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机床工业4.0专利趋势

文|陈庭弘、杨耀瑜、董子仪

目前世界各国的许多产业都朝向工业4.0迈进,以德国在工业4.0的发展为例,德国以机器设备制造业为主体,前后延伸至整个价值链的虚实整合;美国则以加快工业生产物联网软件开发、制造业回归为主;中国则以“中国制造2025”为政策,将制造大国转型成为技术强国,而机床产业也在高度自动化需求之下带入了此概念,并进行后续的研究,并且伴随而来的即为各式各样的关于工业4.0应用于机床方面的新技术出现,并申请专利保护,专利制度是以授予专利权人于一定年限的排他权来换取发明人将原本保密的技术公开,使大众可以做进一步的改良,进而避免重复研发的资源浪费,甚至可避免特定技术随其持有人过世而消失,因此申请专利除了能保护自身权益外也能促进相关产业的发展。

为了解工业4.0在机床上的发展趋势,本文针对机床领域与工业4.0及相关专利进行分析,并且再深入研究机床工业4.0专利的其中几项技术并进行延伸分析,研究机床工业4.0专利技术目前的发展趋势,供业界未来在产品研发或是专利申请之参考用。

发展工业4.0,精密机械设备是制造业中最重要的元素

全球工业曾历经第一次工业革命,利用水力及蒸汽的力量作为动力源,突破了以往人力与兽力的限制;第二次工业革命,使用电力为大量生产提供动力,也让机器生产机器的目标得以实现;及第三次工业革命,使用电子装置及信息技术来校除人为影响,以增进工业制造的精准化、自动化。在全球工业提升生产效率、降低制造成本与增加产业附加价值的目标下,各国政府协助产业转型、驱动经济增长,并宣告第四次工业革命时代来临,以智慧工厂为核心,加上物联网构成工业4.0之架构,智慧工厂可大规模生产差异化产品,生产设备间不但能借物联网相互沟通,更可透过大数据与云端运算,进行自主管理与改善。

主要国家工业4.0的发展状况大致如下:

⑴德国,其制造业技术优势结合软件与网络,以智能工厂为精神,首先推出“工业4.0”;

⑵美国,美国政府提出的“再工业化”政策,吸引长期外移之制造业回流,并藉由网络经济服务推动先进制造业;

⑶日本,因经济长期不景气与高龄化社会,日本政府提出“产品制造产业振兴计划”,利用发展机器人技术,提升产业生产效率并降低制造成本,增加产业附加价值,协助产业转型,驱动经济增长;

⑷中国,中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领“中国制造2025”,发展主轴为实现信息技术与制造技术深度融合的网络化、智能化制造;

⑸韩国,提出“制造业创新3.0”计划,透过信息技术、软件、物联网等新兴技术的整合,导入智能生产概念并实现智能工厂建置。

制造业要发展工业4.0,精密机械设备是制造业中最重要的元素,机床产业又是精密机械设备中最具代表性的产业,发展智慧机床,不但可以提供制造业者面对未来竞争,未来更可切入更高阶的制造业,帮助台湾产业升级转型。本文拟就近十年来机床工业4.0的相关专利进行分析,先从专利申请数量作探讨,借此评估全球机床工业4.0相关专利之申请数量及其技术分布情形,提供有意研发与申请此领域技术专利的厂商在进入市场前参考。

本文以机床(MachineTool)与工业4.0(Industry4.0)的重要技术词汇及其衍生同义词进行检索,使用Lexis Nexis Patent Strategies作为检索的数据库,检索的专利申请日区间为2007年01月01日至2016年12月31日,而检索日期为2017/07/31,共得到在美国、欧洲、世界知识产权组织、韩国、日本、中国及中国台湾等国家/地区与组织公开的发明专利共计有1513笔,经人工数据判读后进行初步筛选剔除不相关专利,留下1350笔(以下称为机床工业4.0相关专利案),以作为后续各项分析的数据源。

机床工业4.0相关专利案之申请数量

图1为机床工业4.0相关专利案的前10大专利被申请数量国家/区域的分析。如图所示,机床厂商在中国申请的专利数量最多,其次是美国与日本。可见机床工业4.0相关专利案的布局主要还是集中在世界前三大经济体(分别为中国、美国、日本)。

图1 机床工业4.0相关专利案的前10大专利被申请数量国家/区域的分析

图2为机床工业4.0相关专利案有关申请年份的趋势分析,自2012年开始全球每年机床工业4.0相关的专利申请案量稳定增长,2015年时申请案已超过200笔,其中,中国专利申请案数量,从2015年开始超过全球申请案量的一半,可见我国政府在2015年3月提及的“中国制造2025”计划,影响了各机床厂商在世界的专利布局;韩国、日本政府虽也有推出工业4.0相关政策,但相对2013年,2014~2015年申请数量反而逐年减少,可能与制造工厂外移、研发期程等因素有关,另2016年的专利申请案因有部分案件仍未早期公开,无法进行统计,但以目前所呈现的数据观之,2016年的整体专利申请案量还是持续增长中,显示机床相关技术仍然持续受到关注与重视。

