包装機械用遊星歯車減速機 —
VFFS、HFFS、およびロータリー式充填駆動装置の選択

韓国の包装機械メーカーは、食品、医薬品、化粧品、電子機器業界に製品を供給している。各業界はそれぞれ異なる精度要件を持つが、共通の運用上の現実がある。包装ラインは3交代制で連続稼働し、サイクルレートは機械のすべてのサーボ軸で年間数百万回の方向転換を必要とする。

パッケージングの推進を困難にする要求の組み合わせは、単一の要件だけではなく、以下の5つすべてが同時に存在することである。

縦型自動包装機（VFFS）のクロスシールジョーは、韓国の食品包装において最もサイクル数の多いサーボ軸です。2つのジョーブロックが互いに締め付け合い、フィルムチューブを横切るようにヒートシールを形成し、シール時間保持した後、後退して袋1枚分の長さだけ次のシール位置まで進みます。ジョーの1サイクルは、駆動ギアボックスの1回転に相当します。

ギアボックスのバックラッシュと機械の最大処理能力との直接的な関係は、韓国の包装機械設計文書において最も議論されていない制約の一つです。そのメカニズムは単純明快です。ジョーサーボの指令が後退から前進に反転する際、モーターはジョーのクランプ力を発生させる前に、まずギアボックスのバックラッシュ角度分だけ回転する必要があります。この角度クリアランスの移動（ギアボックスのグレードとモーター速度によって通常2～8ミリ秒かかります）の間、ジョーはシール力を発生しません。これは、シール保持時間から直接差し引かれるデッドタイムです。

CPM目標値が高くなると、袋あたりの総サイクル時間が減少し、シール保持時間もそれに比例して縮小します。バックラッシュによるデッドタイムが縮小した保持時間の大部分を占めるようになると、シール品質が低下します。フィルムが必要なシール圧力で十分に保持されないため、シール不良、剥離、漏れ不良などの問題が生じます。

シールバンド幅 → 必要バックラッシュ等級

横型成形充填シール機（HFFS）は、フローパックのスナックバー、ビスケットパック、冷凍食品などに使用され、リールからフィルムを水平成形ショルダーに沿って引き出し、長さに合わせてインデックスし、切断し、両端をシールします。サイクルごとに方向が反転する縦型成形充填シール機（VFFS）のジョー軸とは異なり、HFFSのフィルム引き込み軸は主に一方向に動作し、各インデックスで急速な加速と減速は発生しますが、連続的な方向転換はありません。

したがって、HFFSフィルムプル軸のギアボックス選定における主要な基準はバックラッシュグレードではなく、 慣性比フィルムリールは、非常に変動の大きい慣性負荷を生じます。直径600mm、重量25kgのフィルムが満載されたリールの回転慣性は約1.125kg・m²ですが、ほぼ空の状態の同じリール（直径100mm、重量2kg）ではわずか0.005kg・m²となり、慣性比は225:1にもなります。サーボ制御システムは、リールの寿命全体にわたって、再調整を必要とせずにこの変動を追跡する必要があります。

ギアボックスの出力軸では、リールの慣性はギア比の二乗に比例して反映されます。J_reflected = J_reel / i²。i=25のギアボックスでは、リール全体の反射慣性が1.125 kg·m²から0.0018 kg·m²に低減されます。これは2,800:1の低減であり、負荷慣性がモーターローター慣性よりもはるかに小さくなり、リールの消耗による変動からサーボチューニングの不安定性が解消されます。この軸のバックラッシュ等級はP1またはP2です。フィルムインデックスの形成精度は、エンコーダの分解能とサーボ制御帯域幅に依存し、一方向駆動ではギアボックスの歯のクリアランスには依存しません。

の EP-AF高剛性シリーズ HFFSフィルムプルドライブでは、リールダンサーアームがギアボックス出力軸にラジアル荷重をかけるため、EP-AFが一般的に採用されています。ダンサー機構からのベルト張力がラジアル力として作用します。EP-AFの出力軸は拡大されており（軸の曲げ剛性は直径に比例⁴）、定格ラジアル荷重時でも軸のたわみを0.01mm以内に抑え、プルニップポイントでの軸振れによるフィルム張力の変動を防ぎます。

韓国の飲料、ソース、医薬品の充填ラインでは、回転式カルーセルマシンが使用されています。このマシンでは、円形テーブルにN個の充填ヘッド（通常N=8、12、16、24、または32個）が搭載されており、各容器を充填ノズル、キャップアプリケーター、ラベルアプリケーターに順番に位置合わせするために、一度に1つのステーションがインデックスされます。各インデックスは正確に360°/Nであり、インデックス位置誤差によって、容器の口が充填ノズルと許容範囲内で位置合わせされ、こぼれずにきれいに充填できるかどうかが決まります。

ここでのインデックス駆動ギアボックスの仕様は、幾何公差から直接導き出されます。容器のネック半径が 150 mm の 24 ヘッドカルーセルでは、3 分角の位置決め誤差により、ノズルの横方向のずれが 0.044 mm になります。これは、ネック開口部が 20 mm の場合に許容範囲内であり、充填液のこぼれは発生しません。5 分角の誤差では 0.073 mm になりますが、これはほとんどの液体充填の許容範囲内です。P1 は通常、韓国の標準的な飲料充填カルーセルの正しい仕様です。P0 は、容器のネック開口部が 8 mm と小さく、アライメント公差がより厳しい医薬品充填用に予約されています。

