Упаковочные машины с сервоприводом и механические упаковочные машины: техническое сравнение

За последние два десятилетия в отрасли упаковочного оборудования произошли радикальные изменения. Если раньше механические приводы с кулачковым механизмом служили эталоном в отрасли, системы с сервоприводом в настоящее время являются эталоном высокой производительности упаковка в пленку. Тем не менее механические машины по-прежнему широко используются, и для определённых задач они по-прежнему представляют собой привлекательное решение.

Понимание технических различий между упаковочными машинами с сервоприводом и механическим приводом имеет решающее значение для принятия обоснованного решения о приобретении основного оборудования. В данном сравнении рассматриваются лежащие в основе технологии, эксплуатационные характеристики и экономические последствия каждого подхода, что поможет вам выбрать систему привода, соответствующую вашим производственным требованиям.

Основы приводной системы

Механические (с кулачковым приводом) упаковочные машины для упаковки в пленку

Использование механических упаковочных машин кулачки, шестерни, тяги и цепи для преобразования вращения одного главного двигателя в скоординированные движения, необходимые для упаковки. На кулачковом валу, проходящем по всей длине машины, имеются точно обработанные кулачковые профили, которые определяют синхронизацию и движение подачи пленки, подачи продукта, формовочного кольца и зажимов для торцевой сварки.

Механический подход отличается элегантностью своей простоты: один двигатель приводит в движение все механизмы через физические связки, а синхронизация работы станка определяется фиксированной геометрией профилей кулачков. Регулировка параметров станка — таких как длина реза или положение уплотнения — требует физических изменений: замены шестерен, регулировки положения кулачков или замены кулачковых узлов.

Упаковочные машины с сервоприводом

В упаковочных машинах с сервоприводом используются автономные сервомоторы управляется центральным ПЛК, который обеспечивает электронную координацию всех функций оборудования. Вместо механических связей, определяющих синхронизацию и движение, программируемый логический контроллер посылает точные команды по положению, скорости и крутящему моменту отдельным сервомоторам, которые приводят в действие механизмы подачи пленки, подачи продукции, запечатывающие зажимы и другие функции.

В сервоприводной системе механические связи между функциями исключены и заменены электронной координацией. Настройка параметров осуществляется через сенсорный экран интерфейса человека-машины (HMI) — для изменения длины отреза, расстояния между изделиями или времени запечатывания требуется ввести новые значения, а не физически регулировать компоненты.

Сравнение производительности

Скорость и ускорение

Сервомоторы могут разгоняться и тормозиться гораздо быстрее, чем механические системы, поскольку их работа не ограничивается инерцией вращающихся кулачковых валов и связанных с ними компонентов. Это позволяет сократить время цикла, ускорить процедуры запуска и остановки, а также обеспечить более плавные переходы при изменении скорости.

Диапазон регулировки скорости особенно важен для задач, требующих медленного запуска при заправке пленки или проведении испытаний, с последующим переходом к высокоскоростному производству. Сервосистемы способны плавно работать при максимальной скорости 10%; механические системы же часто начинают работать нестабильно при скорости ниже 40% от максимальной из-за недостаточной кинетической энергии в приводной системе.

Точность позиционирования и повторяемость

Системы с сервоприводом обеспечивают значительно лучшие точность позиционирования поскольку каждая ось управляется независимо:

• Точность подачи пленки: Сервосистемы обеспечивают точность длины реза ±0,5 мм; механические системы, как правило, обеспечивают точность ±1–2 мм
• Повторяемость положения уплотнения: Сервосистемы обеспечивают стабильное положение уплотнения при изменении скорости; механические кулачковые системы демонстрируют более значительные колебания в зависимости от скорости и степени износа
• Расстояние между изделиями: Подача с сервоуправлением обеспечивает точное соблюдение расстояния между изделиями даже при изменении скорости

Для фармацевтической упаковки, где точность расположения сварного шва напрямую влияет на соответствие нормативным требованиям, а также для дорогостоящих потребительских товаров, где внешний вид упаковки влияет на восприятие бренда, это преимущество в точности имеет решающее значение.

Гибкость при переключении

Именно здесь сервотехника демонстрирует своё самое значительное преимущество:

Механическое переключение (обычно 45–120 минут):
– Выключить передачу и переключить на передачу, соответствующую длине отреза
– Регулировка или замена кулачковых узлов для изменения высоты изделия
– Механическая перенастройка положения уплотняющих губок
– Пропустить пленку через все направляющие ролики
– Пробный запуск и ручная настройка

Переключение сервопривода (обычно 5–20 минут):
– Выбрать рецепт изделия на сенсорном экране HMI
– Станок автоматически устанавливает все сервооси в положения, заданные в рецепте
– Быстрая регулировка или замена воротника
– Ниточная пленка
– Устройство проверяет настройки и подтверждает готовность к работе

Современные упаковочные машины с сервоприводом могут хранить более 100 рецептов продукции, каждый из которых содержит все параметры оборудования для конкретного продукта и размера упаковки. Оператор может переключаться с одного продукта на другой, выбрав соответствующий рецепт и подтвердив смену формовочного кольца, что сокращает время переналадки с одного часа до менее чем 15 минут.

