JPH0257795A - フェイルセイフシステム及び該システムに用いられるアクチュエータ，アキュムレータ及び該システムを用いた工作機械，フェイルセイフテーブル並びにフェイルセイフホルダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はフェイルセイフシステム及び該システムに用い
られるアクチュエータ、アキュムレータ及び該システム
を用いた工作機械、フェイルセイフテーブル並びにフェ
イルセイフホルダにかかり、詳しくは各種の生産加ニジ
ステム（以下、生産加ニジステムとは物品の生産、加工
のみならず搬送、検査等を含めたシステムを総称してい
う）において、このシステムの構成要素である部材に何
等かの原因によって設定値以上の力が加わることにより
当該部材または他の部材の破損やシステム全体の故障を
防止するため、前記設定値以上の力が加わったことを検
出してシステム全体を安全側に作動させるためのフェイ
ルセイフシステムと、該システムに用いられるアクチュ
エータ、アキュムレータと、該システムを組み込んだ工
作機械、フェイルセイフテーブル及びフェイルセイフホ
ルダに関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題）現在、
、ＦＡ（ファクトリ−・オートメーション）分野におい
ては、生産加ニジステムの２４時間完全無人化が最大の
課題となっている。これに対し、形の上では２４時間運
転または無人化運転可能を標傍する工作機械や加ニジス
テムは多いが、実際には完全無人で２４時間運転し得る
システムは今のところ実現されていない。すなわちＮＣ
（数値制御）によりツールの動きやワークの動きを予め
プログラムしたように動かすことはできるが、実際の加
工においては、プログラムのミスがあったり、予期せぬ
ツールの損傷が起ったり、あるいは、周辺の予期せぬ環
境変化が影響して予め想定した条件とは違うことが起る
場合がままある。

これに対処するため、例えばマシニングセンタ等の工作
機械の場合、何等かの原因によりツールやワークに過大
な力（過大荷重）が加わったり、これに起因してツール
が折損した際に、これらの異常発生を自動的に検出して
最終的に工作機械の運転を停止させることが安全対策上
、必要となる。

また、この安全対策は、工作機械に限らず作業用ロボッ
トや搬送装置等、生産加ニジステムを構成する全ての機
械的構成要素が具備すべきものとされている。

上記要請に応えるものとして、例えばマシニングセンタ
においては、前記過大荷重の発生を各種のセンサにより
電流値や電圧値の変化として電気的に検出し、あるいは
負荷トルクが一定値を越えた場合にツールがスリップす
ると共に電気信号を工作機械側に送ってその運転を停止
させる手段が提案されている。また、他の手段として、
ツールやワーク、テーブル等に加わる力に比例した力が
機械的強度の低い部分（メカニカルヒユーズ）に加わる
ようにしておき、過大荷重がツール等に加わった際にこ
のメカニカルヒユーズを折損させることによってシステ
ムの構成要素の損傷を未然に防止するものも提案されて
いる。

しかるに、前者のように電気的な検出手段を用いるもの
においては、例えば過大荷重により小径のツールが折損
しても、検出信号のレベルが不十分でマシニングセンタ
のコントローラ側では異常の発生を検知することができ
ず、そのままの状態で加工を続行してしまう場合があり
、特に、ドリルやエンドミルを使用している場合には折
れたツールが回転し続けることによってツール及びワー
クの温度上昇を招き、切削油の種類によってはマシニン
グセンタ全体の火災に至る危険性がある。

この種の事件は国内において年間数件ないし数十性発生
していると考えられる。

また、メカニカルヒユーズを用いる方式は、過大荷重が
システムの構成要素に伝達されるのを遮断する点におい
ては一応有効と言えるが、ヒユーズは機械的に破損して
しまうので、原状復帰のために折損したメカニカルヒユ
ーズを除去して交換しなくてはならず、特に大きな力が
通過するシステムではヒユーズの除去や交換に多大な手
間がかかるという問題がある。

発明者は、上述した現状の安全対策の不完全さに鑑み、
生産加ニジステムの構成要素に何等かの原因で過大荷重
が加わった場合にこれを確実に検出し、前記原因の如何
を問わず過大荷重からの退避動作を行なわせて最終的に
はシステムの運転が停止するところまでシステムを安全
側に作動させるようなフェイルセイフシステムを提案す
るに至った・ かかるフェイルセイフシステムとは１例えば工作機械に
これを適用した場合、具体的には異常が起った（設定値
以上の力が加わった）場合、ワークは力の加わった方向
に沿って数■または数十Ｉの距離だけ退避可能であり、
この退避開始と同時に、退避動作を行なったという信号
が工作機械全体のコントロールシステムの方に送られ、
工作機械が非常停止するというシステムである。勿論、
将来のＦＡに対して、このようなフェイルセイフシステ
ム以外にも力を監視してその力が予め設定した力の中に
納まるように全てのコントロールシステムが動くように
する“′力制御”の考えや、形状自身をモニターしなが
ら必要な形状に追いかけていくような方式、また、熱的
な異常を検知して退避行動を起したり、音を使って退避
行動させる、といった方式も十分に考えられる。しかし
これら全てのシステムの中で最も基本的なものが１本発
明にかかるフェイルセイフシステムであると言えよう。

このようなフェイルセイフシステムを実現するためには
、２つの機能が要求される。まず第１の機能としては、
システムの構成要素である作用側の部材（以下、作用子
という）から加わる力が一定値以上になったらその力を
受ける部材（以下、移動子という）が力の方向に沿って
移動するという機能であり、第２の機能としては、異常
事態の発生すなわち作用子から移動子に設定値以上の力
が加わったことを検出してシステムを安全側に作動させ
るために信号を発生する機能である。

ここで、異常が発生したという信号が出力されてから、
例えば機械の運転が停止されるまでの間に起こる信号の
発生及び伝達とそれに伴う時間の遅れについて考察する
。まず、信号の発生について考える。工作機械に適用さ
れるフェイルセイフシステムで１例えばある一定値以上
の力が加わるとほんの僅かにワークが動くように作って
おき、このワークが動いたことを検出し信号を発生する
素子を作っておけば、異常が発生したという信号を発生
させることができる。ここで発生した信号はコントロー
ラに送られる。

全ての機械は見かけ以上に幾つかの時間遅れの要因を持
っている。第一の時間遅れは設定値以上の力が加わった
ことを検出するまでの時間遅れである。この他に、セン
サの信号がコントローラに送られるまでの間で生じる増
幅器の遅れ、　Ａ／Ｄ変換をするのであればＡ／Ｄ変換
の遅れ、信号をコントローラの中で認知するための時間
遅れ等があり、これらは全て情報を情報として伝達する
ところまでの遅れである。更に、そのコントローラが異
常発生の事実を知って機械を止めようとするまでの間の
信号の遅れがある。ここまでは信号の発生・伝達に起因
する遅れであるが、他にも重要な遅れがある。それは、
それから機械を止め始めてから止め終わるまでの時間遅
れである。これは機械で、その動かそうとしている稼働
部分のイナーシャ（慣性力、質量）に抗して減速動作を
行なうための時間である。

ここで言った信号伝達のための遅れと機械自体がある質
量を持っているために生じる遅れの二つは本質的なもの
であり、機械が機械として動いている限り避けることの
できないものであるといえる。

一方、異常が起ってから機械が止まるまでの間に、仮り
に何もそのずれ分を吸収する能力がなければワークが壊
れるか、ツールが壊れるか、さもなければ機械自体が壊
れるか、ということでこの矛盾を吸収する以外にない。

従って完全無人運転を実現するには、力がある一定値に
なれば確実に退避動作が行なわれてしかも機械が止まり
、その異常を解除した後には原状への復帰が可能である
という性質が必要になる。

次に、フェイルセイフシステムが要求する力の方向と正
逆の向きについて、以下に考察する。

物を加工するときにかかる力というのは一方向だけとい
うことはまれで１例えばＸ、Ｙ、Ｚの何れの方向にも働
くシ、また一つの方向でも＋側にも一側にも力がかかり
得る０例えば第３３図（ａ）に示すように、金型３３０
をエンドミル３３１で削っていくとすれば、エンドミル
３３１はＸ方向の＋側にも一側にも、またＹ方向の＋側
にも一側にも動くし、Ｚ方向にも動き、それに従って力
のかかる向きも変化する。また、第３３図（ｂ）に示す
ように、ワーク３３２にドリル３３３で穴をあけてタッ
プを立てるようなときは、普通は推力とトルクだけが問
題になるが、場合によってはタップを引き抜くときに異
常な力がかかることがある。このように加工力の方向は
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向と三次元的であり、力の向きも＋側にも
一側にも働くので、フェイルセイフシステムは、これら
の三次元の力の方向に対応することが要求され、しかも
それぞれの方向においても力の向きの＋側にも一側にも
対応することが必要である。

