三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)由標(biāo)尺系統(tǒng)和測(cè)頭系統(tǒng)構(gòu)成，它們是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)鍵組成部分，決定著CMM測(cè)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(cè)量機(jī)上使用的標(biāo)尺系統(tǒng)種類很多，它們與在各種機(jī)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(jī)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(dòng)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(duì)國內(nèi)外生產(chǎn)CMM所使用的標(biāo)尺系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)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(cè)頭系統(tǒng)
（一）測(cè)頭
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是用測(cè)頭來拾取信號(hào)的，因而測(cè)頭的性能直接影響測(cè)量精度和測(cè)量效率，沒有先進(jìn)的測(cè)頭就無法充分發(fā)揮測(cè)量機(jī)的功能。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上使用的測(cè)頭，按結(jié)構(gòu)原理可分為機(jī)械式、光學(xué)式和電氣式等；而按測(cè)量方法又可分為接觸式和非接觸式兩類。
1．機(jī)械接觸式測(cè)頭
機(jī)械接觸式測(cè)頭為剛性測(cè)頭，根據(jù)其觸測(cè)部位的形狀，可以分為圓錐形測(cè)頭、圓柱形測(cè)頭、球形測(cè)頭、半圓形測(cè)頭、點(diǎn)測(cè)頭、V型塊測(cè)頭等（如圖9-5所示）。這類測(cè)頭的形狀簡單，制造容易，但是測(cè)量力的大小取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此測(cè)量精度差、效率低。目前除少數(shù)手動(dòng)測(cè)量機(jī)還采用此種測(cè)頭外，絕大多數(shù)測(cè)量機(jī)已不再使用這類測(cè)頭。
2．電氣接觸式測(cè)頭
電氣接觸式測(cè)頭目前已為絕大部分坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所采用，按其工作原理可分為動(dòng)態(tài)測(cè)頭和靜態(tài)測(cè)頭。
（1）動(dòng)態(tài)測(cè)頭
常用動(dòng)態(tài)測(cè)頭的結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。測(cè)桿安裝在芯體上，而芯體則通過三個(gè)沿圓周1200分布的鋼球安放在三對(duì)觸點(diǎn)上，當(dāng)測(cè)桿沒有受到測(cè)量力時(shí)，芯體上的鋼球與三對(duì)觸點(diǎn)均保持接觸，當(dāng)測(cè)桿的球狀端部與工件接觸時(shí)，不論受到X、Y、Z哪個(gè)方向的接觸力，至少會(huì)引起一個(gè)鋼球與觸點(diǎn)脫離接觸，從而引起電路的斷開，產(chǎn)生階躍信號(hào)，直接或通過計(jì)算機(jī)控制采樣電路，將沿三個(gè)軸方向的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器，供數(shù)據(jù)處理用。
可見，測(cè)頭是在觸測(cè)工件表面的運(yùn)動(dòng)過程中，瞬間進(jìn)行測(cè)量采樣的，故稱為動(dòng)態(tài)測(cè)頭，也稱為觸發(fā)式測(cè)頭。動(dòng)態(tài)測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于高速測(cè)量，但精度稍低，而且動(dòng)態(tài)測(cè)頭不能以接觸狀態(tài)停留在工件表面，因而只能對(duì)工件表面作離散的逐點(diǎn)測(cè)量，不能作連續(xù)的掃描測(cè)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(cè)頭。
圖9-6 電氣式動(dòng)態(tài)測(cè)頭
1—彈簧 2—芯體 3—測(cè)桿 4—鋼球
（2）靜態(tài)測(cè)頭
