随着智能时代的到来,智能工厂广泛推行。智能工厂即工厂无人化、自动化,其基础之一就是数控技术的快速发展。为了适应当代制造业加工要求和提高市场竞争力,数控机床的应用范围随着时代不断地扩大,进而不断地改进技术以满足需求。对于小型加工和更换加工环境方面,小型机床具有得天独厚的优势,但是机床结构优化程度不足,影响机床精度。为了满足精密加工的要求,需要对机床进行轻量化优化,以达到更好的机床精度和性能。相比较于传统数控系统所暴露出来的功能不全和人机交互界面不够人性化等问题,开放式数控有突出优势,且有利于提高数控系统柔性。基于ANSYS有限元分析理论和轻量化设计理念,借助分析软件和优化方法对机床关键部件进行设计及优化,并采用结合运动控制器和PC工控机的半闭环控制系统,在Windows系统中二次开发一套全新的开放式数控软件,进而完成一台开放式数控铣床的全部设计。首先,根据机床设计要求,对机床整机结构布局和关键部件的材料与结构进行设计,并对精度部件进行校核验证。其次借助workbench软件对主轴、横梁、立柱以及整机的静动态特性进行分析。从静刚度、强度、固有频率方面,验证所设计机床是否满足要求,寻找结构中的薄弱点和需要避免的问题,为后续优化提供方向。然后引入多目标优化设计方法和灵敏度理论。采用自响应面和NSGA-II算法的多目标法分别对机床横梁进行轻量化优化设计,并且以总变形量、质量和一阶模态频率作为目标函数进行对比,确定最佳优化方法和优化后结构参数。并且采用拓扑优化和多目标法对立柱进行轻量化优化,根据目标函数,确定最优结构。接着对轻量化后机床重新装配分析,以刚度、强度以及模态频率作为标准,和原机床进行对比,验证优化效果。最后进行了开放式数控系统开发设计,系统硬件部分根据实际机床所需要的要求进行比较和配置,对工控机、伺服系统和运动控制器进行选型并完成搭建。软件部分对开发平台和开发软件进行选择,确定数控系统框架,研究程序编程逻辑,以实现人机交互界面、代码仿真模块和文件管理模块的功能。