仮りに、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のうちの何れか一つの
方向で＋側または一側の一方向だけに作用するフェイル
セイフシステムであれば、簡単に実現することができる
１例えば静止系の一ケ所からばねで移動子を押すと共に
、移動子をストッパに接するようにしておけば、外部か
らの力がある一定値以上になったときに退避する機構は
簡単に実現することができる。しかし、各方向の＋側に
も一側にもこのような作用を果たすような機構を考える
とすると、途端に難しくなる。例えば後述する第３４図
のような機構にすると、後に詳述する力の並列”が起っ
てしまい、工作機械のように高精度の位置決めが必要と
されるような場合には要求される機能を果たせない。

そこでフェイルセイフシステムとしては本質的にどのよ
うな特性が必要になるかを示したのが第１図である。同
図において、横軸は部材に加わる力ｆ、縦軸は部材の変
位Ｘであり、同図（ａ）。

（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に共通するように、力ｆが正逆
方向にわたって−ｆ０から＋ｆ、の領域Ｉ（以下、不感
帯という）では変位Ｘが生じず、力ｆが領域■よりも負
側または正側に大きくなって領域■。

■になると５例えば同図（ａ）に示すように変位Ｘが比
例的に変化するという特性である。この比例部分のカー
ブは必ずしも直線である必要はなく、種々の曲線であっ
てもよい。

また、同図（ａ）に示す比例部分が同図（ｂ）の如く縦
軸に対して平行になる特性であってもよいが、システム
の構成のし易さの点から言って実際上は同図（ａ）の特
性であることが好ましい。更に、同図（ａ）の比例部分
について同図（Ｃ）のようにヒステリシスを持つ場合で
も１本発明にかかるフェイルセイフシステムとして十分
に使用可能である。

これら（ｂ）、（Ｑ）更には（ｄ）のケースをも含めて
単純化すれば、同図（ａ）の特性を持つようなフェイル
セイフシステムを実現すればよいといえる。

ここで、例えば工作機械においては、高剛性を保つため
に一定の荷重までは変位を生じず、これ以上の力が加わ
って初めて退避動作を行なう必要があるため、前述した
ような領域Ｉ、ＩＩ、ｍからなる特性を有するフェイル
セイフシステムが要求されることになる。

従来からもこのようなものは一応考えられてきた。これ
ら従来のものは、厳密な意味で第１図に示したような不
感帯を持ち、それ以外では比例部分となるような機構に
なっているだろうか１例えば従来例として第３４図に示
すものがある。図において、３０１はハウジングであり
、このハウジング３０１内にばばね収容室３０２．３０
３が設けられ、これらのばね収容室３０２，３０３内に
は、圧縮ばね３０４．３０５が設けられている。一方、
収容室３０２．３０３を貫通するように軸３０６が配置
され、その中央部にはフランジ３０７が設けられている
と共に、このフランジ３０７は圧縮ばね３０４，３０５
を押えるストッパー３０８．３０９により両側から抑え
付けられている。

また、ストッパー３０８，３０９はばね収容室３０２．
３０３の間の隔壁３１０に圧接されている。

このように構成すると、軸３０６に加わる力ｆに対する
変位Ｘの関係は一見すると第１図（ａ）の理想的な特性
となるように思われるが、厳密に考えるとこの機構は第
１図（ａ）のような特性は持っていない、すなわち、こ
の機構ではばね３０４　、３０５のストッパー３０８，
３０９同士を止める隔壁３１０の厚さＴとフランジ３０
７の厚さｔとを絶対に同一にすることはできない、従っ
て、このＴとｔとの関係でＴのほうが大きかったとすれ
ば実際の力と変位の特性は第３５図（ａ）のようになり
、力に対して不感帯が生じるのではなく変位の方に対し
て不感帯ΔＸが生じるため、いわゆるガタが生じること
になる。

また、Ｔの方がｔよりも小さいときには、その特性は同
図（ｃ）のようになり、Δｆの範囲では力に対して不感
帯とはならない、Ｔとｔの差の間だけはばね係数が普通
のものの２倍になったような形で構成されることになる
。そして、全くの空想である理想状態でＴ＝ｔのときに
限り、同図（ｂ）すなわち第１図（ａ）の特性を持つこ
とになる。

何故このようなことが起るのかというと、これは力が途
中から並列に流れるという現象が起るためである。試み
に軸３０６からその外側に流れる力の流れ方を観察して
見る。第３４図の右から左に軸３０６を押したとすると
、この力のうちの一部は座を通り圧縮ばね３０４を通っ
て外部にまで伝わり、また、一部の力は軸３０６からス
トッパー３０８を通って外部に流れていく、この２つの
力をひとまとめにして力の伝わり方“Ａ”とする。一方
、軸３０６からの力は圧縮ばね３０５．ストッパー３０
９を通じても外部に伝わる。これをまとめて力の伝わり
方Ｉｔ　Ｂ　７１とする。そうすると、この構造では、
力が同じ場所に到達するのに第３４図のＡ、Ｂで示す如
く２つの経路を通って流れていく、言い換えれば、ばね
とストッパーの組が一つの軸に２つ配されることになり
、２つの組全体に外部の力が加わることになる。すなわ
ち力の並列″が起ることになる。

このような力の並列が起ると、前述のようなＴとｔの食
違いから望ましくない特性しか得られないことになる。

後述するがこれを除くには力が全て直列に流れるように
、すなわちばねとストッパーからなる２つの組を直列に
配置しなければならないということになる。

別の例として第３６図に示す工作機械の位置決めを行な
うボールスクリューを考えてみる。軸３１１を両側から
油圧機構やばね等３１３．３１４で拘束しておけば、や
はり一見すると第１図（ａ）のフェイルセイフの特性を
持つように思われる。なお、３１２は軸３１１の回転に
より移動する部材を示す。しかる°に、厳密に考えると
軸３１１を２カ所で位置決めしているために、部材３１
２から静止系への力の流れが第３４図の例と同様に並列
になる。そのため、やはり第３５図（ａ）または（ｃ）
の特性しか得ることができず、真の意味でのフェイルセ
イフの望ましい特性は持たない。

更に、もう一つ別の例をとり上げよう。厳密には特性が
第３５図（ａ）または（ｃ）であるにも拘らず。

−見して第３５図（ｂ）らしく見えれば力の不感帯の幅
が数十ミクロンであっても実用上問題はないというよう
な場合も多々ある。ここでは、力の不感帯を持つ油圧バ
ルブをとり上げる。このような場合には１例えば第３７
図に示すようなばね３１７及びスプール３１６を有する
リターン機構３１５を構成し。

このリターン機構３１５を、第３８図に示す如く、油圧
バルブ３１８に付加して常時ニュートラル位置にて位置
決めさせると共に、このバルブ３１８を動かすレバー３
１９に働く力が一定値以上になったときに弁が働くよう
にして不感帯を作ることが行なわれている。しかるに、
厳密な位置決めを必要とする工作機械ではこのようなも
のを使うのは意味がない。

本発明は、上述した種々の従来例が有する問題点を解消
し、外部から加わる力の流れが直列になるようにして例
えば第１図（ａ）の如きカー変位特性をもつフェイルセ
イフシステムを実現することをその解決課題ないし目的
としている。更に、このシステムの構成要素として、外
部から加わった過大な力に応動するアクチュエータと、
上記力により移動するアクチュエータ内の移動子を液圧
回路または気圧回路によって支持する場合に、前記各回
路を介して伝達された力によるエネルギーを弾性体に蓄
積するアキュムレータとを提供し、加えて、前記フェイ
ルセイフシステムを組み込んだ工作機械、フェイルセイ
フテーブル及びフェイルセイフホルダを提供することも
その目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明にかかるフェイルセイ
フシステムは、移動する作用子から設定値以上の力が力
ｑわった際に前記力の方向に沿って移動する移動子と、
この移動子の初期位置を設定するストッパーと、移動子
を支持して予め設定された一定の力を移動子に作用させ
る弾性体の如き力作用体とを備え、移動子が一定の変位
だけ移動したことを検出して作用子の移動を停止させる
ことを特徴とする。

また、このフェイルセイフシステムの構成要素のうち、
作用子からの力に応動するアクチュエータは、移動する
作用子から設定値以上の力が加わった際に前記力の方向
に沿って移動する移動子と、この移動子の初期位置を設
定するストッパーとを少なくとも備え、移動子を内部ま
たは外部に設けられた力作用体により支持して予め設定
された一定の力を移動子に作用させることを特徴とする
。

更に、前記フェイルセイフシステムの構成要素のうち、
移動子の移動に伴う力によるエネルギーを蓄積するアキ
ュムレータは、前記アクチュエータに連結され、移動子
に一定の力を与えている力作用体としての液圧回路また
は気圧回路を介して伝達された力によるエネルギーをば
ね等の弾性体に蓄積することを特徴とする。

加えて、本発明にかかる工作機械は、前記アクチュエー
タ及びアキュムレータからなるフェイルセイフシ・ステ
ムを備え、移動子が一定の変位だけ移動したことを検出
して自己の運転を停止することを特徴とする。更に、本
発明にかかるフェイルセイフテーブル及びフェイルセイ
フホルダは実質上、前記アクチュエータと同一の構成を
備え、移動子が一定の変位だけ移動したことを検出して
テーブルの移動やツールの回転・移動を停止させること
を特徴とする。

