포장기계용 유성 기어박스 —
VFFS, HFFS 및 회전식 충전 구동 장치 선택

한국의 포장기계 제조업체들은 식품, 제약, 화장품, 전자 산업에 제품을 공급하고 있습니다. 각 산업 분야는 서로 다른 정밀도 요구 사항을 갖고 있지만, 공통적인 운영 현실을 공유합니다. 바로 포장 라인이 3교대로 쉴 새 없이 가동되며, 기계의 모든 서보 축이 연간 수백만 번의 방향 전환을 해야 하는 높은 가동률을 보인다는 점입니다.

패키징 드라이브를 어렵게 만드는 요구 사항의 조합은 어느 한 가지 요구 사항만으로는 설명할 수 없으며, 다음 다섯 가지 요구 사항이 모두 동시에 작용해야 합니다.

수직형 포장기(VFFS)의 크로스 실링 조는 한국 식품 포장에서 가장 높은 사이클 수를 자랑하는 서보 축입니다. 두 개의 조 블록이 서로 맞물려 필름 튜브를 가로지르는 열 밀봉을 형성하고, 밀봉 시간 동안 유지한 후 후퇴하여 한 봉지 길이만큼 전진하여 다음 밀봉 위치로 이동합니다. 조의 각 완전한 사이클은 구동 기어박스의 완전한 방향 전환 한 번에 해당합니다.

기어박스 백래시와 최대 기계 처리량 사이의 직접적인 관계는 한국 포장 기계 설계 문서에서 가장 논의가 부족한 제약 조건 중 하나입니다. 메커니즘은 간단합니다. 조 서보 명령이 후퇴에서 전진으로 반전될 때, 모터는 조 클램핑력을 발생시키기 전에 먼저 기어박스 백래시 각도만큼 회전해야 합니다. 이 각도 간극 이동 동안(기어박스 등급 및 모터 속도에 따라 일반적으로 2~8밀리초 소요) 조는 밀봉력을 발생시키지 않습니다. 이 데드 타임은 사용 가능한 밀봉 유지 시간에서 직접 차감됩니다.

CPM 목표치가 높아질수록 백당 사용 가능한 총 사이클 시간이 줄어들고 밀봉 유지 시간 범위도 비례적으로 축소됩니다. 백래시 데드 타임이 축소된 유지 시간 범위에서 더 큰 부분을 차지하게 되면 밀봉 품질이 저하됩니다. 필름이 필요한 밀봉 압력에서 충분한 유지 시간을 확보하지 못하여 밀봉 불량, 박리 및 누출 불량품이 발생합니다.

씰 밴드 폭 → 필요한 백래시 등급

플로우팩 스낵바, 비스킷 팩, 냉동식품 등에 사용되는 수평형 포장-충전-밀봉(HFFS) 기계는 필름 롤에서 필름을 수평 성형 숄더를 따라 당겨 원하는 길이로 조정한 후 절단하고 끝부분을 밀봉합니다. 매 사이클마다 방향이 바뀌는 수직형 포장(VFFS)의 조 축과는 달리, HFFS의 필름 당김 축은 주로 한 방향으로 회전하며, 각 조정 지점에서 급격한 가속 및 감속이 발생하지만 연속적인 방향 전환은 없습니다.

따라서 HFFS 필름 인출축에 대한 주요 기어박스 선택 기준은 백래시 등급이 아니라 관성비필름 릴은 관성 부하가 매우 가변적입니다. 직경 600mm, 무게 25kg의 필름이 가득 찬 릴은 회전 관성이 약 1.125kg·m²인 반면, 필름이 거의 없는 상태(직경 100mm, 무게 2kg)의 동일한 릴은 0.005kg·m²에 불과합니다. 즉, 관성 부하가 225:1로 크게 차이가 납니다. 서보 제어 시스템은 재조정 없이 릴 수명 전체에 걸쳐 이러한 변화를 추적해야 합니다.

기어박스 출력축에서 릴 관성은 기어비의 제곱에 비례하여 반영됩니다. 즉, J_reflected = J_reel / i²입니다. i=25 기어박스는 릴 전체에 대한 반영 관성을 1.125 kg·m²에서 0.0018 kg·m²로 감소시킵니다. 이는 2,800:1의 감속비로, 부하 관성을 모터 회전자 관성보다 훨씬 낮추고 릴 소모량 변화로 인한 서보 튜닝 불안정성을 제거합니다. 이 축의 백래시 등급은 P1 또는 P2일 수 있습니다. 단방향 구동에서 필름 인덱스의 형성 정확도는 기어박스 치간 간극이 아닌 엔코더 해상도와 서보 제어 대역폭에 따라 달라집니다.

