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在三坐標測量機出現以前，測量空間三維尺寸的原始使用測高儀、測量儀等在平板上進行測量，還采用了特殊的量規、心軸、檢棒等測量孔的同軸度和相互位置精度。此法勞動強度大，效率低，精度不易保證。特種測試儀制造成本高，使用麻煩，即使是熟練的測量員也很難得到穩定準確的測量結果。二是采用坐標鏜床測量，在鏜床上使用其三坐標機構，在軸(鏜頭)上裝上測微儀(指示表或傳感器)，對工件進行三維測量。這種傳統的測量方法費時費力，而且難以達到精度要求。

此外，為了測量復雜的外形和形狀，通常設計專門的測量設備或專用儀器。該方法的原理是從理論上對所需的復雜運動(如發動機氣缸體內需要形成次擺線運動，齒輪需要形成漸開線運動)，然后裝上測微儀與實際工件的輪廓進行比較測量，描繪出實際輪廓曲線。如果機構不精確，則這種測量裝置適用范圍廣、成本高。雖然這類專用儀器還在開發之中，但由于通用性較差，不適合作為一般的三維測量工具。

三坐標測量機是基于坐標測量原理的。同其他事物一樣，坐標測量的發展也是由簡單到復雜逐漸形成的。使用較早的測長機，可以在一個坐標方向上測量工件的長度，即為單坐標測量機，只完成一維測量。隨后出現的萬能工具顯微鏡具有 X和 Y兩個坐標方向移動的工作臺，可以測量平面上各點的坐標位置，即為二維測量，也可以稱為二坐標測量機。而且三維測量需要有 X、 Y、 Z方向的運動導軌，可以在空間范圍內測量各點的坐標位置。這樣，在理論上，三維測量可以對空間中任意位置的點、線、面和位置進行測量。

立體測量的原理是：將被測物體置于三坐標測量機的空間中，可以得到被測物體上各測點的坐標位置，并根據這些點的空間坐標值，進行數學運算，得到被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。

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