（作用） 本発明のフェイルセイフシステムによれば、作用子から
加わる力が設定値以下である不感帯においては、移動子
はストッパーによる初期の設定位置に留まっており、シ
ステム全体は高剛性を保つている。そして、作用子から
移動子に設定値以上の力が加わると、移動子はこの移動
子に一定の力を付与している力作用体に抗して前記力の
方向に移動を始める。つまり１作用子からの力は移動子
及び力作用体を介して静止している固定端（または支持
端）に伝達される。ここで、移動子に作用する力の方向
の正逆の両方向に応じるべく、力作用体とストッパーと
の組を直列に配し、その動作が正逆両方向に作動するよ
うにすれば、前述した第１図（ａ）のカー変位特性を得
ることができ、また、力の設定値を可変とすることで前
記不感帯の幅を任意に調節することができる。

このようにして移動子が移動した場合には、周知のマイ
クロスイッチ等により移動子が一定変位だけ移動したこ
とを検出して信号を生成し、この信号をもって作用子の
移動を停止させることにより、システムを安全側に退避
させることが可能となる。

また、かかるフェイルセイフシステムにおいて、アクチ
ュエータは作用子に応動する構成要素として作用すると
共に、アキュムレータは、移動子に対して一定の力を液
圧または気圧回路により付与している場合に、これらの
回路を介して移動子の移動に伴う力のエネルギーをばね
等の弾性体に蓄積するべく作用する。

更に、前記フェイルセイフシステムを組み込んだ工作機
械及びフェイルセイフテーブルは、その運転中に過大荷
重が加わったことを上記フェイルセイフシステムにより
検出し、最終的に機械の運転停止やテーブルの移動停止
を行なわせるべく作用すると共に、フェイルセイフホル
ダにおいてはツールから過大荷重が加わった場合にツー
ルの回転・移動を停止させるべく作用する。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

まず、第２図ないし第９図は、移動子を支持し。

かつこの移動子に一定の力を付与する力作用体が弾性体
としてのばねであるフェイルセイフシステムの実施例を
１作用子からの力に応動するアクチュエータを中心とし
て示した実施例である。

第２図及び第３図は第１実施例を示しており。

この実施例では弾性体に圧縮ばねを用いている。

第２図において１はシリンダ、２はその中間の隔壁、・
３．４は端壁、５，６は移動子としてのピストン、７，
８はそのフランジ、９．１０は圧縮ばねであり、圧縮ば
ね９の一端部は隔壁２に圧接され、他端部はフランジ７
を圧接している。また、圧縮ばねｌＯはその両端部がフ
ランジ８及び端壁４を圧接している。ここにおいて、シ
リンダ１及び圧縮ばね９，１０はピストン５，６の初期
位置を設定する力の設定要素としても作用している。な
お、図において４７はアクチュエータを示している。

この動作を第３図を参照しつつ説明する。まず。

第３図上段において２図示されていない作用子の移動に
よりピストン５の端部にある設定値＋ｆａ以上の力ｆが
図の右方向に加わると、それまで高剛性を保っていた圧
縮ばね９が圧縮され、第３図中段の如きピストン５の変
位Ｘにより、ピストン５．６の両端部間の距離はＸだけ
縮む。また、第３図上段の状態から、ピストン５の端部
に対し、ある設定値−ｆ、よりも負側に大きいカｆが左
方向に加わると、第３図下段のように圧縮ばね９はその
ままの状態で圧縮ば１１１０が圧縮される。この結果、
ピストン５，６の両端部間の距離はＸだけ伸びることに
なる。

この場合、外部の作用子から移動子としてのピストン５
に加わる力は圧縮ばね９と端壁３．フランジ７間のスト
ッパーとの組合せ（Ａとする）及び圧縮ばね１０と隔壁
２．フランジ８間のストッパーとの組合せ（Ｂとする）
に直列に作用する。それゆえ１両ピストン５，６の間に
一定値以上の大きさの力が作用したとき、ＡまたはＢの
うち一方のみが動くので、第１図（ａ）に示したように
正逆両方向の力に対してこの力が設定値以上になった場
合に変位を生じる（退避動作を行なう）アクチュエータ
４７を実現することができる。

また、ピストン５，６の両端部間の距離が変化したこと
、換言すれば移動子が一定の変位だけ移動したことは周
知のマイクロスイッチや近接スイッチ等により検出可能
であるから、これらの出力信号を利用して外部の作用子
の移動を停止させることができる。更に、第２図におけ
る端壁３及び端壁４の位置をシリンダ１の軸方向に沿っ
て変えることにより、圧縮ばね９，１０にもともと与え
られている力を変えられるため、退避動作を開始する設
定値±ｆ０を自由に選ぶことができる。その際、正側及
び負側の設定値の大きさを異ならせることも可能であり
、換言すれば正側及び負側の不感帯の幅を異ならせるこ
とが可能である。

次に、第４図は第２実施例を示している。この実施例で
は、弾性体として引張ばね１１，１２を用いており、一
方の引張ばね１１の両端部が隔壁２及びピストン５のフ
ランジ７にそれぞれ固定され、フランジ７は端壁３に圧
接されている。また、他方の引張ばね１２の両端部は他
方のピストン６のフランジ８及び端壁４に固定され、フ
ランジ８は隔壁２′に係止されている。

この実施例にお−１１ても、例えばピストン５の端部を
左方向に引っ張るような設定値−ｆｏよりも負側に大き
い力ｆが外部の作用子から加わると。

引張ばね１２の位置は変わらず引張ばね１１が引き伸ば
されてピストン５，６の両端部間の距離が伸びる。また
、これと逆方向の力ｆが加わると、引張ばね１１及びピ
ストン５の位置は変わらす引張ばね１２が引っ張られる
ため、ピストン６がシリンダ１内に引き込まれることに
なり、ピストン５，６の両端部間の距離が短縮される。

この場合にも作用子からの力は引張ばね１１と端壁３．
フランジ７の間のストッパーとの組み合わせ（Ａ）及び
引張ばね１２と隔壁２′、フランジ８間のストッパーと
の組合せ（Ｂ）を通して直列に作用しており、第１図（
ａ）の特性が得られると共に、設定値±ｆ０の変更は端
壁３または端壁４の位置をシリンダ１の軸方向に沿って
変えることで調節可能である。

次いで、第５図及び第６図は第３実施例である。

この実施例は１弾性体として圧縮ばねと引張ばねとを組
合せたものであり、第５図において１３．１４は移動子
としてのシリンダ、　１５．１６．１７．１８はこれら
の端壁、１９は引張ばね、２０は圧縮ばね、２１はピス
トン、２２．２３はフランジを示している。なお、ピス
トン２１、そのフランジ２２．２３及び各ばね１９゜２
０は力の設定要素としても作用している。

この実施例では、第６図上段に示す如く、平常時はフラ
ンジｚ２が端壁１６に、またフランジ２３が端壁１７に
それぞれ圧接されており、この状態で設定値＋ｆ０より
も正側に大きい力ｆが第６図中段のようにシリンダ１３
に対して右方向に加わると、圧縮ばね２０が縮んでシリ
ンダ１３．１４の両端部間の距離は変位Ｘだけ縮む。ま
た、第６°図下段のように設定値−ｆｏよりも負側に大
きい力ｆがシリンダ１３に対して左方向に加わった場合
には、引張ばね１９が伸びてシリンダ１３．１４の両端
部間の距離は変位Ｘだけ伸びる。よって、第１図（ａ）
に示した特性を得ることができる。

この場合の設定値±ｆ０の変更は、端壁１５．１８の位
置をシリンダ１３．１４の軸方向に沿って変えてやれば
よい。

更に、第７図及び第８図はそれぞれ第４及び第５実施例
であり、これらの実施例は、第２図及び第４図の実施例
におけるシリンダとピストンの関係を逆転させたもので
ある。

まず、第７図及び第８図において、２４．２５はシリン
ダ、　２６．２７．２８．２９はこれらの端壁、３０．
３１は圧縮ばね、３２はピストン、３３．３４はフラン
ジ、３５、３６は引張ばねを示している。これらの実施
例では、何れもフランジ３３．３４が平常時に端壁２６
゜２８に圧接されている。その動作は、第７図の実施例
において１例えば図の左方向から移動子としてのシリン
ダ２４を押す向きに設定値＋ｆｏ以上の力ｆが加わると
、圧縮ばね３１が縮んでシリンダ２４゜２５の両端部間
の距離が縮む。また、第８図の実施例において、例えば
図の左方向から移動子としてのピストン３２を引っ張る
向きに設定値−ｆｏよりも負側に大きい力ｆが加わると
、引張ばね３６が引っ張られてフランジ３４とシリンダ
２５の端壁２８との間の距離が伸びる。

