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现代数控机床的高速度、高精度、高效率和全自动加工等特点，要求改造机床的机械系统结构设计满足以下要求：
数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴箱等）的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。
为了提高数控机床主轴的刚度，不但经常采用三支承结构，而且选用刚度较好的双列短圆柱滚子轴承和推力角接触轴承，以减小主轴的径向和轴向变形。为了提高机床大件的刚度，采用封闭界面的床身，并采用液力平衡减少移动部件因位置变动造成的机床变形。为了提高机床各部件的接触刚度，增加机床的承载能力，采用刮研的方法增加单位面积上的接触点，并在结合面之间施加足够大的预加载荷，以增加接触面积。这些措施都能有效地提高接触刚度。
为了充分发挥数控机床的高效加工能力，并能进行稳定切削，在保证静态刚度的前提下，还必须提高动态刚度。常用的措施主要有提高系统的刚度、增加阻尼以及调整构件的自振频率等。试验表明，提高阻尼系数是改善抗振性的有效方法。
钢板的焊接结构既可以增加静刚度，减轻结构质量，又可以增加构件本身的阻尼。因此，近年来在数控机床上采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台。翻砂铸造件也有利于振动衰减，对提高抗振性也有较好的效果。
在内外热源的影响下，机床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动位置发生变化，也会引起机床精度的下降。为了减少热变形，在数控机床结构中通常采用以下措施：
（1）减少发热 机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。
（2）控制温升 在采取了一系列减少热源的措施后，热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。其中比较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。
（3）改善机床机构 在同样的发热条件下，机床机构对热变形也有很大影响。如数控机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右双柱对称，虽然双立柱机构受热后主的轴线产生的垂直方向的平移变形较大，但垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。
（4）采用内冷式滚珠丝杠 由于走刀产生大量的热量，通过滚珠丝杠内冷装置将热量带走，减小了丝杠的热变形，保证了运动定位的精度和稳定性。
（5）改善刀具切削方向 轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。这就可以使主轴热变形对加工直径的影响降低到最小限度。
（6）改善机床的主轴位置 在机械结构改造设计上还应尽可能减小主轴中心与主轴到地面的距离（工件落在地面上），减小变形长度，以减少热变形的总量，同时应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。
机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、丝杠螺母副、联轴器及其支承部件，齿轮箱末级传动采用双齿轮加反向预紧力以消除齿轮传动间隙。
为减少导轨的摩擦，对原有的滑动导轨进行粘贴塑料处理，也可以更换为滚动导轨或改造成为静压导轨。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中，用滚珠丝杠代替T形丝杠。
取消齿轮箱，采用双电动机加反向预紧力的方法消除间隙，主从跟随直接传动；采用大转矩伺服电动机连接滚珠丝杠直接驱动。
