本文在国家自然科学基金(No.51275067和No.51375065)、国家科技支撑计划(No.2011BAF11B03)、国家科技重大专项(No.2012ZX04010-011-03)的资助下,以机床结构设计为背景,针对由机构运动简图到结构化设计的瓶颈问题进行了深入研究,取得了显著进展,其研究结果已在大连机床集团、沈阳机床集团等多个机床制造厂商的多类机床中得到了工程应用。主要研究内容如下:(1)机床开式运动链结构构型设计方法与静态精度模型。基于机床运动轴类型,从机构开式运动链出发,建立构件与运动副的关联矩阵,提出构件简单几何实体间相对几何位置关系的方位矩阵,通过机架变换和矩阵布尔运算,形成矢量化求解机构开式运动链的整体结构布局方案,计算得到机床运动链的结构型谱。建立开式运动链及其构件的静态力学模型和精度模型,结合构件尺寸,求解出各个构件联接面的载荷,为后续机构开式运动链单元和构件结构方案设计提供载荷依据。(2)运动副与机构单元的结构方案设计方法。分别研究移动副、回转副和螺旋副的运动约束特征和结构方案形成机理,建立点、线、面等基本几何元素的约束向量与约束特征,定义了运动副约束向量及其运算规则,通过约束向量的运算、分解和匹配,构建运动副结构型谱。引入机构联接矩阵的集合运算,获得直线进给单元螺旋进给机构和主轴回转单元的结构方案集,为运动副和机构单元结构设计提供有效途径(3)典型零件的结构方案设计方法。将构件结构设计问题转化为考虑联接面的连续几何空间结构载荷路径寻优问题,首次提出构件结构化的四步曲——复杂零件结构设计的“概念-单元”方法,主要分为几何物理模型设计、概念单元设计、强度刚度设计、工艺造型设计4个步骤。利用该方法完成了立式加工中心主轴箱、立柱、床身、滑座、工作台的5大典型零件结构方案设计。(4)机床整机结构方案与性能分析。建立机床结构构型、运动副与单元方案、典型支承件结构方案三者之间的关系,搭建机床整机方案矩阵,构建机床整机结构方案。同时,建立机床整机结构对应的静态位移矢量机构模型,分析机床主轴单元和整机结构性能,包括静态变形和动态特性。为面向精度/性能的机床整机结构设计做出了非常有意义的探索。(5)机床整机与单元结构性能试验。依据机床空间的典型工况位置,分析机床整机静、动态性能试验原理,设计其相应的试验方案,经过测试分析,机床的整机静、动态性能均满足设计要求。主轴回转单元试验表明主轴回转单元满足其设计工况要求。对机床整机和主轴单元进行了静态和动态性能测试,通过与理论计算分析结果的比较,表明本文结构设计方法、结构方案和计算模型的合理性与有效性。