图2 机床工业4.0相关专利案有关申请年份的趋势分析

机床工业4.0相关专利案之前10大IPC分析

图3为机床工业4.0相关专利案之前10大IPC分析(以主目为分析单位),其中机床工业4.0相关专利案之前10大IPC占整体39.7%,而前10大IPC以外之IPC以下称为OTHER(60.2%),OTHER之所以占如此多的比例,是因为目前工业4.0相关技术为各国的研发重点,申请人所研发的技术可能是一种结构或原理,也可能是一种方法,其运用的领域也各自不相同,导致IPC领域分布较广,并且OTHER之中的每个IPC皆只有零星案件数。如图所示主要的IPC依序为G05B19/00(21.9%;过程控制系统)、G06F17/00(3.6%;数据计算方法或数据处理方法)、B23Q17/00(3.6%;机床指示装置或测量装置)、B23Q15/00(2.1%;切削速度或位置之自动控制)等。G05B19/00占有大部分的申请数量,可见过程控制系统为机床工业4.0发展技术的重点。

图3 机床工业4.0相关专利案之前10大IPC分析(以主目为分析单位)

图4为机床工业4.0相关专利案前10大IPC之申请年份的分析,X轴为申请年份,Y轴为IPC,Z轴为机床工业4.0相关专利案数量,将专利申请近10年与前10大IPC汇整成三轴图;G05B19/00在此10年中都持续保持最多的专利申请数量,并不受景气或技术循环的影响,可见过程控制系统始终为市场的主流技术,并未被恒值控制系统6、随动控制系统7所取代;G06Q10/00(工作流程管理)、G06F9/00(控制单元)、G06F17/00、B23Q17/00等技术也在2013~2016年间皆维持稳定的专利申请数量;而G06Q50/00(专门的数据处理系统或方法)、G06Q30/00(制造业电子商务)与B23Q15/00在2016年目前公开信息中无相关专利申请案,相较于先前年度明显减少;在G06F9/00部分,虽然专利申请数量相对G05B19/00较少,但每年仍维持相对稳定的专利申请案量。

图4 机床工业4.0相关专利案前10大IPC之申请年份的分析

图5为机床工业4.0相关专利案以IPC前10大专利被申请国家(区域或组织)专利申请数量分析,X轴为前10大专利被申请国家(区域或组织),Y轴为前10大IPC,Z轴为机床工业4.0相关专利案数量,将前10大专利被申请国家(区域或组织)、工业4.0相关专利申请数量与前10大IPC汇整如三轴图;中国在前10大IPC都有为数不少的公开专利;日本明显在G05B19/00公开专利数量最多,B23Q17/00核准专利数量居第二,B23Q15/00则居第三。

图5 机床工业4.0相关专利案以IPC前10大专利被申请国家(区域或组织)专利申请数量分析

机床工业4.0相关专利案在G05B19/00技术领域之分析

机床工业4.0的技术研究种类繁多,本节以机床工业4.0相关专利案申请量,在各国与中国台湾申请最多的G05B19/00技术领域作为分析对象,共计有304笔之相关专利案,经人工筛选后剩下274笔,讨论其专利申请概况,并提供市场新进厂商初期评估之用。

G05B19/00专利10大专利申请人之统计,如图6所示,以发那科(FANUCLtd.,世界第一大控制器大厂)的数量最多,占12%,德马吉森精机(DMGMORICO.,Ltd.,德、日合作的全球最大的切削机床制造商)居次,占6.9%,三菱电(Mitsubishi Electric Corporation,日本第二大CNC控制器大厂)居第三,占3.3%,可见发那科投入在这个领域的专利布局,大幅领先其他竞争对手。

图6 G05B19/00前10大专利申请人分析

图7为G05B19/00技术领域重点的分析,专利数量最多的是有关工件制造(WorkPiece)的技术,其次是数值控制设备(NumericalControlDevices)相关的技术,专利数量居第三的是实时控制(RealTime)技术,由此可知机床工业4.0在过程控制系统方面技术的开发,以工件制造上的研究最为热门;其次是运用数值指令操控机床动作的技术;另外,实时控制方面,借由加工数据实时采集,再对机床作快速响应的技术也有相当数量的专利申请。

图7 G05B19/00技术领域重点的分析

图8为G05B19/00之关联技术的重点分析,工件制造相关专利的主要技术重点在:数值控制(Numerical Control)与操作参数,工件相关参数的调整(Operating Parameter)。数值控制设备相关专利的主要技术重点在:通讯界面(Communication Interface)与控制应用(Control Applications)的数值控制装置;实时控制相关专利的主要技术重点在:远程控制器(Remote Controller)与生产线(Production Line)的实时侦测与控制。

