數(shù)控機床地腳安置于機臺下方，用以支撐機臺的結構重量與調(diào)整其水準精度，是機器安裝使用的重要基礎部件。地腳的各項主要作用說明如下：

(a)將數(shù)控機床支撐安置在地面上，支撐床身重量并承受機臺切削力與移動件移動時產(chǎn)生的傾覆力矩，防止機臺位移。

(b)能傳遞與吸收機臺與外界振源的部分振動。

(c)能調(diào)整機臺的安裝水平精度與維系其精度。

在機臺開始制造組裝與安裝定位時，安置地腳支撐機臺并透過調(diào)校地腳螺栓來確保機臺水平精度，是首先且重要的工作，顯示地腳的設計、正確選用與應用對數(shù)控機床精度與性能的維持有重要影響。根據(jù)地腳是否與地基緊固結為一體，可以將機臺支撐安裝方式分為：(Ⅰ)地腳與地基緊固為一體的剛性連接；(Ⅱ)墊鐵與地基接觸但不緊固的彈性連接等兩種形式。中小型高精度數(shù)控機床移動部件重量較輕，振動量小，為了方便安裝與精度調(diào)校，多采用彈性連接方式，圖一所示為業(yè)界常用各種連接地腳型態(tài)，其中圖一(a)到(c)都屬彈性連接，圖一(d)則為剛性連接形式。而圖一(a)的地腳是用地腳螺栓串接床身底座結構與墊鐵，再由墊鐵與地基(或地面)接觸，以地腳螺栓與墊鐵組成的結構簡單與價格便宜，也方便實施水平精度調(diào)整，是業(yè)界采用較多的傳統(tǒng)地腳形式，也是本文討論的目標。

一些廠家在機臺開發(fā)與使用時，很容易忽略地腳的影響而面臨以下的狀況：

(1)地腳沒有妥善的設計與選用：地腳螺栓與地腳墊鐵組配結合外型尺寸、及材質(zhì)各有不同，所能承載的荷重并無規(guī)范，只是依設計者的喜好評估或大略放置，而未考慮這些地腳的組配參數(shù)會影響機臺支撐剛性、動態(tài)性能與機臺幾何精度的穩(wěn)定性。

(2)未重視地腳的精度與品質(zhì)：地腳螺栓與地腳墊鐵組配結合的結合面粗糙且無規(guī)范要求，一些墊鐵結合面不平整且雜油漆粉塵，造成地腳的接觸品質(zhì)不一，影響地腳接觸剛性等性能。

(3)地腳調(diào)教水平精度的落后：地腳支撐水平精度的良窳與否影響床臺進給軸直線度與扭曲精度等幾何精度與磨耗狀態(tài)，是維系機臺精度壽命的關鍵因素。然而目前廠家機臺的水平精度未有可依循規(guī)范或少有量化數(shù)據(jù)，水平精度不易提升。分析可能因素為目前水平精度調(diào)校多使用氣泡式水準儀+技術人員經(jīng)驗實施檢測，除了受限于氣泡水平水平儀本身的0.02mm/m精度外，觀測氣泡在刻度尺位置容易受到人員觀測角度與經(jīng)驗的影響，導致在水平調(diào)校時造成觀測誤差、導致水平精度提升的局限性。

(4)個別地腳支撐的負載不均現(xiàn)象：地腳布局不佳或水平精度調(diào)校失當，有時會使個別地腳負載承受不均，受力較大的地腳螺栓較易發(fā)生潛變，影響機臺水平精度并使床身導軌安裝基準變化；而導軌的基準變化將加劇導軌滑塊的磨損變化，機臺軸線幾何精度喪失，降低機臺的精度保持性。

本文僅初步探討個別地腳接觸剛性的影響參數(shù)，希望作為地腳性能改善地的參考。此外，并搭配地腳支撐調(diào)校對機臺精度影響的探討，尋求提升數(shù)控機床支撐水平精度的建議方案。

                                              

地腳支撐性能提升的優(yōu)勢

若在數(shù)控機床設計與使用上能強化地腳支撐的性能來產(chǎn)生以下的優(yōu)勢，是提升機臺性能的選項之一，說明如下：

(1)增加數(shù)控機床的動態(tài)特性：地腳的排列分布與支撐性能會影響機臺動態(tài)特性(即模態(tài)參數(shù))，妥適的設計地腳模組數(shù)目可調(diào)節(jié)并提高結構的固有頻率，以利于避開機臺的工作頻率。許多文獻的研究都揭露了此一效果，例如文獻[1]的研究結果顯示，定柱式龍門加工機地腳支撐剛性的增加，會提升機臺整體的自然頻率數(shù)值。此外，地腳螺栓處筋板厚度結構優(yōu)化也有助于機臺動態(tài)性能的提升，由于床身部件是通過地腳螺栓與地面固定連接，地腳螺栓的安裝部分為方便安裝如圖二所示設計了一個凹陷空間，此空間與床身底部形成的筋板厚度成為床身部件剛度較薄弱的環(huán)節(jié)，文獻[2]分析顯示增加此處筋板厚度，也能提升機臺的固有頻率。

