基于專利分析的電主軸技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展研究＊

鄭亞琦 閆 磊 彭子平 徐祎辰 宋菲菲

（①北京機(jī)床研究所有限公司，北京 100122；②通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司，北京 100102；③江蘇德速智能機(jī)械股份有限公司，江蘇 常州 213166）

高檔數(shù)控機(jī)床戰(zhàn)略意義重大，是支撐國家戰(zhàn)略發(fā)展和應(yīng)對復(fù)雜國際形勢威脅的需要。數(shù)控機(jī)床主軸正在向高速、高精、大扭矩和智能化方向發(fā)展，滿足寬域工況加工的軸承預(yù)緊力可調(diào)主軸產(chǎn)品成為最新發(fā)展趨勢。隨著航空航天等高端用戶需求不斷向復(fù)合化、專業(yè)化方向發(fā)展，單臺數(shù)控機(jī)床需滿足低速重切削、高速精加工多種需求，要求主軸同時(shí)具備低速大轉(zhuǎn)矩、高速高精度的性能[1]。

電主軸是屬于大型加工中心設(shè)備的核心零部件之一，其制造精度直接影響著整個加工中心機(jī)床的精度。主軸單元作為高精度機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，直接帶動刀具及工件進(jìn)行切削運(yùn)動，其轉(zhuǎn)速和精度直接影響著機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率[2]。國內(nèi)天津大學(xué)[3-5]、西安交通大學(xué)[6-7]等高校在主軸方面做了大量研究，但從總體來看，當(dāng)前我國數(shù)控機(jī)床與世界領(lǐng)先水平仍有一定差距，部分核心技術(shù)尚未完全掌握，國內(nèi)功能部件產(chǎn)品主要滿足中低端需求，高端配套能力不足。德國、美國、日本等國家的先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品牢牢掌控著高端市場，其主軸產(chǎn)品能夠占到國內(nèi)全部需求量80%以上[8-10]。

專利大數(shù)據(jù)是科技大數(shù)據(jù)中的重要部分[11]，很多學(xué)者基于專利分析方法，對機(jī)床領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)發(fā)展做了大量研究。杜雄等[12]以國外兩家磨床企業(yè)為目標(biāo)進(jìn)行專利檢索分析，為我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展提出了一些合理的建議。劉宇飛[13]等分析了全球數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和趨勢，結(jié)果表明我國在高檔數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域仍存在不同層次的創(chuàng)新缺口。王健[14]利用專利分析方法，揭示了數(shù)控加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)的發(fā)展變化，并為我國企業(yè)技術(shù)的開發(fā)提供了相應(yīng)的建議。

在此背景下，本研究將從專利分析的角度，利用各個平臺所檢索的專利數(shù)據(jù)，通過對比企業(yè)與高校之間的專利信息，各種專利類型之間不同的差異，分析近5 年(2016～2020 年）來電主軸相關(guān)領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)情況，從而針對我國電主軸技術(shù)領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)工作提出幾點(diǎn)建議。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文分析專利數(shù)據(jù)檢索范圍重點(diǎn)為近5 年（2016～2020 年），除使用中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索與分析系統(tǒng)、INNOGRAPHY 專利數(shù)據(jù)及其檢索分析平臺外，還增加了Baiten 佰騰大數(shù)據(jù)開放平臺、智慧芽專利分析管理平臺、德溫特創(chuàng)新平臺為主要數(shù)據(jù)源，并輔助使用中國知網(wǎng)專利數(shù)據(jù)庫等。

1.2 研究方法

本研究結(jié)合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過跟需求方的聯(lián)系人直接溝通，或者該項(xiàng)目相關(guān)的技術(shù)相關(guān)人員溝通確認(rèn)等方式，了解到項(xiàng)目的類型及背景等相關(guān)情況，從而確定項(xiàng)目的客體和目的，明確項(xiàng)目的檢索地區(qū)范圍、語言范圍、時(shí)間范圍、文獻(xiàn)類型范圍、數(shù)據(jù)庫范圍以及技術(shù)內(nèi)容范圍等，繼而根據(jù)項(xiàng)目的檢索目的和檢索范圍進(jìn)行檢索主題詞和分類號的確定，檢索要素表的編寫，檢索式的構(gòu)建以及檢索的實(shí)施。通過不斷地調(diào)試檢索關(guān)鍵詞和分類號以及構(gòu)建不同的檢索式以獲得最佳的檢索效果，進(jìn)行多次調(diào)整檢索。最后篩選、排除以及去噪。

