装备制造业是国民经济的基础性产业，而机床是制造业必不可少的生产工具和工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。随着绿色制造的不断兴起，机床的设计正逐渐向轻量化方向发展，即在保证机床产品动静态性能的前提下，实现节能减材。机床立柱是加工中心的主要承载结构，其自身重量较大。对立柱结构进行轻量化设计可显著降低机床整机质量，对提高机床性能、降低制造成本、节能环保等都具有重要意义。本文结合国家科技重大专项，对HMC80高速卧式加工中心的立柱部件进行了轻量化设计，取得的研究成果如下：（1）论述了国内外高速加工中心及其轻量化的研究现状，总结了机床结构轻量化的发展趋势，比较了国内外研究的差距和异同点，提出了高速卧式加工中心在具体工况下的轻量化设计总体方案。（2）对机床立柱结构进行了动静态分析，并通过模态试验验证了立柱模型的正确性。在立柱动静态特性分析的基础上，得到了立柱结构优化需满足的动静态性能指标。（3）运用灵敏度分析法对立柱进行了结构尺寸优化设计。经过对可优化尺寸和目标函数的灵敏度分析计算，确定了立柱结构的最优尺寸。优化结果表明，优化后立柱的重量较原结构减轻了8.7%。（4）基于拓扑优化的立柱结构轻量化设计。首先以立柱设计区域的体积为约束，以结构前5阶固有频率为优化目标，建立了立柱结构拓扑优化数学模型，通过迭代计算得到用于指导结构优化的密度云图，并对优化结果进行了可制造化处理和有限元分析。结果表明，在结构刚度、模态频率略有提高的基础上，经过结构尺寸和结构拓扑综合优化，得到的新立柱重量较原结构下降了16.2％，轻量化效果明显。本文通过对高速卧式加工中心的轻量化研究，为我国起机床大件轻量化技术提供了理论和实例依据，也对整个机床行业向轻型化、节能化方向的发展起到了一定的推动作用。