三坐标测量机的测量系统由标尺系统和测头系统构成，它们是三坐标测量机的关键组成部分，决定着CMM测量精度的高低。
一、标尺系统
标尺系统是用来度量各轴的坐标数值的，目前三坐标测量机上使用的标尺系统种类很多，它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可以分为机械式标尺系统（如精密丝杠加微分鼓轮，精密齿条及齿轮，滚动直尺）、光学式标尺系统（如光学读数刻线尺，光学编码器，光栅，激光干涉仪）和电气式标尺系统（如感应同步器，磁栅）。根据对国内外生产CMM所使用的标尺系统的统计分析可知，使用最多的是光栅，其次是感应同步器和光学编码器。有些高精度CMM的标尺系统采用了激光干涉仪。现就光栅尺在三坐标应用进行简要的介绍。
光栅尺在三坐标测量机里面的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用，在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差，以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用。其实就象人眼睛看到我切割偏没偏的作用。然后可以给手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准.光栅尺主要安装在移动三轴上面,起到一直刻度度量的作用.其是在光栅尺之中，位移传感器起到的作用是最大的。下面我们来论述一下位移传感器的安装方法与基本原理。
1、位移传感器基本原理
光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波,送入光栅数显表计数显示。
2、位移传感器安装方式
光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。
一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动,读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外,一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。
2.1、位移传感器安装基面
安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上，用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：
（1）应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座(最好基座长出光栅尺50mm左右)。
（2）该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm.安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右,读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。
2.2、位移传感器主尺安装
将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台(主尺与工作台同时移动)。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：
（1）在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。
（2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点(或几点)。
（3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。
2.3、位移传感器读数头的安装
在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似.最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内,其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。
2.4、位移传感器限位装置
光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。
2.5、位移传感器检查
光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。
在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表)，使千分表与数显表同时调至零(或记忆起始数据)，往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。
通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了，但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多，因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。
3、位移传感器使用注意事项
（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。
（2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。
（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。
