진공 패드로 공작물을 집을 때 정할 것은 «패드 지름과 개수», «진공압», «이젝터(또는 진공 펌프) 크기» 입니다. 앞의 둘은 힘으로, 뒤의 하나는 시간으로 정합니다. 이 글은 SMC 의 «Vacuum Equipment Model Selection» 자료(SMC 공식 사이트 PDF)의 식과 선정 예를 따라갑니다.
흡착력 = 진공압 × 패드 면적 ÷ 안전율
W(N) = P(kPa) × S(cm²) × 0.1 × 1/t P 진공압(크기, −60 kPa 이면 60) S 패드 면적 = π/4 × (지름 cm)² t 안전율 — 수평 흡착 4 이상, 수직 흡착 8 이상 ø40 패드(12.57 cm²), −60 kPa: 이론 흡착력 60 × 12.57 × 0.1 = 75.4 N 수평 (÷ 4) 18.8 N (약 1.9 kg) 수직 (÷ 8) 9.4 N (약 0.96 kg)
0.1 은 kPa × cm² 를 N 으로 바꾸는 값입니다(1 kPa × 1 cm² = 0.1 N). 안전율을 빼고 압력 × 면적만 곱한 값을 SMC 는 «이론 흡착력» 이라 부르고, 이것은 정지 상태의 값이라 실제로는 안전율로 나눠 쓰라고 적습니다.
| 패드 | 면적 cm² | −40 kPa | −60 kPa | −80 kPa |
|---|---|---|---|---|
| ø10 | 0.79 | 3.1 N | 4.7 N | 6.3 N |
| ø20 | 3.14 | 12.6 N | 18.8 N | 25.1 N |
| ø32 | 8.04 | 32.2 N | 48.3 N | 64.3 N |
| ø40 | 12.57 | 50.3 N | 75.4 N | 100.5 N |
| ø50 | 19.63 | 78.5 N | 117.8 N | 157.1 N |
| ø80 | 50.27 | 201.1 N | 301.6 N | 402.1 N |
위 표는 안전율을 넣지 않은 이론 흡착력입니다. SMC 의 이론 흡착력 표는 끝자리를 버리거나 반올림해 적어(예: ø40 −60 kPa 75 N) 끝자리가 조금 다릅니다. 진공압을 두 배로 하면 힘도 두 배, 지름을 두 배로 하면 네 배입니다.
안전율 4 와 8 — 왜 이렇게 큰가
- 이론 흡착력은 정지 상태의 값입니다. 옮길 때의 가속도, 바람(공기 저항), 충격이 더해집니다.
- 패드는 흡착면과 나란한 힘(전단력)과 모멘트에 약합니다. 무게 중심이 패드에서 벗어나면 한쪽이 들립니다.
- 옆면을 잡는 수직 흡착은 마찰로만 버티므로 SMC 는 되도록 피하고, 써야 하면 안전율을 8 이상으로 하라고 적습니다.
- 통기성이 있거나 거친 공작물은 공기가 새어 진공압이 떨어집니다. 계산에는 떨어진 뒤의 진공압을 넣습니다.
패드 지름 정하기 — 예시
판 5 kg(49.0 N)을 패드 4개로 수평 흡착, 이젝터 진공압 −60 kPa(SMC 가 이젝터의 기준으로 드는 값), 안전율 4 라고 하면:
패드 하나에 필요한 면적 S = W × t ÷ (P × 0.1 × 개수)
= 49.0 × 4 ÷ (60 × 0.1 × 4) = 8.17 cm²
지름 = √(4 × 8.17 ÷ π) × 10 = 32.3 mm → ø32 로는 모자라 ø40
ø40 × 4개면: 흡착력 75.4 N(÷ 4 한 값) — 필요한 진공압은 −39 kPa 이면 충분
같은 판을 옆면으로 잡으면(t = 8): 지름 45.6 mm → ø50SMC 는 진공압을 지나치게 높이면 패드가 빨리 닳고 갈라지며, 응답이 늦어지고 진공을 만드는 데 드는 에너지도 커진다고 적습니다. 힘이 모자라면 진공압보다 패드 지름·개수를 먼저 키웁니다.
SMC 선정 예 — 반도체 칩
칩 1 g = 0.0098 N, ø4 패드 하나(0.13 cm²), 수평 t = 4 0.0098 = P × 0.13 × 0.1 × 1/4 → P = 3.0 kPa → −3.0 kPa 이상이면 흡착
가벼운 공작물은 아주 낮은 진공압으로도 들 수 있다는 뜻입니다. 이런 경우 힘보다 «얼마나 빨리 붙나(응답 시간)» 가 이젝터 크기를 정합니다.
흡착 응답 시간 — 배관 용적 ÷ 흡입 유량
배관 용적 V(L) = π/4 × D(mm)² × L(m) ÷ 1000
응답 시간 T1 = V × 60 ÷ Q (최종 진공압의 63 %)
T2 = 3 × T1 (95 %)
필요한 유량 Q = V × 60 ÷ T1 + QL (QL 누설량)
이젝터 최대 흡입 유량 = (2~3) × Q
이젝터의 평균 흡입 유량 Q1 = 최대 × (1/2~1/3), 배관이 흘릴 수 있는 Q2 = C × 55.5
Q = Q1·Q2 중 작은 값SMC 예는 칩을 내경 2 mm·1 m 튜브로 잡습니다. V = π/4 × 2² × 1 ÷ 1000 = 0.0031 L, 응답 300 ms 를 원하면 Q = 0.0031 × 60 ÷ 0.3 = 0.62 L/min 이고 이젝터 최대 흡입 유량은 1.24~1.86 L/min 이상이면 됩니다. 실제로 고른 최대 5 L/min 이젝터는 Q1 ≈ 1.7, 배관 컨덕턴스 0.22 로 Q2 = 12.2 이므로 작은 쪽 1.7 로 T1 = 0.109 s(109 ms)가 나와 300 ms 안에 듭니다.
| 배관 | 용적 V | 이젝터 최대 20 L/min (Q1 6.7~10) | T2 (95 %) |
|---|---|---|---|
| 내경 4 mm × 1 m | 0.0126 L | T1 75~113 ms | 226~339 ms |
| 내경 4 mm × 2 m | 0.0251 L | T1 151~226 ms | 452~679 ms |
| 내경 6 mm × 2 m | 0.0565 L | T1 339~509 ms | 1.02~1.53 s |
배관 컨덕턴스(Q2)가 Q1 보다 크다고 본 값입니다. 같은 이젝터라도 배관이 길고 굵으면 용적이 커져 응답이 느립니다 — 이젝터를 패드 가까이 두는 이유입니다. 공작물에서 공기가 새면 누설량 QL(= 55.5 × 누설 컨덕턴스)을 더해 이젝터를 키웁니다.
PortDock 에서는
- 웹 도구 «진공 패드 흡착력 계산기»: 패드 지름·개수·진공압·안전율·질량 → 흡착력과 판정, 필요한 진공압·패드 지름(SMC 표 크기), 배관 용적·필요 유량·응답 시간 T1·T2.
- 웹 도구 «공압 실린더 추력 계산기»: 패드를 올리고 내리는 실린더의 힘.
- Serial Plotter·Modbus Master: 진공 압력 센서(아날로그 → Modbus)의 값을 기록해 흡착 후 안정된 진공압과 응답 시간을 그래프로 봅니다.
작성 2026-10-24