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数控机床由数控系统、伺服驱动系统、电动机、测量系统、控制介质、辅助控制装置、机械传动系统、液压系统、机床主机等组成。
数控系统综合了数字控制、逻辑控制、驱动及检测技术，是数控机床的核心。伺服驱动系统及电动机接收数控系统的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。测量系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，将信息反馈回来，构成闭环控制。控制介质是数控零件工艺程序，包含工艺编程、CAD/CAM（计算机辅助设计/制造）、加工所需的全部动作和刀具相对于工件的位置信息，可用U盘、CF卡、计算机等外设通信传入数控系统。辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压等部件之间的弱电和强电控制装置。机械传动系统包括滚珠丝杠、齿轮、轴承等。液压系统包括静压、轴液压夹紧等。机床主机是数控机床的主体，包括床身、立柱、导轨、主轴、进给机构等机械部件。
数控电气系统广泛应用于数控车床、铣床、磨床、冲床、加工中心、深孔钻床、落地镗床、龙门铣床、齿轮加工机床和自动化生产线等。
数控与伺服驱动系统的位置控制是基于闭环反馈控制原理，位置闭环控制系统由位置环、速度环和电流环构成。位置环由数控系统中的位置控制器、位置检测装置及位置反馈组成，是主环；速度环由伺服系统中的速度控制器、伺服电动机、速度检测装置及速度反馈组成，是外环；电流环由电流控制器、功率变换、电流检测装置及电流反馈组成，是内环。CNC机床闭环反馈控制示意图如图1-1所示。
数控系统三大组成：控制系统+伺服驱动系统+位置测量系统。
图1-1 CNC机床闭环反馈控制示意图
控制系统：CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。CNC的基本功能是由各种功能子程序来实现的。例如译码子程序、刀具半径补偿子程序、插补子程序、诊断子程序等。插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干中间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点的计算精度又影响整个CNC系统的精度，插补算法对整个CNC系统的性能指标至关重要，所以说插补是整个CNC系统运动控制软件的核心。
在位置控制中，根据插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈所得到的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换得到速度控制指令，发送到伺服驱动系统。数控系统要求伺服系统正确、快速地跟随控制指令信息，执行机械运动。同时，位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈给数控系统以保证位置控制精度。位置闭环的伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统，在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称为跟踪系统或随动系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。
伺服驱动系统：伺服驱动系统由伺服电动机、功率变换器、传感器以及控制器构成。它是数控系统和机械传动部件间的连接环节，把控制系统的进给位移量等信息转换成由伺服电动机驱动机床的进给运动，伺服控制的最终目的是进行机床工作台或刀具的位置控制。它根据数控系统插补运算生成的位置命令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
交流伺服驱动系统包括伺服驱动装置与交流伺服电动机。交流伺服驱动装置采用电流内环和速度外环的双闭环PI调节器控制，双闭环具有良好的静动态特性。它通过控制供给交流电动机电源的频率来达到调速的目的。其主要部分由一个把交流变成直流的整流器和一个把直流变成频率可变的交流逆变器组成。