このため、再実施例があいまって第１図（ａ）に示すよ
うな特性の実現が可能になる。また、設定値±ｆＩ、の
変更は端壁２７．２９の位置を変えればよい。

次に、第９図は第６実施例を示している。この実施例は
圧縮ばねを同心状に配置したもので１図中、　３７．４
０はシリンダ、　３８．３９．４１．４２は端壁。

４３、４４は圧縮ばね、４５は移動子としてのピストン
、４６はフランジであり、端壁４１及びフランジ４６は
それぞれ端壁３９．４２に圧接されている。この動作は
、図示するように、ピストン４５の端部に左方向に向か
う設定値−ｆｏよりも負側に大きい力ｆが加わると圧縮
ばね４４が縮むため、ピストン４５の端部と端壁３８と
の間の距離は伸びる。また、ピストン４５の端部に設定
値＋１０以上の反対方向の力ｆが加わると、他方の圧縮
ばね４３がフランジを兼用する端壁４１により押されて
縮むため、ピストン４５の端部と端壁３８との間の距離
が縮む。

よってこの実施０例でも、第１図（ａ）に示すような特
性を実現可能である。また、設定値±ｆｏの変更は端壁
４２．３９の位置を変えればよい。

なお１以上の第２ないし第６実施例も第１実施例と同様
に何れもアクチュエータ４７の構成のみを示したもので
あり１本発明にかかるフェイルセイフシステムとしては
、これらのアクチュエータ４７の他に、移動子が一定の
変位だけ移動したことを検出して信号を発生するスイッ
チ等の手段と、この検出信号によって作用子の移動を停
止させるための手段とを備えているのは言うまでもない
。

次に、移動子に対して予め一定の力を作用させている力
作用体としてアクチュエータ４７内の油とアキュムレー
タとを用いた、油圧回路による第７実施例を第１０図な
いし第１３図に示す。第１Ｏ図はその原理図であり、４
８はアクチュエータ４７とあいまってフェイルセイフシ
ステムの構成要素となっているアキュムレータである。

アクチュエータ４７において、４９はシリンダ、５０は
隔壁、５１．５２は移動子としてのピストン、５３．５
４はそのフランジを示す。また、５５は配管である。更
に、アキュムレータ４８は油圧源ともなっており、５６
はシリンダ、５７はピストン、５８．５９はフランジ、
６０は圧縮ばね、６１は固定壁である。そして、シリン
ダ４９．５６内及び配管５５内には油６２が充填されて
いると共に、圧縮ばね６０の両端部はフランジ５９及び
固定壁６１に固定されている。

この実施例では、前記第１ないし第６実施例におけるば
ねの位置に油を配し、アキュムレータ４８の圧縮ばね６
０の弾性により油を介してピストン５１゜５２に対して
常時一定の力を付与していると共に。

外部からピストン５１．５２に作用する力によるエネル
ギーを弾性体としての圧縮ばね６０に最終的に蓄積する
ように構成されている。また、ピストン５１゜５２は、
アキュムレータ４８及び油６゛２、シリンダ４９等によ
る力の設定要素によって初期位置が設定されている。な
お、圧縮ばね６０に代えて第１１図に示す如く気体６３
によるアキュムレータを構成することもできる。また、
図示されていないが、シリンダ４９、５６及び配管５５
内に空気を充填して空圧によるフェイルセイフシステム
を構成することも可能である。

次に、第１０図の実施例の動作を第１２図を参照しつつ
説明する。なお、第１２図では便宜上アクチュエータ４
７のみを示し、アキュムレータ４８の図示を省略しであ
る。

まず、第１２図上段の状態では、アキュムレータ４８か
らの油圧によりフランジ５３．５４はシリンダ４９ａの
左側の端壁及び隔壁５０に圧接されている。このときに
、第１２図中段に示す如く、作用子の移動によりピスト
ン５１の端部から設定値＋ｆｌ１以上の力ｆが加わると
、この力が油圧回路を介して作用することにより、アキ
ュムレータ４８の圧縮ばね６゜が縮んでシリンダ４９内
の油圧が減少し、ピストン５１は変位Ｘだけ右方向に移
動する。従って、ピストン５１．５２の両端部間の距離
が変位Ｘだけ縮むことになる。

また、第１２図下段に示すように反対方向の力ｆが加わ
ると、設定値−ｆ、よりも負側に大きくなった時点でや
はりシリンダ４９ｂ内の油圧が増大するので圧縮ばね６
０が縮み、他方のピストン５２が相対的に右方向に変位
Ｘだけ移動する。よって、ピストン５１．５２の両端部
間の距離は変位Ｘだけ伸びることになる。

従って、この実施例でも第１図（ａ）に示す特性を実現
することができ、ピストン５１．５２が一定の変位だけ
移動したことを適宜なスイッチにより検出して作用子の
移動を停止させることができる。

また、このよう番ご構成された油圧または空圧のフェイ
ルセイフシステムでは、作用子からの力に応動するアク
チュエータ４７と、力によるエネルギーを蓄えるアキュ
ムレータ４８とを分離することができるため、外部から
油圧または空圧値を任意に設定することができ、設定値
±ｆ、の調節が非常に容易となる６すなわち、第１Ｏ図
の例では、固定壁６１の位置をシリンダ５６の軸方向に
沿って変化させれば設定値±ｆ０を変更することができ
る。

なお、油圧を用いるシステムでは、第１θ図のようにピ
ストン５１．５２に対する油圧源として同一のものを用
いるとピストン径が同一の場合には設定値ｆ、の正側及
び負側の大きさが等しくなり、いわゆる不感帯の幅が力
ｆの正負側で同一となるが、油圧源を別個に設けたりピ
ストン５１．５２のフランジ５３．５４の直径を異なっ
たものとすることにより、設定値＋ｆ、、−ｆ。の値を
異ならせることができる。これは、空圧の場合も同様で
ある。

次に、第１３図は油圧によるアクチュエータ４７の具体
的構造を示している。なお１図において６４は配管５５
に連通する油圧口である。このように油圧や空圧で実際
にアクチュエータ４７を形成すると。

ピストン５１．５２とシリンダ４９との間のシール部分
の摩擦が問題になる場合があるが、これを解消するため
には、シールの代わりに第１４図に示すようなベローズ
６５を用いればよい。

次いで、第１５図は第８実施例を示している。この実施
例は、油圧によるフェイルセイフシステムにリリーフバ
ルブを組み合わせたものである。同図において、４７は
前述した油圧によるアクチュエータ、４８はアキュムレ
ータであり、アキュムレータ４８では位置センサ６６、
フェイルセイフコントローラ６７、油圧モータ６８．ボ
ールスクリュー６９等により圧縮ばね６０の端部位置を
可変としている。すなわち、これによって圧縮ばね６０
にもともと蓄えられている力を可変とし、もってピスト
ン５１．５２が動作する際の力の設定値±ｆ、の調節が
可能である。なお、後述する可変リリーフバルブ７６と
組み合わせる場合には、圧縮ばね６０の端部は固定され
ていてもよい。また、アキュムレータ４８としては第１
１図に示したような気体６３を用いたものであってもよ
い。

一方、配管５５の途中にはチエツクバルブ７０ａが設け
られており、その先にはアキュムレータ４８を構成する
シリンダ５６に対して並列的に可変リリーフバルブ７６
及びタンク７７が設けられ、このリリーフバルブ７６は
前記フェイルセイフコントローラ６７により制御される
。また、この主回路から分岐してストップバルブ７１．
ポンプ７３．タンク７４及びストップバルブ７２．タン
ク７５が設けられている。

ここで、チエツクバルブ７０ａは、フェイルセイフ作動
の際には油が主回路をアキュムレータ４８または可変リ
リーフバルブ７６に直接流れるようにするためのもので
あり、可変絞り７０ｂはフェイルセイフ作動後にシリン
ダ４９内の油圧を徐々に回復させることにより、ピスト
ン５１または５２を元の位置に緩慢に復帰させるための
ものである。また、ポンプ７３は油の補充用、ストップ
バルブ７２は油を抜くためのものである。

そして、リリーフバルブ７６は周知のように油圧を一定
値に保つためのもので、アキュムレータ４８と組み合わ
せることにより、フェイルセイフ作動後に作用子から加
わる力ｆの増加を阻、止し、力ｆと変位Ｘとの関係を第
１図（ａ）、（ｂ）を組み合わせた第１６図のようにす
るためのものである。これにより設定値±ｆ□以上の力
が加わることがないため、ツールやワークその他の部材
の保護性能を高めることができる。

なお、アキュムレータ４８を用いることなくリリーフバ
ルブ７６のみを使用する回路構成は１回路に発生する油
圧の加圧源がないので、アクチュエータ４７から加わる
力を配管系のばねのみによって支持することになり、ま
た、油洩れ等によってアクチュエータ４７の変位Ｘに遊
びを生じることとなるため、好ましくない。

次に、第１７図は第９実施例であり、この実施例は、図
示するようにアクチュエータ４７を油圧による同心状の
配置としたものである。なお１図において、７８．７９
は同心状に配置されたシリンダ、８０はピストンであり
、その他の構成要素は既述のものと同一の番号が付され
ている。この実施例は、前述の第９図の実施例を油圧に
よって実現したものであり、詳述しないが、上記各実施
例と同様に第１図（ａ）の特性を得ることができる６ま
た、このアクチュエータ４７を用いて第１５図のように
リリーフバルブ７６と組み合わせたシステムを構成する
ことも可能である。