Для предприятий, выпускающих несколько артикулов на одной линии, это преимущество переналадки позволяет обойтись без отдельных линий для каждого продукта, что значительно сокращает капитальные затраты и повышает коэффициент использования активов.

Энергоэффективность

Системы с сервоприводом потребляют 20–40% — меньшее энергопотребление по сравнению с аналогичными механическими машинами. Это преимущество обусловлено несколькими факторами:

• Отсутствие механических потерь: Отказ от использования шестерен, цепей и подшипников позволяет устранить потери энергии, связанные с трением
• Рекуперативное торможение: Сервомоторы могут возвращать энергию в сеть питания во время замедления
• Электроэнергия по требованию: Сервомоторы потребляют мощность, пропорциональную фактической нагрузке; механические системы обеспечивают работу всех функций на полной мощности, независимо от потребностей отдельных осей
• Снижение энергопотребления в режиме ожидания: Сервосистемы отключают питание отдельных осей, когда они не используются

Для предприятия, на котором упаковочные машины работают в несколько смен, ежегодная экономия электроэнергии обычно рассчитывается исходя из объёмов производства в условиях многосменного режима — рассчитайте свою экономию по формуле: разница в потребляемой мощности (кВт) × количество рабочих часов × тариф на электроэнергию.

Надежность и техническое обслуживание

Механические системы: предсказуемые, но требующие интенсивного технического обслуживания

У механических упаковочных машин хорошо изучены типы отказов и предусмотрены предсказуемые графики технического обслуживания. Их преимущество заключается в простоте: меньшее количество электронных компонентов означает меньшее количество точек возможного отказа электроники, а опытные специалисты по техническому обслуживанию зачастую могут диагностировать и устранять механические неисправности без специальной подготовки.

Однако физическая природа механических приводных систем обусловливает необходимость постоянного технического обслуживания:

• Износ кулачков: Поверхности кулачков со временем изнашиваются, что сказывается на точности движения. При высоких объемах производства замена кулачков обычно требуется каждые 2–3 года.
• Замена цепи и ремня: Приводные цепи и ремни ГРМ растягиваются и изнашиваются, поэтому требуют периодической регулировки натяжения и замены каждые 6–12 месяцев.
• Техническое обслуживание коробки передач: В коробках передач требуется замена масла; кроме того, в них могут возникать утечки или выходить из строя подшипники.
• Смазка подшипников: Десятки подшипников по всей трансмиссии требуют регулярной смазки.

Ежегодные расходы на техническое обслуживание механических упаковочных машин, как правило, составляют 8–12% от первоначальной покупной цены машины.

Сервосистемы: меньший объем планового технического обслуживания, более высокие требования к квалификации персонала

В машинах с сервоприводом меньше изнашиваемых деталей, поскольку в них отсутствуют цепи, кулачки и сложные зубчатые передачи. Это означает:

• Снижение механического износа: Не требуется замена ни поверхностей кулачков, ни цепей, ни ремней ГРМ
• Профилактическое техническое обслуживание: Сервоприводы обеспечивают постоянный мониторинг работоспособности, предупреждая операторов о снижении производительности до того, как произойдут сбои
• Дистанционная диагностика: Системы на базе ПЛК могут передавать эксплуатационные данные службам технической поддержки для удаленного устранения неисправностей
• Более длительный срок службы компонентов: При надлежащем охлаждении и электропитании срок службы сервомоторов и приводов обычно составляет 15–20 лет

Ежегодные расходы на техническое обслуживание станков с сервоприводом, как правило, составляют 4–7% от первоначальной покупной цены—примерно на 40–50% ниже, чем у механических систем.

Компромисс заключается в том, что сервосистемы требуют технический персонал, обладающий навыками работы с электронным оборудованием. Для устранения неисправностей сервопривода необходимо понимать принципы работы контроллеров двигателей, обратной связи от энкодера, связи с ПЛК и силовой электроники — навыки, которые отличаются от традиционных знаний в области механического технического обслуживания.