速度环（外环）：当速度控制指令给出时，有一个较大的速度偏差指令信号加到速度调节器的输入端，放大器输出信号增大，控制变频器调制输出电压与频率提高，电动机转速相应上升。同时，测速机输出实际信号增加，当它接近或等于指令信号时，系统达到动态平衡，电动机即以要求设定的转速稳定运转。当系统受到外界干扰，如负载增大时，转速下降，这时测速机的输出信号下降，速度调节器的输入偏差信号增大，其输出相应增大，使电枢电压提高，电动机转速迅速恢复到要求值。
电流控制环（内环）：电流环起调节作用，用以维持或者调节电流。电流调节器有两个输入信号，即速度调节器的输出信号和主电路的电流反馈信号。在电动机转速由于惯性尚未变化之前，首先引起电枢电流降低，电流实际反馈值减少，有一个较大的电流偏差指令信号加到电流调节器的输入端，从而使电流调节器输出信号增加，控制变频器使电压恢复到原来值，电流实际反馈值相应增加，以抑制主回路的电流变化。当电流指令值为阶跃信号时，电流调节器有一个很大的输出值，但其输出只能是最大饱和值，此时电枢电流最大，从而使电动机在加速过程中始终保持最大转矩和最大加速度，以使起动或制动过程最短。
位置测量系统：检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统来修正控制指令，测量元件包括光栅尺、编码器等。
由于机械传动环节也包含在位置闭环控制中，机械间隙缓冲、负载扰动等也将作用在电动机转子上，使位置控制难度加大。为达到较好的控制效果，要合理匹配和调整三个闭环反馈环节的参数，优化控制；也可采用特殊的控制方法，如负载扰动的前馈控制、自适应控制等。
机械负载依据电动机的转矩，机电运动方程可表示为
式中， J 为计算出的转动惯量； ω r 为转子角速度； T L 为机械负载的转矩； D 为粘滞摩擦系数。
式（1-1）为机电一体化参数的匹配和调整提供了重要依据。
设置各轴的增益和加速度参数时，在不振荡的条件下，尽量增大增益系数，增加伺服系统的刚度，减小跟随误差，提高定位精度；在满足上述机电运动方程的条件下，尽量增大加速度，以保证闭环控制的惯性环节和加速特性相匹配，尽量增加增益和加速度可以有效地解决低速爬行问题。正确调整三个闭环控制环节中的增益与加速度的比例关系，使位置、速度、电流控制环在闭环控制中既能快速响应又无过度超调，高速平稳运行而不振荡。在机械负载变化时，可以精确调整伺服系统闭环控制参数，做到低速无爬行而高速不振荡，高速准确定位。伺服系统中所采取的一切措施都是为了保证进给运动的位置精度。闭环反馈控制系统主要解决系统的偏差和扰动问题，使机床稳定地运行。
在数控机床中，伺服驱动系统接收数控系统发出的位置或速度指令，经驱动器放大后，由伺服电动机和机械传动机构驱动机床轴运动。机床技术水平的提高，首先依赖于进给伺服和主轴驱动特性的改善及功能的扩大，伺服系统的特性一直是影响系统加工精度及性能的重要指标。
数控机床对进给伺服系统的要求：
1）保证数控机床高的定位精度和加工精度。要求定位精度和轮廓切削精度能达到机床要求的指标。而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，要求静态和动态稳速精度好，这是伺服系统静态与动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统定位精度的分辨率一般要求达到1μm，甚至0.1μm。伺服系统接收CNC送来1个指令脉冲，机械相应移动的单位距离称为分辨率，超高精度数控机床分辨率甚至可以达到纳米级（0.001μm）。
2）调速范围宽。为保证在任何情况下都能得到较佳的切削条件，既能满足低速进给切削，又能满足高速移动，就要求进给伺服驱动系统必须具有足够宽的调速范围和优异的调速特性。
3）快速响应无超调。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度值，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就要求伺服系统的动态过渡过程时间要短，在伺服系统处于频繁地起动、制动、加速度等过渡过程中，过渡时间要在200ms以内，甚至要小于几十毫秒，而且速度变化时不应有过大超调；为了满足快速响应要求，超调过渡过程的前沿要陡，亦即上升率要大，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振动。快速响应动态特性好，提高伺服刚性，可以有效地抑制负载突变等扰动问题，这样才能得到光滑的加工表面。