靜態(tài)測(cè)頭除具備觸發(fā)式測(cè)頭的觸發(fā)采樣功能外，還相當(dāng)于一臺(tái)超小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。測(cè)頭中有三維幾何量傳感器，在測(cè)頭與工件表面接觸時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向均有相應(yīng)的位移量輸出，從而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使測(cè)頭停在規(guī)定的位移量上，在測(cè)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(cè)頭。靜態(tài)測(cè)頭沿工件表面移動(dòng)時(shí)，可始終保持接觸狀態(tài)，進(jìn)行掃描測(cè)量，因而也稱為掃描測(cè)頭。其主要特點(diǎn)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(jià)格昂貴，適合于高精度測(cè)量機(jī)使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等廠家生產(chǎn)的靜態(tài)測(cè)頭均采用電感式位移傳感器，此時(shí)也將靜態(tài)測(cè)頭稱為三向電感測(cè)頭。圖9-7為ZEISS公司生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測(cè)頭的結(jié)構(gòu)。
測(cè)頭采用三層片簧導(dǎo)軌形式，三個(gè)方向共有三層，每層由兩個(gè)片簧懸吊。轉(zhuǎn)接座17借助兩個(gè)X向片簧16構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)可作X向運(yùn)動(dòng)。該平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Y向片簧1構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，借助片簧1，轉(zhuǎn)接座可作Y向運(yùn)動(dòng)。Y向平行四邊形機(jī)構(gòu)固定在由Z向片簧3構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的下方，依靠它的片簧，轉(zhuǎn)接座可作Z向運(yùn)動(dòng)。為了增強(qiáng)片簧的剛度和穩(wěn)定性，片簧中間為金屬夾板。為保證測(cè)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(jī)構(gòu)，通過平衡力調(diào)節(jié)微電機(jī)10轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(gè)部件：①鎖緊機(jī)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(shí)，可讓電機(jī)20反轉(zhuǎn)一角度，則此時(shí)該向?qū)к壧幱谧杂蔂顟B(tài)。需鎖緊時(shí)，再使電機(jī)正轉(zhuǎn)一角度即可。②位移傳感器：用以測(cè)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(jī)構(gòu)：用以減小高分辨率測(cè)量時(shí)外界振動(dòng)的影響。如圖9-7d所示，在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生阻尼力，避免由于片簧機(jī)構(gòu)過于靈敏而產(chǎn)生振蕩。
該測(cè)頭加力機(jī)構(gòu)工作原理如圖9-7a所示，其中X向加力機(jī)構(gòu)和Y向加力機(jī)構(gòu)相同（圖中只表示出了X向）。X向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵6推動(dòng)杠桿5，使其繞十字片簧8的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)而推動(dòng)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(dòng)測(cè)頭在X方向“預(yù)偏置”。Z向加力機(jī)構(gòu)是利用電磁鐵9產(chǎn)生的，當(dāng)電磁鐵作用時(shí)，在Z向產(chǎn)生的上升或下降會(huì)通過頂桿12推動(dòng)被懸掛的Z向的活動(dòng)導(dǎo)軌板，從而推動(dòng)測(cè)頭在Z方向“預(yù)偏置”。
（3）光學(xué)測(cè)頭
在多數(shù)情況下，光學(xué)測(cè)頭與被測(cè)物體沒有機(jī)械接觸，這種非接觸式測(cè)量具有一些突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1）由于不存在測(cè)量力，因而適合于測(cè)量各種軟的和薄的工件；2）由于是非接觸測(cè)量，可以對(duì)工件表面進(jìn)行快速掃描測(cè)量；3）多數(shù)光學(xué)測(cè)頭具有比較大的量程，這是一般接觸式測(cè)頭難以達(dá)到的；4）可以探測(cè)工件上一般機(jī)械測(cè)頭難以探測(cè)到的部位。