なお、上述したフェイルセイフシステムないしアクチュ
エータ４７において、移動子を支持してこの移動子に対
し予め設定された一定の力を作用させるための力作用体
の構成要素として、電磁石や永久磁石による磁力を利用
することも可能である。

この場合、特に電磁石においては外部の制御回路による
印加電圧、電流の制御によって磁力の調節が容易である
から、フェイルセイフが作動する力の設定値を簡単に調
節することができる。

第１８図はこの電磁石を用いたフェイルセイフシステム
のアクチュエータを示すものであり、同図（ａ）は力作
用体として電磁石１５１．１５２及び圧縮ばね１５３．
１５４を用いたもの、同図（ｂ）は同じく電磁石１５１
．１５２及び油圧回路を用いたもの、同図（Ｑ）は同じ
く電磁石１５１．１５２のみを用いたものである。

なお、同図（ｂ）において、シリンダ４９内の油６２は
第１θ図に示したような外部のアキュムレータ４８につ
ながっている。また、ピストン５１．５２のフランジは
高透磁率の材料により作られていて電磁石１５１、１５
２に常時吸着されている。

この動作は１例えば第１８図（ａ）の左方向からピスト
ン５１に働く力ｆに関し、これが設定値＋ｆ０以上にな
ると圧縮ばね１５３の剛性及び電磁石１５１による吸引
力に抗してピストン５１が図の右方向に移動するため、
ピストン５１．５２の両端部間に変位を生じる。ピスト
ン５１に逆方向の力ｆが加わった場合も第３図に示した
如く変位を生じるゆそしてこの場合、電磁石の吸引力は
距離の二乗に反比例するから、第１図（ｄ）に示すよう
なカー変位特性が得られることになる。

次いで、工作機械に要求されるフェイルセイフシステム
について考察する。例としてマシニングセンタを考える
。

マシニングセンタ用のフェイルセイフシステムを考えた
場合のハードウェアの構成を第１９図に示す。ここでは
左右に動くテーブルの例で示しである。テーブル８１は
モータ８２とボールスクリュー８３とで駆動され、これ
らの間に上述した油圧によるアクチュエータ４７が取付
けられている。勿論、モータ８２が取付けられたボール
スクリュー８３のシャフトそのものにアクチュエータ４
７を取付けることも可能である。

この図に示すように、テーブル８１は直線ガイドのよう
な別の支持機構により図の左右方向にだけ動くようにな
っている。モータ８２が回転すれば、ボールスクリュー
８３及びアクチュエータ４７を介してテーブル８１まで
力が伝えられる。ここではボールスクリュー８３とテー
ブル８１との間に２本のピストン５１．５２を有するア
クチュエータ４７が取付けられ、シリンダ４９内の油は
配管５５により外部で一緒になってアキュムレータ４８
につながっている。テーブル８１に対しては、図示する
如く左右方向に力ｆが働くとすると、これらがある程度
の大きさになるまではピストン５１．５２はシリンダ４
９に対する相対位置が変わらないので、結局、ボールス
クリュー８３の動きがテーブル８１の動きそのものを決
めることになる。

一方、テーブル８１に例えば右方向の大きな力ｆが加わ
ると、ピストン５１が存在するシリンダ４９内の油圧の
設定値以上に力が働けば、この回路は外部のアキュムレ
ータ４８につながっているので、ピストン５１が右の方
に押される。その結果、テーブル８１はボールスクリュ
ー８３に対してピストン５１，５２間の距離が一層短く
なるように移動する。その結果、仮りにボールスクリュ
ー８３が止まっていてもこのテーブル８１は右方向に動
くことができる。

従って、テーブル８１に外部から設定値以上のカｆが加
わったときには、このテーブル８１は右側に移動可能と
なる。勿論、テーブル８１が動き始めたときにピストン
５１．５２とシリンダ４９との間の距離の変化を検知す
るセンサを設ければ、それが信号を発生してこの機械全
体を非常停止させる機能を持たせることができる。

次に、フェイルセイフシステムと自動工具交換機能との
関係について考える。マシニグセンタには必ず自動工具
交換機能が必要になる。これは、一つの機械で多種類の
加工をする場合に、加工の種類ごとに、また゛同じ加工
の種類であってもその力の定格値ごとにツールを取替え
るためのものである。そのため、ツールが変わる度にそ
こで許容される力の種類と大きさが変わってくることに
なる。そこで、マシニングセンタにおけるフェイルセイ
フシステムの力の設定値±ｆ０と力の種類は、ツールご
とに変えられるものでなくてはならないことになる。

自動工具交換が行なわれながらフェイルセイフ機能が働
く実際のシステムは１例えば第２０図のように構成され
る０通常、工作機械を動かしているのは図のＮＣコント
ローラ８４であり、ある目標値を入れておいて所望の工
具パスを決めておけば、テープの形で全てＮＣコントロ
ーラ８４に指令が入り、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のモータ８５の
回転を制御する。

また、モータ８５の動きの他にＡＴＣ（自動工具交換装
置）８６を動作させてツールの種類を選択することが行
なわれている。

そして、このような工作機械にフェイルセイフシステム
を組み合わせる場合には、フェイルセイフコントローラ
８７を用いる。ＮＣコントローラ８４側からフェイルセ
イフの動作開始の力の設定値上ｆ０を設定すると、フェ
イルセイフコントローラ８７によりスイッチがいつ動作
するのかが決定される。これにより、異常が起こり、設
定値以上の力が働いた場合に本発明にかかるフェイルセ
イフシステムが動作し、非常停止という信号をＮＣコン
トローラ８４に対して出力することになる。

この非常停止の信号は、ＮＧの全てのプログラムの進行
に拘らずＮＣコントローラ８４の最も階層性の高い所、
すなわち一番上位の所に送られて工作機械の運転が停止
することになる。勿論、停止するまでの間にも外部から
の力が加わった被剛材を載せたテーブルは引き続き移動
するが、その間は、力が加わりながら移動距離分の変位
が最終的にはアキュムレータ４８内のばねの変形として
吸収され、テーブルの移動に伴う力によるエネルギーが
蓄積される。ここでは、ツールの種類と加工の種類ごと
にフェイルセイフシステムが作動する力の設定値が変わ
ってくるが、これがこのシステムの一つの特徴となって
いる。

次いで、油圧によるフェイルセイフシステムを組み込ん
だ工作機械（マシニングセンタ）の一実施例の概略を第
２１図に示す。

その基本構造は縦長のコラム８８があり、そこに上下に
動き得るヘッド８９が取付けられている。ヘッド８９に
はツール９２を回転させるためのモータ９０が取り付け
られ、スピンドルの先のツールホルダ９１にツール９２
が取付けられて回転する。ここで、ヘッド８９の動きを
Ｚ方向とする。コラム８８の下の部分にベース９３がつ
ながっており、ベース９３の上にはサドル９４があり、
このサドル９４を前後に動かすためのボールスクリュー
が設けられている。サドル９４の上にはテーブル８１が
あり、例えばサドル９４の前後の動きをＹ方向とすれば
、テーブル８１がＸ方向（この図では紙面の左右方向）
に動く。そしてまた、サドル９４とテーブル８１との間
にもボールスクリュー８３が取付けられていて、テーブ
ル８１の位置決めを行なうようになっている。

いま、テーブル８１の上にワーク９５を取り付ける。

テーブル８１の全体はサドル９４と協働してＸＹ力方向
動き、ヘッド８９側のツール９２が回転しながらヘッド
８９が上下することでツール９２が自由な位置に動いて
いくことになる。このマシニングセンタでは、３つのア
クチュエータ４７がヘッド８９とコラム８８との間、サ
ドル９４とベース９３との間及びサドル９４とテーブル
８１との間にそれぞれ取付けられている。なお、ここで
ボールスクリュー８３のナツト部９６とテーブル８１と
の間に挿入されているアクチュエータ４７は、実際には
ここに示したものと多少異なり、油圧シリンダと原理的
には同じだが、後述するようにボールスクリューを取り
囲む形で配置された中抜き（中が空洞）の構造になって
いる。

これら３つのアクチュエータ４７からの油圧は全部−つ
につながり、それが外部に置かれているアキュムレータ
４８に接続されている。アキュムレータ４８の構成は第
１５図及び第１９図に示したものと同一である。そして
、油圧モータ６８の回転位置をＮＣのプログラムによっ
て変えることで、アクチュエータ４７の動作位置すなわ
ち力の設定値をｌｏｏｋｇｆ。

５００ｋｇｆ、　ＬＱＱＯｋｇｆに変えることができる
ようになっている。これらの動作位置は、ＮＣのツール
毎に決められた設定値に従って選択されるようになって
いる。

本発明にかかるフェイルセイフシステムにおいて、力を
設定し変位を吸収する要素（力作用体）がばね、油圧、
空圧の何れであっても、基本的な構成は圧縮ばねで代表
できることは前にも述べたが。

