三坐標(biāo)測量機的測量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測量機的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM測量精度的高低。
一、標(biāo)尺系統(tǒng)
標(biāo)尺系統(tǒng)是用來度量各軸的坐標(biāo)數(shù)值的，目前三坐標(biāo)測量機上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機床和儀器上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)大致相同，按其性質(zhì)可以分為機械式標(biāo)尺系統(tǒng)（如精密絲杠加微分鼓輪，精密齒條及齒輪，滾動直尺）、光學(xué)式標(biāo)尺系統(tǒng)（如光學(xué)讀數(shù)刻線尺，光學(xué)編碼器，光柵，激光干涉儀）和電氣式標(biāo)尺系統(tǒng)（如感應(yīng)同步器，磁柵）。根據(jù)對國內(nèi)外生產(chǎn)CMM所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)的統(tǒng)計分析可知，使用最多的是光柵，其次是感應(yīng)同步器和光學(xué)編碼器。有些高精度CMM的標(biāo)尺系統(tǒng)采用了激光干涉儀。
二、測頭系統(tǒng)
（一）測頭
三坐標(biāo)測量機是用測頭來拾取信號的，因而測頭的性能直接影響測量精度和測量效率，沒有先進的測頭就無法充分發(fā)揮測量機的功能。在三坐標(biāo)測量機上使用的測頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
1．機械接觸式測頭
機械接觸式測頭為剛性測頭，根據(jù)其觸測部位的形狀，可以分為圓錐形測頭、圓柱形測頭、球形測頭、半圓形測頭、點測頭、V型塊測頭等（如圖9-5所示）。這類測頭的形狀簡單，制造容易，但是測量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗和技能，因此測量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動測量機還采用此種測頭外，絕大多數(shù)測量機已不再使用這類測頭。
2．電氣接觸式測頭
電氣接觸式測頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測量機所采用，按其工作原理可分為動態(tài)測頭和靜態(tài)測頭。
（1）動態(tài)測頭
常用動態(tài)測頭的結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。測桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個沿圓周1200分布的鋼球安放在三對觸點上，當(dāng)測桿沒有受到測量力時，芯體上的鋼球與三對觸點均保持接觸，當(dāng)測桿的球狀端部與工件接觸時，不論受到X、Y、Z哪個方向的接觸力，至少會引起一個鋼球與觸點脫離接觸，從而引起電路的斷開，產(chǎn)生階躍信號，直接或通過計算機控制采樣電路，將沿三個軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至存儲器，供數(shù)據(jù)處理用。
可見，測頭是在觸測工件表面的運動過程中，瞬間進行測量采樣的，故稱為動態(tài)測頭，也稱為觸發(fā)式測頭。動態(tài)測頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測量，但精度稍低，而且動態(tài)測頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對工件表面作離散的逐點測量，不能作連續(xù)的掃描測量。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)廠選用英國RENISHAW公司生產(chǎn)的觸發(fā)式測頭。
圖9-6 電氣式動態(tài)測頭
1—彈簧 2—芯體 3—測桿 4—鋼球
（2）靜態(tài)測頭