（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。
（5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液(各50%)清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。
（6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。
（7）不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。
（8）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。
（9）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。
二、测头系统
1、三坐标测头概述
三坐标测头是探测系统最重要的一部分，可以说，三坐标测头与三坐标测量机的关系将会是有很大的关系，其中精度、探测速度都与测头有着紧密的关系，测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何(坐标)信息，其发展水平直接影响着精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。坐标测量机是一种典型的精密量仪，其发展历史也表明，只有在精密测头为坐标测量机提供新的触测原理、新的测量精度后，三坐标测量机才能发生一次根本的变化。换言之，精密测头是限制精密量仪精度和速度的主要因素，精密量仪能否满足现代测量要求也依赖于精密测头系统的不断创新与发展。
2.精密测头的演变
精密测头的发展有悠久的历史，最早可追溯到上世纪20年代电感测微仪的出现；但真正快速发展却得益于上世纪50年代末三坐标测量机的出现。迄今，精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种，其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头。
2.1、机械接触式测头
机械式测头又称接触式硬测头，是精密量仪使用较早的一种测头。通过测头测端与被测工件直接接触进行定位瞄准而完成测量，主要用于手动测量。根据其触测部位的形状，可以分为圆锥形测头、圆柱形测头、球形测头、半圆形测头、点测头、V型块测头等（如图1-3-1所示）。这类测头的形状简单，制造容易，但是测量力的大小取决于操作者的经验和技能，因此测量精度差、效率低。目前除少数手动测量机还采用此种测头外，绝大多数测量机已不再使用这类测头。
图1-3-1机械接触式测头
(a)圆锥形测头 (b)圆柱形测头 (c)球形测头 (d)半圆形测头 (e)点测头 (f) V型块测头
2.2、触发式测头
图1-3-2 触发式测头
1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球 5—触点
目前市面上广泛存在的精密测头是触发式测头，如图1-3-2所示。第一个触发式测头于1972年由英国Renishaw公司研制。触发式测头的测量原理是测杆安装在芯体上，而芯体则通过三个沿圆周1200分布的钢球安放在三对触点上，当测杆没有受到测量力时，芯体上的钢球与三对触点均保持接触，当测杆的球状端部与工件接触时，不论受到X、Y、Z哪个方向的接触力，至少会引起一个钢球与触点脱离接触，从而引起电路的断开，产生阶跃信号，直接或通过计算机控制采样电路，将沿三个轴方向的坐标数据送至存储器，供数据处理用。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性(三角效应)、预行程等误差,限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。在精密量仪上采用触发式测头进行测量时，通常是两点定线、三点定面、三点或四点定圆等方法，其实质是用几个点的坐标来确定理想几何要素的尺寸大小，而在形位误差测量方面就显示出明显缺陷，扫描测头的出现弥补了触发式测头这方面的不足。
2.3、扫描式测头
扫描式测头也称量化测头，测头输出量与测头偏移量成正比，作为一种精度高、功能强、适应性广的测头，同时具备空间坐标点的位置探测和曲线曲面的扫描测量的功能。该类测头的测量原理是测头测端在接触被测工件后，连续测得接触位移，测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号，该信号和精密量仪的相应坐标值叠加便可得到被测工件上点的精确坐标。若不考虑测杆的变形，扫描式测头是各向同性的，故其精度远远高于触发式测头。该类测头的缺点是结构复杂，制造成本高，目前世界上只有少数公司可以生产。图1-3-3为德国ZEISS公司生产的扫描式测头的结构。
测头采用三层片簧导轨形式，三个方向共有三层，每层由两个片簧悬吊。转接座17借助两个X向片簧16构成的平行四边形机构可作X向运动。该平行四边形机构固定在由Y向片簧1构成的平行四边形机构的下方，借助片簧1，转接座可作Y向运动。Y向平行四边形机构固定在由Z向片簧3构成的平行四边形机构的下方，依靠它的片簧，转接座可作Z向运动。为了增强片簧的刚度和稳定性，片簧中间为金属夹板。为保证测量灵敏、精确，片簧不能太厚，一般取0.1mm。由于Z向导轨是水平安装，故用三组弹簧2、14、15加以平衡。可调弹簧14的上方有一螺纹调节机构，通过平衡力调节微电机10转动平衡力调节螺杆11，使平衡力调节螺母套13产生升降来自动调整平衡力的大小。为了减小Z向弹簧片受剪切力而产生变位，设置了弹簧2和15，分别用于平衡测头Y向和X向部件的自重。
