随着我国先进制造业的迅速崛起，三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining，以下简称CMM)越来越多地进入机械制造和逆向工程的领域，预计国内CMM市场年需求量将在35000台以上。

CMM能在很多场合完成繁重和精密的测量任务。制造业所用三坐标测量设备的精度指标固然”重要“，但仪器的有效性、合适的测量范围及机型、仪器使用的方法(策略)、与过程和环境的相容性以及仪器的实用性方面同样重要。

CMM测量过程中，操作者(过程的所有者)必须知道如何正确使用测量设备及如何分析和解释结果。理想的测量系统在每次使用时，应当只产生”正确“的具有统计特性的测量结果，并体现测量任务的溯源性。

测量结果总应该与一个标准相一致。具有零方差、零偏倚和对所测的任何产品错误分类为零概率的统计特性的测量系统，具备理想的统计特性，但现实中几乎是不存在的，因此实际应用中必须采用具有不太理想统计特性的测量系统。

如何使用CMM测量设备来高速、精确和可信地完成数据采集的任务是制造业需要关注的重要问题。本文试图根据CMM的特点，依据有关标准规范和实践经验，在其使用策略的层面展开以下分析和探讨。

1对三坐标测量机测量(检测)策略的考虑

1.1影响CMM测量结果的因素

(1)CMM的设备

根据国标GB/T16857.2-1997(等效国际标准ISO10360-2-1994)，将CMM的误差归纳为长度测量的示值误差E和探测误差R两类.E是指测得长度与长度实物标准器长度真值之差(单位m);R是指用CMM测量标准球半径的变化范围而确定的误差。它们是CMM自身存在的正值常量综合误差。

CMM设备误差还应包括标准器量值的本身不确定误差。机器的动态误差还与探测方向、探测速度、触测距离和加速度值等相关。用触发测头时不同探测参数对坐标测量机的精度均发生影响，更进一步的内容读者可以从现有的相关文献中获取取。

(2)测量的环境

指在测量过程中受到外界温度、湿度、气压、电磁场、震动、光照等因素的影响而产生的误差。

(3)测量人员及方法

测量人员及方法误差是指测量人员操作CMM不当造成的误差。如测量策略选择不当;标定不当、标尺使用不当或测杆变形、测针球径误差;测头镜头组合选择不当;测量顺序不当;工件表面标志点安放不当;工件被测表面预处理不当;后处理不当;测量环境选择不当等。

(4)被测工件本身

被测工件本身的表面粗糙度和形状精度对测量误差影响也不小，如果工件表面粗糙度太低，CMM测头在工件上取点不一样，必然会产生尺寸测量误差。如果工件形状(圆度、圆柱度等误差大，取工件上不同点，测工件相互位置误差，也会产生较大的形位误差。工件的安装精度同样也很重要，对刚性差的工件，要保证安装时装夹不变形。过重的工件负载也会带来力变形误差。

1.2CMM探测策略

英国国家物理实验室(NPL)制定了测量过程中的六原则，其中第6条特别强调测量时要有“正确的过程：所有测量的过程应当经深思熟虑并与国家或国际标准相一致。”所“深思熟虑”也即在作高精度的测量时用户要有正确的探测策略。

测量精度水平与机器及软件有关，测量策略与人有关，不合理就会导致检测质量及结果的可信度降低。最终影响到产品的质量，根据CMM测量的特点，其通用的测量策略要考虑的因素包括：在工件上选取被测的特征;在坐标系统内定义工件基准;选择工件方向;选择工件固定方法;标定测头;定出探测策略;坐标测量机编程;记录评价信息等。本文仅对探测策略展开讨论。

(1)重视测量方法的误差。如CMM用于零件和部件的尺寸误差和形位误差的测量，国标形位误差的测量方法种类有100余种，如果用户采用的检测原则和方法不当，便会造成测量方法误差。因此，用户一定要熟悉并严格遵循GB1958-80《形状和位置公差检测规定》中规定的测量方法来检测工件。

