三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，缩写为CMM）是一种具有很强柔性的尺寸测量设备，又称三坐标测微仪，简称测量机。它是根据绝对测量法，采用触发式、扫描式等形式的传感器随X、Y、Z三个相互垂直的导轨相对移动或转动，并与固定于工作台上的被测件接触或非接触发信、采样、计算机处理数据、显示、打印测量结果，用于空间坐标尺寸测量、定位等的测量仪器。
1．三坐标测量机的分类
1）按测量方式分类
可分为接触三坐标测量机和非接触三坐标测量机以及接触和非接触并用式三坐标测量机。接触三坐标测量机常用于测量机械加工产品以及压制成型品、金属膜等。
2）按工作方式和显示方式分类
（1）手动测量。数显或打印测得值，测得结果需人工处理。
（2）半自动测量。用计算机进行数据处理，数字打印输出。
（3）按自动测量控制进行自动测量。
3）按三坐标机的准确度和使用分类
它可分为生产型和精密型。
4）按测量范围分类
它可分小型、中型和大型三类。小型坐标机主要用于测量小型模具、工具、刀具、集成电路板等，它的测量范围小于600mm（指X坐标）。中型坐标机的测量范围在600～2000mm之间，它主要用于箱体、模具等测量。大型坐标机的测量范围达到2000mm乃至更大。它主要用于汽车、船舶、飞机外壳及发动机推动器的叶片等测量。按其结构形式，大体分为坐标镗式、悬臂式、桥式和龙门式等。
2．三坐标测量机的构成（见图1－37）
图1－37 三坐标测量机
以GLOBAL Status 7107三坐标测量机为例进行介绍。其性能指标如下：
测量行程：X×Y×Z
700mm×1000mm×700mm
外形尺寸：L×W×H
1951mm×1316mm×2842mm
被测工件最大重量：900kg
精度指标（μm）：根据ISO 10360—2坐标测量机的性能评定标准
长度测量最大允许示值误差（μm）：MPEE＝2．5＋3．3L／1000
最大允许探测误差（μm）：MPEP＝2．5
（1）结构组成。三坐标测量机由底座、测量工作台、测量头、三个垂直的空间轴系支承和导向系统、操作系统、显示系统等组成。
三坐标测量机是一个复杂的测量系统，除主机外，还配有计算机等许多附件，可根据需要选择必要的软件和附件，以便使用中充分发挥测量机的功能。
（2）测头配件及组合装置。测头配件分为供三维测头用、触发性测头用和测量程序专用等几套。每套包括测针、立方体、延伸部分、角与方位的连接体等。这些配件能够装配成任意的测针组合以供测量各种工件而无需重复夹紧。
组合装置的主要功能是在测量过程中自动更换测针。一个形状复杂的工件在测量过程中，要更换几种不同的测针，可预先选择安装在测针组合架上，并将其中一测针予以校准。再调用测量程序，就可一次完成所有的测量工件，不需要每次用人工更换测针和再次校准，节省了大量时间，操作也简单方便。
组合装置包括计算机控制的测针组合收放设备、测头和测针的结合器、电子控制部分、测针组合存放架及控制软件。测针组合存放架，根据需要可以安装在测量工件平台的前面、中部或后面的位置上。更换测针组合的收放有很高的重复性，一般三维测头0．5 μm，触发式测头1μm，所以更换测针不会影响测量精度，也不需要重新校准。
3．三坐标测量机的使用
1）测头的选择及校准
在三维坐标测量中，任何元素的测量均是在一定的坐标系下，通过测头的测量完成的。因此，在测量之前必须先选择测头和校对测头，建立工件坐标系，在工件坐标系内测量件的各个被测量。
（1）测头的选择原则。在确立探针组合时，首先应考虑被测件的几何形状和位置误差，其次应根据被测量项目的多少选择测针直径的大小和探针的数量。对于复杂的被测件，还应考虑应用多个探针组合。为了保证较高的测量精度，应对探针组合的长度和重量加以考虑。
一般情况下，三维探头的探针组合长度不应该超过300mm，探针组合的质量不应超过600g；至于触发式探头则为200mm、300g。由于测量机的型号不同，所以在实际应用中，应参阅随机携带的相关说明资料。
