球形零件广泛应用于精密机械、仪器仪表、航空航天设备等领域中,并且对其精度要求也越来越高,如在陀螺仪和精密轴承中,球形构件的精度直接影响整台仪器装置的工作质量。高精度球形零件的球度是评价零件的重要标准,现有的球度检测技术多以接触测量为主,对于大于半球或全球面的测量还有很多困难,难以实现高精度、高效率的过半球面面形三维检测,这限制了球体零件的广泛应用和尖端科技领域的发展。因此,深入研究高精度球度测量技术具有重要的理论意义和工程应用价值。本文针对高精度球度测量问题,提出一种非接触式球坐标测量方法,理论分析了影响球度测量精度的误差因素,建立了系统测量模型,针对主要几何误差因素提出了误差补偿方法,开展了相关实验测试研究。建立了球坐标测量系统的精确测量模型。根据球坐标测量系统测量原理和结构组成,分析了影响系统测量精度的20项几何误差;基于准刚体假设,通过齐次坐标变换,建立了包含20项几何误差因素的系统精确测量模型;在此基础上,定量分析了每项几何误差对系统测量精度的影响规律。结果表明,旋转轴几何误差和系统装配误差中的6项位移误差是影响系统球度测量精度的主要因素,同时,减小被测球偏心误差有利于提高系统球度测量精度。提出了球坐标测量系统主要几何误差补偿方法。研究了回转误差分离技术,设计了基于反向法的气浮主轴回转误差测量方案和逐相位误差补偿方法,通过标准球测量数据去平均和消除一次谐波的数据处理方法精确得到主轴回转误差,分析了标准球偏心误差对回转误差测量精度的影响规律,结果表明,在小偏心误差情况下,该数据处理方法能够很好地分离出主轴回转误差;对于7项装配误差补偿问题,提出一种基于高精度球面靶标的误差标定方法,建立了标定模型并分析了标定原理,利用非线性优化方法对标定模型中误差参数进行了辨识,分析了球面靶标偏心对误差参数标定精度的影响规律,结合标定模型和系统装配、传感器特性等实际参数,将7项误差参数求解问题转化为5项误差参数求解问题进行研究,进而分析了随机误差幅值和球面靶标重复测量次数对装配误差辨识精度的影响规律,结果表明,运用该标定方法能够精确辨识球坐标测量系统装配误差和被测球偏心误差,将标定结果带入测量模型中相应位置进行误差补偿能够提高系统的测量精度。为进一步实现高精度球度测量奠定了基础。开展了球度误差补偿实验,实现了球度的高精度非接触式三维坐标测量。基于球坐标测量系统实验平台,进行了回转轴误差测量实验和装配误差标定实验,并在此基础上完成了球度测量实验。通过对比回转误差和装配误差补偿前后系统的球度测量结果,验证了本文数学建模和误差补偿方法的正确性。同时,两次球度测量实验结果中球度测量精度均优于0.639μm,结果表明,经过误差补偿,本文提出的非接触式球坐标测量方法能够实现球度的高精度测量。