4）具有较好的传动刚度和速度稳定性。位置环、速度环和电流环是基于闭环反馈控制，给定与负反馈信号的差值运算作为三个环节的指令信号，经过三个环节控制器放大处理后，提高伺服刚性，停止时静态差值为零，要求做到无静差控制。为此要求伺服电动机在低速进给驱动时要有大转矩输出，恒转矩控制克服了机床低速爬行问题，在速度为零时要求电动机有足够的电磁转矩以维持定位精度，定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服力锁定状态。伺服系统应具有良好的稳态和动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性好的系统，速度受负载力矩变化的影响很小。伺服系统要具有优良的静态和动态特性，解决好偏差和扰动问题。
由于数控机床对运动控制的要求很高，需要有良好的动态特性、大的调速范围和精确的位置控制精度，因而它需要特殊的伺服电动机。西门子的驱动系统一般采用同步伺服电动机，运用矢量控制原理。同步伺服电动机的转子上有交错分布的磁极，因而需要有相应的检测转子位置的检测元件，更换这些检测元件时也需要重新调整。
伺服电动机工作在最低转速和额定转速之间的恒转矩区。主轴电动机在最低转速到额定转速之间工作于恒转矩区，在额定转速到最高转速之间工作于恒功率区。
电动机的性能通过基本参数和主要技术特性指标来表示，基本参数包括转矩、转速、功率、频率等。
对于电动机，在恒转矩范围内功率与转速成正比，在恒功率范围内转矩与转速成反比。
转矩 M 、转速 n 、功率 P 的关系满足：
永磁同步伺服电动机在一定范围内，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速旋转。转速 n 、频率 f 的关系为
式中， f 为电源频率； p 为磁极对数。
可见，转速在一定范围内与频率成正比。
主轴电动机是精密的异步电动机，其原理和一般的笼型电动机原理相同，由于采用转差频率矢量控制方式，在这类电动机的尾部安装有脉冲编码器。异步电动机定子气隙侧的槽内嵌入三相绕组，当电动机通入三相对称交流电时，产生旋转磁场。这个旋转磁场在转子磁场导条中感应出电动势。由于感应电动势产生的电流和旋转磁场之间的作用产生转矩而使电动机旋转。
同步伺服电动机与异步伺服电动机最大的不同就是转子的结构不一样。同步伺服电动机的转子上有交错分布的磁极，因而需要有相应的检测转子位置的检测元件，更换这些检测元件时也需要重新调整。主轴电动机的转子与笼型电动机的转子一样，由于没有磁极，因而不需要相应的检测转子位置的信号。
在加速与低于额定转速制动时，主轴电动机具有恒转矩特性。主轴电动机工作在额定转速和最高转速之间的恒功率区。由于要达到很大的调速范围，主轴的额定转速一般都很低。
常用的SIEMENS主轴电动机有：1PH2/1PH4/1PH6/1PH7。
1PH2：液冷式主轴电动机。
1PH4：水冷式主轴电动机。
1PH6：风冷式主轴电动机。
1PQ5与1LA5/6：风冷式标准交流电动机。
1PH7主轴电动机编码器型号ERN1381，没有附加的C相与D相信号，故更换编码器不需要重新调整。
对于同步交流伺服电动机，主要参数有额定转矩、额定转速、转动惯量、径向受力以及过载能力等。在额定速度范围内，转矩的变换很小，可认为是恒定转矩，同步矢量控制，具有较好的动态特性。
SIEMENS常用的同步交流伺服电动机有：1FT5/1FT6/1FT7/1FK6/1FK7。
1FT5：可与SIMODRIVE610/611A配合构成模拟驱动系统，可连接具有模拟接口的数控系统，如SINUMERIK810/820/850/880/840C。
1FT5电动机用测速发电机来检测速度。
1FT5电动机用均分在电动机圆周上的霍尔元件来检测转子的相对位置。
1FT5电动机是采用方波电流的恒磁同步电动机。
1FT6/1FK6/1FK7：这几种电动机可与SIMODRIVE611D/611U配合构成数字驱动系统，可连接具有数字接口的数控系统，如SINUMEIK802D/810D/840D/840Di。这几种电动机的定子绕组结构与1FT5不一样，使得电动机的电流更接近于正余弦波形。这几种电动机用一个位置编码器来检测电动机速度。
1FK6与1FT6电动机的原理一样，只是在机械结构上有所区别。1FK6较1FT6经济；1FK7是在1FK6基础上开发的，机械接口完全与1FK6电动机兼容，但性能有所提高。
电主轴的特点是主轴电动机被集成到主轴的机械部件中，构成一个整体结构的主轴系统。要解决好电主轴的振动、散热、支承、轴承、润滑、冷却和制造等相关技术问题。
