機床工業4.0專利趨勢

來自專欄 MFC金屬板材成形

文|陳庭弘、楊耀瑜、董子儀

目前世界各國的許多產業都朝向工業4.0邁進，以德國在工業4.0的發展為例，德國以機器設備製造業為主體，前後延伸至整個價值鏈的虛實整合；美國則以加快工業生產物聯網軟體開發、製造業回歸為主；中國則以「中國製造2025」為政策，將製造大國轉型成為技術強國，而機床產業也在高度自動化需求之下帶入了此概念，並進行後續的研究，並且伴隨而來的即為各式各樣的關於工業4.0應用於機床方面的新技術出現，並申請專利保護，專利制度是以授予專利權人於一定年限的排他權來換取發明人將原本保密的技術公開，使大眾可以做進一步的改良，進而避免重複研發的資源浪費，甚至可避免特定技術隨其持有人過世而消失，因此申請專利除了能保護自身權益外也能促進相關產業的發展。

為了解工業4.0在機床上的發展趨勢，本文針對機床領域與工業4.0及相關專利進行分析，並且再深入研究機床工業4.0專利的其中幾項技術並進行延伸分析，研究機床工業4.0專利技術目前的發展趨勢，供業界未來在產品研發或是專利申請之參考用。

發展工業4.0，精密機械設備是製造業中最重要的元素

全球工業曾歷經第一次工業革命，利用水力及蒸汽的力量作為動力源，突破了以往人力與獸力的限制；第二次工業革命，使用電力為大量生產提供動力，也讓機器生產機器的目標得以實現；及第三次工業革命，使用電子裝置及信息技術來校除人為影響，以增進工業製造的精準化、自動化。在全球工業提升生產效率、降低製造成本與增加產業附加價值的目標下，各國政府協助產業轉型、驅動經濟增長，並宣告第四次工業革命時代來臨，以智慧工廠為核心，加上物聯網構成工業4.0之架構，智慧工廠可大規模生產差異化產品，生產設備間不但能借物聯網相互溝通，更可透過大數據與雲端運算，進行自主管理與改善。

主要國家工業4.0的發展狀況大致如下：

⑴德國，其製造業技術優勢結合軟體與網路，以智能工廠為精神，首先推出「工業4.0」；

⑵美國，美國政府提出的「再工業化」政策，吸引長期外移之製造業迴流，並藉由網路經濟服務推動先進位造業；

⑶日本，因經濟長期不景氣與高齡化社會，日本政府提出「產品製造產業振興計劃」，利用發展機器人技術，提升產業生產效率並降低製造成本，增加產業附加價值，協助產業轉型，驅動經濟增長；

⑷中國，中國實施製造強國戰略第一個十年的行動綱領「中國製造2025」，發展主軸為實現信息技術與製造技術深度融合的網路化、智能化製造；

⑸韓國，提出「製造業創新3.0」計劃，透過信息技術、軟體、物聯網等新興技術的整合，導入智能生產概念並實現智能工廠建置。

製造業要發展工業4.0，精密機械設備是製造業中最重要的元素，機床產業又是精密機械設備中最具代表性的產業，發展智慧機床，不但可以提供製造業者面對未來競爭，未來更可切入更高階的製造業，幫助台灣產業升級轉型。本文擬就近十年來機床工業4.0的相關專利進行分析，先從專利申請數量作探討，藉此評估全球機床工業4.0相關專利之申請數量及其技術分布情形，提供有意研發與申請此領域技術專利的廠商在進入市場前參考。

本文以機床（MachineTool）與工業4.0（Industry4.0）的重要技術辭彙及其衍生同義詞進行檢索，使用Lexis Nexis Patent Strategies作為檢索的資料庫，檢索的專利申請日區間為2007年01月01日至2016年12月31日，而檢索日期為2017/07/31，共得到在美國、歐洲、世界知識產權組織、韓國、日本、中國及中國台灣等國家/地區與組織公開的發明專利共計有1513筆，經人工數據判讀後進行初步篩選剔除不相關專利，留下1350筆（以下稱為機床工業4.0相關專利案），以作為後續各項分析的數據源。

機床工業4.0相關專利案之申請數量

圖1為機床工業4.0相關專利案的前10大專利被申請數量國家/區域的分析。如圖所示，機床廠商在中國申請的專利數量最多，其次是美國與日本。可見機床工業4.0相關專利案的布局主要還是集中在世界前三大經濟體（分別為中國、美國、日本）。

