從專利角度看數控車床的發(fā)展趨勢*

吳鳳和 劉成勛

（燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004）

數控機床是國民經濟和裝備制造業(yè)的重要基礎。近年來，隨著國家對裝備制造業(yè)的大力支持，我國數控機床行業(yè)的技術發(fā)展水平不斷提高，但是我國數控技術起步較晚［1］，相對于已經完成數控機床產業(yè)化進程的發(fā)達國家，我國數控機床技術仍處于追隨階段。數控車床是數控機床的一種，隨著科技的進步和信息技術應用的深化，人們對數控車床的精度、效率、可靠性、柔性化等方面的要求不斷提高，而這種需求決定了數控車床技術的不斷向前發(fā)展。

專利是科學研究成果的一種表現形式，據世界知識產權統(tǒng)計，全球90%～95%的發(fā)明能在專利文獻中查到［2］，通過對專利文獻的分析，可以找到某種技術的研究現狀和熱點，可以統(tǒng)計出此種研究的核心技術分布，進而為自己的技術研究提供創(chuàng)新性信息和戰(zhàn)略性信息［3］。本文通過對數控車床專利技術的分析，找出發(fā)達國家數控車床的發(fā)展趨勢和我國數控車床技術發(fā)展的特點，為我國數控車床的發(fā)展提供參考。

1 數控車床專利統(tǒng)計分析

在德文特專利數據庫輸入“CNC lathe”，獲得了401篇關于數控車床的專利文獻，按專利號的國別進行歸類，可得如圖1所示的統(tǒng)計結果。

由圖1可以看出，日本是全球最大的數控車床專利申請國，占有38%的專利份額;德國（17%）排在第二位，其次是中國（14%）和美國（13%），俄羅斯占11%，其他國家僅占有7%。

通過對所檢索的數控車床專利文獻分析，可以得到數控車床相關專利申請人的排名情況。1970－2011年間，數控車床領域專利申請量居前十位的申請人中，MORI SEIKI SEISAKUSHO KK（森精機制作所株式會社）以33件的申請量排在首位，其他申請人按申請量依次是OKUMA CORP（大隈公司）20件，NAKAMURA RYU SEIMITSU KOGYO KK（中村隆精密工業(yè)株式會社）18件，CITIZEN WATCH CO.LTD（西鐵城鐘表有限公司）16件，ORI SEIKI CO.LTD（ORI精機有限公司）12件，TAKAMATSU KIKAI KOGYO KK（高松尾池機械株式會社）12件，HITACHI SEIKI KK（日立精機株式會社）8件，STAR SEIMITSU KK（星精密株式會社）8件，DOOSAN INFRACORE CO.LTD（斗山工程機械有限公司）6件，EGURO TEKKOSHO KK 6件。根據上述統(tǒng)計分析可知，日本專利申請人相對集中，大多為有名的大集團、大公司，而我國近幾年雖然在專利申請量上遠遠超過日本，但申請人相對分散，沒有集團化或區(qū)域化優(yōu)勢。

對數控車床專利申請國排名前五位進行年度分析（時間跨度為1970－2011年），其結果如圖2所示。

由圖2可以看出，在20世紀70年代初期，德國、俄羅斯和美國在數控車床技術領域齊頭并進;1979年以后，德國開始占據優(yōu)勢并在80年代末達到頂峰;到了20世紀90年代，日本抓住機遇在數控車床領域迅速崛起，專利申請量大大超過德國、美國、俄羅斯。進入2000年以后，中國在數控車床領域開始嶄露頭角，尤其是在2003年以后，專利申請量超過日本，展現了強勁的發(fā)展勢頭。值得一提的是，美國在2000年以后，在數控車床方面的專利開始逐漸增加，在2008年左右開始超過處于衰退期的日本。