（1）直线电动机取代滚珠丝杠 特点：直线电动机结构简单，控制精度高。传统的滚珠丝杠传动链结构需要丝杠轴承座、滚珠丝杠、联轴器，其结构复杂，传动链中精度损失多（如轴承游隙、丝杠螺距误差、丝杠反向间隙等）。而采用直线电动机可以克服由机械传动链丢失的精度，另外从电气角度看，参数设置更直接、简便、精确。
（2）转矩电动机取代蜗轮蜗杆 特点：机构简单、成本低、便于维修保养。由于蜗轮蜗杆隶属于齿轮类加工，精度/成本成正比，高精度齿轮成本高，并且长期使用后，精度损失很难恢复。而力矩电动机克服了上述问题。由于蜗轮蜗杆需要速比换算，在数控系统应用中被称为“柔性齿轮比”计算，力矩电动机直接驱动负载末端，传动比为1∶1，电气参数设置简单，电动机控制精确。
（3）内装式高速主轴取代主轴变速箱 特点：结构简单，由于传统的主轴变速需要通过机械齿轮的切换，而机械齿轮箱结构复杂、机械变换档位需要的控制信号多，制造、维修成本高。随着变频调速技术以及电动机制造技术的发展，现在制造技术可以使变频调速范围宽。另外采用陶瓷轴承、油雾润滑等新技术，高速主轴电动机轴承可达2万～5万r/min，同时低速大转矩特性也在进一步提高。
主要介绍传动机构的滚珠丝杠的选择过程。滚珠丝杠副已经标准化，改造设计时的计算主要按照厂家提供的标准类型、丝杠精度等级，并结合所需参数选择滚珠丝杠。
举例进给滚珠丝杠副的参数校核与确定：
传动意义上的精密滚珠丝杠只要求定位精度不要求速度，当前数控机床的高速化不断推进大导程高速滚珠丝杠的发展。滚珠丝杠快速进给有两种方法：一是提高滚珠丝杠的转速；二是加大滚珠丝杠导程，朝大导程方向发展。为了兼具高速化、高精度化，必须取得转速与导程的平衡。所以现在丝杠导程的选择一般根据设计目标如快速进给的最高速度 V max 、伺服电动机的最高转速 n max 及电动机与丝杠的传动比 i 来确定，基本丝杠导程应满足：
V max =40m/min， n max =2000r/min， i =1，取 t =20mm，丝杠公称直径 D =50mm。
当数控冲槽机工作为单片冲制时，工件负载约为0.25kg，可忽略不计，计算负载时只需计算工作台本身质量600kg。计算作用于丝杠轴向的最大动载荷 C ，然后根据 C 值选择丝杠副的型号。
式中， L 为滚珠丝杠的寿命系数， L =6 nT /10 6 =135（ T 为使用寿命时间，取11250h）； f w 为载荷系数，取 f w =1.5； f h 为硬度系数，取 f h =1； F max 为最大工作载荷， F max = μWg =1176N（ W =600kg， μ =0.2， g =9.8N/kg），该机床带动工作台运动没有其他切削力等。 C a 为滚珠丝杠的额定动载荷（N），从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出额定动载荷 C a 相应的参数，选用时应使 C < C a 。计算得 C =10249.6N< C a ，满足丝杠工作时对动载荷的设计要求。
丝杠的导程误差、伺服系统误差、各机械环节弹性变形引起的误差是影响定位精度的因素。一般情况下，在以上各环节中影响弹性变形自大到小排列顺序是：滚珠丝杠本身的抗压刚度 K t ；支承轴承的轴向刚度 K ba ；滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度 K c ；折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度 K R ；折算到滚珠丝杠副上联轴器的刚度 K 1 ；滚珠丝杠副的抗扭刚度 K k ，螺母座、轴承座的刚度 K h 。
传动系统综合刚度 K 为
一般校核计算中，伺服刚度 K R 、折算到滚珠丝杠副上联轴器的刚度 K 1 、滚珠丝杠副的抗扭刚度 K k 和螺母座、轴承座的刚度 K h 可忽略不计，则式（2-3）可简化为
（1）丝杠抗压刚度 K t 丝杠抗压刚度与其安装方式有关。最常见的安装方式是双推-简支支承方式，本方式是将两个方向上的推力轴承装在一端，另一端只装一个或两个深沟球轴承，如图2-1所示。