그만큼 EP-AF 고강성 시리즈 EP-AF는 릴 댄서 암이 기어박스 출력축에 방사형 하중을 가하는 HFFS 필름 인출 구동 장치에 일반적으로 사용됩니다. 댄서 메커니즘의 벨트 장력이 방사형 힘으로 작용합니다. EP-AF의 확장된 출력축(축 굽힘 강성이 직경에 비례함⁴)은 정격 방사형 하중에서 축 처짐을 0.01mm 이내로 유지하여 인출 지점에서의 축 흔들림으로 인한 필름 장력 변화를 방지합니다.

한국의 음료, 소스, 의약품 충전 라인에서는 회전식 캐러셀 기계를 사용하는데, 이 기계의 원형 테이블에는 N개의 충전 헤드(일반적으로 N = 8, 12, 16, 24 또는 32개)가 장착되어 있으며, 각 헤드는 한 번에 한 스테이션씩 이동하여 각 용기를 충전 노즐, 캡 부착기, 라벨 부착기와 순서대로 정렬합니다. 각 이동은 정확히 360°/N이며, 이동 위치 오차는 용기 입구가 충전 노즐과 허용 오차 범위 내에서 정렬되어 내용물이 새지 않고 깨끗하게 충전되는지 여부를 결정합니다.

여기서 인덱싱 구동 기어박스 사양은 기하 공차에서 직접적으로 도출됩니다. 용기 목 반경이 150mm인 24헤드 캐러셀의 경우, 3 arcmin의 위치 오차는 0.044mm의 측면 노즐 정렬 불량을 발생시키는데, 이는 용기 목 개구부가 20mm인 경우 허용 가능한 수준이며 내용물 누출이 발생하지 않습니다. 5 arcmin의 오차는 0.073mm의 정렬 불량을 발생시키지만, 대부분의 액체 충전에는 여전히 허용 오차 범위 내에 있습니다. P1은 일반적으로 한국의 표준 음료 충전 캐러셀에 적합한 사양이며, P0은 용기 목 개구부가 8mm 정도로 작고 정렬 공차가 더 엄격한 제약 충전에 사용됩니다.

회전식 캐러셀 드라이브의 두 번째 사양 문제는 기어비입니다. 1,500rpm 서보 모터로 구동되는 24헤드 캐러셀에서 정확히 62.5rpm의 출력(분당 1CPM에서 24 × 62.5 = 1,500 인덱스 위치)을 얻으려면 필요한 기어비는 1,500/62.5 = 24:1입니다. 표준 EP-AB 시리즈는 가장 근접한 기어비로 i=25를 제공하지만, 1,500/25 = 60rpm이 되어 1,500이 아닌 24 × 60 = 1,440 인덱스/분을 생성합니다. 24헤드 캐러셀의 경우 이 차이는 무시할 수 있습니다. 하지만 정확히 16:1 또는 32:1의 기어비가 필요한 16헤드 캐러셀의 경우, 비표준 기어비만 사용 가능합니다. EP-AD 그리고 EP-ADS 시리즈(i=16, 21, 31, 61, 91)는 가변 주파수 드라이브 없이도 정확한 일치를 제공합니다.

한국의 제약 및 화장품 포장에는 접이식 상자 제조기가 사용됩니다. 이 자동 상자 제조기는 미리 인쇄된 평면 상자를 접어서 상자에 넣고, 제품을 삽입한 후, 끝부분을 접어 넣고 상자를 닫는 작업을 분당 150~400개의 상자를 생산합니다. 각 접이식 암과 터커 플레이트의 서보 축은 매 상자 제조 주기마다 완전한 방향 전환을 수행하므로, 접이식 상자 제조기는 포장 구동 장치 중에서도 방향 전환 빈도가 가장 높은 장비 중 하나입니다.

접지 정확도 요구 사항은 카톤 인쇄 정렬에 따라 결정됩니다. 접지면과 인쇄된 디자인 사이의 눈에 띄는 어긋남을 방지하려면 접지선이 접힘선에서 ±0.3~0.5mm 이내에 있어야 합니다. 일반적인 접지 암 반경이 30~50mm인 경우, 필요한 백래시는 다음과 같습니다.