(2)改善數(shù)控機床的運動精度：精密數(shù)控機床組裝前需找尋一絕對基準線當作所有精度之來源，而大自然界最客觀之基準線即為海平面之水平線，所以機械組裝時，首要工序即是機械底座調(diào)校水平，讓往后組裝生產(chǎn)與使用過程中皆有一固定之基準可依循，因此機臺水平精度是所有幾何精度的基礎，如果水平產(chǎn)生誤差就會影響機臺幾何精度表現(xiàn)，這與地腳布局與支撐精度有著直接影響，例如：機臺水平精度會影響溜板移動對車床主軸中心線的平行度；銑床主軸回轉中心線對工作臺面的平行度；磨床工作臺移動在垂直平面內(nèi)的直線度..等等[3]。精機中心相關的實驗結果[4、5]也顯示改善機臺地腳支撐的水平精度，有助于提升機臺的軸向的運動直線精度、扭曲精度等。

(3)維系數(shù)控機床的精度穩(wěn)定性：機臺使用時，若地腳螺栓負載不均，個別地腳中受力較大的螺栓潛變較快，導軌安裝基準變化，同時導軌的基準變化將加劇導軌滑塊的磨損，軸線幾何精度較快損失而影響數(shù)控機床精度保持狀態(tài)。因此確保地腳支撐負載的合理性、均勻性與較佳的水平精度，將可減緩個別地腳發(fā)生潛變的現(xiàn)象，同時保有更多的儲備精度來延續(xù)機臺的精度穩(wěn)定性。



提升地腳支撐性能的設計分析

由赫茲接觸理論分析地腳的接觸剛性可知，地腳接觸剛性主要受螺栓與墊鐵幾何構型、材質(zhì)等參數(shù)的影響，改善螺栓接觸R角與材料E值都能降低接觸變形提高地腳接觸剛性。此外，也透過分型理論了解提升螺栓與墊鐵接觸表面粗糙度可提升地腳的接觸剛性[5]。因此整理并得到以下提升單一地腳支撐剛性的方向：

(a)增加地腳螺栓與墊鐵接觸面積(加大接觸R角半徑)

(b)改善地腳與墊鐵接觸面的表面粗糙度

(c)墊鐵材質(zhì)的選取(鋼材或鑄鐵)

依此規(guī)畫地腳在不同表面粗糙度與材質(zhì)其接觸性能與剛性分析與實驗，并說明如下：

(1)單一地腳接觸R角變化對接觸性能影響分析：主要針對了地腳螺栓與墊鐵的接觸面上，在墊鐵尺寸以及材料不改變的情況下，調(diào)整地腳的圓弧R角尺寸，以有限元素分析接觸負載與變形狀態(tài)，進而得到較佳的接觸剛性。圖三為分析時采用的R8mm、R30mm和R60mm三種地腳螺栓R角組配形式。

單一地腳模組建模時設定地腳螺栓與墊鐵各別的材料，主要采用兩種材料－鋼與鑄鐵，接觸條件設定：設定皆為黏合不會有相對位移，墊鐵底端固定拘束，網(wǎng)格化：將其尺寸切細為1mm，負載施加時假設一臺數(shù)控機床六噸重，然后由六個地腳模組平均分擔，每一組地腳約負載1000Kg。單一地腳螺栓R角變化承受負載后的分析結果如圖四與圖五所示。由圖四中可知隨著R角的增加，可以讓墊鐵接觸面上受力的面積變大，使得力量得以更平均的分散在墊鐵上面。由圖五可知隨著R角的增加，螺栓與墊鐵承受負載后最大變形都是減少的趨勢，顯示地腳螺栓與墊鐵間的接觸剛性也隨之增加。

(2)地腳螺栓R角對支撐機身變形影響分析：以三種不同R角地腳螺栓+墊鐵(墊鐵的尺寸一致)支撐實驗機臺底座結構，分析底座在不同R角地腳支撐下，結構自重變形情形。由圖六(a)為分析模型。圖六(b)不同R角地腳支撐狀態(tài)下結構變形分析結果。螺栓地腳螺栓R角增加后可些微降低機臺的自重變形量。

(3)地腳螺栓R角變化對支撐機臺構件頻率的影響分析：進行實驗機臺底座在不同地腳支撐下的模態(tài)分析，圖七所示為以R8和R30兩種不同R角設計地腳螺栓支撐下的底座前三階自然頻率分析結果，隨著支撐地腳的R角增加，其對應的支撐結構自然頻率也隨之增加，也顯示改善地腳支撐剛性有助于提升所支撐機臺結構的動態(tài)性能。



