精密测量技术是工程科学的基础技术,是现代智能制造的关键技术,而精密仪器则是测量技术的载体,是实现重大科学发现与基础理论研究的唯一手段。现如今,高档数控装备为高精度复杂形状零部件的加工与测量提供相对丰富的手段,而针对于高档数控装备自身的修正技术、方法和手段却相对薄弱与滞后。数据研究表明,每8年左右,数控机床的加工精度大约提升一倍,当前高档数控机床的加工精度已跨入亚微米时代。然而这却对高精度的专用测量设备提出了更高的要求。在数控装备校准领域,激光干涉仪以超高的测量精度和分辨力成为了精度最高的实用校准设备,但是使用激光干涉仪校准数控机床检测周期长,测量效率低却是不争的事实。为了提高测量效率,使用激光跟踪仪校准数控装备也是一个选择。然而受限于测距原理与结构特点,激光跟踪仪测量精度的提升速度早已赶不上数控装备加工精度的提升速度。同样作为激光跟踪测量系统的激光追踪仪却在一定程度上解决了“测量精度”和“测量效率”这对矛盾体。激光追踪仪的测量精度接近激光干涉仪的测量精度,而测量效率却接近激光跟踪仪的测量效率,因此更适用于对高档数控装备的高精度、高效率校准。然而,激光追踪仪的完全依赖国外进口和价格昂贵的问题限制了高精度激光追踪测量技术在国内的应用和推广。本文通过理论创新和技术创新,解决了激光追踪仪结构优化、激光干涉测量系统设计与分析、永磁同步电机控制方案、激光追踪仪轴系精度对测量系统影响研究、基于误差模型的系统误差补偿方法和基于外部标准件的系统误差补偿方法等关键问题,为高精度激光追踪测量系统的研制提供了支撑。本文研究了高精度激光追踪测量系统的若干关键技术,主要研究内容如下:(1)论述了高精度激光追踪测量的理论基础。简要介绍了基于PSD模块和目标靶镜位移量测量的跟踪算法,并系统地阐述了多边法测量原理以及三坐标测量机空间误差补偿原理。提出了基于总体最小二乘法的空间直线拟合方法。(2)从高精度激光追踪仪研制的角度出发,提出了包括关键机械部件优化设计及分析、光学系统设计及分析和控制系统设计及分析的激光追踪仪的全套设计方案。设计了基于标准球的二维回转轴系,实现了在增加空间方位测量范围的同时,有效地降低了系统对空间距离的测量不确定度;研究了基于琼斯矩阵的激光干涉测量系统能量分析方法,指导了关键干涉镜组的设计以及棱镜反透比的确定,提升了四路光电传感器所接收干涉条纹的对比度;提出了基于扩张状态观测器的电流预测算法,结合了速度环和位置环控制算法,组成了以PMAC运动控制卡为控制单元的三闭环电机控制策略,有效地提高了电机的响应速度,缩短了运算时间。(3)全面地进行了激光追踪仪轴系回转误差与系统测距精度特性的研究。激光测距误差由两部分组成,即与被测长度无关的初始常数项误差以及与被测长度有关的测长误差。针对激光追踪仪二维回转轴系的结构特点,将轴系的误差分为轴系几何误差和轴系回转误差,并分别对轴系几何误差和轴系回转误差进行了分析。给出了轴系各单项几何误差与系统测距误差中常数项部分的传递函数,为激光追踪仪系统误差的有效补偿奠定了基础。(4)提出了基于误差模型的系统误差补偿方法和基于外部标准件的系统误差补偿方法。基于误差模型的系统误差补偿方法需要在设备装调阶段对各单项几何误差进行测量,并建立综合几何误差模型,推导各单项几何误差与系统测距误差中常数项部分的函数关系,计算出系统测距误差中的常数项部分。基于外部标准件的系统误差补偿方法不需要单独测量各项几何误差,直接使用外部标准件,在激光追踪仪的工作环境中对其系统测距误差中的常数项部分进行测量。(5)设计了一套完整的试验方案,验证了技术方案和测量方法的可行性和正确性。介绍了各组试验过程中所使用的试验设备,各设备参数符合试验要求。基于相对运动思想,简化了激光追踪仪轴系精度对测量系统影响研究的试验模型。针对基于外部标准件的系统误差补偿方法,设计了外部标准件,绘制了激光追踪仪的离散几何误差图谱。