五轴机床旋转轴的几何误差包括结构误差和运动误差,其中结构误差对机床加工精度的影响显著,但对其测量方法的研究较少。为此,本文研究了球面探头接触式R-test的结构优化、在机标定、球心坐标求解和旋转轴结构误差辨识的方法,并进行了样机的开发和应用验证,进一步扩展了R-test测量仪的相关测量和应用技术,实现了五轴机床旋转轴结构误差的便捷测量。主要的研究工作如下:首先,提出了斜面探头和球面探头两种接触式R-test结构设计方案,通过分析比较两者的测量原理和精度,选取了球面探头接触式R-test方案,并以测量稳定性最大化和测量空间最大化为优化目标研究了球面探头接触式R-test的结构参数优化方法;其次,研究了球面探头接触式R-test测量仪的测量坐标系和传感器位置的在机标定方法,并建立了传感器位置标定模型;根据标定的传感器位置,建立了测量坐标系下的测量球球心坐标求解模型。传感器位置标定模型和球心坐标求解模型均利用自适应差分进化算法(Sa DE)进行优化求解;然后,将球心坐标转换为理想测量坐标系下的位移误差数据,并根据一组位移误差数据,分别利用最小二乘圆拟合法和直线拟合法辨识得到旋转轴的结构误差。在此基础上,还进一步探讨了旋转轴动态几何误差的辨识方法;最后,开发了一台球面探头接触式R-test测量仪原型和配套的旋转轴结构误差测量软件,并在DMU 100 mono BLOCK~?五轴机床上验证了R-test测量仪的测量球球心坐标求解精度和结构误差辨识效果。实验结果表明:球面探头接触式R-test测量仪具有较高的测量球球心坐标求解精度和良好的结构误差辨识效果,能够为工业测量提供有效参考,有助于提高五轴机床的加工精度。