吳鳳和 劉成勛

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

數(shù)控機(jī)床是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和裝備制造業(yè)的重要基礎(chǔ)。近年來，隨著國(guó)家對(duì)裝備制造業(yè)的大力支持，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平不斷提高，但是我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步較晚［1］，相對(duì)于已經(jīng)完成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)仍處于追隨階段。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的一種，隨著科技的進(jìn)步和信息技術(shù)應(yīng)用的深化，人們對(duì)數(shù)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(shù)控車床技術(shù)的不斷向前發(fā)展。

專利是科學(xué)研究成果的一種表現(xiàn)形式，據(jù)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)統(tǒng)計(jì)，全球90%～95%的發(fā)明能在專利文獻(xiàn)中查到［2］，通過對(duì)專利文獻(xiàn)的分析，可以找到某種技術(shù)的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)，可以統(tǒng)計(jì)出此種研究的核心技術(shù)分布，進(jìn)而為自己的技術(shù)研究提供創(chuàng)新性信息和戰(zhàn)略性信息［3］。本文通過對(duì)數(shù)控車床專利技術(shù)的分析，找出發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，為我國(guó)數(shù)控車床的發(fā)展提供參考。

1 數(shù)控車床專利統(tǒng)計(jì)分析

在德文特專利數(shù)據(jù)庫(kù)輸入“CNC lathe”，獲得了401篇關(guān)于數(shù)控車床的專利文獻(xiàn)，按專利號(hào)的國(guó)別進(jìn)行歸類，可得如圖1所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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

通過對(duì)所檢索的數(shù)控車床專利文獻(xiàn)分析，可以得到數(shù)控車床相關(guān)專利申請(qǐng)人的排名情況。1970－2011年間，數(shù)控車床領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量居前十位的申請(qǐng)人中，MORI SEIKI SEISAKUSHO KK（森精機(jī)制作所株式會(huì)社）以33件的申請(qǐng)量排在首位，其他申請(qǐng)人按申請(qǐng)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(huì)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(jī)有限公司）12件，TAKAMATSU KIKAI KOGYO KK（高松尾池機(jī)械株式會(huì)社）12件，HITACHI SEIKI KK（日立精機(jī)株式會(huì)社）8件，STAR SEIMITSU KK（星精密株式會(huì)社）8件，DOOSAN INFRACORE CO.LTD（斗山工程機(jī)械有限公司）6件，EGURO TEKKOSHO KK 6件。根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析可知，日本專利申請(qǐng)人相對(duì)集中，大多為有名的大集團(tuán)、大公司，而我國(guó)近幾年雖然在專利申請(qǐng)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過日本，但申請(qǐng)人相對(duì)分散，沒有集團(tuán)化或區(qū)域化優(yōu)勢(shì)。

對(duì)數(shù)控車床專利申請(qǐng)國(guó)排名前五位進(jìn)行年度分析（時(shí)間跨度為1970－2011年），其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在20世紀(jì)70年代初期，德國(guó)、俄羅斯和美國(guó)在數(shù)控車床技術(shù)領(lǐng)域齊頭并進(jìn);1979年以后，德國(guó)開始占據(jù)優(yōu)勢(shì)并在80年代末達(dá)到頂峰;到了20世紀(jì)90年代，日本抓住機(jī)遇在數(shù)控車床領(lǐng)域迅速崛起，專利申請(qǐng)量大大超過德國(guó)、美國(guó)、俄羅斯。進(jìn)入2000年以后，中國(guó)在數(shù)控車床領(lǐng)域開始嶄露頭角，尤其是在2003年以后，專利申請(qǐng)量超過日本，展現(xiàn)了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。值得一提的是，美國(guó)在2000年以后，在數(shù)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(guó)、日本和美國(guó)對(duì)數(shù)控車床技術(shù)的發(fā)展起了重要的作用。德國(guó)政府在工業(yè)發(fā)展過程中一貫重視機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，大力引導(dǎo)和扶持機(jī)床行業(yè)［4］。德國(guó)企業(yè)在發(fā)展生產(chǎn)自動(dòng)化的同時(shí)，不斷提高從業(yè)人員的素質(zhì)，注重企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)加工工藝、機(jī)床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行了深入的研究。在質(zhì)量上精益求精，且在20世紀(jì)60年代抓住了機(jī)電一體化的技術(shù)轉(zhuǎn)變契機(jī)，利用本國(guó)基礎(chǔ)不錯(cuò)的電子工業(yè)，快速進(jìn)入了采用集成電路的機(jī)床數(shù)字程控時(shí)代，并且經(jīng)過十幾年的技術(shù)積累，在20世紀(jì)70年代末趕超美國(guó)，成為了數(shù)控機(jī)床行業(yè)的龍頭。在20世紀(jì)90年代，日本以基于PC數(shù)控技術(shù)的重大突破為鍥機(jī)，全力促進(jìn)電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在CNC系統(tǒng)技術(shù)上，學(xué)習(xí)美國(guó)，并改進(jìn)和發(fā)展了美國(guó)的成果，取得了很好的效果;在機(jī)床部件配套方面，學(xué)習(xí)德國(guó)，使機(jī)床的精度、設(shè)計(jì)方面達(dá)到世界一流水平［5］。美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，國(guó)防部等部門不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù)，并提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才。1952年，美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床;1958年，制造出加工中心;20世紀(jì)70年代初，研制成功FMS;1987年，首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。美國(guó)的高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先，但其偏重基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，20世紀(jì)80年代美國(guó)政府放松了對(duì)企業(yè)的引導(dǎo)，一度導(dǎo)致美國(guó)機(jī)床發(fā)展緩慢，在20世紀(jì)90年代被日本趕超;到了20世紀(jì)90年代中后期，美國(guó)糾正了過去的偏向，其機(jī)床行業(yè)又逐漸發(fā)展了起來。近些年來，雖然我國(guó)數(shù)控車床專利增長(zhǎng)迅猛，但我國(guó)數(shù)控車床的實(shí)際狀況是還處于追隨階段，核心技術(shù)與德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家還有較大差距。

