随着现代高新技术产业的发展,人们对精密、超精密零件的需求量急剧上升,同时对机床的加工精度提出了更高的要求。机床工作台在沿导轨运动时,存在六个自由度几何误差,分别为位置误差、二维直线度误差、偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差。机床工作台几何误差的精确测量是保障工件加工精度的重要手段。传统的测量方式多为单参数测量,测量过程长且精度偏低,显然不能满足现代工业化的需求。因此,研制一套高精度、低成本、体积小、测量范围大的多自由度测量设备对于提高机床加工精度具有十分重要的意义。针对机床工作台几何误差传统测量方法存在的问题,本文通过对国内外研究现状的综合分析研究,提出了一种基于激光准直技术的五自由度同时测量方法,使用半导体准直激光器作为光源,配合分光棱镜、反射镜和平凸透镜等精密光学镜片组成光路系统,以四象限探测器和位置敏感探测器作为误差测量的敏感元件,实现对机床工作台二维直线度、偏摆角、俯仰角和滚转角的测量。遵循模块化、小型化和高集成度的设计原则搭建了五自由度同时测量系统,满足小体积、高精度、测量范围大、低成本的要求,主要包括激光器、光电探测器、光学镜片的选型,前置放大电路、模数转换电路、无线传输电路的设计,嵌入式程序和上位机软件设计,固定端和移动端的机械设计等。为了提高测量精度,分析了五自由度测量系统存在的主要误差来源,从理论上补偿了各自由度间的串扰误差和激光角度漂移误差,探究了光电探测器的非线性误差和非测量光对测量结果的影响,提出了减少电子噪声误差、机械安装等随机误差的解决方法。最后,为了验证五自由度测量系统的可靠性和准确度,本文在实验室条件下对测量系统进行了一系列实验,包括标定实验、稳定性实验和对比实验。分析实验结果可知,在60min内,直线度测量的稳定性误差小于1.2μm,角度测量的稳定性误差小于1.5″;在1.5m的测量行程内,与标准设备相比,直线度测量的对比误差小于±2μm;角度测量的对比误差小于±4″。验证了本测量系统具有较好的稳定性和准确度,满足机床精密测量的要求,且测量范围达到米级距离,对超远行程机床的工作台几何误差测量具有一定的指导意义。