精密/超精密产品不仅在日常生活、军事国防和航空航天等领域内发挥着日益重要的作用,而且这些领域对它们的精度要求也越来越严苛。机床作为精密/超精密产品的加工母机,其工作精度影响着产品的精度;三坐标测量机（Coordinate measuring machine,CMM）作为精密/超精密产品的检测母机,其测量精度控制着产品的质量。因此,如何提高机床/CMM的精度等级一直是工业界密切关注的重大问题。直线导轨作为机床/CMM的关键部件,其运动误差既影响着机床/CMM的精度等级,又是误差补偿模型的关键参数。此外,运动误差还能够实时反映出机床/CMM的运行状态。因此,在线测量直线导轨的运动误差具有重要的工程价值与科学意义。相关的测量方法虽然较多,但仍不能满足工业界的需求,尤其直线导轨处在复杂的工况下。为此,本文提出了一种新的直线导轨运动误差在线测量方法,它利用线性光栅系统和柔性机构构建新型探头,通过多探头误差分离算法和新型探头所构建的多步式测量系统,测量出直线导轨的运动误差。此外,新型探头为多步式测量系统与导轨滑块的集成提供了可能性。对于该方法,本文对其基础理论和关键技术进行了深入的研究和系统的分析。为从探头测量值中分离出直线导轨的运动误差,依据是否考虑倾斜误差的影响,本文引入两种多探头误差分离算法——频域三点法和新的空域四点法。对于频域三点法,在测量值差值中为调零误差项引入周期性系数,使其与参考面形貌项具有相同的构造。之后,通过自然延拓获得两组测量值差值的周期序列,并得到对应的频谱序列。随后,引入权函数构造出形貌的频谱序列,并求出相对调零误差差值,进而获得形貌的估值。最终,从测量值中分离出导轨的直线度误差。在空域四点法中,由四组测量值差值构造出线性方程组。为确保方程组具有唯一解,引入两组约束条件:基于测量坐标系的定义设定形貌的首末点;通过广义三点法预估调零误差差值（35）e₁。为解决线性方程组的病态性,应用Tikhonov正则化法对其求解。最终,通过正则解从测量值中分离出导轨的直线度误差和倾斜误差。构造仿真平台,以验证频域三点法和空域四点法的可行性,并对这两种算法的影响因素进行定量分析。频域三点法和空域四点法为直线导轨运动误差在线测量方法奠定了理论基础。对于新型探头的感知器——干涉式线性光栅系统,本文建立它的光学模型,并提出莫尔条纹特征参数的辨识算法,进而分析读数头与标尺光栅之间位姿偏差对莫尔条纹和输出信号的影响。为获得莫尔条纹的分布形态,基于光学软件Zemax建立光栅系统的光学模型。为辨识出条纹的频率,提出一个判定准则。基于辨识出的频率,进而求解出条纹的相位、均值和振幅,从而实现对莫尔条纹的数学解析。之后,利用Matlab对辨识算法进行验证。在光学模型中,通过改变标尺光栅的坐标参数引入读数头相对标尺光栅的位姿偏差,进而通过辨识算法分析出位姿偏差对条纹特征参数的影响规律。随后,基于特征参数建立光栅系统输出信号的数学模型,进而分析输出信号对位姿偏差的响应。为验证上述仿真结果,在五轴坐标级加工中心上进行实验验证。上述仿真分析为线性光栅系统的安装和新型探头的设计提供了指导准则。基于线性光栅系统和柔性传动模式,本文构建两个新型的线性高精度探头,并分析其动静态特性。首先,依据误差分离算法的需求,提出探头柔性机械本体（柔性传动机构和柔性加载机构）的设计准则,进而对其进行构型设计。其次,基于弹性力学推导出切口型柔性铰链的柔度矩阵,之后,通过柔度矩阵法建立串/并联型柔性机构的柔度模型。再次,基于上述柔度矩阵和柔度模型,建立柔性机械本体关键模块的柔度模型,进而分析尺寸参数对其运动学与力学特性的影响,为柔性传动机构和柔性加载机构的尺寸设计提供理论依据。最后采用有限元分析法对探头进行静力学分析和模态分析。柔性机构与线性光栅系统所构成的新型探头为直线导轨运动误差在线测量方法提供了硬件支持。为验证直线导轨运动误差在线测量方法的可行性和有效性,本文应用该方法对直线导轨的运动误差进行在线测量。首先,利用所研制的新型探头和微位移平台构建多步式测量系统。对于多步式测量系统,从探头测量值中推导出运动误差不确定度的数学模型,为预测测量值的噪声提供先决条件。其次,对所研制的新型探头进行测定,以获得放大倍数、输入刚度等性能参数的精确值,从而保证测量数据的准确性。最后,利用多步式测量系统,通过频域三点法测量出两项直线度误差;通过空域四点法测量出两项直线度误差、偏摆误差、俯仰误差和滚转误差以及相关不确定度。采用激光干涉仪测量出这些运动误差。对比误差在线测量方法的实验结果和激光干涉仪的测量结果,二值之间的一致性表明该方法是可行有效的。