由圖2還可以看出，德國、日本和美國對數控車床技術的發(fā)展起了重要的作用。德國政府在工業(yè)發(fā)展過程中一貫重視機床行業(yè)的發(fā)展，大力引導和扶持機床行業(yè)［4］。德國企業(yè)在發(fā)展生產自動化的同時，不斷提高從業(yè)人員的素質，注重企業(yè)與大學科研部門緊密合作，對加工工藝、機床布局結構、數控機床的共性和特性問題進行了深入的研究。在質量上精益求精，且在20世紀60年代抓住了機電一體化的技術轉變契機，利用本國基礎不錯的電子工業(yè)，快速進入了采用集成電路的機床數字程控時代，并且經過十幾年的技術積累，在20世紀70年代末趕超美國，成為了數控機床行業(yè)的龍頭。在20世紀90年代，日本以基于PC數控技術的重大突破為鍥機，全力促進電子和計算機技術的發(fā)展，在CNC系統(tǒng)技術上，學習美國，并改進和發(fā)展了美國的成果，取得了很好的效果;在機床部件配套方面，學習德國，使機床的精度、設計方面達到世界一流水平［5］。美國政府重視機床工業(yè)，國防部等部門不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務，并提供充足的經費，且網羅世界人才。1952年，美國研制出世界上第一臺數控機床;1958年，制造出加工中心;20世紀70年代初，研制成功FMS;1987年，首創(chuàng)開放式數控系統(tǒng)等。美國的高性能數控機床技術在世界也一直領先，但其偏重基礎科研，忽視應用技術，20世紀80年代美國政府放松了對企業(yè)的引導，一度導致美國機床發(fā)展緩慢，在20世紀90年代被日本趕超;到了20世紀90年代中后期，美國糾正了過去的偏向，其機床行業(yè)又逐漸發(fā)展了起來。近些年來，雖然我國數控車床專利增長迅猛，但我國數控車床的實際狀況是還處于追隨階段，核心技術與德國、美國、日本等國家還有較大差距。

按照結構特點和技術特點，可以將檢索到的德國、日本和美國的數控車床專利文獻大致分成四類，即數控車床機身設計、機身功能部件、伺服裝置及其他電子元件、CNC系統(tǒng)相關技術。上述三國在這些核心技術數量對比情況如圖3所示。

車床機身功能部件和車床機身設計主要涉及數控車床本體，主運動部件，進給運動執(zhí)行部件，床身、立柱支承部件等;CNC系統(tǒng)是數控車床的控制系統(tǒng)，是數控車床的中樞，從CNC系統(tǒng)中輸入信息并輸出相應的指令以驅動伺服系統(tǒng)，進而控制車床動作;伺服系統(tǒng)主要包括進給伺服單元、伺服進給電動機、位置檢測裝置等，進給伺服單元接收來自CNC系統(tǒng)的指令，經處理后驅動伺服電動機轉動，實現刀架或工作臺的運動，同時反饋系統(tǒng)通過檢測裝置將車床移動的實際位置、速度參數檢測出來，轉變成電信號，并反饋到CNC系統(tǒng)中，使系統(tǒng)能隨時判斷車床的實際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應的指令，糾正所產生的誤差。一般說來，數控車床功能的強弱主要取決于CNC系統(tǒng)，而數控車床的性能，如速度與精度等，則主要取決于伺服系統(tǒng)。通過圖3可以發(fā)現，日本在數控系統(tǒng)相關技術、伺服裝置及其他電子元件、機身功能部件上比德國有優(yōu)勢;德國在機身設計上則優(yōu)勢明顯;美國在數控系統(tǒng)上比德國稍占優(yōu)勢，但其他方面則略有不足。針對以上4類核心技術，為了預測這4項核心技術的發(fā)展趨勢，本文通過表1給出了德國、美國、日本最近兩年關于上述4項核心技術的專利統(tǒng)計（由于專利數量過多，僅列舉其中的部分專利）。

表1 2009－2011數控車床核心技術發(fā)展方向統(tǒng)計

從近兩年德國、美國、日本的數控車床技術的專利統(tǒng)計可以直觀地看到，數控車床的控制系統(tǒng)正向著開放化、智能化、多軸化、復合化和網絡化方向發(fā)展，以進一步降低價格，增加可靠性，拓寬功能，提高操作舒適性、集成性、系統(tǒng)的柔性和開放性，減小體積，提高數控車床的生產能力;而伺服系統(tǒng)隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發(fā)展，具有網絡接口的交流伺服系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等將成為數控車床行業(yè)關注的熱點.并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向;數控車床機身設計隨著對高速度、高效率、操作舒適性要求的提高，也必然向復合化、多軸化、人性化方向發(fā)展;機身功能部件隨著數控技術的發(fā)展，必須隨著機身性能要求的提高而有所改進，向著更高精度，更高柔性化方向發(fā)展。德國、美國、日本數控車床的發(fā)展趨勢為我國數控車床的發(fā)展提供了重要參考。