在每一层导轨中各设置有三个部件：①锁紧机构：如图1-3-3b所示，在其定位块24上有一凹槽，与锁紧杠杆22上的锁紧钢球23精确配合，以确定导轨的“零位”。在需打开时，可让电机20反转一角度，则此时该向导轨处于自由状态。需锁紧时，再使电机正转一角度即可。②位移传感器：用以测量位移量的大小，如图1-3-3c所示，在两层导轨上，一面固定磁芯27，另一面固定线圈26和线圈支架25。③阻尼机构：用以减小高分辨率测量时外界振动的影响。如图1-3-3d所示，在作相对运动的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30，在两阻尼片间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油，使两层导轨在运动时，产生阻尼力，避免由于片簧机构过于灵敏而产生振荡。
该测头加力机构工作原理如图1-3-3a所示，其中X向加力机构和Y向加力机构相同（图中只表示出了X向）。X向加力机构是利用电磁铁6推动杠杆5，使其绕十字片簧8的回转中心转动而推动中间传力杆7围绕波纹管4组成的多向回转中心旋转，由于中间传力杆与转接座17用片簧相连，因而推动测头在X方向“预偏置”。Z向加力机构是利用电磁铁9产生的，当电磁铁作用时，在Z向产生的上升或下降会通过顶杆12推动被悬挂的Z向的活动导轨板，从而推动测头在Z方向“预偏置”。
图1-3-3扫描式测头
a总体结构 b锁紧机构 c位移传感器 d阻尼机构
1—Y向片簧 2—平衡弹簧 3—Z向片簧 4—波纹管 5—杠杆 6—电磁铁 7—中间传力杆
8—十字片簧 9—电磁铁 10—平衡力调节微电机 11—平衡力调节螺杆 12—顶杆
13—平衡力调节螺母套 14—平衡弹簧 15—平衡弹簧 16—X向片簧 17—转接座 18—测杆
19—拔销 20—电机 21—弹簧 22—杠杆 23—锁紧钢球 24—定位块 25—线圈支架
26—线圈 27—磁芯 28—上阻尼支架 29—阻尼片 30—阻尼片 31—下阻尼支架
2.4、光学测头
不论是触发式测头还是扫描式测头，都是采用接触式探针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行数据处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。由于接触式探针有一定的大小，不能对一些孔、槽等内尺寸较小的工件进行测量；另外，测头测端与被测工件接触时产生的压力会引起被测工件的变形和划伤，也难以对一些薄片、刀口轮廓及柔软的材料进行测量。而非接触式测头由于采用光学方法可以避免接触式测头这方面的限制。
在多数情况下，光学测头与被测物体没有机械接触，这种非接触式测量具有一些突出优点，主要体现在：
（1）由于不存在测量力，因而适合于测量各种软的和薄的工件；
（2）由于是非接触测量，可以对工件表面进行快速扫描测量；
（3）多数光学测头具有比较大的量程，这是一般接触式测头难以达到的；
（4）可以探测工件上一般机械测头难以探测到的部位。
近年来，光学测头发展较快，目前在坐标测量机上应用的光学测头的种类也较多，如三角法测头、激光聚集测头、光纤测头、体视式三维测头、接触式光栅测头等。下面简要介绍一下三角法测头的工作原理。
如图1-3-4所示，由激光器2发出的光，经聚光镜3形成很细的平行光束，照射到被测工件4上（工件表面反射回来的光可能是镜面反射光，也可能是漫反射光，三角法测头是利用漫反射光进行探测的），其漫反射回来的光经成像镜5在光电检测器1上成像。照明光轴与成像光轴间有一夹角，称为三角成像角。当被测表面处于不同位置时，漫反射光斑按照一定三角关系成像于光电检测器件的不同位置，从而探测出被测表面的位置。这种测头的突出优点是工作距离大，在离工件表面很远的地方（如40mm～100mm）也可对工件进行测量，且测头的测量范围也较大（如±5mm～±10mm）。不过三角法测头的测量精度不是很高，其测量不确定度大致在几十至几百微米左右。这种测头缺点是表面明暗的突变，突跳的台阶，倾斜的表面或曲面以及直接反射光都会导致误差。
图1-3-4激光非接触式测头工作原理
1—光电检测器 2—激光器 3—聚光镜 4—工件 5—成像镜
非接触式测头一般采用光学的方法进行测量，由于测头无需接触被测工件，故不存在测量力，更不会划伤被测工件，同时可以测量软质介质的表面形貌。但该类测头受外界影响因素较多，如被测物体的形貌特征、辐射特性以及表面反射情况都会影响测量结果。到目前为止，非接触式测头的测量精度还不是很高，还无法取代接触式测头在精密量仪中的位置。
3、测头附件
为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头配置各种附件，如测端、探针、连接器、测头回转附件等。
3.1、测端
对于接触式测头，测端是与被测工件表面直接接触的部分。对于不同形状的表面需要采用不同的测端。图1-3-5为一些常见的测端形状。
图2-4a为球形测端，是最常用的测端。它具有制造简单、便于从各个方向触测工件表面、接触变形小等优点。
图2-4b为盘形测端，用于测量狭槽的深度和直径。
图2-4c为尖锥形测端，用于测量凹槽、凹坑、螺纹底部和其它一些细微部位。
图2-4d为半球形测端，其直径较大，用于测量粗糙表面。
图2-4e为圆柱形测端，用于测量螺纹外径和薄板。
图1-3-5 测端的形状
(a)球形测端(b)盘形测端(c)尖锥形测端(d)半球形测端(e)圆柱形测端
3.2、探针
探针是指可更换的测杆。在有些情况下，为了便于测量，需选用不同的探针。探针对测量能力和测量精度有较大影响，在选用时应注意：
（1）在满足测量要求的前提下，探针应尽量短，因为测量时探针的弯曲越大,偏移越大,测量的重复精度就越低；
（2）探针直径必须小于测端直径，在不发生干涉条件下，应尽量选大直径探针和大直径测端；选用大直径探针和大直径测端,一方面可以减小加工表面缺陷时测量精度的影响,另一方面可以增大探针的有效工作长度.
