机床几何误差的在线测量与主动补偿是提升加工精度及产品质量的有效手段，多自由度测头是实现机床几何误差在线测量的核心装置，各自由度相互影响是制约多自由度测头精度的主要因素。本文针对机床几何误差高精度测量和溯源的应用需求，设计并研制了一种收发一体式五自由度测头，并针对多自由度相互影响引入的测量误差建立误差补偿模型，提升了五自由度测量精度，同时分析了、各自由度相互影响引入的标定误差，结合误差参数构建了直线度标定模型，提出了空间布局优化和误差测量与修正两种误差补偿方法，并完成模型验证、标定与测量、稳定性测试等实验。论文主要工作和创新点如下：
　　(1)提出了一种激光五自由度测头测量精度提升方法，构建了收发一体式五自由度测量模型，利用角度旋转变换分析法对水平直线度、竖直直线度和滚转角测量中各自由度相互影响引入的测量误差，特别是对角锥棱镜的成像误差进行了分析。在优化直线度测量模型的基础上，建立了误差补偿模型，有效提高了测量精度。
　　(2)设计并研制了收发一体式激光五自由度测头，对其光学参数进行计算并分析了位置传感器的测量模型；为满足系统精度要求，基于传感器噪声模型对信号调理电路进行了噪声分析并完成后端控制模块设计；对各机械零件进行了振动分析与热设计，保证机械结构的稳定性。
　　(3)提出了一种激光五自由度测头标定精度提升方法，分析了水平直线度和竖直直线度标定中各自由度相互影响引入的标定误差，结合误差参数构建了直线度标定模型，并提出了空间布局优化和误差测量与修正两种标定误差补偿方法，有效提高了标定精度。
　　(4)开展了激光五自由度测头标定实验，对标定精度提升方法进行验证，结果表明水平直线度标定系数误差从3.5%减少到0.1%以内，竖直直线度标定系数从4%减少到0.2%以内。开展激光五自由度测头测量实验和稳定性实验，对测量精度提升方法进行验证，结果表明直线度测量误差减少了50%，3小时内俯仰角和偏摆角漂移在?0.5??以内，稳定1.5小时后二维直线度漂移在?1μm以内。