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与传统测量仪器是将被测量和机械基准进行比较测量不同的是，坐标测量机的测量实际上是基于空间点坐标的采集和计算。虽然现代的测量机比早期的功能要高级很多，但基本原理是相同的，即建一个刚性的结构，此结构有叁个互相垂直的轴，每个轴向安装光栅尺，并分别定义为齿、驰、窜轴。为了让每个轴能够移动，每个轴向装有空气轴承或机械轴承。在垂直轴上的探测系统记录测量点任一时刻的位置。探测系统一般是由测头和接触式探针构成，探针与被测工件的表面轻微接触，获得测量点的坐标。在测量过程中，坐标测量机将工件的各种几何元素的测量转化为这些几何元素上点的坐标位置，再由软件根据相应几何形状的数学模型计算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等参数。