(2)正确选择探测点数量及探测位置。被加工的零件往往是一些标准几何特征的组合。这些特征的几何性质可通过许多测量点用拟合的办法得出。为了测量的目的，每种特征在数学上均定义了最少测点数，例如两点定义一条直线、三点定义一个圆，但三点测圆不会提供形状的信息。

为了实用的目的用坐标测量机测量时通常选择的测点多于最少点数，以求出表面的几何误差(见表1)日，探测位置的安排并不需要在被测表面上等距分布但要求均匀分布，这样保持输入到软件的数据能真正代表被测特征的特性，测点不要过于规律分布，以防可能和机械加工工序中存在的系统或周期误差相一致。测量的数据应当反映被测特征的特性，为得到可靠的结果数据不宜太少，测点的恰当分布可以防止带来不可靠的根据而导致错误的结果。

(3)确定合适的测点数量。恰当分布的CMM测点数越多结论越可靠，但测点越多花费的时间必然越长。测量时测点不可太少，也不宜太多，否则引起测量效率下降或者引起条件漂移造成误差，用户必须在所要求的精度和速度等方面作出经济性的选择，同时注意由于局部特征造成的问题(如表面粗糙度精度不够等。表1是由英国标准研究院标准BS7172:1989推荐的每种特征测点数。

(4)数值分析环节可以适当高估重要的量。CMM探测策略必须考虑结果不确定度所受的影响，即使测点数相同，测点的相对位置相同，测量结果仍不相同。例如测量和重复测量同一个圆柱，在重新定位前和后(绕圆柱轴线转一下)，测点位置不同，表面采点区域不同(它们包含形状偏差)，因而得到不同的测量结果;另外一种情况发生在特征检测时应离边缘多近。

一个很大的困难就是对这些不确定度估算的可靠性，特别是由相关特征的残差而得到的真实特征的最大形状偏差(MFD)将毫无变化的低估，也许对于最大形状偏差低估非常明显，因此测量结果产生偏倚。这个低估是由于有限的(通常是很少的)点组被取样，这个偏倚是朝向非安全的方向。

若有可能，为了公差的目的，把这个重要的量过分估计较好，对相关特征的参数(以及由相关特征推算出的量，例如两个球的中心距等真实特征)亦可以作出报告，对给出的测量所作的估算可能对真实值低估或高估，那些真实值是从一个详加考虑的探测策略得到的。

(5)采用定期检查的策略。定期检查的目的之一是确认零件物理尺寸的变化以及它们的影响是可靠的和被了解的。这样必要时可以对生产过程作出调整。比如针对一个特定特征(圆柱)等，作为工业生产的零件我们可以使用CMM对它进行规律性的测量，对这特征作第一次(然后定期的)详细测量，从这些测量中可能推演出探测策略，这个策略对于目标不确定度是经济的而且可以知道它的影响，就会得到合适的结果。

假设生产过程是恒定及慢速的产生变化，虽然通常零件的检测策略为测10个测点，而在每个第1000件时采100个测点，它们可以得到更为详细的信息。这个信息可以用作依据以前零件形状而生产所需详细数据的基础，它对质量控制也是有价值的。从上述简单例子中应当注意的是仅仅比通常的平均数多了1%的测量(这个数因情况而异)，但得到了批量生产的质量情况及不确定度。要得到理想的结果要根据设置及制造公差而定。借助上述方法企业可以监测生产过程的产品质量。

(6)专用量仪更适用于细节测量。现代的仪器几乎能覆盖零件的全部表面，能很容易确定形状误差以及更精确的数值，实际上用不同的专用仪器，例如形状或圆度测量仪器会更有利，它可以提供关于实际特征(如圆柱形)截面轮廓的详细细节，用户无需坚持使用坐标测量机作为细节测量的基本手段。当然所选的仪器应当具有溯源性及足够的精度。

总之，一个优化的探测策略通常取决于许多因素，包括诸如“形状”或比例;真实特征是完整的(整球)或局部的;真实特征是全部还是局部可接近的;真实特征的形状偏差等。另一方面，一个优化的探测策略不能适用于所有特征的所有情况。一个优化的探测策略只适用于很接近于特定状况的相关真实特征，正如表示的从生产线上下来的一系列名义上相同的零件。(或一组由于某种理由名义相同的零件)