数控机床作为现代制造业的“工业母机”,是衡量国家装配制造业水平的重要标志,加工精度是其关键指标。误差补偿成为提高与保持数控机床加工精度的主要途径和发展趋势,快速准确测量数控机床的各项误差是进行误差补偿的前提与关键。作为数控机床的关键运动部件,直线轴在运动过程中共产生6自由度几何误差,数控机床三直线轴共有21项几何误差。如何实现21项几何误差的快速高精度测量,成为数控机床误差补偿急需解决的测量难题和研究重点。针对以上难题,本论文依托国家自然科学基金重大科研仪器研制项目,在课题组长期研究单直线轴6自由度几何误差同时测量的基础之上,创新提出了激光一步三线数控机床三直线轴21项几何误差快速高精度直接测量方法,建立了三直线轴21项几何误差统一测量误差模型,研制了相应的测量系统,开展了一系列实验室和现场测试工作,验证了测量系统的有效性和可靠性。本论文的主要工作及创新如下:（1）提出了激光快速高精度直接测量数控机床三直线轴21项几何误差方法,实现一步安装自动测量得到数控机床三直线轴21项几何误差。相比单参数激光干涉仪,不仅提高了测量效率,同时减少了多次安装调节带来的调节误差以及长时间测量环境改变产生的测量误差,提高了测量的综合精度。（2）建立了不同类型数控机床三直线轴21项几何误差统一测量误差模型,实现了测量方法的普适性。将4种结构类型数控机床3直线轴几何误差的测量方式规范为2种测量模式;分析了探测器的6项安装误差、18项误差敏感组合棱镜安装制造误差对直线轴几何误差测量的影响,建立了2种测量模式中的单直线轴6自由度几何误差测量误差模型。以此为基础,通过分析光线精确控制转向装置的安装制造误差对测量的影响,建立了数控机床三直线轴21项几何误差统一测量误差模型,通过Zemax仿真和实验验证了模型的正确性。（3）发明并研制了光线精确转向控制装置和18项误差敏感组合棱镜,研制了数控机床三直线轴21项几何误差快速高精度直接测量系统,完成了其中的光学设计、信号处理电路设计、测量软件设计等,实现对数控机床三直线轴21项几何误差的快速高精度直接测量。进行了一系列实验研究,结果表明:直线度、偏摆角和俯仰角、滚转角、垂直度的测量重复性误差分别为±0.5μm、±0.5″、±1.5″、±0.6″,与激光干涉仪和电子水平仪的对比偏差分别为±0.7μm、±0.5″、±1.0″、±1.6″。与单参数激光干涉仪相比,本测量系统的效率提高了45倍。（4）开展了数控机床加工精度和补偿效果应用研究。在提高数控机床加工精度方面,分析了实验室所用数控机床的空间位置误差分布,获得了对空间位置精度影响较大的关键几何误差元素。在现场大型龙门机床三直线轴21项几何误差测量与补偿方面,测量系统在10min内完成了21项几何误差的测量,极大提高测量效率的同时,获得了较高的现场测量精度。此外,根据系统获得的3个直线轴的定位误差对机床进行了误差补偿,经过国家智能制造装备产品质量监督检验中心（浙江）的鉴定表明:经过误差补偿,机床X、Y轴的定位精度分别提高了76%、79%,取得了较好的补偿效果,研制的测量系统获得了成功应用。