代必將導致產(chǎn)業(yè)格局的重新洗牌。

圖5 專利申請反映數(shù)控機床技術(shù)進入更新周期

中國成為最大專利產(chǎn)出國，但技術(shù)的國際競爭力不足，在新一輪的技術(shù)更新中，世界主要工業(yè)國家都積極開展技術(shù)和專利布局。目前，中國、日本、美國和德國是數(shù)控機床專利的主要產(chǎn)出地，如圖6所示，四國的專利產(chǎn)出量超過專利總量的85%。而其中，中國成為了最大專利產(chǎn)出國，專利產(chǎn)出量為6 586件，約占總申請量的60%。圖7為專利受理區(qū)域分布，從圖中可以看出，中國、日本和美國是當前數(shù)控機床技術(shù)競爭最為激烈的地區(qū)。美國、德國、前蘇聯(lián)、韓國、中國臺灣、法國、英國、俄羅斯、歐洲專利局、東德、瑞士、意大利、印度、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、澳大利亞和西班牙的專利機構(gòu)受理的專利都超過了數(shù)十件次。

圖6 專利申請區(qū)域分布

圖7 專利受理區(qū)域分布

雖然中國專利產(chǎn)出量巨大，但對外輸出量少，只有26件，技術(shù)的國際競爭力弱。如圖8所示，相比之下，日本專利對外輸出高達1 121件，其中向中國輸出82件占輸出總量 4.06%，向美國輸出247件占輸出總量12.24%，向德國輸出224件先輸出總量11.10%，其技術(shù)能力展現(xiàn)出很強的國際競爭力。此外，美國和德國數(shù)控機床專利輸出量也比較大，分別是506件和220件，也展示了較強的國際競爭力。

圖8 主要國家數(shù)控機床專利輸出狀況

數(shù)控機床專利類別分布如圖9所示，技術(shù)研發(fā)需要全面突破數(shù)控機床專利分主要有控制技術(shù)、加工技術(shù)、機床零件和相關(guān)附件等。從專利申請量來看，數(shù)控機床技術(shù)集中在控制技術(shù)(2 827件)、加工技術(shù)(3 505件)和機床部件(3 286件)三大方面。

圖9 數(shù)控機床專利類別分布

如圖10所示，中國企業(yè)技術(shù)研發(fā)能力有待加強，技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化能力有待提升全球?qū)＠暾埲饲?0名中，日本企業(yè)占11個，中國企業(yè)大學共4個，與日本企業(yè)相比，中國企業(yè)的技術(shù)實力存在明顯劣勢，企業(yè)技術(shù)研發(fā)能力有待加強。此外，如圖11所示，從中國專利申請人前20看，中國的高校和科研院所具有較強的知識和技術(shù)產(chǎn)出能力，但是并未能真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)成果，需要加強產(chǎn)學合作，提升技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化能力。

圖10 世界專利申請人前20

圖11 中國專利申請人前20

3 競爭對手分析

以專利家族數(shù)量排名前五位的機構(gòu)為競爭對手進行分析，這5個機構(gòu)分別是日本發(fā)那科公司、日本安川電機公司、日本三菱電機公司、西門子公司和寶元數(shù)控科技有限公司。

3.1 競爭對手專利產(chǎn)出時間趨勢分析

日本、德國技術(shù)沉淀凸顯工匠精神，中國技術(shù)積累根基尚淺，如圖12所示，從各國的專利申請趨勢來看：日本、德國數(shù)控機床專利從上世紀70年代后一直維持較為穩(wěn)定的輸出，一方面反映出這兩個國家的數(shù)控機床技術(shù)具有較長時間積累；另一方面說明了日本、德國對技術(shù)的持續(xù)研發(fā)和完善，凸顯出日本和德國企業(yè)對技術(shù)精益求精的工匠精神。中國數(shù)控機床專利申請主要集中在2005年以后，得益于“十一五”后，國家推動了制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展，數(shù)控機床技術(shù)因此得到長足發(fā)展。但是與日本、德國超過40年的技術(shù)沉淀相比，中國技術(shù)積累有所欠缺，根基尚淺。

圖12 主要國家專利申請趨勢

3.2 競爭對手專利申請規(guī)模分析

5個公司共擁有數(shù)控技術(shù)專利1 097件次，其專利的受理機構(gòu)主要集中在日本、中國、德國、美國和臺灣地區(qū)等專利機構(gòu)，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 競爭對手數(shù)控專利規(guī)模分析表格

3.3 競爭對手重點研發(fā)領(lǐng)域分析

圖13為五大競爭對手在數(shù)控專利技術(shù)相關(guān)的10個領(lǐng)域內(nèi)的分布圖，縱坐標為用德溫特手工代碼表示的技術(shù)領(lǐng)域，主要德溫特代碼如表2所示。分析圖13可以發(fā)現(xiàn)，在列出的前10個技術(shù)領(lǐng)域中，發(fā)那科公司的專利數(shù)量在前5位和第10位共6個技術(shù)領(lǐng)域均位列第一，與其余4個公司相比，有較明顯的優(yōu)勢。

表2 主要徳溫特手工代碼與技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ毡?/p>

圖13 五大競爭對手數(shù)控專利技術(shù)分布圖

圖14為五大競爭對手所擁有的數(shù)控專利的技術(shù)構(gòu)成，從圖中可以看出，其圍繞的研發(fā)熱點主要有以下幾個方面：第一熱點主要集中在“T06-D06”專利技術(shù)領(lǐng)域，共有118項，近3年的專利占4%；第二熱點集中在“X25-A03F”專利技術(shù)領(lǐng)域，有113項，近3年的專利占6%；第三熱點集中在“T06-A04A2”專利技術(shù)領(lǐng)域，共有75項，近3年的專利占5%。

圖14 五大競爭對手排名前10的數(shù)控專利技術(shù)構(gòu)成

4 結(jié)語

（1）2001年以后全球數(shù)控技術(shù)迅速發(fā)展，每年的專利數(shù)量達到100件次以上，2008?2019年為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的鼎盛時期，每年專利數(shù)量達到了200件次以上。這說明數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與制造業(yè)發(fā)展密不可分，各個國家都在將數(shù)控技術(shù)放在重點發(fā)展領(lǐng)域。

（2）在近50年的數(shù)控專利統(tǒng)計中，數(shù)控技術(shù)相關(guān)專利權(quán)人總數(shù)最多的機構(gòu)均在日本，我國科研院校與機構(gòu)在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的研究實力較日本還存在較大差距，中國企業(yè)的技術(shù)研發(fā)能力有待提高。

（3）中國為最大的專利出產(chǎn)國，但技術(shù)的國際競爭力不足。雖然中國的專利產(chǎn)出量大，但是對外輸出量少，相比之下，日本、美國、德國的專利展現(xiàn)出很強的國際競爭力，因此未來我們應當注重提高專利的競爭力，加強產(chǎn)學合作，提升技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化能力。