（2）探针校准的目的。一般情况下，被测件需要在不同方向和位置上，用多个探针进行测量。这样，计算机就应事先知道这些探针的直径和它们直接的相互位置关系，以便获得正确的测量结果。另外，在进行工件测量时，在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置，但实际是红宝石球表面接触工件，这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿。所谓校准是在规定的条件下，为确定测量器具示值误差的一组操作，测量机的校准是将各个测头分别去测量一个已知直径的标准球，调用测头校验子程序，计算机便可计算出各测头的实际球径和相互位置尺寸，并将这些数据储存在计算机内作为以后测量时补偿测头的直径值。校准探针的目的是：通过校准，确定探针组合各个不同探针的直径以及它们之间的相互位置关系，这样才能为后续测量做好准备。因此，校验结果的准确度，直接影响工件的检测结果。
（3）探针校准前的准备工作
①选择和组装探针。
②将组装好的探针组正确地安装在测头上。
③测头会自动进行重量平衡（适用于三维探头）。
④选择合适的测量力，一般为0．2N（适用于三维探头）。
⑤安装校准球，并加以清洁。
（4）探针校准的步骤
①把探针数据清零。
②确定标准球的位置。
③定义参考探针。
④定义探测模式（适用于高速扫描探头）。
⑤校准各探针。
⑥检查校准结果：精密测量时，校准结果的标准偏差应小于机器分辨率的两倍；一般测量时，校准结果的标准偏差应小于仪器分辨率的10倍。
（5）探测方向和位置的确定及注意事项
①探测方向应沿着被测面的法向探测。
②被测元素为圆时，采点位置应避开45°的位置，在圆的最大直径位置探测。
③被测元素上的探测点应均匀分布，测点越多，测量结果精度越高。
④测量柱形元素时，测量断面距尽可能远。
2）坐标的建立和基准的选择
（1）坐标系统。三坐标测量机的坐标系统，根据其作用不同分为机器坐标系、工件坐标系和控制坐标系三种。
①机器坐标系。机器坐标系由三坐标测量机本身结果决定。不同厂家生产的测量机，其坐标系也不同。开机后，机器坐标系就已存在，可直接进入工作状态。但在仪器坐标系中测量工件，机器坐标系和工件图样原点不同或者坐标方向不平行，因此，测量结果需要经过整理计算才能得到实际测量数据。这种方法的缺点是不方便，不直观。
②工件坐标系。工件固定后相对于仪器坐标系存在倾斜和旋转误差，并且工件图样的设计基准与机器坐标系的零点存在位置。也就是说，仪器坐标系与工件图样的设计基准存在方向和位置差值。因此，操作者需要依据被测件图样的设计基准建立工件坐标系，以此确定工件和机器坐标系之间在方向和位置上的转换关系，为以后测量数据转换提供资料。工件坐标系在实际测量中应用很广泛。
③控制坐标系。每次安装工件的位置不能完全相同。为了保证达到正确和安全测量的目的，需要建立一个控制坐标系，这个坐标系是根据工件坐标系确定的，两者可一致，也可不一致。控制坐标系仅用于在编制CNC程序或运行CNC程序时使用。
（2）测量基准
①如何建立测量基准。测量时，依据设计基准或工艺基准，择其一作为测量基准，再用三坐标测量机测量工件所建立的工件坐标系。
任何一个工件，在测量机上测量时，应先分析其测量基准，将其分解为多个被测标准几何元素，然后开机测量这些标准几何元素，建立工件坐标系，即测量基准。有时为了更准确地建立工件坐标系，需要采用逐次接近法建立工件坐标系，即在已建立的工件坐标系中，重新测量被测基准，重新建立工件坐标系，采用此方法建立的工件坐标系精度更高。
②测量基准的选择原则。测量时，应从零件的设计、加工、现场检测、装配、作用关系五方面考虑测量基准。根据检测目的的不同，应选择设计基准或工艺基准作为零件的测量基准。
a．测绘零部件时，应根据产品的装配、作用关系来确定测量基准。