丝杠抗压刚度：
K t = SE ×10 -3 /l a （2-5）
式中， S 为丝杠小截面积（mm 2 ），取 D =50mm； E 为丝杠材料的弹性模量（MPa）， E =2.0×10 6 kgf/cm 2 ； l a 为载荷作用点距双推轴承的最大长度（mm），取 l a =700mm。
图2-1 双推-简支支承方式
根据式（2-5）计算得 K t =560N/μm。
（2）螺母组件的接触刚度 K c 为了消除轴向间隙，提高轴向刚度，对滚珠丝杠副常采用双螺母预紧。预紧力一般多为最大轴向载荷的1/3，有预紧力的变形量，可按下式计算：
式中， P y 为预紧力（N），取 P y =1/3 F max ； Z z 为工作螺母（即一个螺母）的滚珠数量，取 Z z = Z ×圈数×列数=31×5=155， Z 为一圈滚珠数； d 0 为滚珠的直径，取 d 0 =5mm。 F max = μgW =1176N。
所以变形量：
接触刚度计算如下：
（3）支承轴承的轴向刚度 K ba 轴承的轴向变形 δ 3 按如下公式计算：推力球轴承
式中， Z 为轴承滚动体个数，取 Z =11； d q 为滚珠直径，取 d q =10.31mm。
根据式（2-10）计算 δ c =2.48μm。
施加预紧力，故 δ 3 =1/2 δ c =1.24μm，则
根据计算，丝杠副总的变形量为
验算其精度有综合刚度 K =208.3N/μm，在工作的情况下弹性变形 δ =5.84μm，根据要求其任意300mm行程内行程变动量为8μm，显然满足目标给定的定位精度要求。
其临界转速 n c 按如下公式计算：
式中，
ρ
为丝杠材料密度（
ρ
=7.8g/cm
3
）；
λ
为丝杠支承方式系数，双-双推
λ
=3.927；
g
为重力加速度，
g
=981cm/s
2
；
E
为20.6×10
4
N/mm
2
；
J
p
为丝杠底径惯性矩；
l
a
为支承距离，
l
a
=700mm；
α
为安全系数，
α
=0.8；
S
为丝杠轴断面面积，
2。
式中， d 是指丝杠轴直径（mm）， d = D -1.2 D w ， D 为滚珠丝杠的公称直径， D =50mm=5cm， D w 为滚珠丝杠的滚珠直径， D w =3.969mm=0.3969cm。
计算得 n c =3093r/min， n c > n max 。
至此，所选丝杠型号基本确定，只需再根据行程和机械结构确定丝杠长度规格。
液压系统在数控机床中的应用：重型数控机床中采用静压导轨。大型旋转工作台采用液压夹紧松开。主轴箱齿轮采用液压缸推动齿轮变换档位。主轴刀具采用液压夹紧松开。垂直轴采用液压平衡。换刀机构机械手采用液压缸实现伸缩旋转。
液压传动系统由动力装置、执行装置、液压控制调节装置、辅助装置、传递介质、液压回路等组成。
液压系统的主要参数包括压力、流量、功率。
液压系统的设计改造是整个机械设备设计的一部分，在分析主机结构特点、性能要求的基础上，才能提出液压系统的设计改造任务。
液压系统的设计步骤如下：
1）明确液压系统的设计要求，分析实际工况，了解机床的总体结构、液压系统的性能、工艺流程、工作环境等。
2）确定液压系统的主要技术参数。当液压系统功率一定时，尽量选用较高的工作压力，液压马达最小流量按照排量和所要求的最小转速来计算，液压缸的最小流量应该大于或等于流量控制阀或变量泵的最小稳定流量。
3）拟定液压系统的原理图。依据系统工作原理和结构组成选择功能合适的液压元件和基本回路组成液压系统，进行液压系统方案论证。
4）设计、计算、选择液压元件。计算液压泵的功率，确定原电动机的功率，选择液压控制阀，确定压力阀的压力调节范围、流量变化范围、所要求压力的灵敏度和平稳性，确定流量阀的调节范围、流量-压力特性、最小稳定流量，特别注意溢流阀的额定流量必须满足液压泵最大流量的要求，液压辅件管路的计算选择。
5）对液压系统主要性能进行验算。
6）设计液压装置，编制液压系统技术文件。
主轴箱、进给传动装置、轴承、导轨、丝杠等运动部件采用油液循环润滑。润滑系统的设计应运行可靠、操作方便、易于调整，改造的具体要求如下：
