“高档数控机床和机器人”是“中国制造2025”的重点发展领域之一。为进一步提高机床产品性能,在结构件的设计中必须采用创新设计手段。拓扑优化作为计算机辅助优化最具发展前景的前沿技术之一,可以大幅提高结构设计效率和设计质量。本文运用拓扑优化技术对机床零部件进行创新设计。随着数控机床不断朝着高精度和高速度方向发展,对机床运动部件的刚度和质量提出新的要求。龙门式加工中心是一类重要的数控机床,其滑枕性能直接影响整机的性能。在结构上,滑枕刚度影响机床切削能力、效率和加工精度;在数控控制运动中,滑枕的质量对轨迹控制精度影响较大,尤其是在高速切削中,“加速度设计”的理念要求不断减轻运动部件的质量。本文在分析总结国内外相关研究的基础上,以连续体结构拓扑优化理论为基础,以计算机辅助优化技术为手段,以分析、优化、综合、定量、动态为核心来减轻滑枕的质量,提高其刚度和低阶固有频率,并提出一套用于机床结构的复合优化设计方法,即综合目标拓扑优化后进行多目标尺寸设计。主要工作如下:(1)介绍了结构拓扑优化方法和基于响应面的结构设计方法,讨论了基于SIMP的连续体结构拓扑优化的数学模型,明确本文优化问题的解决方法。(2)建立滑枕部件的有限元模型,进行静动态性能分析,得到其在极限位置加工工况和典型加工位置工况下的性能参数。(3)基于有限元模型建立滑枕部件的拓扑优化模型,采用折衷规划法定义了多工况刚度目标函数,平均功率法定义了固有频率目标函数,以滑枕目标质量定义体积分数约束条件,并分别进行目标最大化拓扑优化。在此基础上定义了综合目标拓扑优化函数,通过对比不同体积分数约束下拓扑结果的参数,选择了最优约束值,获得同时满足静动态性能目标的拓扑结构。并依此,采用逆向工程的模型重构方法,获得了基于拓扑特征的典型形状筋板的滑枕模型。(4)从“典型危险工况”设计原则出发,以参数化重构模型为对象,先筛选出对性能影响较大的关键尺寸,然后基于响应面法,运用HyperStudy进行多目标遗传算法求解关键尺寸的Pareto最优解,最后完成新设计建模以及静动态性能分析。通过对滑枕部件进行综合目标拓扑优化和基于响应面的多目标尺寸设计,优化后的滑枕较优化前质量减少16.46%,理论静刚度平均提高24.37%,低阶固有频率平均提高16.78%。以比刚度结构效能来评价,优化后的滑枕静态比刚度结构效能数值平均提升了96.70%,动态比刚度结构效能数值平均提升了37.79%,达到了良好的优化效果。为其他机床运动部件及支承件的结构优化设计提供了理论参考和相关依据。