数控机床结构设计是高端装备制造业的重要组成部分。随着我国制造业转型升级面临重要战略机遇,亟需加快数字化结构设计进程,快速掌握机床结构薄弱环节,研究数控机床设计开发、分析评估、改进优化成为亟待解决的主要问题。基于此,本课题提出立式加工中心支承系统的结构优化设计。它是以支承件为基础,通过分析涵盖静联接与动联接的支承系统静态性能,研究系统静态精度对支承件位移参数的敏感程度,获取高影响程度支承结构,设计或优化其结构的设计方法。本课题受国家科技重大专项(NO.2012ZX0401001 1)资金支持。延续课题组所提出的支承件模型化设计、拓扑优化设计、结构方案设计和性能计算与评价的设计流程,研究支承系统的有限元静态分析,在模拟支承系统位移场的基础上进行支承件与静态精度的关联工作,提炼出支承系统的结构优化设计方法。本文围绕着立式加工中心支承系统的设计过程开展了以下工作：1.立式加工中心支承系统的有限元静态分析。以三轴立式加工中心为研究对象,具体阐述了有限元法理论基础,概括有限元静态分析的运算方法、计算流程和实例应用,涵盖物理模型建立和螺钉、滚动导轨副有限元等效,模拟切削载荷下机床的静态位移场。2.立式加工中心支承系统的敏感性分析。通过拓扑结构描述机床支承件的相互邻接关系,基于齐次坐标变换描述各支承件位移参数与静态精度的关联关系,以敏感性形式完成支承件位移参数对机床静态精度的影响程度。结果显示,立柱是该立式加工中心支承系统的薄弱环节。3.立式加工中心整机静刚度试验。明确了机床整机的静刚度测试过程,包括试验原理、试验仪器和试验过程,总结测试中的注意事项,记录了梯度载荷下机床的相对位移。通过对试验数据进行对比分析,验证了支承系统有限元静态分析、支承件位移参数与静态精度关联模型的有效性。4.立式加工中心支承结构的优化设计。基于敏感性分析结果,以支承系统静态精度影响明显的立柱为例进行了拓扑优化设计,提出了结构单元的设计方法。在此基础上,将该机床的刀尖最大变形量作为优化设计的目标,兼顾支承系统的质量与固有频率,建立了支承系统中涉及立柱壁板和结构单元的尺度优化设计方法。最后,立式加工中心支承系统在保证质量相对不变的条件下,对比分析了新设计方案与原方案的性能,其结果刚性提高了5%-1l%。