大型圆筒零件内圆专用铣床是江苏高精机电装备有限公司为大型回转体零件加工和修复设计的专用机床，由于机床的结构设计是根据经验进行，结构设计不尽合理，机床精度与西方同类机床有一定差距。机床作为装备制造业关键设备，其设计制造水平直接关系到制造业的发展水平。因此，该研究对计算机辅助大型机床设计具有良好的参考意义。本文以大型圆筒零件内圆专用铣床为研究对象，根据机床电机参数，计算其关键支承部件在正常工作情况下可能出现的最大载荷，结合Pro/E和ANSYS建立有限元模型，分析得到支承部件的静、动力学分析的最大变形量，并找出薄弱环节。确定主轴和轴承的连接关系，采用弹簧-阻尼等效替换轴承结构，建立有限元模型，进行有限元模态分析和谐响应分析。研究轴承间距、轴承布置方式与主轴固有频率之间的关系，优化后的轴承布置方案较原方案前三阶固有频率提高19%。根据立柱和伺服滑台底座的结构特点，将其看成由多个重复单元体拼接而成的结构，分析得到单元体的主要尺寸参数与其动刚度之间的关系曲线，建立单元体多目标优化模型，获得最佳尺寸参数。优化后立柱总重量减少6.4%，第1、3、5阶的固有频率分别增加了8.2%、12.6%、7.6%，伺服滑台底座重量减轻4.3%，前三阶固有频率分别增加了5.5%、4.1%和6.5%。由于该公司以前的机床设计没有有限元分析，通过这个项目为企业专用机床产品优化设计，提供非常大的帮助。采用基于单元体的结构优化设计方法，简化了结构建模过程，提高了优化设计的效率，可以应用于其它具有重复结构的机械产品设计。