ここではばねを油圧に代えて、もう−度フェイルセイフ
システムの基本的な動作を説明する。

第２２図（ａ）の基本形では、シリンダ４９が１個、ピ
ストン５１．５２が２個になっているが、同図（ｂ）の
ようにピストン９７が１個でシリンダ９８．９９が２個
のものも可能である。どちらにしても第１２図に示した
動作原理と全く等価である。外部から作用する力が設定
値以上になると、第２２図（ａ）の場合には移動子であ
る両ピストン５１．５２間の距離が伸び縮みするように
動作する。また、同図（ｂ）の場合にはシリンダ９８．
９９に付設されている移動子としてのフランジ１００，
１０１間の距離が伸び縮みする。

さて、ハードウェアとしてこのような伸び縮みをすると
いう機能を持っていることだけでは不十分であり、異常
を検出した信号が必ず出力され。

その後、非常停止をかける動作をさせる必要がある。こ
の信号を発生させる為の構成要素は、常にシリンダ内に
取付けられている必要はなく、他の部分に変位の発生を
検知するようなセンサを有していれば十分である。

マシニングセンタやその他の工作機械のようにボールス
クリューを使っているものでは、第２１図に示したよう
にボールスクリュー８３と動くテーブル８１との間にア
クチュエータ４７を配置することがまず、考えられる。

勿論、第２２図（ａ）に示す構造のピストン５１．５２
を採用すればそれでよいと言えるが、空間的に場所を取
り過ぎるため使いにくい。

また、ピストン５１．５２がボールスクリュー８３の軸
心から外れた場所に取付けられると偏心荷重の問題が起
る。そこで最も望ましいのは、ボールスクリュー８３の
外側にそれを抱きかかえるような形で、しかも両端がフ
ランジになったアクチュエータであるといえる。この場
合、第２２図（ｂ）に示したような構造のものが原形と
なり、これを中抜きの構造として実現することが要請さ
れる。

そこで中抜きになっているアクチュエータ４７の例を考
えると、第２２図（ｃ）に示すようなものが考えられ、
ピストン１０２は中抜きのピストンとなる。

シリンダ１０３とシリンダ１０４にそれぞれ設定値より
も大きな力が加わったときに、このシリンダ１０３の中
に入っている左側の油が外に出ていったり。

右側のシリンダ１０４内の油が出ていくことにより、両
フランジ１０５．１０６の間の距離が変化するようにな
る。この構造を具体化したのが第２２図（ｄ）である。

第２２図（ｄ）のアクチュエータ４７に適用可能な、フ
ェイルセイフ動作開始の信号を得るための手段を第２３
図に示す。何れの場合もセンサとしてはマイクロスイッ
チを用いている。（ａ）はピストン１０２とシリンダ１
０３，１０４のエンドストッパとの間にマイクロスイッ
チ１０７を配置したもの、（ｂ）はスナップ部材１０８
を利用して、両方のシリンダ１０３，１０４間の距離が
伸び縮みすると車軸１０９が上下してマイクロスイッチ
１０７がＯＮ、ＯＦＦするもの、（ｃ）はピストン１０
２にフランジ１１０を取り付け１両方のシリンダ１０３
，１０４とフランジ１１０との間にマイクロスイッチ１
０７を配するものである。

信号を発生する手段は、マイクロスイッチ１０７以外に
近接スイッチやリードリレーであってもよい。また、二
九らによるＯＮ、ＯＦＦのディジタル的な信号ばかりで
なく、例えばホール索子を用いた位置検出スイッチのよ
うに磁界の接近にともなって変化するアナログ信号を得
、これとしきい値とを比較して動作開始信号を得るよう
な検出手段であってもよい。

次に、実際に製作したマシニングセンタで、ボールスク
リューとテーブルとの間に組み込んだ中抜きのアクチュ
エータ４７の一実施例の構造を第２４図に示す。ボール
スクリュー８３を取り付けた右側の中抜きのシリンダ１
０４があり、この中にピストン１０２が配置されている
。ピストン１０２は１個、シリンダは１０３，１０４と
２個あり、油の入る部分は図のようになっている。ここ
では機構を簡単にするためシールとしては全て０リング
を使っている。

実際にはシリンダ１０３，１０４とピストン１０２は常
時摺動しているのではなく、フェイルセイフが作動した
ときだけ摺動するので、０リングを使用しても特に問題
は起らない。

移動子としてのシリンダ１０３の左端部上方は作用子と
してのテーブル８１に当接しており、テーブル８１の移
動に伴ってシリンダ１０３に力が加わるようになってい
る。サドル９４とボールスクリュー８３との間は、図示
されていないベアリングで支えられており、その先にボ
ールスクリュー８３を回転させるためのモータが取付け
られている。このアクチュエータ４７が実際に動作した
ときの信号の発生手段としては、第２３図に示した例の
うちから（ｃ）の構成を選び、シリンダ１０４から出た
腕１１２とピストン１０２から出た磁性体からなる腕１
１３とシリンダ１０３から出た腕１１４との位置関係を
図示のようにし、腕１１２，１１４に取付けられたコイ
ル内蔵の誘導式近接スイッチ１１１と、腕１１３との位
置関係により移動を検出するように構成されている。

次に、このシステムにおける油圧を一定値に設定するた
めのアキュムレータ４８の一実施例の構造を第２５図に
示す。左側と右側に全体を止める端板１１５．１１６が
あり、これらは４本のタイロッド１１７でつながれてい
て、タイロッド１１７はばね座１１８，１１９のガイド
も兼ねている。ばね座１１８，１１９間に圧縮ばね６０
が１個配置され、かつばね座１１８と端板１１５との間
にストロークの小さい油圧シリンダ５６が配置されてい
る。ばね座１１９と端板１１６とを結ぶ台形ねじ６９が
設けられており、この台形ねじ６９は外側の油圧モータ
６ａにより回転するようになっている。

油圧モータ６８の回転量はフェイルセイフコントローラ
により、それぞれのツールの設定力に応じて変化するも
ので、これによって圧縮ばね６０の端部の位置が調節可
能となっている。

また、ばね座１１９の上方に近接スイッチが配置され、
アクチュエータ４７に加わる力が１００ｋｇｆ、　５０
０ｋｇｆ、　１００１００ＯのときにスイッチがＯＮ、
ＯＦＦするようになっている。なお、このような近接ス
イッチでなく、磁気スケールのような変位計や他の変位
計を使ってばね座１１９と端板１１６との間の距離を測
定できるようにしておき、油圧モータ６８と共にサーボ
系を組むことも可能である。

このアキュムレータ４８では、油圧を発生させるために
常にモータ６８が動いている必要はない。油圧回路を油
が循環しているわけではないので１台形ねじ６９及びば
ね座１１９によりばね６０の端部の位置を一度設定すれ
ば、仮りに停電するようなことがあっても、設定値その
ものは変わることなく、常に安全側に働くという特徴を
持っている。何か異常があったときに動作するために、
更に指示を与えるという系では信頼性が非常に落ちてし
まうのに対し、このように−度設定しておいて油圧の回
路内にエネルギーを蓄積しておくという考えが。

フェイルセイフシステムでは最も重要である。

第２６図（ａ）に、実際に製作したフェイルセイフシス
テムのカー変位特性（静的特性）を示す。初めに計画し
た通り、カー変位の曲線は、例えば特性線■、■、■の
ようにそれぞれ一定の不感帯を持った後、それ以上の力
に対して比例関係で変位が生じるという、所期の目的通
りの機能を持っていることがわかる。また、各々の動作
開始の力の設定値ｆ□ｙ　ｆ２＊　ｆ３を油圧モータ６
８の回転角でセットすることにも成功している。

動的特性としては、第２６図（ｂ）のような各項目の時
間遅れがあることが判明した。これを通常のマシニング
センタの加工の最中での動作速度と比較す九ば、トラブ
ルが起ってから５ａｍ以内の動作距離でこの系が働くよ
うになっていると言える。

なお、アクチュエータ４７の実際の設計にあたっては、
±ｌＯ■ずつの余裕を取り、動作部分が±５ｍｍで入る
ように設計しである。全体としては５　ａｎ　＋５１．
１０ａｎ＋１０ｎｏで３０ｍのストローク分が取っであ
る。

ここで、システム全体の遅れの他に、動的な特性として
このフェイルセイフシステムを付加したことに伴う全体
の剛性低下が問題となる。これを調べたところ、テーブ
ルの剛性はフェイルセイフシステムのないときは１ミク
ロンメーター１５００ニユートンであったものが、フェ
イルセイフシステムを取付けたものでは１ミクロンメー
ター／１５０ニユートンであることがねかった。これか
ら、アクチュエータと外部での接合部及びアクチュエー
タ内部の接合部での表面状態を工夫すればフェイルセイ
フシステムを採用しても殆ど剛性の低下をきたすことが
ないフェイルセイフシステムを製作可能なことが明らか
となった。これは、工作機械にとって非常に重要な事実
である。

