传统的关节臂式坐标测量机因其测量范围广、便携性佳、测量空间开阔等特点被广泛应用于汽车、航空及其他机械制造领域。随着目前智能制造领域对仪器设备自动、在线以及大批量测量的要求提高,传统关节臂式坐标测量机因其所采用手动牵拉运动及测量的工作模式造成测量效率较低、路径规划不佳、主观性误差大、运动姿态及测量空间重复性受人为因素影响较大等问题而不能满足上述要求。本文在传统关节臂式坐标测量机研究成果基础上,结合现有工业机械臂的有益成果,提出了将含有无刷电机、谐波减速器结合精密轴系的关节替换现有关节臂测量机无动力关节,构成自驱动关节臂坐标测量机的构想,并围绕带有自驱动能力的关节模块展开研究,主要研究工作如下:论文首先介绍和分析了关节臂式坐标测量机国内外研究现状和所面临的问题,介绍了轻型机器臂的结构特点,与机械臂相比较,指出了在现有关节臂式坐标测量机技术基础上设计自驱动关节臂式坐标测量机的着重点。从理论和仿真两方面进行了自驱动关节臂关节模块构型设计。建立了自驱动关节臂式坐标测量机结构的简化模型,并以此建立了关于扭矩和加速度的力学模型,对整机尺寸以及各关节尺寸进行估算与器件初步选型;在此基础上应用虚拟样机技术,建立了自驱动关节臂式坐标测量机虚拟样机,通过仿真评估上述估算模型的合理性;对所设计关节参数裕量进行评估,结合进一步仿真结果对关节器件参数进行优化选型。设计开发了关节模块测控电路。电路以STM32F407微控制器为核心,包括光栅编码器数据采集、测头触发电路、电机驱动器控制以及关节通信电路等,并设计了相应的软件。研制关节模块样机并搭建实验平台,对机构及模块的测控系统进行调试;进行了在不同的触碰频率和转动速度下的单、双方向触发测量的重复性实验。分析单方向触碰实验的结果,总结出让关节尽可能避免速度及加速度的突变可减小重复性误差;改进控制方法后进行了双方向触碰实验,当电机运动速率小于1.53rad/s时,测头回弹产生误触发的概率较小,此时最大重复性误差为±2.11″;建立了关节结构参数标定模型,控制电机在0.23rad/s的速度下通过量块测量的方式对关节结构参数进行了标定、测量及验证,上述实验结果表明,本论文的技术方案是切实可行的。研究成果为自驱动关节臂坐标测量机整机研究提供重要依据。