根据电主轴内装电动机的控制方式，可分为普通交流变频电主轴和交流伺服电主轴两类；根据电主轴内装电动机的输出特性主要分为恒转矩和恒功率两类。
高速加工技术的特点是：
（1）高速轴承技术 主轴通常采用复合陶瓷轴承，特点是耐磨、耐热，其寿命是传统轴承的几倍，也可采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。
（2）高速电动机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡。
（3）润滑 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑，也可采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每间隔一定时间加入一次油；所谓定量，就是通过一个称为定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的加注油量。而油气润滑指的是润滑在压缩空气的携带下，对高速加工电主轴陶瓷轴承的润滑。油量控制很关键，如果太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
（4）冷却装置 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。
（5）内置脉冲编码器 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。
（6）自动换刀装置 为了适应加工中心工作，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟簧、刀具拉紧液压缸。
（7）高速刀具的装夹方式 广泛采用HSK、SKI等高速刀柄。
（8）高频变频装置 要实现电主轴转速达到几万甚至十几万转/分，必须采用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达几千赫兹。
直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以直接线性驱动，原理与旋转同步交流伺服电动机相同，可以看成是将旋转同步交流伺服电动机展开铺平而成的。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级，当在直线电动机的初次绕组中通入三相对称电流时，便会在气隙中产生磁场，这个气隙磁场可以看成沿展开的直线方向呈正弦分布。当三相电流随时间变化时，气隙磁场沿直线移动，磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度一致，主级与次级相互作用，最终，拖动次级沿磁场的运动方向做直线运动。直线电动机的特点是：结构简单，加减速特性好，动态响应快，速度快，精度高，电流直接转化为运动，没有机械传动系统的能量损耗和迂回。直线电动机的冷却回路分为一次侧初级的主冷却回路和精冷却回路，二次侧次级的冷却回路。
西门子直线电动机有1FN1、1FN3两个系列。
力矩电动机又称为转矩电动机或直接驱动电动机，是永磁同步电动机。其特点是：电动机极对数多、转矩大、速度低，对负载直接驱动，保证了最高的动态响应和精度，电流直接转化为运动，没有机械传动系统的能量损耗和迂回，集成的水冷系统抑制电动机温升。
西门子力矩电动机有1FW3、1FW6两个系列。
（1）伺服电动机测量系统 伺服电动机编码器用于检测转速，作为速度反馈，编码器也可以检测电动机转动角度位置反馈，用于半闭环控制。
（2）电动机测量系统调零 增量编码器安装时，需要调电动机转子的位置与编码器零脉冲之间的角度，而不需要调零点，以后每次通电需要靠零脉冲找零点。绝对值编码器安装时，需要调电动机转子的位置与编码器零脉冲之间的角度，安装好后，需要重新确定绝对值零点。调零仅针对同步进给电动机（直线轴、旋转轴），主轴异步电动机不需要找零点。
调整电动机转子的位置与编码器零脉冲之间的角度。调此角度的原因是在永磁伺服驱动系统中，电动机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。编码器的位置不对，会影响电动机的运行，如运行不平稳，电流过大等，甚至会影响电动机的使用寿命，有时相应数控系统会有报警。