按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn)，可以將檢索到的德國(guó)、日本和美國(guó)的數(shù)控車床專利文獻(xiàn)大致分成四類，即數(shù)控車床機(jī)身設(shè)計(jì)、機(jī)身功能部件、伺服裝置及其他電子元件、CNC系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。上述三國(guó)在這些核心技術(shù)數(shù)量對(duì)比情況如圖3所示。

車床機(jī)身功能部件和車床機(jī)身設(shè)計(jì)主要涉及數(shù)控車床本體，主運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件，床身、立柱支承部件等;CNC系統(tǒng)是數(shù)控車床的控制系統(tǒng)，是數(shù)控車床的中樞，從CNC系統(tǒng)中輸入信息并輸出相應(yīng)的指令以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，進(jìn)而控制車床動(dòng)作;伺服系統(tǒng)主要包括進(jìn)給伺服單元、伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、位置檢測(cè)裝置等，進(jìn)給伺服單元接收來自CNC系統(tǒng)的指令，經(jīng)處理后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀架或工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)反饋系統(tǒng)通過檢測(cè)裝置將車床移動(dòng)的實(shí)際位置、速度參數(shù)檢測(cè)出來，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并反饋到CNC系統(tǒng)中，使系統(tǒng)能隨時(shí)判斷車床的實(shí)際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應(yīng)的指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。一般說來，數(shù)控車床功能的強(qiáng)弱主要取決于CNC系統(tǒng)，而數(shù)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(xiàn)，日本在數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)、伺服裝置及其他電子元件、機(jī)身功能部件上比德國(guó)有優(yōu)勢(shì);德國(guó)在機(jī)身設(shè)計(jì)上則優(yōu)勢(shì)明顯;美國(guó)在數(shù)控系統(tǒng)上比德國(guó)稍占優(yōu)勢(shì)，但其他方面則略有不足。針對(duì)以上4類核心技術(shù)，為了預(yù)測(cè)這4項(xiàng)核心技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，本文通過表1給出了德國(guó)、美國(guó)、日本最近兩年關(guān)于上述4項(xiàng)核心技術(shù)的專利統(tǒng)計(jì)（由于專利數(shù)量過多，僅列舉其中的部分專利）。

表1 2009－2011數(shù)控車床核心技術(shù)發(fā)展方向統(tǒng)計(jì)

從近兩年德國(guó)、美國(guó)、日本的數(shù)控車床技術(shù)的專利統(tǒng)計(jì)可以直觀地看到，數(shù)控車床的控制系統(tǒng)正向著開放化、智能化、多軸化、復(fù)合化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，以進(jìn)一步降低價(jià)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(shù)控車床的生產(chǎn)能力;而伺服系統(tǒng)隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)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(shù)控車床行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn).并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向;數(shù)控車床機(jī)身設(shè)計(jì)隨著對(duì)高速度、高效率、操作舒適性要求的提高，也必然向復(fù)合化、多軸化、人性化方向發(fā)展;機(jī)身功能部件隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，必須隨著機(jī)身性能要求的提高而有所改進(jìn)，向著更高精度，更高柔性化方向發(fā)展。德國(guó)、美國(guó)、日本數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)為我國(guó)數(shù)控車床的發(fā)展提供了重要參考。