ロータリーカルーセルドライブの仕様に関する 2 番目の課題は、ギア比です。1,500 rpm のサーボモーターで駆動される 24 ヘッドカルーセルで、正確に 62.5 rpm の出力が必要な場合 (1 CPM で 24 × 62.5 = 1,500 インデックス位置/分)、必要なギア比は 1,500/62.5 = 24:1 です。標準の EP-AB シリーズでは、最も近いギア比として i=25 が提供されていますが、1,500/25 = 60 rpm となり、1,500 ではなく 24 × 60 = 1,440 インデックス/分となります。24 ヘッドカルーセルでは、この差は無視できます。16 ヘッドカルーセルで正確な 16:1 または 32:1 のギア比が必要な場合、 EP-AD そして EP-ADS シリーズ（i=16、21、31、61、91）は、可変周波数駆動なしで正確な一致を実現します。

韓国の医薬品・化粧品包装では、折り畳み式カートンマシンが使用されています。これは、あらかじめ印刷された平らなブランクを折り畳んで箱にし、製品を挿入し、端のフラップを折り込んで折り込み、カートンを閉じる自動カートンマシンで、毎分150～400個の速度で処理できます。各折り畳みアームと折り込みプレートのサーボ軸は、カートンサイクルごとに完全な反転動作を実行するため、このカートンマシンは、包装駆動アプリケーションの中でも最も高い反転頻度を持つものの1つとなっています。

折り曲げ精度の要件は、カートン印刷のレジストレーションによって決まります。折り目は、折り目線から±0.3～0.5 mmの範囲内で発生し、折り曲げられた端と印刷されたデザインとの間に目に見えるずれが生じないようにする必要があります。一般的な折り曲げアームの半径が30～50 mmの場合、これは必要なバックラッシュに相当します。

カートニングマシンの折り曲げアームの真の制約はバックラッシュ精度ではなく、 本体直径と軸方向深さカートニングマシンのフレーム幅は、ライン統合のための最小寸法で設計されています。ギアボックスは、折り畳みアーム取り付け部に隣接する機械的リンクスペース内に収まる必要があります。 EP-ADSコンパクト丸フランジシリーズ 標準のEP-ADに比べて本体長を短くすることで、この問題を解決しています。これにより、機械フレームへの軸方向の突出量を減らしつつ、P1仕様と同等の精度を維持しています。また、丸型フランジは、穴に取り付けるタイプの折り曲げアームアセンブリにも適しています。

輸出市場向けに医薬品カートンを供給する韓国のメーカー（GS1バーコード登録やEU指令に基づく折り畳み精度仕様がより厳しい）では、生産ラインの認定試験中に精度マージンを大きくするために、メイン折り畳みアーム軸にP0グレードが指定されることがあります。ラインが認定されると、ギアボックスのP0グレードは、通常の生産公差の累積を吸収する余裕を提供し、認定不合格となることはありません。

韓国の電子機器パッケージング（ICトレイスタッキング、PCBパネルインデクサー、チップテーピングマシンなど）は、ISOクラス6のクリーンルームから開放型の生産現場まで、さまざまな環境で稼働していますが、常に厳格な粒子発生制限が設けられています。ギアボックスからグリース粒子や金属摩耗粉が機械環境に放出され、製品を汚染することは、生産品質の欠陥となります。

電子機器のパッケージングでは、パッケージング業界の中でも最も厳しい位置決め公差が求められます。ICトレイのポケット位置は±0.1mm、PCBの基準位置合わせは±0.05mm、テープアンドリール部品の配置はポケットの中心位置が±0.02mmと規定されています。一般的な60mmの駆動半径では、±0.02mmの精度を実現するには1.1分角以下のバックラッシュが必要となりますが、生産中の全ユニットでこれを確実に達成できるのはP0（1分角以下）のみです。

の EP-AFH超精密シリーズ EP-AFHは、韓国の電子機器パッケージング向け高精度インデックスドライブの標準仕様です。EP-AFHユニットはすべて、標準仕様として1分角以下の精度で出荷されます。Pグレードの選択や上位グレードのオプションは不要です。密閉型グリース構造により、グリースがハウジング外に漏れるのを防ぎ、ハウジング表面処理は、韓国の電子機器組立環境で使用されるIPA（イソプロピルアルコール）やESD対応洗浄剤に耐性があります。

韓国の包装機械メーカーは、食品および日用消費財の包装ラインの標準稼働サイクルとして、3交代制の連続運転を指定しています。これは1日あたり21時間、年間330営業日で、年間合計約6,930時間となります。10年間の機械寿命において、クロスシールジョーギアボックスは、熱負荷、機械的負荷、および逆転負荷を合わせた合計で約70,000時間の稼働時間を蓄積します。

