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。
二、测头系统
（一）测头
三坐标测量机是用测头来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。在三坐标测量机上使用的测头，按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；而按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。
1．机械接触式测头
机械接触式测头为刚性测头，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9-5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。
2．电气接触式测头
电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量机所采用，按其工作原理可分为动态测头和静态测头。
（1）动态测头
常用动态测头的结构如图9-6所示。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。
可见，测头是在触测工件表面的运动过程中，瞬间进行测量采样的，故称为动态测头，也称为触发式测头。动态测头结构简单、成本低，可用于高速测量，但精度稍低，而且动态测头不能以接触状态停留在工件表面，因而只能对工件表面作离散的逐点测量，不能作连续的扫描测量。目前，绝大多数生产厂选用英国RENISHAW公司生产的触发式测头。
图9-6 电气式动态测头
1—弹簧 2—芯体 3—测杆 4—钢球
（2）静态测头
静态测头除具备触发式测头的触发采样功能外，还相当于一台超小型三坐标测量机。测头中有三维几何量传感器，在测头与工件表面接触时，在X、Y、Z三个方向均有相应的位移量输出，从而驱动伺服系统进行自动调整，使测头停在规定的位移量上，在测头接近静止的状态下采集三维坐标数据，故称为静态测头。静态测头沿工件表面移动时，可始终保持接触状态，进行扫描测量，因而也称为扫描测头。其主要特点是精度高，可以作连续扫描，但制造技术难度大，采样速度慢，价格昂贵，适合于高精度测量机使用。目前由LEITZ、ZEISS和KERRY等厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器，此时也将静态测头称为三向电感测头。图9-7为ZEISS公司生产的双片簧层叠式三维电感测头的结构。
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9-7b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9-7c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9-7d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9-7a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”。
（3）光学测头
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9-8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。
（二）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。
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9-9为一些常见的测端形状。
图9-9a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9-9b为盘形测端，用于测量狭槽的深度和直径。
图9-9c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9-9d为半球形测端，其直径较大，用于测量粗糙表面。
图9-9e为圆柱形测端，用于测量螺纹外径和薄板。
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；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；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．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9-10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。
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9-11a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9-11b为其实物照片。