Сбор данных и интеграция с концепцией «Промышленность 4.0»

Упаковочные машины с сервоприводом обладают значительным преимуществом для «Промышленность 4.0» и «умный завод» инициативы:

• Производственные данные в режиме реального времени: Сервосистемы передают точные данные о длительности цикла, скорости, крутящем моменте и положении для каждой оси
• Отслеживание показателя OEE: Автоматический расчет показателей общей эффективности оборудования (OEE)
• Прогностическая аналитика: Алгоритмы машинного обучения могут анализировать динамику работы сервоприводов для прогнозирования необходимости технического обслуживания
• Интеграция с MES: Прямая связь с системами управления производством (MES) для отслеживания партий, ведения документации по качеству и планирования производства
• Мониторинг энергопотребления: Данные об энергопотреблении по каждой оси позволяют провести подробный анализ эффективности

В компании Path Pack все станки с сервоприводом оснащены ПЛК серии Siemens S7 с поддержкой протокола PROFINET, что обеспечивает их простую интеграцию в современные заводские сети и системы сбора данных.

Анализ затрат: сервопривод против механического привода

Сравнение цен на товары

Конфигурации с сервоприводами имеют значительную надбавку к цене — её размер зависит от количества осей, класса скорости и дополнительных опций. Запросите коммерческие предложения по обоим типам приводов с одинаковой производительностью и сравните их с помощью приведённой ниже структуры совокупной стоимости владения (TCO).

Оборудование с сервоприводом стоит дороже, чем аналогичные модели с механическим приводом. С развитием сервотехнологий эта разница сократилась, но по-прежнему остается значимым фактором при составлении бюджета на оборудование.

Общая стоимость владения (за 5 лет)

При учете экономии энергии, сокращения затрат на техническое обслуживание, повышения эффективности переналадки и увеличения показателя OEE станки с сервоприводом, как правило, обеспечивают снижение совокупной стоимости владения в течение 3–5 лет:

Пример расчета совокупной стоимости владения (TCO) для механического оборудования (5 лет, при цене оборудования P):
– Покупная цена: P
– Энергетика (5 лет): $75 000
– Техническое обслуживание (5 лет): $50 000
– Затраты на переналадку (5 лет): $60 000
– Итого: $285 000

Пример расчета совокупной стоимости владения (TCO) сервопривода (5 лет, по цене оборудования P плюс надбавка за сервопривод):
– Покупная цена: P + премия
– Энергия (5 лет): $52 500 (экономия 30%)
– Техническое обслуживание (5 лет): $28 000 (экономия 44%)
– Затраты на переналадку (5 лет): $25 000 (экономия в размере 58% за счет более быстрой переналадки)
– Итого: $245 500

В данном примере станок с сервоприводом позволяет сэкономить $39 500 за пять лет, несмотря на то, что его покупная цена на $40 000 выше. Экономия становится ещё более значительной, если учесть повышение показателя OEE за счёт более быстрой переналадки и сокращения простоев.

Когда механические решения по-прежнему оправданы

Несмотря на преимущества сервоприводов, механические упаковочные машины по-прежнему остаются подходящим выбором в определенных случаях:

• Очень низкие капитальные бюджеты в случаях, когда надбавка за сервопривод не может быть обоснована
• Производство одного вида продукции на длительном производственном цикле где гибкость в переключении не приносит практически никакой пользы
• Объекты с ограниченными возможностями по техническому обслуживанию электронного оборудования и сильные бригады по техническому обслуживанию оборудования
• Резервные или сезонные линии которые работают с перерывами и не оправдывают вложений в страхование с повышенной ставкой
• Суровые условия эксплуатации с чрезмерным количеством пыли, влаги или вибрацией, которые могут повлиять на работу чувствительных электронных компонентов

Почему именно Path Pack?

Компания Path Pack повсеместно внедрила сервотехнологии во всю линейку своей продукции. Каждая изготавливаемая нами машина оснащена Сервомоторы и приводы Siemens в стандартной комплектации, в сочетании с Schneider Electric управляющие компоненты и системы человеко-машинного интерфейса (HMI). Такая ориентация на разработку систем с сервоприводами отражает наш опыт работы с клиентами по всему миру, которым требуются точность, гибкость и возможности обмена данными, которые могут обеспечить только электронные системы привода.

Наши высокоскоростные сервоприводные обмоточные машины JC400 обеспечивают точность отреза ±0,5 мм, переналадку за менее чем 15 минут благодаря функции вызова рецептов, а также предоставляют оперативные данные в режиме реального времени, необходимые для современного управления производством. Все машины имеют сертификат CE.

Независимо от того, планируете ли вы модернизировать механическое оборудование или приобрести свою первую автоматическую упаковочную машину, инженерная команда Path Pack предоставляет бесплатные консультации, включая тестирование продукции и анализ окупаемости инвестиций с учетом специфики вашего производства.

