随着中国制造2025战略的推进,制造业逐渐转向自动化、智能化方向发展,生产过程中对不规则外形工件的在线测量需求日益增加。传统的关节臂坐标测量机因操作灵活可以有效解决复杂曲面的测量问题,但由于采用人工牵引测量的方式,测量效率低,人为干扰大,无法满足智能制造在线自动测量的需求。为了实现关节臂坐标测量机的在线自动测量功能,本文设计了一种自驱动关节臂坐标测量机(后简称测量机)的本体结构,配合相应的上位机软件,可实现不规则工件复杂曲面的在线自动测量。首先分析测量机自驱动方案的整体构型,完全拟合人体手臂结构,对测量机的自由度进行合理分配,将六自由度分配到肩、肘、腕三个关节中,实现测量机测头位置与姿态的灵活调整。以最大测量空间为优化目标,利用蚁群算法求解测量臂杆件尺寸的最优组合。通过分析对比几种常用驱动方式后,将一体化关节模组作为测量机的最优自驱动方案,并综合分析测量机的误差来源,对其整体结构设计提出精度保障指导。确定测量机的整体设计方案后,对测量机末端测头进行选型,并设计测头安装座,利用SolidWorks软件的质量属性测量功能辅助依次求解各个关节负载的重力矩和惯性矩。根据关节扭矩对关节模组型号进行选型,并依据关节模组尺寸和布置位置设计相应的关节结构。以测量机的误差源分析结果为指导,对关键尺寸和配合面添加尺寸和形位公差约束,提高测量机的加工和装配精度。在结构设计的基础上,进一步对测量机结构刚性进行分析,对极限和典型测量姿态下测量机进行整体结构静力学分析,根据其应变分布找到关键变形区域,并进一步针对关键部件进行受力分析和针对性结构优化,从而改善薄弱环节的局部形变。最后对优化结果进行评估,在典型测量姿态下,优化后测量机的整体变形降低至0.1mm左右,符合设计要求。通过模态分析得到测量机的前六阶固有频率,并以此对关节模组电机的转速区间提出指导建议。在结构优化的基础上,根据基于齐次坐标变换理论的MDH建模方法,结合测量机的结构特征建立了测量机的运动传递坐标系,并根据测量机的结构参数推导出测量机的运动学方程,最后通过对比分析不同测量姿态下末端测头位置的计算值与实际值,验证了该运动学方程的正确性,为后续上位机控制软件的开发提供理论基础和依据。图[67]表[15]参[89]