2 由專利分布看中國數控車床的發(fā)展趨勢

由圖2可知，近年來我國在數控車床方面的專利數量迅速增加，2006年，我國數控車床專利的申請量已經超過日本，顯示出了強勁的發(fā)展勢頭，這表明我國數控車床企業(yè)及研究機構正在大力開展高性能、高可靠性數控車床、功能部件及軟件系統(tǒng)研究。從目前發(fā)展態(tài)勢看，我國數控車床專利技術體系正加速形成，在不久的將來，我國數控車床行業(yè)將實現高新技術的飛速發(fā)展。

通過對我國數控車床專利的分析，可以得到如表2和表3所示的我國數控車床功能部件及整體結構相關技術的分布狀況。

我國數控車床相關專利統(tǒng)計情況如下:數控車床整體結構專利數量129個，其中高精度、高效率、復合加工方面的整機專利29個，占整機專利總數量的22%，包括高精度機床專利7個，可加工2個或2個以上工件的機床及復合機床專利22個;加工各式零件的專機專利21個，占整機專利總數量的16%;功能部件專利數量176個，其中主軸、導軌、進給系統(tǒng)、夾具、測量誤差補償裝置及控制系統(tǒng)調整機構等對加工零件精度影響較高的功能部件的專利數量為45個，占功能部件專利數量的26%，包括主軸相關專利3個，導軌相關專利3個，進給系統(tǒng)相關專利6個，夾具相關專利19個，測量誤差補償裝置及控制系統(tǒng)調整機構相關專利17個;上下料裝置、自動化、換刀及刀具固定裝置等對機床工作效率影響較大的功能部件的專利數量為23個，占所列功能部件專利數量的13%。

表2 國內數控車床功能部件相關專利主要分布領域

表3 國內數控車床整體結構相關專利主要分布領域

近年來，我國數控車床相關專利申請數量雖較高，但高精度、高效率、復合化、具有網絡通訊功能等的高檔數控機床數量較少，基于結構改進的專利較多，而發(fā)明型專利數量卻很少，大部分專利對提升企業(yè)競爭力的作用有限。因而，我國數控車床專利數量的高速增長背后也存在諸多隱憂?？梢灶A見，未來幾年我國數控車床還將繼續(xù)向高精度、高效率、復合化加工方向發(fā)展。

3 結語

通過對數控車床專利的分析，給出了德國、美國和日本等國的數控車床專利年度分布、核心技術分布及近兩年核心技術發(fā)展方向分布，并從深層次分析了德國、美國和日本數控車床技術快速發(fā)展的原因，總結了數控車床核心技術的最新發(fā)展趨勢，為我國數控車床核心技術的發(fā)展指明了方向。在此基礎上，通過對近十年來中國數控車床專利的數據分析，找出了中國數控車床發(fā)展的特點，并結合國際數控車床的發(fā)展趨勢，指出了我國數控車床發(fā)展過程中需要改進和加強的地方，為我國數控車床技術的發(fā)展提供了參考意見。

［1］師鴻飛，鄒翠波，張彩虹.我國數控車床的現狀和發(fā)展趨勢［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004（6）:83－87.

［2］李建蓉.專利文獻與信息［M］.北京:知識產權出版社，2002.

［3］劉立，王博.基于情報分析的數控機床產業(yè)研究［J］.科技管理研究，2010（30）:149－152.

［4］世界機床行業(yè)綜合水平研究課題組.德國機床技術水平長期居于世界前列的原因［J］.裝備機械，2005（1）:25－26.

［5］李佳.德、日、中機床工業(yè)相關技術專利分布比較分析［J］.中國高新技術企業(yè)，2011（10）:6－9.