圖2為機床工業4.0相關專利案有關申請年份的趨勢分析，自2012年開始全球每年機床工業4.0相關的專利申請案量穩定增長，2015年時申請案已超過200筆，其中，中國專利申請案數量，從2015年開始超過全球申請案量的一半，可見我國政府在2015年3月提及的「中國製造2025」計劃，影響了各機床廠商在世界的專利布局；韓國、日本政府雖也有推出工業4.0相關政策，但相對2013年，2014～2015年申請數量反而逐年減少，可能與製造工廠外移、研發期程等因素有關，另2016年的專利申請案因有部分案件仍未早期公開，無法進行統計，但以目前所呈現的數據觀之，2016年的整體專利申請案量還是持續增長中，顯示機床相關技術仍然持續受到關注與重視。

機床工業4.0相關專利案之前10大IPC分析

圖3為機床工業4.0相關專利案之前10大IPC分析（以主目為分析單位），其中機床工業4.0相關專利案之前10大IPC佔整體39.7%，而前10大IPC以外之IPC以下稱為OTHER（60.2%），OTHER之所以占如此多的比例，是因為目前工業4.0相關技術為各國的研發重點，申請人所研發的技術可能是一種結構或原理，也可能是一種方法，其運用的領域也各自不相同，導致IPC領域分布較廣，並且OTHER之中的每個IPC皆只有零星案件數。如圖所示主要的IPC依序為G05B19/00（21.9%；過程式控制制系統）、G06F17/00（3.6%；數據計算方法或數據處理方法）、B23Q17/00（3.6%；機床指示裝置或測量裝置）、B23Q15/00（2.1%；切削速度或位置之自動控制）等。G05B19/00佔有大部分的申請數量，可見過程式控制制系統為機床工業4.0發展技術的重點。

圖4為機床工業4.0相關專利案前10大IPC之申請年份的分析，X軸為申請年份，Y軸為IPC，Z軸為機床工業4.0相關專利案數量，將專利申請近10年與前10大IPC彙整成三軸圖；G05B19/00在此10年中都持續保持最多的專利申請數量，並不受景氣或技術循環的影響，可見過程式控制制系統始終為市場的主流技術，並未被恆值控制系統6、隨動控制系統7所取代；G06Q10/00（工作流程管理）、G06F9/00（控制單元）、G06F17/00、B23Q17/00等技術也在2013～2016年間皆維持穩定的專利申請數量；而G06Q50/00（專門的數據處理系統或方法）、G06Q30/00（製造業電子商務）與B23Q15/00在2016年目前公開信息中無相關專利申請案，相較於先前年度明顯減少；在G06F9/00部分，雖然專利申請數量相對G05B19/00較少，但每年仍維持相對穩定的專利申請案量。

圖5為機床工業4.0相關專利案以IPC前10大專利被申請國家（區域或組織）專利申請數量分析，X軸為前10大專利被申請國家（區域或組織），Y軸為前10大IPC，Z軸為機床工業4.0相關專利案數量，將前10大專利被申請國家（區域或組織）、工業4.0相關專利申請數量與前10大IPC彙整如三軸圖；中國在前10大IPC都有為數不少的公開專利；日本明顯在G05B19/00公開專利數量最多，B23Q17/00核准專利數量居第二，B23Q15/00則居第三。

機床工業4.0相關專利案在G05B19/00技術領域之分析

機床工業4.0的技術研究種類繁多，本節以機床工業4.0相關專利案申請量，在各國與中國台灣申請最多的G05B19/00技術領域作為分析對象，共計有304筆之相關專利案，經人工篩選後剩下274筆，討論其專利申請概況，並提供市場新進廠商初期評估之用。

G05B19/00專利10大專利申請人之統計，如圖6所示，以發那科（FANUCLtd.，世界第一大控制器大廠）的數量最多，佔12%，德馬吉森精機（DMGMORICO.,Ltd.，德、日合作的全球最大的切削機床製造商）居次，佔6.9%，三菱電（Mitsubishi Electric Corporation，日本第二大CNC控制器大廠）居第三，佔3.3%，可見發那科投入在這個領域的專利布局，大幅領先其他競爭對手。

圖7為G05B19/00技術領域重點的分析，專利數量最多的是有關工件製造（WorkPiece）的技術，其次是數值控制設備（NumericalControlDevices）相關的技術，專利數量居第三的是實時控制（RealTime）技術，由此可知機床工業4.0在過程式控制制系統方面技術的開發，以工件製造上的研究最為熱門；其次是運用數值指令操控機床動作的技術；另外，實時控制方面，藉由加工數據實時採集，再對機床作快速響應的技術也有相當數量的專利申請。

圖8為G05B19/00之關聯技術的重點分析，工件製造相關專利的主要技術重點在：數值控制（Numerical Control）與操作參數，工件相關參數的調整（Operating Parameter）。數值控制設備相關專利的主要技術重點在：通訊界面（Communication Interface）與控制應用（Control Applications）的數值控制裝置；實時控制相關專利的主要技術重點在：遠程控制器（Remote Controller）與生產線（Production Line）的實時偵測與控制。