近年來，光學(xué)測(cè)頭發(fā)展較快，目前在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上應(yīng)用的光學(xué)測(cè)頭的種類也較多，如三角法測(cè)頭、激光聚集測(cè)頭、光纖測(cè)頭、體視式三維測(cè)頭、接觸式光柵測(cè)頭等。下面簡要介紹一下三角法測(cè)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(cè)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(cè)頭是利用漫反射光進(jìn)行探測(cè)的），其漫反射回來的光經(jīng)成像鏡5在光電檢測(cè)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(cè)表面處于不同位置時(shí)，漫反射光斑按照一定三角關(guān)系成像于光電檢測(cè)器件的不同位置，從而探測(cè)出被測(cè)表面的位置。這種測(cè)頭的突出優(yōu)點(diǎn)是工作距離大，在離工件表面很遠(yuǎn)的地方（如40mm～100mm）也可對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)頭的測(cè)量范圍也較大（如±5mm～±10mm）。不過三角法測(cè)頭的測(cè)量精度不是很高，其測(cè)量不確定度大致在幾十至幾百微米左右。
（二）測(cè)頭附件
為了擴(kuò)大測(cè)頭功能、提高測(cè)量效率以及探測(cè)各種零件的不同部位，常需為測(cè)頭配置各種附件，如測(cè)端、探針、連接器、測(cè)頭回轉(zhuǎn)附件等。
1．測(cè)端
對(duì)于接觸式測(cè)頭，測(cè)端是與被測(cè)工件表面直接接觸的部分。對(duì)于不同形狀的表面需要采用不同的測(cè)端。圖9-9為一些常見的測(cè)端形狀。
圖9-9a為球形測(cè)端，是最常用的測(cè)端。它具有制造簡單、便于從各個(gè)方向觸測(cè)工件表面、接觸變形小等優(yōu)點(diǎn)。
圖9-9b為盤形測(cè)端，用于測(cè)量狹槽的深度和直徑。
圖9-9c為尖錐形測(cè)端，用于測(cè)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(cè)端，其直徑較大，用于測(cè)量粗糙表面。
圖9-9e為圓柱形測(cè)端，用于測(cè)量螺紋外徑和薄板。
2．探針
探針是指可更換的測(cè)桿。在有些情況下，為了便于測(cè)量，需選用不同的探針。探針對(duì)測(cè)量能力和測(cè)量精度有較大影響，在選用時(shí)應(yīng)注意：1）在滿足測(cè)量要求的前提下，探針應(yīng)盡量短；2）探針直徑必須小于測(cè)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(shí)，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(cè)頭上、測(cè)頭連接到回轉(zhuǎn)體上或測(cè)量機(jī)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(cè)頭座等。
圖9-10為星形測(cè)頭座示意圖，其上可以安裝若干不同的測(cè)頭，并通過測(cè)頭座連接到測(cè)量機(jī)主軸上。測(cè)量時(shí)，根據(jù)需要可由不同的測(cè)頭交替工作。
4．回轉(zhuǎn)附件
對(duì)于有些工件表面的檢測(cè)，比如一些傾斜表面、整體葉輪葉片表面等，僅用與工作臺(tái)垂直的探針探測(cè)將無法完成要求的測(cè)量，這時(shí)就需要借助一定的回轉(zhuǎn)附件，使探針或整個(gè)測(cè)頭回轉(zhuǎn)一定角度再進(jìn)行測(cè)量，從而擴(kuò)大測(cè)頭的功能。
常用的回轉(zhuǎn)附件為如圖9-11a所示的測(cè)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(jī)構(gòu)中有精密的分度機(jī)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(dòng)盤中有與之相應(yīng)的48個(gè)鋼球，從而可實(shí)現(xiàn)以7.5o為步距的轉(zhuǎn)位。它繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為360o，共48個(gè)位置，繞水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0o～105o，共15個(gè)位置。由于在繞水平軸轉(zhuǎn)角為0o（即測(cè)頭垂直向下）時(shí)，繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)不改變測(cè)端位置，這樣測(cè)端在空間一共可有48×14＋1＝673個(gè)位置。能使測(cè)頭改變姿態(tài)，以擴(kuò)展從各個(gè)方向接近工件的能力。目前在測(cè)量機(jī)上使用較多的測(cè)頭回轉(zhuǎn)體為RENISHAW公司生產(chǎn)的各種測(cè)頭回轉(zhuǎn)體，圖9-11b為其實(shí)物照片。