2 知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀分析

2.1 “電主軸”近5 年信息檢索

以電主軸整個技術(shù)領(lǐng)域的近5 年（2016～2020 年）信息進(jìn)行專利檢索，得到總共 4 229 組專利，按照專利的是否授權(quán)情況分為“有權(quán)”、“無權(quán)”和“在審中”3 種類型，各類型專利的檢索情況，如表1 所示。從檢索數(shù)據(jù)可以看出，2016～2020 年，“電主軸”類已授權(quán)的專利發(fā)明462 項(xiàng)，相比2 656 件授權(quán)總量，其發(fā)明授權(quán)占比較小，實(shí)用新型占比居多，說明創(chuàng)新性能力存在不足，其“創(chuàng)造性與新穎性”偏低；但從發(fā)明審查中的數(shù)量來看，近5 年總計(jì)951 件，其中進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查的911 件，占比達(dá)到了95.7%，說明近期我國企業(yè)在“電主軸”技術(shù)方面取得進(jìn)步，申請專利開始大量申請發(fā)明為主，且速度明顯加快。

表1 “電主軸”相關(guān)專利檢索結(jié)果

2.2 “電主軸”“加工中心”近5 年信息檢索

以電主軸與加工中心為技術(shù)領(lǐng)域的近5 年（2016～2020 年）信息進(jìn)行專利檢索，得到總共238 項(xiàng)專利，按照專利的是否授權(quán)情況分為“有權(quán)”、“無權(quán)”和“在審中”3 種類型，各類型專利的檢索情況，如表2 所示。

2.2.1 “加工中心”領(lǐng)域總占比

從表2 檢索可看出，近5 年（2016～2020 年）在“加工中心”領(lǐng)域中申請電主軸的專利數(shù)量為238 件，占檢索的專利總數(shù)4 229 件的5.6%；說明電主軸在加工中心行業(yè)中占比極小。上述信息表明，該行業(yè)目前尚處于起步階段，技術(shù)方面仍舊有很大的創(chuàng)造空間。隨著產(chǎn)品市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷進(jìn)步，其知識產(chǎn)權(quán)比重將逐漸增大。

表2 “電主軸”“加工中心”相關(guān)專利檢索結(jié)果

2.2.2 電主軸創(chuàng)新能力

根據(jù)近3 年來行業(yè)展銷會及行業(yè)交流統(tǒng)計(jì)，目前我國從事數(shù)控加工中心設(shè)備及相關(guān)零部件的企業(yè)已超過6 000 余家。由此可見，大多數(shù)企業(yè)在數(shù)控加工中心的電主軸方面，研發(fā)能力偏低，國內(nèi)電主軸創(chuàng)新能力不足，導(dǎo)致產(chǎn)品技術(shù)含量偏低，申請專利量少。國內(nèi)中、高端電主軸依然依靠進(jìn)口，國內(nèi)產(chǎn)品大多只能滿足低端市場。

