工业机器人作为智能制造装备的代表,高端制造业发展的焦点,其研发、制造与应用是衡量一个国家科技创新水平的重要标志。目前工业机器人重复定位精度虽能达到0.01mm～0.1mm,但其绝对定位精度仅为毫米级。并且研究表明工业机器人末端刚度仅为数控机床的1/50,其绝对定位精度受负载的影响较大,无法满足高端制造领域的任务需求。因此,本文以Staubli TX60型六轴工业机器人为研究对象,着重开展面向高端制造应用的工业机器人误差多层级标定技术研究,从几何参数误差、刚度参数误差、残余误差三个层级完成工业机器人标定,并针对标定测量系统及测量方法提出一定的改进。旨在提高工业机器人在变负载环境中的精度性能,有望推动工业机器人在高端制造领域的广泛应用,促进我国工业机器人产业的快速发展。首先,本文分别利用圆点分析法（CPA,Circle Point Analysis）和误差模型法完成几何参数误差标定。针对传统CPA方法进行了改进,将工业机器人的综合位置误差减少了43.99%,明显优于传统CPA方法。针对误差模型方法,利用基于误差灵敏度的冗余参数分析方法代替传统冗余参数分析方法,并利用位姿误差模型方法将工业机器人的综合位置误差减少了80.34%。将两种方法对比发现,误差模型法得到的模型虽然精度更高但全局性较差,不同区域下模型位置误差变化较大,误差较大的区域是较小区域的4.84倍,而相同情况下CPA方法为1.67倍。选择模型精度更高的误差模型法完成分层标定的第一层标定,后续利用残余误差标定解决模型全局性差的问题。其次,在几何参数标定的基础上本文利用关节刚度标定方法和基于切比雪夫多项式拟合的残余误差标定方法完成分层误差标定的刚度误差标定及残余误差标定。在外加负载情况下,关节刚度误差模型成功将外加负载造成的综合位置误差下降了53.97%。基于切比雪夫多项式拟合的残余误差标定最终将工业机器人综合位置误差下降了80.64%,模型精度最终达到了0.0123mm。证明了本文所提出的针对于串联工业机器人的定位误差的多层级标定方法的有效性,满足了高端制造业对工业机器人对位置误差的要求,为实现工业机器人高精度补偿提供了良好的基础。最后,从改善串联工业机器人基坐标系转换方法及利用顺序多站式测量方法提升激光跟踪仪测量精度两个方面对目前的串联工业机器人的标定测量系统进行改进。针对现有的基坐标系转换方法的缺点,提出了一种基于多点拟合与轴线矢量测量的融合坐标系转换方法,实验表明该方法将测量时间缩短至多点拟合法的26.12%并且转换的综合均方根误差（RMSE,Root Mean Squared Error）仅比多点拟合方法高0.215mm,少量牺牲转换精度的同时极大地提升了测量效率。因为几何参数标定过程中会对基坐标系进行进一步修正,在一定范围内的转换误差并不会对后续参数标定造成影响。本文利用顺序多站式测量方法提升大型工业机器人标定测量的精度。实验表明本文提出的测量方法测量误差为0.023mm,满足大型工业机器人的标定需求,验证了该测量方法和测量系统的有效性。