b．进行工艺分析时，测量基准应和工艺基准一致。
c．若三坐标测量机和现场检测结果不一致时，应检查现场检测方法和检测器具是否存在问题。
d．进行工序检测或设备调整时，测量基准应和工艺基准一致。
e．在成品质量验收时，测量基准必须和设计基准一致，若设计基准不明确时，应根据其产品的装配、作用关系来确定测量基准。
3）维护保养
（1）日常维护保养的重点。三坐标测量机日常维护保养的重点是光学部分、机械部分和电气部分。
①光学部分。光学部分主要包括光栅和读数头，还有光学探头部分。光学系统是整台仪器的眼睛，它工作情况的好坏十分重要。光栅尺一般是用玻璃尺做的，不管它的哪个面被污染都会对测量机的精度造成影响。根据光栅尺系统特性，建议环境条件较好的单位每6个月清洗一次光栅尺，环境条件差的3个月擦洗一次。清洗可以用绸布加无水酒精，清洗时切勿用力过大。要勿加小心，不得磕碰划伤光栅的任何部分。
②机械部分。机械部分是整个测量系统中的保证部分，是整个测量系统稳定性的基础，任何电气功能最终都要落实到机械功能上来实现。这也是日常保养工作的重点。
③驱动部分。大多数三坐标测量机是由电动机带动钢带进行驱动的。如果驱动钢带表面锈蚀，长期不保养，对驱动部分会带来严重后果。有些使用者将防锈油涂在钢带的工作面上，这样会造成钢带的摩擦因数减少，驱动时钢带打滑，使运动不稳定、不连贯。正确方法是将较稀的油用软细布均匀地抹在钢带的非工作面上，千万不要涂在工作面上。
工作台导轨需要经常清洗，花岗岩工作台每天开机前都需要清洗，以确保空气轴承的正常工作。如果工作台是铸铁的，导轨是钢制的，要经常注意工作台和导轨的清洁，在导轨上加油不得往上滴油，而是用软细布蘸上油均匀地涂在导轨表面上和工作台表面上。
④气源部分。气源系统的好坏直接影响到整台设备的使用。如果气源内有大量的水和油及杂质，这样长期下去必定造成仪器寿命的缩短。因此，在开机前需要将空气滤清器中残余物清理干净，最起码是经常除掉残余物，以确保空气的质量。如果所用的空气压缩机不是无油的，建议最好配备无油压缩机。
⑤电气部分。电气部分的维护保养涉及面很广，其中绝大多数的工作是调整电气。例如，周期检查中的探头零位、测量力平衡、光栅信号、触发电压、驱动电器及保护功能的调整。这些电光信号的调整比较复杂，最好是由经过专门训练的人来从事这项工作。
（2）对工作环境的要求
①机房的要求。机房温度必须符合各种型号三坐标测量机的要求，其中包括温度范围及温度变化（每小时、每天及空间的温度限制）。
为了确保仪器的精度，机房必须24h保持恒温，湿度要在40％～60％之间。如机房太干燥或太潮湿，都容易使机器产生毛病。
②电源供应。为确保仪器供电的稳定性，测量机所用的电源，必须独立提供，不能跟其他高负载电器用同一电源，表1－7为供电的规格：
表1－7 供电的规格
（3）清洗须知
①上了漆的表面及外壳。上了漆的零件（包括控制柜、外壳等）可用油漆表面清洁剂进行清洗及维护；顽固的污迹可用汽油进行清洁；塑料零件，如计算机键盘、仪器控制板等，不得用清洗洁溶剂清洗。
②探针及校准标准。在校准或测量以前，必须用驴皮把红宝石探针清洗，动作力量要小，探头及探针也应保持清洁，经常用驴皮或纤维不脱落的亚麻布清洁标准球（校准标准）的表面。
③花岗岩导轨。花岗岩导轨必须保持清洁及干燥。测量前必须清洁导轨。清洁时，可用IFA（花岗岩专用）清洁剂或乙醇及一片纤维不脱落的布料或者纸张，使用清洁剂后，一定要抹干。
④控制柜、计算机及计算机柜台的空气过滤器。用于这些系统的过滤网必须每一星期清洁一次，如果污染较严重，则必须增加清洁次数，因为空气过滤网严重污染时，会减低空气的质量，所以必须经常检查过滤网。清洁的过程：先把过滤网拿出，用压缩空气把灰尘吹走，如果有需要，可用肥皂或汽油冲洗，干燥后，放回原位。
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