ラベリング機およびフィルム包装機用ウォームギアとウォームホイール

ラベル貼り機や包装機にウォームギア駆動装置が使われる理由

ラベリングマシンとフィルム包装機は、共通の駆動要件を持っています。それは、連続したウェブ（ラベルストリップ、シュリンクフィルム、ストレッチフィルム）を製品ラインの速度に正確に合わせた速度で供給する、送りローラーまたはドラムの滑らかで可変速な回転です。ウォームギアペアは、小型モーターからローラー速度への減速、ウェブ張力の変動を防ぐ滑らかな回転、そしてライン停止時にウェブを一定の張力に保持するセルフロック機能を提供します。

ウォームギアペアの3つの特性により、ウェブ搬送駆動装置として、平歯車、ヘリカルギア、タイミングベルトなどの代替手段よりも好まれる。

張力制御の感度 ― ウォームギアのバックラッシュがラベルのずれを引き起こす仕組み

ウォームギアのバックラッシュとラベルの位置ずれを結びつけるメカニズムは単純明快です。送りローラーが負荷方向を反転すると（これはライン速度の変更時、起動・停止サイクル時、張力制御の修正時に毎回発生します）、ローラーはバックラッシュ弧を自由に回転してから、ギアの歯が反対側の歯面と再び噛み合います。この自由回転中、ウェブは張力制御なしで送り出されるため、バックラッシュ角とローラー径に比例した距離だけ、ラベルウェブが制御不能な状態で前進または後退します。

以下の表は、この式を一般的なローラーの直径とバックラッシュ値に適用し、荷重反転イベントごとのラベル位置誤差を示しています。

表から、バックラッシュが 10 分角で 80 mm のフィード ローラーを備えた標準ウォーム ギア ペアでは、ギア ペアだけでラベル位置合わせ許容範囲 (± 0.5 mm のうち 0.23 mm) の 46 パーセントを消費し、他のすべてのエラー要因 (ウェブの伸び、ダイカットのばらつき、ボトルの位置、アプリケーターのタイミング) を合わせて 0.27 mm しか残らないことがわかります。120 mm ローラーで 15 分角の場合、ギア ペアは許容範囲全体を 0.52 mm 超えてしまいます。± 0.5 mm 以上の位置合わせ許容範囲を必要とするラベル貼付用途では、バックラッシュが 10 分角以上の標準ウォーム ギア ペアは、ぎりぎり適合するか、適合しません。2 分角のデュプレックス ペアは、許容範囲の 5 ～ 14 パーセントしか消費せず、他の要因に 86 ～ 95 パーセントを残します。

生産ラインの速度調整とフォーマット変更

ラベリングマシンは、上流の生産ラインの速度に合わせる必要があります。この速度は、充填機、キャッピング機、またはその他の上流工程が生産中に速度を調整するため変動します。ウォームギアペアは、モーターからローラーまでの機械的な減速比を固定し、VFD（可変周波数ドライブ）はPLC（プログラマブルロジックコントローラー）からのライン速度信号に合わせてモーター速度をリアルタイムで調整します。

フォーマット変更（200mlボトルと500mlボトルの切り替え）を行うと、ラベルサイズが変わり、ラベルの吐出速度も変わります。ウォームギアのギア比は固定されたままで、VFDのレシピによってモーターの速度設定値が変更されます。このVFDとウォームギアの組み合わせにより、機械的な調整なしで切り替えが可能となり、通常、HMIのレシピ変更によって2分以内に完了します。

フィルム包装速度のマッチング。 フィルム包装機（ストレッチ包装機、シュリンク包装機、フローラップ包装機）は、速度整合の要件は同じですが、さらに制約があります。それは、速度の変化に関わらずフィルム張力が一定に保たれなければならないということです。ウォームギアペアが速度変動（バックラッシュやギアのかみ合い振動による）を引き起こすと、フィルム張力が振動し、フィルムのしわ、シール品質のばらつき、高速ストレッチ包装機でのフィルムの破損などが発生します。フィルム包装における張力安定性の要件は、通常、設定値のプラスマイナス 3% であり、これはウォームギアペアの出力軸における速度安定性がプラスマイナス 3% であることを意味します。Ra 0.4 µm の研磨ウォームは、Ra 1.6 µm のホブドウォームよりも滑らかな回転を実現し、かみ合い励起による速度変動を約 40 ～ 60% 低減します。

ラベリング・包装機用ウォームギアペアケース3個

事例1 — 韓国の化粧品ラベル印刷業者：巻き付け式ラベル、許容誤差±0.3mm、両面印刷必須

韓国の化粧品メーカーが、毎分200本のボトルを巻き付けるラベリングマシンのラベル送り駆動部にウォームギアペアを指定しました。ラベル：60 × 120 mmの感圧式、フルカラーのブランドアートワーク。位置合わせ許容誤差：±0.3 mm（巻き付けラベルには表裏両方のアートワークがあり、ボトルの継ぎ目で位置合わせする必要があるため、標準の±0.5 mmよりも厳しい）。送りローラー：直径80 mm。バックラッシュ要件：2分角未満（感度分析：2分角 × 80 mmローラー = 0.05 mmの誤差、±0.3 mmの予算の17パーセントを消費）。ウォームギアペア：複式単発、モジュール1.5、中心距離35 mm、比15:1、研磨Ra 0.4 µm。モーター：エンコーダ付き200 Wサーボ。出力トルク：12 N·m（軽負荷時 - ラベル張力は通常20～50 N、ウェブ幅120 mm）。デュプレックスペアあたりのコスト：145 USD。設置後のラベル位置合わせ精度：±0.15 mm - 0.3 mmの許容範囲内。マージンは主にラベルの型抜き誤差（±0.08 mm）とボトル位置の誤差（±0.05 mm）によって消費される。12ヶ月間の生産期間中、消費者からの苦情はゼロ。

