三维激光切割机是一种现代加工制造行业常用的板材加工设备,与传统切割设备相比具有无污染、加工效率高、操作便捷安全等优点,已被广泛用于塑料、玻璃、陶瓷、木材、半导体和皮革等材料加工中。尽管国内已有多种型号的三维激光切割机,但依旧存在占地面积大、生产成本高的问题,且设备的加工稳定性与国外先进激光切割机相比仍有一定差距。因此,在公司实习期间,依托苏州天弘激光股份有限公司的研发团队,设计制造了一种中小型三维激光切割机。主要研究内容如下:（1）三维激光切割机方案设计:首先根据加工要求以及激光设备设计制造标准确定了激光切割机基本技术参数。结合基本技术参数和对国内外三维激光切割机设备的技术分析,确定了激光切割机整体结构的龙门高架桥式布局。设计了三维激光切割机床身、横梁和激光头的结构,以及完成对丝杠、伺服电机、导轨等主要部件的计算选型,最后利用Solidworks软件建立了激光切割机三维模型。（2）三维激光切割机主要结构仿真分析与试验验证:本文主要针对三维激光切割机结构进行分析,运用有限元仿真研究方法分析激光切割机整机及床身、横梁和Z轴组件等主要结构的静、动态特性。由静力学分析结果可知,各结构的最大位移量和应力分布情况满足设计要求且横梁结构存在轻量化优化空间。同时对三维激光切割机的整机及主要结构分别进行了模态分析,根据分析结果可知激光切割机运动组件的固有频率满足设计要求,但整机第一阶固有频率仅为39.505 Hz,且床身上方振幅较大,激光切割机稳定性有待优化。对激光切割机进行模态试验测试,结果表明其固有频率与有限元分析结果之间的误差小于12%,有限元分析结果合理。（3）三维激光切割机薄弱部位优化:针对床身支撑形式和高度尺寸进行优化改进,通过对不同形式支撑结构的静力学分析可知,当采用70°斜支撑时,床身结构的刚度最大。在添加支撑结构后,对床身进行了模态优化,得到床身高度最优尺寸,此时床身第一阶固有频率提高至52 Hz。整体优化后床身最大变形量降低了59%,最大应力降低了63%。针对横梁结构进行了轻量化设计,建立了横截面结构尺寸参数响应面模型,利用多目标遗传算法对横梁的高度、宽度、四面壁厚进行了尺寸优化,保证横梁刚度的同时将横梁质量降低了14%。最后,根据优化结果对主要运动组件进行瞬态动力学分析验证,结果表明,激光头最大位移小于0.03 mm,其结构刚度和稳定性满足实际加工要求。本课题研究的三维激光切割机,结构紧凑,制造成本较低,相应结构性能满足设计要求,为进一步开发同类产品提供了宝贵的理论经验和参考价值。