카토닝 기계 접지 암의 진정한 제약 조건은 백래시 정밀도가 아니라 본체 직경 및 축 방향 깊이카토닝 기계 프레임의 폭은 라인 통합을 위한 최소 치수로 설계되었으며, 기어박스는 접이식 암 장착부 옆의 기계적 연결 공간 내에 맞아야 합니다. EP-ADS 컴팩트 원형 플랜지 시리즈 이 제품은 표준 EP-AD에 비해 본체 길이가 짧아 기계 프레임으로의 축 방향 돌출부를 줄이면서도 P1 사양의 정밀도를 유지함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 또한 원형 플랜지는 보어 장착형 접이식 암 어셈블리에 적합합니다.

수출 시장(GS1 바코드 등록 및 EU 지침의 접지 정확도 규격이 더욱 엄격한 시장)에 제품을 공급하는 한국 제약 카토너의 경우, 생산 라인 적격성 평가 시험 중 더 큰 정확도 여유를 확보하기 위해 메인 접지축에 P0 등급 기어박스를 사용하는 경우가 있습니다. 라인이 인증을 받으면, P0 등급 기어박스는 일반적인 생산 과정에서 발생하는 오차 누적을 흡수하여 적격성 평가 불합격을 방지하는 충분한 여유를 제공합니다.

한국의 전자제품 포장 산업, 즉 IC 트레이 적재기, PCB 패널 인덱서, 칩 테이핑 기계 등은 ISO 6급 클린룸부터 개방형 생산 현장에 이르기까지 다양한 환경에서 운영되지만, 항상 엄격한 입자 발생 제한을 준수해야 합니다. 기어박스에서 그리스 입자나 금속 마모 파편이 기계 내부로 방출되어 제품을 오염시키는 것은 생산 품질 저하로 이어집니다.

전자 패키징은 패키징 업계에서 가장 엄격한 위치 공차를 요구합니다. IC 트레이 포켓 위치는 ±0.1mm, PCB 기준점 정렬은 ±0.05mm, 테이프 앤 릴 부품 배치에는 ±0.02mm의 포켓 중심 정밀도가 요구됩니다. 일반적인 60mm 구동 반경에서 ±0.02mm의 정밀도를 달성하려면 백래시가 1.1 arcmin 미만이어야 하는데, P0 등급(≤1 arcmin)만이 생산 중인 모든 제품에서 이를 안정적으로 충족합니다.

그만큼 EP-AFH 초정밀 시리즈 EP-AFH는 한국 전자제품 패키징 정밀 인덱스 드라이브의 표준 사양입니다. 모든 EP-AFH 유닛은 ≤1 arcmin의 정밀도를 기본 사양으로 제공하며, P 등급 선택이나 상위 등급 옵션 없이 바로 사용 가능합니다. 밀폐형 그리스 구조로 그리스 누출을 방지하고, 하우징 표면 처리로 한국 전자제품 조립 환경에서 사용되는 IPA(이소프로필 알코올) 및 ESD 안전 세척제에 대한 내성을 갖습니다.

한국의 포장기계 제조업체들은 식품 및 소비재 포장 라인의 표준 작업 사이클로 3교대 연속 운전을 명시하고 있습니다. 이는 하루 21시간, 연간 330일, 총 약 6,930시간에 해당합니다. 10년의 기계 수명 주기 동안 크로스씰 조 기어박스는 열, 기계적, 역방향 부하를 합쳐 거의 7만 시간에 달하는 작동 시간을 누적하게 됩니다.

고회전 연속 운전 시, 변속기 작동 온도는 발생 열(마찰 손실)과 방출 열(하우징 표면 복사 및 대류) 간의 균형에 의해 결정되는 정상 상태 값으로 안정화됩니다. 정격 토크 70%로 작동하는 적절한 크기의 한국산 Ever-Power EP-AB 변속기의 경우, 정상 상태 하우징 온도는 일반적으로 주변 온도보다 20~35°C 높습니다. 한국 공장의 주변 온도가 30°C일 때, 하우징 온도는 50~65°C에 도달합니다.

EP-AB 표준 그리스 규격은 작동 온도 +90°C까지 견딜 수 있도록 설계되어 정상 작동 시 정상 상태 온도보다 25~40°C 높은 여유를 제공합니다. 이 여유는 여름철 주변 온도 급상승, 순간적인 과부하 작동, 그리고 그리스의 노화 및 점도-온도 특성 변화로 인한 완만한 온도 상승을 고려한 것입니다. 밀봉형 그리스 구조 덕분에 주기적인 윤활이 필요 없으며, 공장에서 주입된 그리스는 정상적인 조건에서 변속기의 전체 수명 동안 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

큐
VFFS 크로스씰 조 기어박스는 연간 몇 번의 방향 전환이 발생하며, 이는 교체 일정에 어떤 의미를 갖는가?