图8 G05B19/00关联技术重点分析

图9为G05B19/00领域技术重点之专利申请人的分析,由发那科在数值控制设备领域的申请案最多,因其为全球第一大数值控制设备大厂,各大机床厂皆将发那科控制设备当作主要首选配备;除了工件制造(Workpiece)外,发那科在数值程序取得(NCprogram Acquisition)的研发也多有所著墨,乃因控制设备需经由程序输入来操作机床的动作,因此程序的撷取亦为其研究的重要课题。发那科于2013日本国际机床展览会(27thJIMTOF)陆续发表可共享内部伺服驱动器与马达的CNC控制器,其内建更多智能自动化功能与办公室计算机链接的人机接口新平台,加入虚实整合策略(Cyber-physicalSystem),接着在2016日本国际工控制设备大厂,发那科有工业4.0的概念约在2013年开始,正式进入机床的工业4.0或IOT的时间点约在2016年,而在这基础之上,发那科除了强调工业4.0外,目前也积极的布局人工智能应用于工业化上的发展。

如图9所示,世界知名机床大厂德马吉森精机因有自有品牌的机床与控制设备,因此在工件制造与数值控制设备都有投入技术研发与专利申请,申请的方式较为全面,以确保技术来源无虞,不会因核心技术掌握在别人手上,而失去竞争力。在广受瞩目德国的工业4.0中,机床也开始积极活用物联网。以轴承零件开始的舍弗勒以及机床制造的德马吉森精机两家公司,以融入机床的工业4.0为目标,积极推动“机床4.0(Machine Tool 4.0)”计划,这是融入了机床数字化,以及智能化的计划。舍弗勒于德马吉森精机的机床上安装了60个传感器,如此一来,可以取得机床运转数据,以往无法实行的运转监视、预知保全、提升质量等都得以实现。舍弗勒公司与德马吉森精机透过“机床4.0”所得到的实绩,发展出制程数字化的解决方案,并且已经准备好的数据池(DataPool),用以储存舍弗勒制品所产生的数据,也就是云端服务“舍弗勒云端SCHAEFFLER-Cloud)”,除了可以实现数字化机床间的沟通之外,往后亦可实现大数据的收集以及分析。

如图9所示,三菱电机在数值控制设备与工件制造上都有所申请,因其为日本控制设备大厂,面对全球化竞争与确保研发成果获得保护,对此领域申请相关专利保护也是必须进行的工作之一。其概念是由工厂自动化(Factory Automation)生产端,包含CNC控制器、PLC控制器与传感器,基于开放网络CClinkIE11现场总线协议作相互的沟通;信息科技(Information Technology)端,包含从工程链、产品设计、工序设计、生产制造、销售、物流与服务都经由云端与大数据作运算与决策;边缘计算(Edgecomputing)端,包含借由三菱i控制器与制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)作数据整理与执行。运用工厂自动化、信息科技的合作以及数据情报化,可提升生产效率、提高质量、节能、加强安全性与信息保密,这是三菱电机在过程控制系统产品上的应用。

图9 G05B19/00技术重点之专利申请人分析

图10为G05B19/00之技术重点对各国专利申请数量的分析,由图10所示,中国在各个技术重点都有申请专利,可见中国在G05B19/00的技术重点技术申请较为全面,且各专利申请人把中国当作世界工厂以及看好其市场前景,大量申请各式各样的相关专利,如故障诊断(FaultDiagnosis)与机床数值控制状态等。

而日本、美国与德国在三个技术WorkPiece、NumericalControlDevices、RealTime申请的数量比较平均,皆为三国专利申请的重点,如果新进厂商现在想要切入此三个技术重点的市场,竞争性相对较高,将面临相似产品品牌、价格与专利技术的挑战。

图10 G05B19/00技术重点之各国专利申请数量分析

做好专利布局有效竞逐工业4.0应用市场商机

2014至2016年来机床工业4.0相关专利在G06F9/00、G06Q10/00、G06F3/00(数据输入的介面装置)、G06F17/00、B23Q17/00等技术领域布局相对积极,亦值得业界关注后续发展。

机床工业4.0相关专利案之申请主要集中在中国、美国、日本与韩国。其中,中国专利案的申请量在2015年开始超过全球总量一半以上,很明显地,中国具有大量与机床工业4.0相关技术的专利。

最后,若要进行技术合作或技术开发,都必须借由精准的专利检索,以了解相关技术在各国的专利技术趋势与布局动向,积极跟上机床工业4.0主流技术,并且投入研发资源,开发其他更具创新的应用技术,同时做好专利布局,未来中国厂商才有机会与国际大厂进行专利交互授权、缩短研发能力差距,有效竞逐机床工业4.0各式各样应用市场商机。

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