高檔機床數控技術知識產權分析研究*

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通用技術集團機床工程研究院有限公司，北京 100102；③沈陽中科數控技術股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

制造業是衡量一個國家綜合國力的重要標志，制造業在各工業國的經濟增長中都起到了發動機的作用[1?4]。而數控技術的發展水平直接影響了國家工業現代化的發展程度，從而影響到國家綜合實力和國際地位。目前我國的機床數量雖位居世界第一，但在機床的核心技術上，我國自主研發的機床的關鍵部位以及高性能程序系統還需要依賴外國的技術支撐。由于高檔數控系統關系到產業安全與國家安全，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督使用政策，并且有更加嚴格的趨勢，以限制中國國防技術的發展[5?10]。

近年來，越來越多的企業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，結合專利情報分析理論，對國內外挖掘機專利進行了發展趨勢、競爭國家、技術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針對柔性夾持器全球專利申請主要技術情況進行分析，發現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%，越來越多申請人轉向中國市場。許景龍等[13]通過統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趨勢進行總體分析、衡量，把握技術發展脈絡、技術研發熱點和未來發展方向。

本文以某一特定時期的各項技術類別的專利文獻為目標，進行全面定量和定性分析，判斷出數控領域的研發技術熱點和技術空白點。通過分析國內外數控領域主要企業和研究機構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略，確定技術與產品研發的戰略重點和戰略步驟以及重要的競爭領域，進而制定相應的專利防御和進攻戰略，推進專利技術開發和專利池的形成，對提高企業的技術競爭力，確保為企業的可持續發展具有重要作用。

1 數據來源與研究方法

數據來源于Derwent Innovation Index（DII）專利數據庫，它收錄了來自全球40個專利發行機構的2 300多萬個基本發明，專利覆蓋范圍可追溯到1966年，引用信息可追溯到1976年，是最權威的檢索全球專利的數據庫。同時為了進一步確保檢索內容的全面性，以中科院專利在線數據庫和臺灣連穎專利數據庫的數據作為補充。專利數據分析工具采用（thomson data analyzer，TDA）數據分析軟件和EXCEL軟件。

專利分析分為準備期、數據采集期和分析期3個階段。通過收集相關信息、確定專利分析策略、檢索專利數據庫、加工整合分析檢索結果、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 國內外知識產權狀況分析

2.1 專利產出時間趨勢分析

截至到2019年，在檢索范圍內共檢索到數控技術的相關專利6 087件（其中2010年和 2011年的數據統計不完全），年均專利數量約為113件次，如圖2所示。2001年以后數控技術迅速發展，每年的專利數量為100件次以上；2008?2019年為數控技術發展的鼎盛時期,每年的專利數量達到了200件次以上；2001?2019年專利數量累計達到了3 137件次，約占數控技術專利總數的68.45%，其中2019年的專利數量達到了480件次。

圖2 數控技術專利數量的年度統計（1966—2019）

2.2 專利權人分析

在近50年中，數控技術的相關專利涉及的專利權人共有3 165家機構和個人，專利數量大于50件次的專利權人有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，其中擁有專利數量最多的是日本發那科公司，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 數控技術專利主要專利權人

2.3 主要技術構成分析

如圖4所示，數控技術專利的第一熱點主要集中 在“X25 A03F:Industrial electrical equipment →Working materials→ Tools→ Control”專利技術分類，共有733項，近3年的專利占23%；第二熱點表現在“T06 D06:Process and machine control →Applications→ Machine tool control”專利技術分類，有671項，近3年的專利占到了 20%；第三熱點表現在“T06 A04A:Process and machine control→General control systems→Programme control systems→Numerical controllers”專利技術分類，有659項，近3年專利占43%。對主要技術構成統計研究發現：在數控系統功能安全技術、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鍵技術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人。

圖4 數控技術專利的主要技術構成（top10）

2.4 國家/地區專利機構分布分析

數控機床作為工業自動化和數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域，是工業現代化的基石。數控機床的技術能力體現了一個國家制造業的核心競爭力。中國作為全球最大的制造業大國，數控機床產業得到快速發展，但是近年來機床產量連續負增長。隨著制造業復蘇，機床市場開始溫和復蘇，全年產量為44.60萬臺，同比增長7.21%。但與德、日等領先國家相比，仍存在較大差距，功能部件、自動化刀具、數控系統依靠國外技術支撐。例如，2014年國內高檔數控系統仍有90%需要依賴進口。數控機床領域的技術研發與突破成為了“中國制造2025”戰略重要工作。

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

圖5 專利申請反映數控機床技術進入更新周期

中國成為最大專利產出國，但技術的國際競爭力不足，在新一輪的技術更新中，世界主要工業國家都積極開展技術和專利布局。目前，中國、日本、美國和德國是數控機床專利的主要產出地，如圖6所示，四國的專利產出量超過專利總量的85%。而其中，中國成為了最大專利產出國，專利產出量為6 586件，約占總申請量的60%。圖7為專利受理區域分布，從圖中可以看出，中國、日本和美國是當前數控機床技術競爭最為激烈的地區。美國、德國、前蘇聯、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、世界知識產權組織、澳大利亞和西班牙的專利機構受理的專利都超過了數十件次。

圖6 專利申請區域分布

圖7 專利受理區域分布

雖然中國專利產出量巨大，但對外輸出量少，只有26件，技術的國際競爭力弱。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%，其技術能力展現出很強的國際競爭力。此外，美國和德國數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 主要國家數控機床專利輸出狀況

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

圖9 數控機床專利類別分布

如圖10所示，中國企業技術研發能力有待加強，技術產業轉化能力有待提升全球專利申請人前20名中，日本企業占11個，中國企業大學共4個，與日本企業相比，中國企業的技術實力存在明顯劣勢，企業技術研發能力有待加強。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產出能力，但是并未能真正轉化為產業成果，需要加強產學合作，提升技術產業轉化能力。

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

以專利家族數量排名前五位的機構為競爭對手進行分析，這5個機構分別是日本發那科公司、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控科技有限公司。

3.1 競爭對手專利產出時間趨勢分析

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

5個公司共擁有數控技術專利1 097件次，其專利的受理機構主要集中在日本、中國、德國、美國和臺灣地區等專利機構，具體內容如表1所示。

表1 競爭對手數控專利規模分析表格

3.3 競爭對手重點研發領域分析

圖13為五大競爭對手在數控專利技術相關的10個領域內的分布圖，縱坐標為用德溫特手工代碼表示的技術領域，主要德溫特代碼如表2所示。分析圖13可以發現，在列出的前10個技術領域中，發那科公司的專利數量在前5位和第10位共6個技術領域均位列第一，與其余4個公司相比，有較明顯的優勢。

表2 主要徳溫特手工代碼與技術領域對照表

圖13 五大競爭對手數控專利技術分布圖

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

圖14 五大競爭對手排名前10的數控專利技術構成

4 結語

（1）2001年以后全球數控技術迅速發展，每年的專利數量達到100件次以上，2008?2019年為數控技術發展的鼎盛時期，每年專利數量達到了200件次以上。這說明數控技術的發展與制造業發展密不可分，各個國家都在將數控技術放在重點發展領域。

（2）在近50年的數控專利統計中，數控技術相關專利權人總數最多的機構均在日本，我國科研院校與機構在數控技術領域的研究實力較日本還存在較大差距，中國企業的技術研發能力有待提高。

（3）中國為最大的專利出產國，但技術的國際競爭力不足。雖然中國的專利產出量大，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，加強產學合作，提升技術產業轉化能力。