2.2.3 產(chǎn)品技術(shù)含量

已授權(quán)的152 件專利中，發(fā)明授權(quán)僅為20 件，占總數(shù)的13.15%，實(shí)用新型專利授權(quán)占比達(dá)到79.6%。由此可見，加工中心的電主軸制造企業(yè)，在新產(chǎn)品的工藝、方法和產(chǎn)品方面發(fā)明創(chuàng)造力度不夠，僅在電主軸的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其結(jié)合方面開展研發(fā)創(chuàng)新，技術(shù)偏低，電主軸普遍不具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。在進(jìn)行發(fā)明專利的申請過程中，企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視技術(shù)的先進(jìn)程度，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，不斷挖掘新產(chǎn)品、新技術(shù)，提高產(chǎn)品技術(shù)附加值。數(shù)據(jù)分析顯示，數(shù)控機(jī)床加工中心行業(yè)處于迅速發(fā)展階段，在吸收和借鑒國外技術(shù)點(diǎn)的同時(shí)，對于電主軸方面的研發(fā)力度應(yīng)該加大。并且隨著國外知識產(chǎn)權(quán)壟斷和防侵權(quán)等方面，我國應(yīng)加以重視需要不斷申請高質(zhì)量的發(fā)明專利，保護(hù)企業(yè)產(chǎn)品核心技術(shù)和企業(yè)利益，逐漸參與到中、高端電主軸市場中，與國外進(jìn)口產(chǎn)品開展競爭，才能促使企業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展。

2.3 “電主軸” “加工中心”近5 年專利“無權(quán)”信息檢索

以電主軸與加工中心為技術(shù)領(lǐng)域的近5 年（2016～2020 年）信息進(jìn)行專利檢索，其中無權(quán)的專利共有27 項(xiàng)，其無權(quán)原因可分為“未繳年費(fèi)”、“駁回”、“視為撤回”、“主動撤回”、“避重放棄”、“主動放棄”、“全部無效”和“視為放棄”等8 種類型，各類別數(shù)量情況如圖1 所示。從上圖無權(quán)分布結(jié)構(gòu)上看，加工中心的電主軸專利無權(quán)中，“未繳年費(fèi)”和“駁回”分別占到了總無權(quán)數(shù)量的41% 和37%，由此可見，企業(yè)對于知識產(chǎn)權(quán)的維護(hù)與管理方面存在不足，主動放棄繳納年費(fèi)或者因跟蹤問題，產(chǎn)生未及時(shí)繳納年費(fèi)導(dǎo)致發(fā)明授權(quán)專利權(quán)利終止。

圖1 “專利”無權(quán)信息檢索結(jié)果

從后面幾項(xiàng)數(shù)據(jù)（撤回、無效）等，可以反映出一個現(xiàn)象，就是我國在加工中心的電主軸技術(shù)方面，知識產(chǎn)權(quán)糾紛較少，企業(yè)保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)和市場利益的重視程度不夠。在生產(chǎn)經(jīng)營過程中，對于知識產(chǎn)權(quán)的侵權(quán)與被侵權(quán)管理工作欠缺，在未發(fā)生侵權(quán)糾紛，未賠償知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)費(fèi)用情況下，不能采取有效的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)措施。

2.4 重點(diǎn)專利篩選

通過重點(diǎn)專利篩選后，有39 件發(fā)明專利授權(quán)，重點(diǎn)涉及到加工中心的電主軸，其中高校申請專利7 項(xiàng)，企業(yè)申請專利31 項(xiàng)，個人申請專利1 項(xiàng)。其各類型主軸數(shù)量如圖2 所示。

圖2 重點(diǎn)專利篩選分布結(jié)果

從其申請的主體來看，以同行業(yè)單位、競爭單位、國內(nèi)高等院校為主，個人申請較少。且分布上看，專利較為集中。數(shù)據(jù)表明，加工中心的電主軸核心技術(shù)，主要掌握在少數(shù)企業(yè)和多家高校手中。而高等院校的專利技術(shù)，其先進(jìn)程度高于企業(yè)，但是專利狀態(tài)表明未能進(jìn)行有效的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和成果轉(zhuǎn)化。

2.4.1 專利技術(shù)方案特征

目前主軸的專利研究主要包括主軸結(jié)構(gòu)、主軸維修、抗沖擊力、應(yīng)用場合、散熱結(jié)構(gòu)、空間體積、剛性和冷卻結(jié)構(gòu)研究等8 個方向，如圖3 所示。目前高校的研發(fā)方向與企業(yè)研發(fā)方向雖有共性，但也存在區(qū)別：