靜態(tài)測頭除具備觸發(fā)式測頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當(dāng)于一臺超小型三坐標(biāo)測量機。測頭中有三維幾何量傳感器，在測頭與工件表面接觸時，在X、Y、Z三個方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動伺服系統(tǒng)進行自動調(diào)整，使測頭停在規(guī)定的位移量上，在測頭接近靜止的狀態(tài)下采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，故稱為靜態(tài)測頭。靜態(tài)測頭沿工件表面移動時，可始終保持接觸狀態(tài)，進行掃描測量，因而也稱為掃描測頭。其主要特點是精度高，可以作連續(xù)掃描，但制造技術(shù)難度大，采樣速度慢，價格昂貴，適合于高精度測量機使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測頭均采用電感式位移傳感器，此時也將靜態(tài)測頭稱為三向電感測頭。圖9-7為ZEISS公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測頭的結(jié)構(gòu)。
測頭采用三層片簧導(dǎo)軌形式，三個方向共有三層，每層由兩個片簧懸吊。轉(zhuǎn)接座17借助兩個X向片簧16構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)可作X向運動。該平行四邊形機構(gòu)固定在由Y向片簧1構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)的下方，借助片簧1，轉(zhuǎn)接座可作Y向運動。Y向平行四邊形機構(gòu)固定在由Z向片簧3構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)的下方，依靠它的片簧，轉(zhuǎn)接座可作Z向運動。為了增強片簧的剛度和穩(wěn)定性，片簧中間為金屬夾板。為保證測量靈敏、精確，片簧不能太厚，一般取0.1mm。由于Z向?qū)к壥撬桨惭b，故用三組彈簧2、14、15加以平衡?？烧{(diào)彈簧14的上方有一螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)，通過平衡力調(diào)節(jié)微電機10轉(zhuǎn)動平衡力調(diào)節(jié)螺桿11，使平衡力調(diào)節(jié)螺母套13產(chǎn)生升降來自動調(diào)整平衡力的大小。為了減小Z向彈簧片受剪切力而產(chǎn)生變位，設(shè)置了彈簧2和15，分別用于平衡測頭Y向和X向部件的自重。
在每一層導(dǎo)軌中各設(shè)置有三個部件：①鎖緊機構(gòu)：如圖9-7b所示，在其定位塊24上有一凹槽，與鎖緊杠桿22上的鎖緊鋼球23精確配合，以確定導(dǎo)軌的“零位”。在需打開時，可讓電機20反轉(zhuǎn)一角度，則此時該向?qū)к壧幱谧杂蔂顟B(tài)。需鎖緊時，再使電機正轉(zhuǎn)一角度即可。②位移傳感器：用以測量位移量的大小，如圖9-7c所示，在兩層導(dǎo)軌上，一面固定磁芯27，另一面固定線圈26和線圈支架25。③阻尼機構(gòu)：用以減小高分辨率測量時外界振動的影響。如圖9-7d所示，在作相對運動的上阻尼支架28和下阻尼支架31上各固定阻尼片29和30，在兩阻尼片間形成毛細(xì)間隙，中間放入粘性硅油，使兩層導(dǎo)軌在運動時，產(chǎn)生阻尼力，避免由于片簧機構(gòu)過于靈敏而產(chǎn)生振蕩。
該測頭加力機構(gòu)工作原理如圖9-7a所示，其中X向加力機構(gòu)和Y向加力機構(gòu)相同（圖中只表示出了X向）。X向加力機構(gòu)是利用電磁鐵6推動杠桿5，使其繞十字片簧8的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動而推動中間傳力桿7圍繞波紋管4組成的多向回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，由于中間傳力桿與轉(zhuǎn)接座17用片簧相連，因而推動測頭在X方向“預(yù)偏置”。Z向加力機構(gòu)是利用電磁鐵9產(chǎn)生的，當(dāng)電磁鐵作用時，在Z向產(chǎn)生的上升或下降會通過頂桿12推動被懸掛的Z向的活動導(dǎo)軌板，從而推動測頭在Z方向“預(yù)偏置”。
（3）光學(xué)測頭