（3）在需要长探针时，可选用硬质合金探针，以提高刚度。若需要特别长的探针，可选用质量较轻的陶瓷探针。
3.3、连接器
为了将探针连接到测头上、测头连接到回转体上或测量机主轴上，需采用各种连接器。常用的有星形探针连接器、连接轴、星形测头座等。
图1-3-6为星形测头座示意图，其上可以安装若干不同的测头，并通过测头座连接到测量机主轴上。测量时，根据需要可由不同的测头交替工作。
图1-3-6 激光非接触式测头工作原理
1—星形测头座 2—测头 3—回转接头座 4—测头 5—星形探针连接器 6—测头 7—测头
3.4、回转附件
对于有些工件表面的检测，比如一些倾斜表面、整体叶轮叶片表面等，仅用与工作台垂直的探针探测将无法完成要求的测量，这时就需要借助一定的回转附件，使探针或整个测头回转一定角度再进行测量，从而扩大测头的功能。
常用的回转附件为如图1-3-7 a所示的测头回转体。它可以绕水平轴A和垂直轴B回转，在它的回转机构中有精密的分度机构，其分度原理类似于多齿分度盘。在静盘中有48根沿圆周均匀分布的圆柱，而在动盘中有与之相应的48个钢球，从而可实现以7.5o为步距的转位。它绕垂直轴的转动范围为360o，共48个位置，绕水平轴的转动范围为0o～105o，共15个位置。由于在绕水平轴转角为0o（即测头垂直向下）时，绕垂直轴转动不改变测端位置，这样测端在空间一共可有48×14＋1＝673个位置。能使测头改变姿态，以扩展从各个方向接近工件的能力。目前在测量机上使用较多的测头回转体为RENISHAW公司生产的各种测头回转体，图1-3-7 b为其实物照片。
图1-3-7 可分度测头回转体
(a)二维测头回转体示意图 (b) PH10M测头回转体实物照片
1—测头 2—测头回转体
4、三座标测头的发展趋势
从整体上考察，近年来无论哪类精密测头主要向着精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功能更强、数字化的方向发展。
由于触发式测头成本低、结构简单,并能满足常用的测量要求，在一定时期内仍是市场上应用最多的测头，其发展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向异性小。目前,Renishaw公司占据了该类测头全世界90％的市场，在近期内这种状况还不会改变。
目前的扫描式测头，因结构复杂、体积大、价格昂贵,影响了其普及应用。扫描式测头的发展方向就是在不影响其精度和扫描速度的同时，研制结构简单、成本低的新型、高精度扫描式测头。另外，具有较大量程、能伸入小孔、用于测量微型零件的测头也在发展。特别指出，具有纳米分辩率的微测头是一个重要研究方向。而采用光栅传感器的数字化精密测头是扫描式测头的普遍发展趋势，其最终发展结果将出现智能化精密测头。
扫描测量方式虽然比点位测量方式效率高，但仍然受到触测的限制。非接触式测头无需接触，在运动中采样测量，可避免精密量仪的频繁加速、减速、碰撞等，从而大大提高了测量效率；又因为非接触式测头的测量力为零，可以测量各种柔软、易于划伤的工件；另外，可以形成很小光斑，对一些接触测端不易伸入的部件进行测量，或对一些细节进行测量，并且有很大的测量范围；因此，精密测头的应用趋势就是非接触式测头将得到越来越广泛的应用。
三坐标测量机 便携式三坐标 便携式测量臂
