在數控機床發展的最初階段，其機械結構與通用機床相比沒有多大的變化，只是在自動變速、刀架和工作臺自動轉位和手柄操作等方面作些改變。隨著數控技術的發展，考慮到它的控制方式和使用特點，才對機床的生產率、加工精度和壽命提出了更高的要求。數控機床的主體機構有以下特點：1)由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統，數控機床的極限傳動結構大為簡化，傳動鏈也大大縮短；2)為適應連續的自動化加工和提高加工生產率，數控機床機械結構具有較高的靜、動態剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形小；3)為減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副和滾動導軌、消隙齒輪傳動副等；4)為了改善勞動條件、減少輔助時間、改善操作性、提高勞動生產率，采用了刀具自動夾緊裝置、刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置。根據數控機床的適用場合和機構特點，對數控機床結構因提出以下要求：
一、較高的機床靜、動剛度
數控機床是按照數控編程或手動輸入數據方式提供的指令自動進行加工的。由于機械結構(如機床床身、導軌、工作臺、刀架和主軸箱等)的幾何精度與變形產生的定位誤差在加工過程中不能為地調整與補償，因此，必須把各處機械結構部件產生的彈性變形控制在最小限度內，以保證所要求的加工精度與表面質量。 為了提高數控機床主軸的剛度，不但經常采用三支撐結構，而且選用鋼性很好的雙列短圓柱滾子軸承和角接觸向心推力軸承鉸接出相信忒力軸承 ，以減小主軸的徑向和軸向變形。為了提高機床大件的剛度，采用封閉界面的床身，并采用液力平衡減少移動部件因位置變動造成的機床變形。為了提高機床各部件的接觸剛度，增加機床的承載能力，采用刮研的方法增加單位面積上的接觸點，并在結合面之間施加足夠大的預加載荷，以增加接觸面積。這些措施都能有效地提高接觸剛度。 為了充分發揮數控機床的高效加工能力，并能進行穩定切削，在保證靜態剛度的前提下，還必須提高動態剛度。常用的措施主要有提高系統的剛度、增加阻尼以及調整構件的自振頻率等。試驗表明，提高阻尼系數是改善抗振性的有效方法。鋼板的焊接結構既可以增加靜剛度、減輕結構重量，又可以增加構件本身的阻尼。因此，近年來在數控機床上采用了鋼板焊接結構的床身、立柱、橫梁和工作臺。封砂鑄件也有利于振動衰減，對提高抗振性也有較好的效果。
二、減少機床的熱變形
在內外熱源的影響下，機床各部件將發生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關系遭到破環，也是機床季度下降。對于數控機床來說，因為全部加工過程是計算的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。為了減少熱變形，在數控機床結構中通常采用以下措施。
減少發熱
控制溫升
改善機床機構
機床內部發熱時產生熱變形的主要熱源，應當盡可能地將熱源從主機中分離出去。在采取了一系列減少熱源的措施后，熱變形的情況將有所改善。但要完全消除機床的內外熱源通常是十分困難的，甚至是不可能的。所以必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響。其中部較有效的方法是在機床的發熱部位強制冷卻，也可以在機床低溫部分通過加熱的方法，使機床各點的溫度趨于一致，這樣可以減少由于溫差造成的翹曲變形。在同樣發熱條件下，機床機構對熱變形也有很大影響。如數控機床過去采用的單立柱機構有可能被雙柱機構所代替。由于左右對稱，雙立柱機構受熱后的主軸線除產生垂直方向的平移外，其它方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動可以方便地用一個坐標的修正量進行補償。
軸的熱變形發生在刀具切入的垂直方向上。這就可以使主軸熱變形對加工直徑的影響降低到最小限度。在結構上還應盡可能減小主軸中心與主軸向地面的距離，以減少熱變形的總量，同時應使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現傾斜。 數控機床中的滾珠絲杠常在預計載荷大、轉速高以及散熱差的條件下工作，因此絲杠容易發熱。滾珠絲杠熱生產造成的后果是嚴重的，尤其是在開環系統中，它會使進給系統喪失定位精度。目前某些機床用預拉的方法減少絲杠的熱變形。對于采取了上述措施仍不能消除的熱變形，可以根據測量結果由數控系統發出補償脈沖加以修正。
三、減少運動間的摩擦和消除傳動間隙
數控機床工作臺(或拖板)的位移量十一脈中當量為最小單位的，通常又要求能以基地的速度運動。為了使工作臺能對數控裝置的指令作出準確響應，就必須采取相應的措施。目前常用的滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。在進給系統中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也可以收到同樣的效果。目前，數控機床幾乎無一例外地采用滾珠絲杠傳動。 數控機床(尤其是開環系統的數控機床)的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副。對于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補償裝置進行螺距補償。
四、提高機床的壽命和精度保持性
為了提高機床的壽命和精度保持性，在設計時應充分考慮數控機場零部件的耐磨性，尤其是機床導軌、進給伺港機主軸部件等影響進度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應保證數控機床各部件潤滑良好。
五、減少輔助時間和改善操作性能
數控機床的單件加工中，輔助時間(非切屑時間)占有較大的比重。要進一步提高機床的生產率，就必須采取促使最大限度地壓縮輔助時間。目前已經有很多數控機床采用了多主軸、多刀架、以及帶刀庫的自動換刀裝置等，以減少換刀時間。對于切屑用量加大的數控機床，床身機構必須有利于排屑