2 由專利分布看中國(guó)數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)

由圖2可知，近年來我國(guó)在數(shù)控車床方面的專利數(shù)量迅速增加，2006年，我國(guó)數(shù)控車床專利的申請(qǐng)量已經(jīng)超過日本，顯示出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，這表明我國(guó)數(shù)控車床企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)正在大力開展高性能、高可靠性數(shù)控車床、功能部件及軟件系統(tǒng)研究。從目前發(fā)展態(tài)勢(shì)看，我國(guó)數(shù)控車床專利技術(shù)體系正加速形成，在不久的將來，我國(guó)數(shù)控車床行業(yè)將實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)的飛速發(fā)展。

通過對(duì)我國(guó)數(shù)控車床專利的分析，可以得到如表2和表3所示的我國(guó)數(shù)控車床功能部件及整體結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的分布狀況。

我國(guó)數(shù)控車床相關(guān)專利統(tǒng)計(jì)情況如下:數(shù)控車床整體結(jié)構(gòu)專利數(shù)量129個(gè)，其中高精度、高效率、復(fù)合加工方面的整機(jī)專利29個(gè)，占整機(jī)專利總數(shù)量的22%，包括高精度機(jī)床專利7個(gè)，可加工2個(gè)或2個(gè)以上工件的機(jī)床及復(fù)合機(jī)床專利22個(gè);加工各式零件的專機(jī)專利21個(gè)，占整機(jī)專利總數(shù)量的16%;功能部件專利數(shù)量176個(gè)，其中主軸、導(dǎo)軌、進(jìn)給系統(tǒng)、夾具、測(cè)量誤差補(bǔ)償裝置及控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等對(duì)加工零件精度影響較高的功能部件的專利數(shù)量為45個(gè)，占功能部件專利數(shù)量的26%，包括主軸相關(guān)專利3個(gè)，導(dǎo)軌相關(guān)專利3個(gè)，進(jìn)給系統(tǒng)相關(guān)專利6個(gè)，夾具相關(guān)專利19個(gè)，測(cè)量誤差補(bǔ)償裝置及控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)構(gòu)相關(guān)專利17個(gè);上下料裝置、自動(dòng)化、換刀及刀具固定裝置等對(duì)機(jī)床工作效率影響較大的功能部件的專利數(shù)量為23個(gè)，占所列功能部件專利數(shù)量的13%。

表2 國(guó)內(nèi)數(shù)控車床功能部件相關(guān)專利主要分布領(lǐng)域

表3 國(guó)內(nèi)數(shù)控車床整體結(jié)構(gòu)相關(guān)專利主要分布領(lǐng)域

近年來，我國(guó)數(shù)控車床相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量雖較高，但高精度、高效率、復(fù)合化、具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能等的高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)量較少，基于結(jié)構(gòu)改進(jìn)的專利較多，而發(fā)明型專利數(shù)量卻很少，大部分專利對(duì)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的作用有限。因而，我國(guó)數(shù)控車床專利數(shù)量的高速增長(zhǎng)背后也存在諸多隱憂?？梢灶A(yù)見，未來幾年我國(guó)數(shù)控車床還將繼續(xù)向高精度、高效率、復(fù)合化加工方向發(fā)展。

3 結(jié)語

通過對(duì)數(shù)控車床專利的分析，給出了德國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)的數(shù)控車床專利年度分布、核心技術(shù)分布及近兩年核心技術(shù)發(fā)展方向分布，并從深層次分析了德國(guó)、美國(guó)和日本數(shù)控車床技術(shù)快速發(fā)展的原因，總結(jié)了數(shù)控車床核心技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)數(shù)控車床核心技術(shù)的發(fā)展指明了方向。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)近十年來中國(guó)數(shù)控車床專利的數(shù)據(jù)分析，找出了中國(guó)數(shù)控車床發(fā)展的特點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)際數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)，指出了我國(guó)數(shù)控車床發(fā)展過程中需要改進(jìn)和加強(qiáng)的地方，為我國(guó)數(shù)控車床技術(shù)的發(fā)展提供了參考意見。

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