圖3 主軸主要研究方向?qū)Ρ?/p>

一是高等院校在電主軸領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)在于電主軸的剛性、抗沖擊力以及材料方面的研發(fā)，受市場需求影響較小，注重理論方法研究，在不考慮成本的基礎(chǔ)上，重視電主軸性能和使用壽命的研發(fā)，針對該方向的知識產(chǎn)權(quán)偏多。

二是生產(chǎn)制造企業(yè)在電主軸方面，關(guān)注點(diǎn)集中在整體結(jié)構(gòu)、散熱性能、維修保養(yǎng)以及應(yīng)用領(lǐng)域方面的開發(fā)，受市場影響大，偏向于市場需求，在充分考慮制造成本和市場需求的基礎(chǔ)上，對主軸產(chǎn)品的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)及其結(jié)合提出的新技術(shù)方案較多，知識產(chǎn)權(quán)偏實(shí)用。

2.4.2 主軸涵蓋范圍與科技含量

高速電主軸對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展以及金屬切削技術(shù)的影響極大。從知識產(chǎn)權(quán)分析的角度看，國內(nèi)廠商各自為戰(zhàn)，技術(shù)資源分散，除了個別廠家擁有一定的綜合研發(fā)實(shí)力外，其他的企業(yè)基本上在模仿國內(nèi)外的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)，技術(shù)實(shí)力較弱，創(chuàng)新不足。主要涉及電主軸軸承潤滑、零部件材料選取以及加工工藝、內(nèi)裝式主軸電機(jī)、送拉刀接口、主軸軸承潤滑油品等方面沒有自己獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)，尤其是在電主軸的附件領(lǐng)域如伺服驅(qū)動控制器、編碼器、動力油缸或氣缸、智能傳感器等方面表現(xiàn)的更為突出，基本上是外國產(chǎn)品占領(lǐng)中高端市場，也是制約我國該方面知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展的關(guān)鍵原因。

專利分布量小，未來電主軸知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展前景廣闊。根據(jù)重點(diǎn)專利分布來看，我國電主軸仍然處于初期階段，參與市場競爭范圍仍舊偏小。知識產(chǎn)權(quán)在行業(yè)中實(shí)施范圍小，并且高等院校占比高，企業(yè)與個人占比量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外同行業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)占比。這表明我國企業(yè)在該電主軸方面技術(shù)突破能力偏低；另一方面也反映了高等院校缺乏技術(shù)輸出機(jī)制，不能有效將技術(shù)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致我國在加工中心的電主軸領(lǐng)域，產(chǎn)品科技含量偏低，市場占有處于弱勢。

3 結(jié)語

根據(jù)知識產(chǎn)權(quán)檢索和現(xiàn)狀分析表明，目前我國國內(nèi)企業(yè)和高等院校在加工中心的電主軸方面申請知識產(chǎn)權(quán)量少、技術(shù)創(chuàng)新性不高、侵權(quán)和維權(quán)意識較為薄弱。在后續(xù)研發(fā)過程中，應(yīng)當(dāng)極大研發(fā)力度，積極開展新產(chǎn)品、新技術(shù)及新工藝的研發(fā)，并且注重知識產(chǎn)權(quán)的時(shí)效性和重要性。在申請知識產(chǎn)權(quán)過程中，應(yīng)當(dāng)合理布局，圍繞電主軸產(chǎn)品開展系列措施。

為此，本文提出以下3 點(diǎn)建議：

（1）增加知識產(chǎn)權(quán)數(shù)，尤其是增加電主軸發(fā)明專利申請量，擴(kuò)大產(chǎn)品保護(hù)范圍，并且形成產(chǎn)品專利群。

（2）提升專利質(zhì)量，圍繞電主軸的新技術(shù)、新工藝開展突破創(chuàng)新，申請的發(fā)明專利要有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，增加授權(quán)率。

（3）加大產(chǎn)學(xué)研合作，利用高校的研發(fā)實(shí)力和平臺資源，提升產(chǎn)品技術(shù)升級，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的進(jìn)一步更新?lián)Q代。