精密测量是工程科学的基础，是现代制造技术的关键，而形状误差测量历来是精密测量的重要内容。形状误差测量技术历经演变和发展，却一直遵循着基本的测量模式，即：无论是通用型测量仪器还是专用型测量仪器，对形状误差测量和评定时，都要求知道被测对象的几何模型和设计参数；测量仪器的设定也依赖于这些模型和参数，并据此获取被测对象的几何信息，进行数据处理与形状误差评定。在科学研究与工业实践中，常常存在几何类型及参数未知的被测对象，如何测量与评定已成为精密工程的一个现实问题。由于缺乏名义模型和参数，传统精密测量模式难以进行测量；测绘技术虽能获取一些数据，但其精度较低，不能满足精密工程需要；而反求工程重构的数字化模型总体上不具有清晰的结构特征，很难了解模型的准确含义，也无法进行误差评定。基于精密工程中零件“小偏差假设”，提出了免形状（Form-free）测量模式，即测量仪器不依赖被测对象的几何形状、无须知道几何参数、无须精密定位的情况下，也能进行几何尺寸和形状误差的测量与评定。要实现免形状测量，获取可靠的几何信息是基础。本论文研究了实现免形状测量的关键技术，主要工作如下：（1）论述了精密工程中免形状测量模式及其关键技术。系统地阐述精密测量的几个基本问题，即测量与测量过程、被测要素、名义几何模型与被测对象、计量单位、测量方法及复杂形状测量，以及测量不确定度；分析了传统精密测量模式和反求工程的特点，指出其不能测量名义几何模型未知的被测对象；阐述了免形状测量的基本思想和基本思路；分析了实现免形状测量的几何信息获取关键技术；介绍了几何形状识别的研究方法及面向免形状测量的快速几何形状识别算子；分析了免形状测量的特点及应用前景。（2）重新认识了阿贝原则，提出了广义阿贝原则。回顾了古典阿贝原则及其发展，指出其焦点乃不同的结构布局下导轨角运动产生的一次误差；分析了非刚体基座和非刚体滑板产生的误差，分析了不同要素布局产生的误差阶次；发现即使满足古典阿贝原则的要求，依然可能存在一次误差，进而揭示了阿贝原则的隐含条件，提出了“五要素同线”的广义阿贝原则；分析了二维和三维阿贝原则，讨论了符合二维阿贝原则的结构形式，发现了要符合三维阿贝原则并不比符合二维阿贝原则复杂，分析了在研制复杂形状测量机过程中如何减小阿贝误差。（3）研制了一台高精度、微进给、快速度、大量程的免形状测量机。根据免形状测量模式对测量仪器的特殊要求，确定了测量机的主要性能指标，确定了总体设计原则，设计了测量机结构，设计了关键部件并进行了分析，发明了一种真空负压的空气静压气浮导轨，发明了一种H型二维共平面工作台，具有高精度、大行程、大承载能力等特点，设计了气动平衡的Z轴以及气浮隔振部件等。（4）构建了测量机运动控制系统、气动平衡控制系统、气浮隔振控制系统和探测系统，编制了测量软件框架。基于开放式可编程控制器设计了控制系统，包括电机、驱动器和位移测量系统的选型计算；实现了Y轴双电机高精度同步驱动；实现了Z轴重力平衡和掉电制动功能；以触发式测头为例，介绍了其与控制系统的连接，确定了测量信号的捕获方法，并设置了控制器相关参数；采用Visual C#作为编程语言，编制了测量软件框架。（5）提出了一种面向名义模型和参数未知的复杂形状的自适应采样方法。该方法先获得反映被测对象轮廓趋势的特殊点作为外形粗测；采用三次样条内插技术获得特殊点的内插点；精测阶段，基于已测点采用等曲率外插技术获得外插点；根据外插点和其最近的内插点判断下一个探测起始点；采用MATLAB分别对简单非封闭曲线和复杂封闭曲线进行了仿真，发现了采样步长系数、曲率半径阈值、固定步长系数对采样精度和效率的影响规律，验证了该采样方法的稳定性、精度、效率和可靠性。（6）实验研究。对运动控制系统进行调试，以实现预定的运动功能；对新型导轨与传统导轨精度进行加载对比实验；采用激光干涉仪对各轴直线度、定位精度和相互垂直度误差进行检测；在控制系统控制下进行0.5μm微进给实验；调整隔振系统，进行了隔振性能测试。