ケース2 — 日本の医薬品バイアルラベル貼付機：規制テキスト、±0.5 mm、クリーンルーム隣接

日本の製薬会社が、10 ml 注射用バイアルに規制テキスト ラベル (薬剤名、投与量、ロット番号、有効期限) を毎分 300 バイアル貼付するバイアル ラベリング マシン用のウォーム ギア ペアを指定しました。ラベルには重要な規制情報が含まれており、投与量テキストが隠れるような位置ずれは、検査時に規制上の指摘につながる可能性があります。位置合わせ許容値: プラスマイナス 0.5 mm。フィード ローラー: 直径 60 mm。製薬環境では、クリーンルーム隣接要件が追加されました: NSF H1 潤滑剤、EPDM シール、製薬文書 (EN 10204 2.2 材料証明書)。ウォーム ギア ペア: 標準シングル スタート (非デュプレックス)、モジュール 1、中心距離 25 mm、比率 20:1、バックラッシュ 6 分角、研磨 Ra 0.4 µm。感度: 6 分角 × 60 mm = 0.09 mm の誤差 - プラスマイナス 0.5 mm の予算の 18 パーセントを消費します。標準ペアは、0.5 mmの許容誤差で二重化せずに十分なマージンが確保できたため、適切でした。ペアあたりのコスト：95米ドル（医薬品関連書類付き）。ラベルの位置合わせは±0.18 mmで、許容範囲内でした。 ラベリング用ウォームギア駆動装置 精密なウェブハンドリングおよびラベル位置合わせアプリケーション向けのオプション。

事例3 — ベトナムの魚醤瓶詰め業者：シュリンクスリーブ、±1.5 mm、湿潤環境

ベトナムの魚醤メーカーは、毎分150本のボトルを処理するラインのシュリンクスリーブアプリケーターにウォームギアペアを指定しました。シュリンクスリーブは、熱収縮プロセスでボトルの周りのスリーブの位置が収縮中に調整されるため、感圧ラベルよりも位置合わせの許容範囲が広くなっています。位置合わせの許容範囲：プラスマイナス1.5 mm。スリーブアプリケーターローラー：直径100 mm。この寛大な許容範囲により、バックラッシュ12分角の標準ウォームギアペアを使用できました。感度：12分角×100 mm＝0.35 mmで、プラスマイナス1.5 mmの予算のわずか23パーセントしか消費しません。主な仕様上の課題は、湿潤環境でした。魚醤の飛沫と、55℃の塩素水による毎日の洗浄です。ウォームギアペア：シングルスタート、モジュール1.5、中心距離30 mm、減速比15:1、AISI 304ウォーム（魚醤は酸性、pH 4.5）、リン青銅ホイール、EPDMシールIP65、NSF H1グリース。ペアあたりのコスト：78米ドル。この事例は、バックラッシュ仕様が位置合わせ公差に比例する必要があることを示しています。±1.5 mmのシュリンクスリーブ用途に145米ドルのデュプレックスペアを指定すると、品質上のメリットもなく、ペアあたり67米ドルが無駄になります。

よくある質問

ラベリングマシンやフィルム包装装置では、ウォームギアペアを使用して、スムーズで可変速のウェブ搬送、張力制御、ラインストップでの位置保持を実現しています。張力制御感度分析（e_web = (B × π × D) / 21,600）は、ウォームギアペアのバックラッシュとラベル位置合わせ誤差の直接的な関係を定量化し、位置合わせ許容誤差予算から適切なバックラッシュクラスを指定できるようにします。±0.3 mmの許容誤差を持つプレミアムラベリングの場合、2分角以下のデュプレックスペアは必須です。±0.5 mmの標準ラベリングの場合、5～8分角のタイトな標準ペアで十分です。±1.5 mmのシュリンクスリーブおよびストレッチラップの場合、10～15分角の標準ペアを使用することで、品質に影響を与えることなくコストを削減できます。バックラッシュの仕様は、位置合わせ許容誤差に比例する必要があります。過剰に指定するとコストが無駄になり、不足すると製品が無駄になります。

ラベリング・包装機メーカー向けに、当社のエンジニアリング部門は、お客様のレジストレーション許容値に対するバックラッシュ感度解析を実施します。標準カタログ 精密ウォームギアセット 標準構成およびデュプレックス構成で、中心距離25～50mm、バックラッシュ制御ドキュメント付きで出荷します。 ラベリングドライブの仕様 ローラー径、位置合わせ公差、およびライン速度範囲によって決まります。

編集者: Cxm