圖9為G05B19/00領域技術重點之專利申請人的分析，由發那科在數值控制設備領域的申請案最多，因其為全球第一大數值控制設備大廠，各大機床廠皆將發那科控制設備當作主要首選配備；除了工件製造（Workpiece）外，發那科在數值程序取得（NCprogram Acquisition）的研發也多有所著墨，乃因控制設備需經由程序輸入來操作機床的動作，因此程序的擷取亦為其研究的重要課題。發那科於2013日本國際機床展覽會（27thJIMTOF）陸續發表可共享內部伺服驅動器與馬達的CNC控制器，其內建更多智能自動化功能與辦公室計算機鏈接的人機介面新平台，加入虛實整合策略（Cyber-physicalSystem），接著在2016日本國際工控制設備大廠，發那科有工業4.0的概念約在2013年開始，正式進入機床的工業4.0或IOT的時間點約在2016年，而在這基礎之上，發那科除了強調工業4.0外，目前也積極的布局人工智慧應用於工業化上的發展。

如圖9所示，世界知名機床大廠德馬吉森精機因有自有品牌的機床與控制設備，因此在工件製造與數值控制設備都有投入技術研發與專利申請，申請的方式較為全面，以確保技術來源無虞，不會因核心技術掌握在別人手上，而失去競爭力。在廣受矚目德國的工業4.0中，機床也開始積極活用物聯網。以軸承零件開始的舍弗勒以及機床製造的德馬吉森精機兩家公司，以融入機床的工業4.0為目標，積極推動「機床4.0（Machine Tool 4.0）」計劃，這是融入了機床數字化，以及智能化的計劃。舍弗勒於德馬吉森精機的機床上安裝了60個感測器，如此一來，可以取得機床運轉數據，以往無法實行的運轉監視、預知保全、提升質量等都得以實現。舍弗勒公司與德馬吉森精機透過「機床4.0」所得到的實績，發展出製程數字化的解決方案，並且已經準備好的數據池（DataPool），用以儲存舍弗勒製品所產生的數據，也就是雲端服務「舍弗勒雲端SCHAEFFLER-Cloud）」，除了可以實現數字化機床間的溝通之外，往後亦可實現大數據的收集以及分析。

如圖9所示，三菱電機在數值控制設備與工件製造上都有所申請，因其為日本控制設備大廠，面對全球化競爭與確保研發成果獲得保護，對此領域申請相關專利保護也是必須進行的工作之一。其概念是由工廠自動化（Factory Automation）生產端，包含CNC控制器、PLC控制器與感測器，基於開放網路CClinkIE11現場匯流排協議作相互的溝通;信息科技（Information Technology）端，包含從工程鏈、產品設計、工序設計、生產製造、銷售、物流與服務都經由雲端與大數據作運算與決策；邊緣計算（Edgecomputing）端，包含藉由三菱i控制器與製造執行系統（Manufacturing Execution System,MES）作數據整理與執行。運用工廠自動化、信息科技的合作以及數據情報化，可提升生產效率、提高質量、節能、加強安全性與信息保密，這是三菱電機在過程式控制制系統產品上的應用。

圖10為G05B19/00之技術重點對各國專利申請數量的分析，由圖10所示，中國在各個技術重點都有申請專利，可見中國在G05B19/00的技術重點技術申請較為全面，且各專利申請人把中國當作世界工廠以及看好其市場前景，大量申請各式各樣的相關專利，如故障診斷（FaultDiagnosis）與機床數值控制狀態等。

而日本、美國與德國在三個技術WorkPiece、NumericalControlDevices、RealTime申請的數量比較平均，皆為三國專利申請的重點，如果新進廠商現在想要切入此三個技術重點的市場，競爭性相對較高，將面臨相似產品品牌、價格與專利技術的挑戰。

做好專利布局有效競逐工業4.0應用市場商機

2014至2016年來機床工業4.0相關專利在G06F9/00、G06Q10/00、G06F3/00（數據輸入的介面裝置）、G06F17/00、B23Q17/00等技術領域布局相對積極，亦值得業界關注後續發展。

機床工業4.0相關專利案之申請主要集中在中國、美國、日本與韓國。其中，中國專利案的申請量在2015年開始超過全球總量一半以上，很明顯地，中國具有大量與機床工業4.0相關技術的專利。

最後，若要進行技術合作或技術開發，都必須藉由精準的專利檢索，以了解相關技術在各國的專利技術趨勢與布局動向，積極跟上機床工業4.0主流技術，並且投入研發資源，開發其他更具創新的應用技術，同時做好專利布局，未來中國廠商才有機會與國際大廠進行專利交互授權、縮短研發能力差距，有效競逐機床工業4.0各式各樣應用市場商機。

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