随着智能制造技术的提升,特别是汽车、航空等行业的快速发展,对工业机器人的需求量日益增多,同时对工业机器人的空间定位精度的要求也越来越高。当前工业机器人的精度检测主要采用激光跟踪仪,但激光跟踪仪由于测量、跟踪系统复杂,研制成本极高,难以大量普及到制造企业。本实验室提出采用结构简单、测量精度可满足工业机器人需求的被动式激光跟踪测量方法检测运动目标空间位置精度,并自主研制了一种被动式的激光跟踪仪:三维激光球杆仪。为了提高三维激光球杆仪空间三维坐标的测量精度,本文系统地分析了三维激光球杆仪主要误差源及其补偿方法。首先,根据三维激光球杆仪测量原理和光机结构,分析了主要误差源,并基于多体系统误差建模理论完成了整机系统误差建模。其次,针对误差补偿模型,提出了模型参数测量方法。采用多齿分度台和高精度光电自准直仪对二维转台测角误差进行标定,通过谐波误差补偿方法对离散测角误差进行拟合,补偿后的测角误差减小到±1″;采用正倒镜法直接测量两旋转轴的相对位置偏差;在精密三轴数控系统上,测量三维激光球杆仪的基长、二维转台两旋转轴的垂直度误差和导轨轴与水平旋转轴的垂直度误差;搭建准直测量系统测量伸缩装置运动误差。本文还设计了三维激光球杆仪坐标比对实验,并在精密三轴数控系统上完成了补偿效果验证。实验结果表明:经过误差补偿后,在180 mm×180 mm的平面空间内,轴系间的不垂直带来的系统误差从120μm减小到28μm,X轴的定位误差从20μm减小到8μm,Z轴的定位误差从60μm减小到25μm。最后,本文基于C#语言模块化程序设计了三维激光球杆仪测量软件,包括数据采集与处理模块、机械手臂与三维激光球杆仪坐标转换模块、二维转角自校正与补偿模块、基于ISO 9283标准的机械手臂空间误差测量模块和机械手臂空间运动轨迹实时追踪模块等,并实现了对系统测量结果和各部分状态的实时显示。