В наш ассортимент также входит оборудование для производства саше, например, Машина для производства пакетов с четырехсторонней сваркой JC700.

Часто задаваемые вопросы

Насколько дороже обмоточная машина с сервоприводом по сравнению с механической?

Упаковочные машины с сервоприводом, как правило, стоят на 35–50% дороже аналогичных моделей с механическим приводом при покупке. Стоимость сервоприводных машин выше, чем у сопоставимых моделей с механическим приводом. Однако при оценке совокупной стоимости владения в течение 5 лет сервоприводные машины зачастую обходятся дешевле благодаря экономии энергии, снижению затрат на техническое обслуживание и более быстрой перенастройке.

Является ли сервотехника более надёжной, чем механические приводы?

Сервосистемы, как правило, более надежны в современных производственных условиях. Они позволяют отказаться от изнашиваемых компонентов (кулачков, цепей, ремней, редукторов) и заменить их твердотельной электроникой, обеспечивающей прогнозируемое оповещение о возможных отказах. Срок службы сервомоторов обычно составляет 15–20 лет. Основной момент заключается в том, что для обслуживания сервосистем требуется персонал, обладающий навыками работы с электроникой, тогда как для механических систем достаточно традиционных знаний в области механики.

Могут ли станки с сервоприводом обрабатывать те же изделия, что и станки с механическим приводом?

Да, упаковочные машины с сервоприводом могут обрабатывать все те же продукты, что и механические машины, и зачастую справляются с ними даже лучше. Повышенная точность позиционирования, более плавные профили ускорения и программируемые профили движения сервосистем позволяют использовать их для более широкого спектра продуктов, в том числе тех, которые слишком хрупкие для резких изменений движения, присущих машинам с кулачковым приводом.

Что произойдет, если во время производства выйдет из строя сервопривод?

Современные сервосистемы разработаны с учетом возможности быстрой диагностики неисправностей и замены компонентов. В случае выхода из строя сервопривода на интерфейсе HMI отображается конкретный код неисправности, указывающий на затронутую ось и характер проблемы. В большинстве случаев замена сервопривода может быть выполнена квалифицированным техническим специалистом за 30–60 минут. На многих предприятиях в качестве критически важных запасных частей хранятся запасные сервоприводы, что позволяет обеспечить их немедленную замену и свести время простоя к минимуму.

Является ли экономия энергии за счет использования сервоприводов достаточно значительной, чтобы оправдать модернизацию?

Для оборудования, работающего более 250 дней в году в несколько смен, экономия энергии при использовании сервоприводов по сравнению с механическими аналогами нарастает с каждым годом — посчитайте сами (разница в мощности × количество часов × тариф) с учетом ваших тарифов и графика смен. В сочетании с экономией на техническом обслуживании и повышением эффективности переналадки общее преимущество по эксплуатационным затратам обычно окупает надбавку за сервопривод в течение 3–4 лет.

Заключение

Переход упаковочной отрасли от механических технологий к сервоприводным — это не просто тенденция, а кардинальное улучшение возможностей оборудования, обеспечивающее ощутимые преимущества в плане точности, гибкости, эффективности и возможностей подключения. Поточные упаковочные машины с сервоприводом отличаются превосходной точностью, значительно более быстрой перенастройкой, более низким энергопотреблением и прямой интеграцией с системами «Промышленности 4.0».

Механические машины по-прежнему находят применение в определенных сферах — в частности, на предприятиях с ограниченным бюджетом или занимающихся производством одного вида продукции, — однако для подавляющего большинства современных упаковочных предприятий преимущества сервоприводов с точки зрения совокупной стоимости владения делают их наиболее выгодным выбором с финансовой точки зрения.

При оценке следующей инвестиции в упаковочную машину типа «флоу-раппер» не ограничивайтесь только ценой покупки, а учитывайте все аспекты эксплуатации: время переналадки, трудоемкость технического обслуживания, затраты на электроэнергию, возможности по сбору данных, а также соответствие вашей долгосрочной производственной стратегии.

Компания Path Pack производит горизонтальные упаковочные машины в Ханчжоу (Китай). Перед отправкой каждая машина проходит испытания с использованием продукции и пленки заказчика. Если вы выбираете упаковочную машину или устраняете неисправности на линии, уже находящейся в эксплуатации, обратитесь к нашей инженерной службе — мы ответим в течение одного рабочего дня.

Автор: Техническая команда Path Pack

Что выбрать: сервопривод или механический привод? → Обратитесь в Path Pack за рекомендацией по маршруту с учетом объемов вашего производства и ассортимента продукции.