地腳接觸性能的實驗探討

地腳靜剛性實驗模組
透過設計地腳靜剛性試驗載具進行地腳性能的實驗探討，實驗載具構造如圖八所示，由固定基座、地腳螺栓試件、墊鐵與加載螺帽、荷重元(Loadcell)與電容式位移計等元件構成。實驗載具的上端設計加載螺帽鎖在地腳螺栓上，并可藉由數(shù)位扭力板手施加扭力于螺帽，使地腳螺栓與墊鐵接觸，用來模擬地腳螺栓結構承載機臺結構等荷重。并利用加載螺帽與墊鐵之間的荷重元量測所施加負載力量，固定在支座下端的電容式位移計量測施加負載后地腳螺栓位移變化，透過量測資料分析處理，進而求得不同地腳結構組配參數(shù)下的接觸剛性狀態(tài)，目前規(guī)劃的地腳實驗參數(shù)如表一所示，實驗操作程序與實施照片如圖九所示。

三種R角地腳組配型式的接觸壓力感測試驗結果
將感壓膠膜置于地腳螺栓與墊鐵之間，施加相同鎖固扭矩，圖十為三種不同R角地腳在相同鎖固負載下以壓力感測膠膜實施接觸壓力感測試驗結果，觀測圖形可知，可以發(fā)現(xiàn)壓痕寬度為R60>R30>R8，在相同鎖固扭矩作用下R60的地腳螺栓有較大的接觸面積可以承受負載變化。

不同表面粗糙度的地腳靜剛性試驗結果
在表面糙度對地腳接觸剛性的實驗方面，完成地腳螺栓與墊鐵在不同表面粗糙度(Ra1.6、Ra6.3、Ra25)下的地腳靜剛性實驗，圖十一在不同表面糙糙度下R8地腳模組之負載與靜剛性關系圖，實驗結果顯示地腳模組接觸面表面粗糙度越小(表面品質(zhì)越佳)時其地腳螺栓與墊鐵的接觸剛性愈高。

墊鐵不同材質(zhì)的地腳靜剛性試驗結果
不同材質(zhì)(鋼材S45C與鑄鐵FC30)墊鐵的接觸負載與靜剛性實驗結果如圖十二所示。觀測R30、R60兩種地腳螺栓與不同材質(zhì)墊鐵的接觸的靜剛性實驗結果可知，若是在較低的負載下墊鐵材質(zhì)使用S45C與FC30其剛性兩者差異不大，但隨地腳支撐負載的逐步提升，在較大的負載狀態(tài)下使用S45墊鐵材質(zhì)較FC30有較佳的接觸剛性，而對機臺阻尼的影響，鑄鐵的材料阻尼系數(shù)較鋼材為高，然而增加阻尼的效果仍待進一步的驗證。此外，由于一般螺栓都是高強度鋼材，若墊鐵也選用鋼材，其結合面在高壓負載作用下是否會發(fā)生冷焊(Coldwelding)而影響其支撐狀態(tài)仍需再探討。



提升地腳支撐機臺水平精度的措施

以數(shù)位式扭力板手+電子水平儀施加調(diào)校負載并提升水平精度
數(shù)控機床安裝時需要調(diào)整地腳支撐基座的水平精度，確保床臺的平面精度，與各軸直線度的維系，目前常見方式是透過將氣泡水平儀置放在工作臺上，以一般扭力板手調(diào)整地腳螺栓微量改變床臺姿態(tài)，讓水平儀氣泡盡量位于水平儀中央刻度。如之前所述受到氣泡水平臺本身精度限制(※氣泡水平儀精度0.02mm/M)，以及觀測氣泡在刻度尺位置容易受到人員觀測角度與經(jīng)驗的影響，導致在機臺在支撐水準調(diào)校時造成觀測精度、扭曲精度與直線精度提升的局限性。

因機臺的重量達上噸以上，以板手旋轉螺栓來調(diào)節(jié)支撐床臺的移動姿態(tài)并不靈敏，且僅觀測床臺上水平儀數(shù)值來調(diào)整，不知所施加扭矩的大小，也忽略了個別地腳承受負載均勻性，而容易導致單一地腳可能承受較大負載與變形，造成機臺在使用時易發(fā)生床臺扭曲變形，加快機臺的運動磨損與精度降低。

