随着现代科技的不断进步，数控机床已成为现代加工技术的主要设备。为了满足现代制造业对现行使用的各种器件装置的高精度需要，人们对其精度标准提出了越来越高的要求。作为提升数控机床精度的一种重要手段，机床误差补偿技术受到了越来越多的应用，于是研究并减小导致数控机床自身误差加剧的主要误差来源当中的几何误差对提升数控机床加工精度的意义重大。针对五轴数控机床，现有的测量手段主要是利用激光干涉仪或者球杆仪并结合其他配套装置完成对机床几何误差的测量，存在检测方法复杂、测量费用高等问题。本文利用光学自由曲面拥有极大的设计空间，可优化系统构造、提升系统性能的特点，提出并设计了一种基于光学自由曲面的机床误差测量系统，用于普通机床几何误差辨识和检测。主要研究工作如下：（1）在研究了多体系统理论用于多体系统运动学误差建模的前提下，建立了五轴数控机床的几何误差模型，在此基础上规划了五轴数控机床几何误差测量路径，并最终提出了新的数控机床几何误差测量方法和测量装置；（2）开发了数控机床几何误差测量系统，在保证测量精度的同时，减小测量系统成本，实现了对五轴机床几何误差的高效率、高精度、低成本的综合测量；（3）设计了合适的光学自由曲面，以适应数控机床几何误差测量系统的测量特点，并实现对光学自由曲面自身精度的评估，在以光学自由曲面作为基准的条件下完成对测量系统的开发。通过设计光学自由曲面基准件，搭建实验平台，建立测量系统的数学模型，完成了测量系统的标定实验、测量系统精度验证实验和三维位移测量实验。结果表明，该测量系统的精度可达2.8μm，可应用于普通精度数控机床几何误差检测。