（3）不同类型电动机的差别 主轴电动机的转子与笼型电动机的转子一样，由于没有磁极，因而更换编码器时，不需重新调整转子位置角度，直接更换即可（无须对标记）。
1FT5电动机用均分在电动机圆周上的霍尔元件来检测转子的相对位置，更换编码器（如有）时，不需重新调转子位置角度，直接更换即可（无须对标记）。有的1FT5电动机仅有测速机，无内置编码器。
1FT6/1FK6/1FK7电动机用编码器两个C相与D相的正余弦信号来检测电动机转子的位置，更换编码器后，需重新调电动机转子的位置与编码器零脉冲之间的角度，对标记或者调参数（840D：MD1016）。1FN1/1FN3直线电动机与1FW3/1FW6力矩电动机同1FT6/1FK6/1FK7一样，重新调电动机转子位置与编码器零脉冲之间的角度只能通过840D：MD1016来进行。1FN1/1FN3直线电动机与1FW3/1FW6力矩电动机本身不带编码器。
（4）位置反馈测量系统（位置环）位置反馈是数控的重要组成部分，由位置反馈元件直接或间接测量执行部件的实际进给位移量，反馈到数控装置并与指令位移量进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位实现位置的闭环控制。使用编码器检测伺服机构滚珠丝杠的转角，间接检测移动部件的位移称为半闭环位置控制系统；使用光栅尺直接检测滑台等移动部件的位移称为全闭环位置控制系统。光栅分为直线光栅和圆光栅。
传动部件包括丝杠、轴承、齿轮箱、导轨、主轴传动等。机械传动系统的改造应满足数控伺服驱动系统的要求：
1）尽量采用低摩擦的传动副，减小摩擦力。如用滚动导轨、滚珠丝杠螺母副。
2）尽量缩短传动链，采用预紧的方法提高传动系统的刚度。
3）尽量消除传动间隙，减小反向间隙。如采用双齿轮加预紧力的消隙结构。
4）尽量采用高质量、高精度、大传动转矩的传动元件，满足低振动和高可靠性等方面的要求。
（1）液压系统的组成 液压系统由动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸）、控制元件（液压阀）、辅助元件、工作介质（液压油）、液压回路等组成。
1）动力元件：作用是利用原动机的机械能把液体转换成液压能，是液压传动中的动力部分，包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵。
2）执行元件：作用是将液压能转换成机械能。其中，液压缸做直线运动，包括活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸、组合液压缸；液压马达做旋转运动，包括齿轮式液压马达、叶片液压马达、柱塞液压马达。
3）控制元件：作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。控制元件包括方向控制阀（单向阀、换向阀）、压力控制阀（溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器）、流量控制阀（节流阀、调速阀、分流阀）。
4）辅助元件：它是对完成上述主运动起辅助作用的元件，对保证液压系统正常工作有着重要作用。辅助元件包括蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计、密封装置等。
5）工作介质：指液压传动中的液压油或乳化剂等，通过液压泵实现能量转换。
6）液压回路：包括泵供油回路、方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路等。
（2）液压系统技术
1）液压技术：是以液体作为工作介质，通过各种液压元件实现能量转换、传递、控制。现代液压元件、系统及其控制已发展成为综合的液压技术，对数控机床的性能影响很大。
2）液体静压技术：液体在静止状态下受力产生的压力称为液体静压力。静液压理论建立在帕斯卡原理的基础上，即外力 F 施加于被密闭液体上产生的压力 p （ p = F/A ），迅速不衰减地沿各方向传递并以相等的压力作用在各表面上。现代大型数控机床都采用静压导轨技术。
3）液压传动技术：机器设备运动，因能源不在做功的地点，力与能量必须传递到负载，对外做功，这种传递一般都通过机械、电气、气动或液压等方式实现，利用液压的压力能来传递动力的传动方式称为液压传动。
数控机床机械主体部件包括主运动机构，进给运动机构，床身、立柱等支承部件，辅助动作机构，液压、润滑、冷却、转位和夹紧辅助装置等。