本文以目標臥式機臺底座三點支撐為精度基礎，透過數(shù)位式扭力板手+精度達0.002mm/M的電子水平儀(或數(shù)位角度檢測裝置)調(diào)校地腳支撐水平精度，檢測實驗機臺的扭曲精度與運動直線度變化情形，希望透過數(shù)位化的精密工具，檢測施加于螺栓的扭矩數(shù)值與提升機臺水平精度。實驗結果指出：如圖十三藉由數(shù)位扭力板手與電子是水平儀搭配進行地腳支撐力調(diào)整，可以達到1um/m的水平調(diào)整精度，如此可均勻調(diào)整各地腳負載力量，提升機臺基礎支撐精度。圖十四是透過以三點支撐為基礎，進行目標機臺精密地腳調(diào)校實驗前、后的機臺直線精度與平面扭曲精度量測結果，機臺Y軸的平面扭曲精度由9.52um改善為4.31um，精度提升50%以上。

數(shù)控機床地腳調(diào)校水平精度調(diào)校導航模組
目前國內(nèi)采用的大多數(shù)都是氣泡水平儀，不僅精度僅達0.02mm/M，操作時也需要較多經(jīng)驗，要便捷快速的實施高精密水平調(diào)整有一定的操作門檻，此外氣泡水平儀量測結果也需自行換算轉換成傾角誤差和自行紀錄，氣泡水平儀工具使用的限制導致不易提升業(yè)界機臺水平精度調(diào)校的技術能量，也限制了量測結果數(shù)位記錄與應用的發(fā)展。

為了讓一般操作人員也能迅速準實的進行機臺水平精度，降低水平精度調(diào)教技術門檻，精機中心以電子水平儀為量測工具，透過：整合無線通訊、訊號處理、水平精度原理探討、APP軟體開發(fā)與實驗測試等技術，如圖十五所示針對開發(fā)機臺水平精度調(diào)校導航模組，目前已進行引導模組的雛型裝置測試。這種透過以電子水平儀作為量測工具，并將量測精度結果透過無線傳輸?shù)絺�人的可攜式電子裝置顯示，藉由水平精度調(diào)校導航模組的計算，并引導操作人員進行機臺地腳支撐水平精度的調(diào)校、與完成水平精度紀錄等工作。



優(yōu)化數(shù)控機床地腳設計，提升機臺性能與精度狀態(tài)

數(shù)控機床的地腳直接影響機臺的精度、性能與穩(wěn)定性，是支撐機臺的基礎關鍵組件，本文說明了地腳使用常被忽略的狀況，以及地腳支撐性能提升所衍生的優(yōu)勢，并藉由分析與實驗探討改善地腳支撐性能與提升機臺水平精度的措施，得到以下的成果：

(1)透過增加地腳螺栓與墊鐵的接觸面積(例如：接觸R角設變)，可以減少地腳模組接觸變形，增加接觸剛性，增加機臺結構的自然頻率，改善動態(tài)性能。目前業(yè)界一些機臺地腳螺栓接觸半徑約在3mm～8mm，顯示在設計地腳接觸半徑有些許增加的空間。

(2)地腳螺栓與墊鐵間的表面粗糙度較佳，其會有較小的接觸變形量；而墊鐵材質(zhì)使用S45較FC30有更佳的接觸剛性。由于業(yè)界目前使用機臺支撐地腳接觸面多為初坯或粗加工型態(tài)，且未考慮使用材質(zhì)的差異性，本文成果將有助于提供業(yè)界作為改善地腳接觸性能的實施參考。

(3)采用數(shù)位式扭力板手+高精度電子水平儀等設備，協(xié)助行調(diào)教進行機臺水平精度調(diào)整，可透過數(shù)位扭力板手檢測與掌握施加地腳螺栓的扭矩，借此確保地腳承受負載的均勻性，并透過電子水平儀的應用改善氣泡水平儀在使用與精度的限制因素，進一步提升數(shù)控機床地腳支撐的水平精度與穩(wěn)定性。

(4)發(fā)展以電子水平儀為檢測工具的機臺水平精度調(diào)校導航模組，透過便捷的數(shù)位化水平精度調(diào)校引導工具，可提供產(chǎn)業(yè)界人員克服目前在機臺水平精度精密檢測與調(diào)校的困難點，對提升機臺在組裝制造與應用時的幾何精度與穩(wěn)定性表現(xiàn)，有相當?shù)闹�益，并符合機臺數(shù)位化組裝潮流的發(fā)展的趨勢。

此外，能充分發(fā)揮機臺性能的地腳布局設計也不能忽略，因此在設計階段針對機臺支撐地腳的布局，可以妥善運用3D繪圖軟體與有限元素分析，例如以3D軟體求得機臺重心，機臺床身水平與垂直軸線的運動直線度為設計目標，以地腳的數(shù)量和間隔為設計變數(shù)，進行滿足床臺在自重變形下較佳直線運動精度的分析，得到優(yōu)化的地腳螺栓布局設計[11]，借此良好的地腳支撐來提升機臺性能與精度狀態(tài)。