連続高サイクル運転時、ギアボックスの作動温度は、発生する熱（摩擦損失）と放散される熱（ハウジング表面からの放射および対流）のバランスによって決まる定常値に安定します。定格トルク70%で運転される適切なサイズの韓国エバーパワーEP-ABギアボックスの場合、定常状態のハウジング温度は通常、周囲温度より20～35℃高くなります。韓国の工場における周囲温度30℃では、ハウジング温度は50～65℃に達します。

EP-AB規格グリースは、+90℃までの動作温度に対応しており、通常運転時の定常温度より25～40℃高い温度マージンを確保しています。このマージンにより、夏季の気温上昇、瞬間的な過負荷サイクル、グリースの経年劣化に伴う粘度-温度特性の変化によるわずかな温度上昇に対応できます。グリースは密閉構造のため、定期的な潤滑は不要です。工場出荷時の充填量は、通常条件下でのギアボックスの耐用年数全体にわたって持続するように設計されています。

Q
VFFSクロスシールジョーギアボックスは、1年間に何回の回転方向反転を繰り返すのか、また、これは交換計画にどのような影響を与えるのか？

80 袋/分で、袋サイクルごとに 2 回のジョー反転を行う韓国の 3 シフト VFFS ラインでは、ジョー駆動ギアボックスで年間約 6,650 万回の反転が発生します。韓国 Ever-Power EP-AB の設計寿命は 20,000 稼働時間です。3 シフトで年間 6,930 稼働すると、これは約 2.9 年の使用寿命になります。韓国の包装機械 OEM は通常、ジョー軸ギアボックスの交換を 3 年間隔で計画し、年間のライン停止期間中にスケジュールします。バックラッシュを毎年測定する (バックラッシュ ガイドのプロトコルに従って) ことで、実際の摩耗率を確認し、バックラッシュの増加によってシール品質が低下する前に交換スケジュールを立てることができます。これにより、事後対応ではなく予測的なメンテナンス アプローチが可能になります。

Q
私のVFFS機は、長時間の生産運転の終盤でシール位置のずれが大きくなる傾向が見られますが、起動時にはずれは見られません。考えられる原因は何でしょうか？

運転終了時にシール位置のずれが発生し、それが起動時には現れない場合、それは典型的な熱膨張の兆候であり、バックラッシュの問題ではありません。運転開始後30～60分の間にギアボックス、取り付け構造、サーボモーターが温まると、ギアボックスハウジング（鋼鉄/アルミニウム）と機械フレーム間の熱膨張差により、位置が徐々にずれます。このずれは一定で予測可能であり、ギアボックスの摩耗とは無関係です。解決策は、機械制御におけるウォームアップ補正サイクルです。運転開始後45分経過すると、機械コント​​ローラは測定された熱ドリフト値に基づいてジョー位置の設定値をオフセットします。これはサーボソフトウェアの補正であり、ギアボックスの仕様の問題ではありません。ドリフトが運転ごとに異なる場合（大きい場合と小さい場合）、それは熱膨張ではなくバックラッシュの増大を示しており、納品証明書の基準値に対するバックラッシュ測定が必要です。

Q
包装機械のカム駆動装置で、CVシャフトを使用してギアボックスの出力軸をオフセットカム位置に接続することは可能ですか？

はい。韓国製のVFFSおよびHFFS機械の設計では、ギアボックスの出力軸が、ギアボックスの中心線からずれた位置にあるカム機構を駆動する必要がある場合があります。例えば、スペースの制約により、サーボモーターとギアボックスをカムと同軸上に配置できない場合などです。 精密CVドライブシャフト ギアボックスの出力トルクを角度オフセットを介してカム入力軸に伝達することで、ギアボックスの出力ベアリングに余分なバックラッシュ、速度の不規則性、またはミスアライメントによるベアリング負荷を発生させることなく、ギアボックスの出力ベアリングにトルクを伝達します。これは、年間4300万～2億5000万サイクルという高サイクル数のパッケージングカム駆動において、カップリングの疲労寿命が懸念されるような場合、フレキシブルカップリングよりも好ましいソリューションです。

Q
韓国のスナック菓子包装機を24時間365日稼働させ、4時間ごとにフィルムを交換する場合、エバーパワー社はどのような包装機を推奨していますか？

フィルム交換が頻繁な24時間365日稼働の韓国スナック菓子用VFFSラインの場合、クロスシールジョー軸にはEP-AB P1（標準食品包装仕様）、フィルム引き込み軸にはEP-AF P1またはP2（慣性比が重要なパラメータです。最も重いリールでJ_ratio ≤ 5:1であることを確認してください）、機内搬送コンベアにはEP-Economic Line PA IIを指定してください。フィルム交換自体はギアボックスの仕様を変更しません。リール交換によって10:1の慣性変動が生じますが、i=25の2段比は反射慣性低減によってこれを吸収します。24時間365日稼働（年間8,760時間）の場合、標準よりも高い稼働サイクルを考慮して、ジョー軸の交換時期を3年ではなく2.3年と計画してください。Korea Ever-Powerは、ご要望に応じて24時間365日稼働の包装ライン用の韓国語のメンテナンススケジュールテンプレートを提供しています。