在多數(shù)情況下，光學(xué)測頭與被測物體沒有機械接觸，這種非接觸式測量具有一些突出優(yōu)點，主要體現(xiàn)在：1）由于不存在測量力，因而適合于測量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測量，可以對工件表面進行快速掃描測量；3）多數(shù)光學(xué)測頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測頭難以達到的；4）可以探測工件上一般機械測頭難以探測到的部位。近年來，光學(xué)測頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測量機上應(yīng)用的光學(xué)測頭的種類也較多，如三角法測頭、激光聚集測頭、光纖測頭、體視式三維測頭、接觸式光柵測頭等。下面簡要介紹一下三角法測頭的工作原理。
如圖9-8所示，由激光器2發(fā)出的光，經(jīng)聚光鏡3形成很細(xì)的平行光束，照射到被測工件4上（工件表面反射回來的光可能是鏡面反射光，也可能是漫反射光，三角法測頭是利用漫反射光進行探測的），其漫反射回來的光經(jīng)成像鏡5在光電檢測器1上成像。照明光軸與成像光軸間有一夾角，稱為三角成像角。當(dāng)被測表面處于不同位置時，漫反射光斑按照一定三角關(guān)系成像于光電檢測器件的不同位置，從而探測出被測表面的位置。這種測頭的突出優(yōu)點是工作距離大，在離工件表面很遠(yuǎn)的地方（如40mm～100mm）也可對工件進行測量，且測頭的測量范圍也較大（如±5mm～±10mm）。不過三角法測頭的測量精度不是很高，其測量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。
（二）測頭附件
為了擴大測頭功能、提高測量效率以及探測各種零件的不同部位，常需為測頭配置各種附件，如測端、探針、連接器、測頭回轉(zhuǎn)附件等。
1．測端
對于接觸式測頭，測端是與被測工件表面直接接觸的部分。對于不同形狀的表面需要采用不同的測端。圖9-9為一些常見的測端形狀。
圖9-9a為球形測端，是最常用的測端。它具有制造簡單、便于從各個方向觸測工件表面、接觸變形小等優(yōu)點。
圖9-9b為盤形測端，用于測量狹槽的深度和直徑。
圖9-9c為尖錐形測端，用于測量凹槽、凹坑、螺紋底部和其它一些細(xì)微部位。
圖9-9d為半球形測端，其直徑較大，用于測量粗糙表面。
圖9-9e為圓柱形測端，用于測量螺紋外徑和薄板。
2．探針
探針是指可更換的測桿。在有些情況下，為了便于測量，需選用不同的探針。探針對測量能力和測量精度有較大影響，在選用時應(yīng)注意：1）在滿足測量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；2）探針直徑必須小于測端直徑，在不發(fā)生干涉條件下，應(yīng)盡量選大直徑探針；3）在需要長探針時，可選用硬質(zhì)合金探針，以提高剛度。若需要特別長的探針，可選用質(zhì)量較輕的陶瓷探針。
3．連接器
為了將探針連接到測頭上、測頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測量機主軸上，需采用各種連接器。常用的有星形探針連接器、連接軸、星形測頭座等。
圖9-10為星形測頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測頭，并通過測頭座連接到測量機主軸上。測量時，根據(jù)需要可由不同的測頭交替工作。
4．回轉(zhuǎn)附件
對于有些工件表面的檢測，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺垂直的探針探測將無法完成要求的測量，這時就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個測頭回轉(zhuǎn)一定角度再進行測量，從而擴大測頭的功能。
常用的回轉(zhuǎn)附件為如圖9-11a所示的測頭回轉(zhuǎn)體。它可以繞水平軸A和垂直軸B回轉(zhuǎn)，在它的回轉(zhuǎn)機構(gòu)中有精密的分度機構(gòu)，其分度原理類似于多齒分度盤。在靜盤中有48根沿圓周均勻分布的圓柱，而在動盤中有與之相應(yīng)的48個鋼球，從而可實現(xiàn)以7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。它繞垂直軸的轉(zhuǎn)動范圍為360o，共48個位置，繞水平軸的轉(zhuǎn)動范圍為0o～105o，共15個位置。由于在繞水平軸轉(zhuǎn)角為0o（即測頭垂直向下）時，繞垂直軸轉(zhuǎn)動不改變測端位置，這樣測端在空間一共可有48×14＋1＝673個位置。能使測頭改變姿態(tài)，以擴展從各個方向接近工件的能力。目前在測量機上使用較多的測頭回轉(zhuǎn)體為RENISHAW公司生產(chǎn)的各種測頭回轉(zhuǎn)體，圖9-11b為其實物照片。