このような特性を持ったマシニングセンタを使って実際
のワークを削った場合、横軸に時間、縦軸に力及び変位
をとると第２７図のような特性が得られた。この場合は
エンドミルで横方向に削っていったものである、ある荷
重（ｆ、＋Δｆ）になったときに、フェイルセイフシス
テムが動作し、遅れ時間Δｔ工で変位が起り始めている
ことがわかる。

ここからは時間と共に変位も力も増大しているが、時刻
Ｔ２からΔｔ、の時間遅れののち、停止信号が発生し１
時刻Ｔｓで機械が全面的に停止し、変位、力とも増加が
止まっている。設定力に達してフェイルセイフ機構が動
作を開始し、全面停止するまでに要する時間は、実際に
製作したマシニングセンタの例では、例えば１００ｍ５
であった。これにより、エンドミルは破損することなく
、次の動作に移ることができた。このことから、十分に
フェイルセイフシステムが機能していることが分かった
。

なお、上述したマシニングセンタでは設定荷重としてｌ
ｏｏｋｇｆ、　５００ｋｇｆ、　１００１００Ｏという
力を採用した。最小設定荷重を１００ｋｇｆとしたのは
、シリンダとピストンとの摺動部分にＯリングを用いて
いるため、その摩擦抵抗分だけの不感帯が生じるために
設定荷重をあまり小さくできないことによる。

次に、非常に小さな設定荷重が必要になる場合について
考える。慣性力、ヘッドの重さは通常非常に重いためこ
の分が大きく、そのためツールが細くて小さいものであ
る場合には充分な感度でフェイルセイフシステムを働か
せることができない。

このような場合には、次に示す如き小荷重用のフェイル
セイフシステムを用いるのが望ましい。

すなわち、第２８図は、図の左右方向（Ｘ方向）及び紙
面に対する垂直方向（Ｙ方向）に移動可能なフェイルセ
イフテーブル１２０と、ツール９２の上下動に対してフ
ェイルセイフ機能を持つツールホルダとしてのフェイル
セイフホルダ１２１とを備えたマシニングセンタを示し
ている。ここで、フェイルセイフテーブル１２０は、テ
ーブルに外部から作用する力を支持する力作用体として
ばねを用いており、このフェイルセイフテーブル１２０
とフェイルセイフホルダ１２１とを組み合わせることに
より、例えば５０ｋｇｆや２０ｋｇｆ、更には１　ｋｇ
ｆといった小荷重に対するフェイルセイフシステムの実
現が可能になると思われる。

上記フェイルセイフテーブル１２０の実施例を第２９図
及び第３０図に示す。第２９図の例は、固定された設定
値以上の力に対して動作するものであり。

このフェイルセイフテーブル１２０は、同図（、ａ）〜
（ｄ）に示す如くベース部１２２とサドル部１２３と作
用子としてのテーブル８１とを備え、このテーブル８１
とサドル部１２３間及びサドル部１２３とベース部１２
２間には直線ガイド１２４．１２５が設けられていてテ
ーブル８１はＸ方向及びＹ方向に移動可能である。

更に、第２９図（Ｃ）に詳示する如く、テーブル８１と
サドル部１２３間には１つのピストン及び２つのシリン
ダを有するアクチュエータ４７がそれぞれ配置されてお
り、かかるアクチュエータ４７は第７図に示したものと
基本的に同一の構造のものであってその動作原理は第２
９図（ｅ）に示すとおりである。

また、ピストンまたはシリンダが一定変位だけ移動した
ことを検出するために、マイクロスイッチまたは近接ス
イッチ１０７が取り付けられている。

このアクチュエータ４７はＸ方向またはＹ方向に沿って
テーブル８１に加わる力を圧縮ばね３０．３１により支
持するものであり、これらの圧縮ばね３０゜３１を一旦
固定した後は力の設定値すなわち±ｆ０を変えることが
出来ない構造となっている。すなわち、設定値を変えよ
うとしても外側に直線ガイド１２４．１２５があって内
側に圧縮ばね３０．３１があるので、このばね３０．３
１の位置を調整するための移動機構を内部に取付けるの
が困難になっている。

この点に鑑みて、設定値を可変としたものが第３０図の
例である。

この例は、テーブル８１、サドル部１２３．ベース部１
２４の間に直線ガイド１２４．１２５を内側に配置し、
外側に２シリンダ１ピストン構造のアクチュエータ４７
をそれぞれ図示のように４箇所に配置して構成される。

ここでばばね３０．３１を、発明者が先に出願した特願
昭６２−２０３９２９号にかかる多段の多層ばねにして
あり、圧縮側で使うものと引張側で使うものとを構造的
には同一であるが機能的に別になるように作られている
。このようにすると、ばね３０．３１のもともとの圧縮
位置を、第３０図（ｄ）に示すねじ１２６．１２７によ
って外側から変えることができるため、力の設定値を任
意に調節することが可能となる。なお、ねじ１２６．１
２７に代えてサーボモータや油圧を用いてばね３０．３
１の設定位置を変えるようにフェイルセイフコントロー
ラの中にこの機能を作り込むこともできる。

また、外部から加わる力を支持する力作用体としては、
ばねだけでなく油圧回路または空圧回路とアキュムレー
タとの組み合わせであってもよい。

第３１図はこのうち油圧回路を用いた他の実施例のアク
チュエータ４７を示しており、同図（ａ）は１ピストン
２シリンダ、同図（ｂ）は２ピストン１シリンダを有す
る構造である。なお、動作は省略するが、これらの図に
おいて１３３．１３４．１３８はシリンダ、１３５．１
３６．１３７はピストンをそれぞれ示している。

次いで、第３２図は、第２８図に示したフェイルセイフ
ホルダ１２１の実施例である。このフェイルセイフホル
ダ１２１において、上下方向に設定値以上の力が加わる
とピストン１２８が押され、ホルダ９１に対して相対的
に中に入り込む、そうすると、これらによって構成され
るアクチュエータ４７で退避動作が行なわれると同時に
、マイクロスイッチ１３０がＯＮ、ＯＦＦする。これに
より、ホルダ９１の周囲に巻かれているコイル１３１の
インダクタンスが変化し、更に外側の検出コイル１３２
からインダクタンスの変化が検出される。この信号はフ
ェイルセイフコントローラを通じてＮＧ工作機械に送ら
れ、運転停止等の処置が採られることになる。

なお、ピストン１２８の変位検出は、光電式の近接スイ
ッチやホール素子を用いた磁気スイッチであってもよい
、また、回転するホルダ９１から静止系゛への信号伝送
の方式は、上述の電磁結合によるもののほか、ＦＭ送信
によるもの、光によるもの等であってもよい。

このよ・うなフェイルセイフホルダ１２１と前記フェイ
ルセイフテーブル１２０との組み合わせを前述のマシニ
ングセンタに取付ければ、大荷重から小荷重まで広範囲
の荷重全てに対応可能なフェイルセイフシステム付きの
工作機械を実現することができるものである。

なお、以上の説明では、マシニングセンタ等の工作機械
に適用することを前提として本発明にかかるフェイルセ
イフシステムやアクチュエータ及びアキュムレータ等を
説明したが、このフェイルセイフシステムはマシニング
センタに限らず各種の工作機械に適用可能である１例え
ば、旋盤の刃物台や刃物台の送り機構にこれを取付けた
り、送り機構を持っている各種の工作機械に組み込むこ
とも可能である。更に、工作機械に限らず、生産加ニジ
ステムを構成する工作機械とロボットとの間に適用する
ことができる０例えば、ロボットのハンドの部分にこの
フェイルセイフシステムを取付けたり、逆にロボットは
従前どおりとしておいてワークを固定しているテーブル
側に取付けてもよい。

（発明の効果） 以上詳述したように本発明にかかるフェイルセイフシス
テムによれば、各種の生産加ニジステムを構成する部材
に外部から設定値以上の力が加わった場合、これを検出
して所定の退避動作をとらせることによって当該部材や
他の構成部材の破損。

前記生産加ニジステム全体の故障等を確実に防止するこ
とができる。特に、このフェイルセイフシステムを工作
機械やそのテーブル、ツールホルダ等に組み込んだ場合
には、最終的に機械の運転を停止させることによって安
全性を大幅に高めることが可能である。