1）连续或定时为设备润滑部位提供具有一定压力、流量的润滑剂。
2）安装有效的密封装置，防止润滑剂的流失。
3）安装过滤装置，保证润滑剂清洁。
4）润滑装置应结构简单、标准化、方便更换、易于维修调整。
5）润滑系统最好是温度、压力、流量能够调整。
6）润滑系统应设置检测温度、压力、流量、污染度等的检测装置。
冷却系统由切削液、泵、过滤器等部件组成。
转台静压油冷却系统还可带有温度控制系统，以确保油温恒定。
切削液的主要作用是将切削产生的热量从切削区迅速带走，同时减少摩擦，从而减少切削热的产生。
冷却系统的改造方法有：
1）高压喷射冷却加注方法，如深孔钻削时的高压喷射油从钻头中心高速喷出冷却。
2）高压内冷却加注方法，在加工高速钢和高温合金钢等难切削材料时，将切削液以较高的压力（1～10MPa）、较大的流量（30～200L/min）向切削区喷射。
3）低压内冷却加注方法，在钻孔或铣削时，从刀具后面喷射到刀具与加工件的接触区。
4）喷雾冷却加注方法，用压缩空气使切削液雾化。
5）砂轮内冷却加注方法，用砂轮的空隙来传送切削液。
机械安装误差影响改造后机床的刚度和精度，机械结构改造时，如滚珠丝杠的更换、丝杠支承轴承的更换、齿轮的更换等，都会产生安装定位误差和连接件之间的间隙。
机械安装调试应注意如下问题：
1）利用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的1/3为宜。在实际调整中，可以使机床处于最大工作负载，使丝杠内部不产生间隙，或者间隙量小于0.01mm，运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧量的判断标准。
2）滚珠丝杠螺母副仅用于承受轴向负荷。传动丝杠轴线上各联轴器上的锥销孔应按十字分布方式进行配作。这是因为同一联轴器上分布的锥销孔都按同一方向加工时，会引起轴心线的直线度误差增大，从而使安装在传动丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。
3）消除齿轮间隙的方法很多，用调整中心距的方法是最简便的。安装时将大齿轮所在支承架转动中心与丝杠对中，首先固定，然后把电动机小齿轮无间隙啮合，调整好中心距，再固定。
4）丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床两端轴承座的中心与螺母座的中心必须三点成一线。
5）滚珠丝杠副的制造精度要求高，在改造时先按照厂家生产标准选择合适后，再决定设备相关部分的结构和尺寸。
6）主轴轴承安装中，单个轴承装配时尽可能使主轴定位内孔与主轴轴径的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反，这样可使装配后的偏心量最小。
7）滚动直线导轨副的安装，首先安装主导轨，设置导轨的基准侧面与安装台阶的基准侧面紧密相贴，紧固安装螺栓，然后再以主导轨为基准，找正安装副导轨。先校正两根导轨副的平行度、平面度，再依次拧紧滑块的紧固螺栓。
滚动直线导轨副具有承载能力大、接触刚性高、可靠性高等特点，主要在机床的床身、工作台导轨和立柱上、下升降导轨上使用。在选用时可以根据载荷大小、受载荷方向、冲击和振动大小等情况来选择。
1）受力方向。由于滚动直线导轨副的滑块与导轨上通常有4列圆弧滚道，因此能承受4个方向的负荷和翻转力矩。导轨承受能力随滚道中心距增大而加大。
2）载荷大小。滚动直线导轨不同规格有着不同的承载能力，可根据承受载荷大小来选择。为使每副滚动直线导轨均有比较理想的使用寿命，可根据所选厂家提供的近似公式计算额定寿命和额定小时寿命，以便给出合理的维修和更换周期。还要考虑滑块承受载荷后，每个滑块滚动阻力的影响，进行滚动阻力的计算，以便确定合理的驱动力。
3）预加载荷的选择。根据设计结构的冲击、振动情况及精度要求，选择合适的预压值。
4）主轴或分度编码器与机械主轴按1∶1无间隙柔性同轴相连接，应保证两者有很好的同步性。安装中应注意编码器中的玻璃器件，不能随意敲打碰撞。