数控机床与同类普通机床在结构上虽然十分相似，如数控机床和普通机床一样具有床身、立柱、导轨、工作台、刀架等主要部件，但是为了与数控机床的高加工精度、高速切削相匹配，对这些部件的结构设计还提出了高精度、低惯性、低摩擦、高谐振频率、适当的阻尼比等要求，使数控机床达到预定的各项性能指标。为此，数控机床的机械结构设计应从以下几个方面入手。
（1）自动保证稳定的加工精度。图7-2所示为普通机床和数控机床，从控制零件尺寸的角度分析，两者是有很大差异的。在普通机床上加工零件时，操作者直接检测零件的实际加工尺寸，对比图纸要求后，调整操作以修正加工偏差。操作者实际上起到了测量、调节和控制装置的作用，由他完成了测量、运算、比较和调节控制的功能。可以说操作者实际上处于控制回路之内，是控制系统的某些环节。在数控机床上加工零件时，一切都按预先编制的加工程序自动进行，操作者只发出启动命令，监视机床的工作情况，在加工过程中并不直接测量零件尺寸，而是由数控装置根据程序指令和机床检测装置的测量结果，控制刀具和零件的相对位置，从而达到控制零件的目的。
这样，如果由于数控机床的温升引起热变形、导轨磨损、刀具磨损、机床—刀具—零件的工艺系统的弹性变形，以及进给运动的定位误差等因素，使刀具和零件的相对位置偏离了理论值，将造成零件的加工误差。因此，在设计数控机床时，对于影响机床加工精度的各项因素，如机床的刚度、抗振性、摩擦磨损、温升及热变形、进给运动的定位精度等，都应给予足够的重视。
图7-2 普通机床与数控机床的差异
（2）提高加工能力和切削效率。由于数控机床比较昂贵、投资较大，为取得与投资相应的经济效益，应使数控机床的实用效率高，承受负荷的能力大。机床上总是采用工作能力最强的刀具，来最大限度地提高切削效率。数控机床的传动功率比普通机床大，以适应切削效率不断提高的需要。因此，数控机床的结构要有良好的刚性、抗振性、抗振能力、承载能力和使用寿命。
（3）提高使用效率。在数控机床上加工零件的单价工时，往往只有普通机床的1／4，甚至更短。这是因为，一方面数控机床提高了切削效率，缩短了切削时间；另一方面，在数控机床上还采取各种措施来缩短辅助时间。数控机床是全自动化机床，从自动化的控制原理上，将变速操作、尺寸测量等辅助时间减到了最短。此外，还尽量缩短装卸刀具、装卸搬运零件、检查加工精度、调整机床等辅助时间。加工中心即自动换刀的数控机床正是在这种思路的指导下发展起来的，它具有自动换刀、零件自动转位或分度等功能，使零件在一次装夹后可以完成多个表面的多种工序加工。因此，机床上必须具有完成这些辅助动作的自动化结构与部件。
综上所述，数控机床的功能和设计要求与普通机床有着很大的差异。数控机床机械结构设计的目的可以归纳为以下几方面：具有切削功率大，静、动刚度高和良好的抗振性能；具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；具有实现辅助操作自动化的结构部件。
当然，有关提高静、动刚度高，抗振性能，热稳定性，几何精度等方面的要求和结构措施，对于普通机床和数控机床的设计是一致的，但是要求的程度是有差异的。对于普通机床的结构进行局部的改进，并配上经济的简易数控装置，使之成为数控机床，这是现有普通机床进行数控化的途径。但是不能因此就认为，将数控装置与普通机床连接在一起就可以构成一台数控机床。
2）数控机床机械结构的设计要求
（1）提高数控机床构件的刚度。同普通机床一样，在机械加工过程中，数控机床将承受多种外力的作用，包括机床运动部件和工件的自重、切削力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等，机床的受力部件在这些力的作用下将产生变形。因此，普通机床结构设计时提高刚度的措施在此同样适用。在此基础上，数控机床还可以通过床身形式的变化等来提高构件的刚度。
按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身可分为平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身4种布局形式，如图7-3所示。一般来说，中、小规格的数控机床多采用斜床身和平床身斜滑板，大型数控机床和小型精密机床多采用平床身，立床身采用较少。同样受力情况下，如图7-4所示为平床身和斜床身时床身的受力情况。当两种床身截面积和转动惯量相同时，斜床身将能改善受力条件以提高刚度。
图7-3 数控机床的布局形式(www.xing528.com)
图7-4 平床身和斜床身的受力情况
图7-5 数控车床的床身截面结构
此外，将斜床身设计成封闭式截面，也能提高床身的刚度，如图7-5所示数控车床床身截面结构。
（2）增强数控机床结构的抗振性。提高数控机床结构的抗振性，可以减小振动对加工精度的影响。具体措施可以从减少内部振源、提高静刚度、增加阻尼等方面着手。
①减少机床的内部振源。机床的内部振源有多种，可采用以下措施尽量减小振动：对机床高速旋转的主轴、齿轮、带轮等进行动平衡实验；对装配在一起的旋转部件要保证不偏心，并且尽量消除其配合间隙；对机床上的电动机和液压泵、液压马达等旋转部件安装隔振装置；在断续切削机床的适当部位安装飞轮等。
②提高静刚度。提高机床构件的静刚度，调整构件和系统的固有频率，以避免共振的发生。提高静刚度的具体措施与本书6.2.3节相同。
③提高阻尼比。增大阻尼可提高动刚度和自激振动稳定性。因此，可以在机床构件内腔填充混凝土等阻尼材料来提高结构的阻尼特性。
（3）减小机床的热变形。数控机床由于各种热源散发的热量传递给机床的各个部件，会引起各部件的温升，使其产生热膨胀，因此会改变刀具与工件的正确相对位置，进而影响加工精度。为了保证机床的加工精度，必须减少机床的热变形，常用措施如下。
①控制热源和发热量。在机床布局时，应尽量减少内部热源，可考虑将电动机、液压系统等置于机床本体之外。另外，加工过程中产生的切屑也是一个不可忽视的热源，需要在工作台和导轨上设置隔热防护罩，隔离切屑的热量，并尽快将切屑排到机床之外。
②加强冷却散热。对于难以分离出去的热源，可采取散热、冷却的方法来降低温度，减小热变形。现代数控机床，特别是大型加工中心，多采用多喷嘴、大流量冷却系统直接喷射切削部位，可迅速将炽热的切屑带走，使热量排出。
③改进机床布局和结构形式。如图7-6所示，将数控机床主轴的热变形方向与刀具切入方向垂直，可以使热变形对加工精度的影响降到最小程度。
图7-6 刀具切入方向与热变形方向垂直
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