更に、フェイルセイフシステムを構成するアクチュエー
タやアキュムレータの構造は極めて簡単なものであるか
ら、低コストにて提供することができると共に、このフ
ェイルセイフシステムを既存の工作機械等、各種の機械
や設備に組み込むことも容易であって汎用性に優れてい
る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかがるフェイルセイフシステムのカー
変位特性図、第２図はフェイルセイフシステムの第１実
施例の構成図、第３図はその動作説明図、第４図は第２
実施例の構成図、第５図は第３実施例の構成図、第６図
はその動作説明図、第７図、第８図、第９図は第４実施
例、第５実施例、第６実施例の構成図、第１０図は第７
実施例の構成図、第１１図は第７実施例におけるアキュ
ムレータの他の構成例を示す図、第１２図は第７実施例
の動作説明図、第１３図は同じくアキュムレータの構成
図、第１４図はその変形例の説明図、第１５図は第８実
施例の構成図、第１６図はそのカー変位特性図、第１７
図は第９実施例の構成図、第１８図は力作用体に電磁石
を含む実施例の構成図、第１９図はフェイルセイフシス
テムを工作機械のテーブルに適用した場合の構成図、第
２０図はフェイルセイフシステムをＮＧ工作機械に適用
した場合のシステム全体の構成図、第２１図は本発明に
かかる工作機械（マシニングセンタ）の一実施例を示す
構成図、第２２図はそのアクチュエータの構成図、第２
３図はフェイルセイフ動作開始信号を得るための構成を
示す図、第２４図は油圧によるアクチュエータの一実施
例を示す構成図、第２５図は同じくアキュムレータの一
実施例を示す構成図、第２６図は試作したフェイルセイ
フシステムのカー変位特性及び動特性図、第２７図は同
じくエンドミルにおける力及び変位の動特性図、第２８
図は小荷重用フェイルセイフシステムの適用例を示す図
、第２９図及び第３０図はフェイルセイフテーブルの実
施例を示す構成図、第３１図は同じく他の実施例を法す
構成図、第３２図はフェイルセイフホルダの実施例を示
す構成図、第３３図は物を加工する場合の力の方向と正
逆の向きを説明する図、第３４図、第３６図は従来例を
示す構成図、第３５図はそのカー変位特性図、第３７図
、第３８図は他の従来例を示す構成図である。 １．１３，１４，２４，２５，３７，４０，４９，５６
，７８，７９，９８，９９，１０３゜１０４．１３３，
１３４，１３８　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・シリンダ５．６．２１，３２，５１，５２，５７，
８０，９７，１０２，１３５，１３６，１３７・・・・
・・・・・・・・・・・・・・ピストン９、ｔｏ、１１
，１２，１９，２０，３０，３１，３５，３６，４３，
４４．６０・・・・・・・・・・・・・・・・・・ばね
４７・・・・・・アクチュエータ ４８・・・・・・アキュムレータ　　　　　６２・・・
・・・油１２０・・・・・・フェイルセイフテーブル１
２１・・・・・・フェイルセイフホルダ１５１．１５２
・・・・・・電磁石

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）移動する作用子から設定値以上の力が加わった際
   に前記力の方向に沿って移動する移動子と、この移動子
   の初期位置を設定するストッパーと、前記移動子を支持
   して予め設定された一定の力を前記移動子に作用させる
   力作用体とを備え、前記移動子が一定の変位だけ移動し
   たことを検出して前記作用子の移動を停止させることを
   特徴とするフェイルセイフシステム。 （２）作用子から移動子に加わる力が正逆両方向である
   請求項（１）記載のフェイルセイフシステム。 （３）力作用体がばねである請求項（１）または（２）
   記載のフェイルセイフシステム。（４）力作用体が、移
   動子の移動によって発生する力を伝達する液体と、この
   液体を介して伝達された力によるエネルギーを蓄積する
   アキュムレータとからなる請求項（１）または（２）記
   載のフェイルセイフシステム。 （５）液体が油である請求項（４）記載のフェイルセイ
   フシステム。 （６）力作用体が、移動子の移動によって発生する力を
   伝達する気体と、この気体を介して伝達された力による
   エネルギーを蓄積するアキュムレータとからなる請求項
   （１）または（２）記載のフェイルセイフシステム。 （７）気体が空気である請求項（６）記載のフェイルセ
   イフシステム。 （８）力作用体が、移動子を磁気的に吸引する磁石と弾
   性体とからなる請求項（１）または（２）記載のフェイ
   ルセイフシステム。 （９）力作用体が、磁石のみからなる請求項（１）また
   は（２）記載のフェイルセイフシステム。 （１０）作用子から加わる力により移動子が移動する際
   の力の設定値を可変とした請求項（１）、（２）、（３
   ）、（４）、（５）、（６）、（７）、（８）または（
   ９）記載のフェイルセイフシステム。 （１１）移動する作用子から設定値以上の力が加わった
   際に前記力の方向に沿って移動する移動子と、この移動
   子の初期位置を設定するストッパーとを少なくとも備え
   、前記移動子を力作用体により支持して予め設定された
   一定の力を前記移動子に作用させることを特徴とするア
   クチュエータ。 （１２）作用子から移動子に加わる力が正逆両方向であ
   る請求項（１１）記載のアクチュエータ。 （１３）力作用体がばねである請求項（１１）または（
   １２）記載のアクチュエータ。 （１４）力作用体が、移動子の移動によって発生する力
   を伝達する液体と、この液体を介して伝達された力によ
   るエネルギーを蓄積するアキュムレータとからなる請求
   項（１１）または（１２）記載のアクチュエータ。 （１５）液体が油である請求項（１４）記載のアクチュ
   エータ。 （１６）力作用体が、移動子の移動によって発生する力
   を伝達する気体と、この気体を介して伝達された力によ
   るエネルギーを蓄積するアキュムレータとからなる請求
   項（１１）または（１２）記載のアクチュエータ。 （１７）気体が空気である請求項（１６）記載のアクチ
   ュエータ。 （１８）作用子から加わる力により移動子が移動する際
   の力の設定値を可変とした請求項（１１）、（１２）、
   （１３）、（１４）、（１５）、（１６）または（１７
   ）記載のアクチュエータ。 （１９）移動する作用子から設定値以上の力が加わった
   際に前記力の方向に沿って移動する移動子とこの移動子
   の初期位置を設定するストッパーとを少なくとも備え、
   前記移動子を力作用体としての液圧回路または気圧回路
   により支持して予め設定された一定の力を前記移動子に
   作用させてなるアクチュエータに連結され、 前記液圧回路または気圧回路を介して伝達された力によ
   るエネルギーを弾性体に蓄積することを特徴とするアキ
   ュムレータ。 （２０）液圧回路が油圧回路である請求項（１９）記載
   のアキュムレータ。 （２１）気圧回路が空気圧回路である請求項（１９）記
   載のアキュムレータ。 （２２）弾性体により、液圧回路または気圧回路を介し
   て移動子に加わる力を可変とした請求項（１９）、（２
   ０）または（２１）記載のアキュムレータ。 （２３）弾性体がばねである請求項（１９）、（２０）
   、（２１）または（２２）記載のアキュムレータ。 （２４）運転時に、移動する作用子から設定値以上の力
   が加わった際に前記力の方向に沿って移動する移動子と
   、この移動子の初期位置を設定するストッパーとを少な
   くとも備え、かつ前記移動子を力作用体としての液圧回
   路または気圧回路により支持して予め設定された一定の
   力を前記移動子に作用させるアクチュエータと、 前記液圧回路または気圧回路を介して伝達された力によ
   るエネルギーを弾性体に蓄積するアキュムレータとを備
   え、 前記移動子が一定の変位だけ移動したことを検出して自
   己の運転を停止することを特徴とする工作機械。 （２５）作用子から加わる力により移動子が移動する際
   の力の設定値を、ツールの種類及び／または加工の種類
   に応じて可変とした請求項（２４）記載の工作機械。 （２６）移動するテーブルから設定値以上の力が加わっ
   た際に前記力の方向に沿って移動する移動子と、この移
   動子の初期位置を設定するストッパーとを少なくとも備
   え、前記移動子を力作用体により支持して予め設定され
   た一定の力を前記移動子に作用させると共に、前記移動
   子が一定の変位だけ移動したことを検出してテーブルの
   移動を停止させることを特徴とするフェイルセイフテー
   ブル。 （２７）テーブルから移動子に加わる力が正逆両方向で
   ある請求項（２６）記載のフェイルセイフテーブル。 （２８）力作用体がばねである請求項（２６）または（
   ２７）記載のフェイルセイフテーブル。 （２９）力作用体が、移動子の移動によって発生する力
   を伝達する液体と、この液体を介して伝達された力によ
   るエネルギーを蓄積するアキュムレータとからなる請求
   項（２６）または（２７）記載のフェイルセイフテーブ
   ル。 （３０）液体が油である請求項（２９）記載のフェイル
   セイフテーブル。 （３１）力作用体が、移動子の移動によって発生する力
   を伝達する気体と、この気体を介して伝達された力によ
   るエネルギーを蓄積するアキュムレータとからなる請求
   項（２６）または（２７）記載のフェイルセイフテーブ
   ル。 （３２）気体が空気である請求項（３１）記載のフェイ
   ルセイフテーブル。 （３３）テーブルから加わる力により移動子が移動する
   際の力の設定値を可変とした請求項（２６）、（２７）
   、（２８）、（２９）、（３０）、（３１）または（３
   ２）記載のフェイルセイフテーブル。 （３４）移動するツールから設定値以上の力が加わった
   際に前記力の方向に沿って移動する、移動子と、この移
   動子の初期位置を設定するストッパーと、前記移動子を
   支持して予め設定された一定の力を前記移動子に作用さ
   せる力作用体とを備え、前記移動子が一定の変位だけ移
   動したことを検出して前記ツールの移動を停止させるこ
   とを特徴とするフェイルセイフホルダ。