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随着航空航天、轨道交通、大型发电设备及高精密仪器仪表等国内高端制造业的迅猛发展,装备制造领域对加工零件的表面质量和几何精度提出了更高的要求,这也促使机床朝着高效率、高速度、高精度方向发展。同时,在激烈的市场竞争中,机床生产厂商也必然要通过控制制造成本,来提高产品优势。然而传统的经验与类比设计等方法已远远不能满足现代制造业的发展需求。因此,在机床的结构设计中引入现代的优化设计生产理念制造出高性能、低成本的机床设备显得尤为重要。本文以XHGS256龙门加工中心为研究对象,目的是寻求一种针对加工中心的高刚度、轻量化的优化设计方法。为此,本文结合龙门加工中心关键零部件及整机的设计与优化问题主要展开了如下研究工作:应用SolidWorks三维设计软件建立了加工中心整机的三维数模,然后利用有限元分析方法获得原立柱及横梁的静动态特性,通过与机床性能指标进行对比分析,进而找出薄弱环节,并从中提取具体数据,为后续的结构优化奠定了基础。针对立柱及横梁关键部件的性能缺陷,采用拓扑优化及尺寸优化相结合的设计方法。利用拓扑优化方法获得了立柱和横梁的概念设计模型,进而对结构进行详细的尺寸优化设计。最后运用有限元方法对优化后的结构进行性能分析,结果表明:新立柱结构质量减少6.16%,最大变形降低38.63%,一阶固有频率提高8.40%;新横梁结构在质量基本不变的情况下,最大变形减少17.69%,一阶固有频率提高29.04%;均满足设计指标要求。最后,为实现加工中心整机的轻量化,本文采用试验设计的方法筛选出了对整机性能影响显著的设计变量,然后运用自适应响应面法实现对加工中心整机静态、动态的多目标尺寸优化设计。最终在满足刀头变形指标的前提下,相比于初始整机结构,1、2阶固有频率分别提高了5.13%和19.64%,整机质量降低16.05%,轻量化效果显著。本文对XHGS256龙门加工中心关键部件的结构优化与整机多目标尺寸优化的工作表明,在机床设计阶段,采用现代的优化设计方法能够有效地提高机床静、动态性能并实现结构的轻量化设计。