분당 80백, 백 사이클당 2회의 턱 반전이 발생하는 한국의 3교대 VFFS(가변 포장 시스템) 라인은 턱 구동 기어박스에 연간 약 6,650만 회의 반전을 발생시킵니다. 한국 Ever-Power EP-AB의 설계 수명은 20,000시간이며, 3교대 근무 시 연간 6,930시간 가동한다고 가정하면 약 2.9년의 사용 수명에 해당합니다. 한국의 포장 기계 제조업체들은 일반적으로 턱 축 기어박스를 3년 간격으로 교체하며, 이는 연간 생산 라인 가동 중단 기간에 맞춰 진행됩니다. (당사의 백래시 가이드에 명시된 프로토콜에 따라) 매년 백래시를 측정하면 실제 마모율을 확인하고 백래시 증가로 인해 밀봉 품질이 저하되기 전에 교체 일정을 계획할 수 있으므로, 사후 대응이 아닌 예측적인 유지보수 방식을 제공합니다.

큐
제 VFFS 장비에서 장시간 생산 가동 후 종료 시점에 씰 위치 편차가 증가하는 현상이 나타나는데, 시동 시에는 이러한 현상이 나타나지 않습니다. 원인은 무엇일까요?

시동 시에는 나타나지 않는 작동 종료 시 씰 위치 편차는 전형적인 열팽창 현상이며, 백래시 문제가 아닙니다. 기어박스, 장착 구조물 및 서보 모터가 작동 초기 30~60분 동안 예열됨에 따라 기어박스 하우징(강철/알루미늄)과 기계 프레임 사이의 열팽창 차이로 인해 위치가 서서히 이동합니다. 이러한 편차는 일관적이고 예측 가능하며 기어박스 마모와는 무관합니다. 해결책은 기계 제어 장치의 예열 보상 사이클입니다. 45분 작동 후, 기계 컨트롤러는 측정된 열 편차 값만큼 조 위치 설정값을 보정합니다. 이는 서보 소프트웨어 보정이며 기어박스 사양 문제가 아닙니다. 편차가 작동 간 일관되지 않은 경우(때로는 크고 때로는 작은 경우)는 열팽창이 아닌 백래시 증가를 나타내므로 납품 증명서 기준선 대비 백래시 측정이 필요합니다.

큐
포장기계의 캠 구동 장치가 CV 샤프트를 사용하여 기어박스 출력 샤프트를 오프셋된 캠 위치에 연결할 수 있습니까?

예. 한국산 VFFS 및 HFFS 기계 설계에서는 기어박스 출력축이 기어박스 중심선에서 벗어난 캠 메커니즘을 구동해야 하는 경우가 있습니다. 예를 들어 공간 제약으로 인해 서보 모터와 기어박스를 캠과 동축으로 배치할 수 없는 경우입니다. 정밀 CV 드라이브 샤프트 기어박스 출력 토크를 각도 오프셋을 통해 캠 입력축으로 전달하면서 기어박스 출력 베어링에 추가적인 백래시, 속도 불규칙성 또는 정렬 불량으로 인한 베어링 부하를 발생시키지 않습니다. 이는 연간 4300만~2억 5천만 사이클의 작동 주기를 거치는 고주기 포장 캠 구동 장치에서 커플링 피로 수명이 문제가 될 수 있는 경우에 유연 커플링보다 선호되는 솔루션입니다.

큐
필름 교체가 4시간마다 이루어지고 24시간 내내 가동되는 한국산 스낵 포장 기계에 대해 한국 에버파워는 어떤 제품을 추천합니까?

필름 교체가 잦은 24시간 연중무휴 한국 스낵 VFFS 라인의 경우, 크로스 실링 조 축에는 EP-AB P1(표준 식품 포장 사양)을, 필름 인출 축에는 EP-AF P1 또는 P2(관성비가 핵심 매개변수 - 가장 무거운 릴의 경우 J_ratio ≤ 5:1 확인)를, 기계 내 이송 컨베이어에는 EP-Economic Line PA II를 지정하십시오. 필름 교체 자체는 기어박스 사양을 변경하지 않습니다. 릴 교체로 ​​인해 10:1의 관성 변화가 발생하는데, i=25 2단 기어비가 반사 관성 감소를 통해 이를 흡수합니다. 24시간 연중무휴(연간 8,760시간) 가동 시 표준보다 높은 가동률을 고려하여 조 축 교체 주기를 3년이 아닌 2.3년으로 계획하십시오. 한국 에버파워는 요청 시 24시간 연중무휴 포장 라인용 한국어 유지보수 일정 템플릿을 제공합니다.