大距离分布孔系具有孔径小、孔数多、相邻孔间距小的特点，用一般的测量同轴度的方法很难在实现快速测量,同时也不能达到较高的测量精度。针对大距离分布孔系的这些特点，本文提出了一种测量方案，可以实现对大距离分布孔系内径和同轴度快速测量与高精度测量的统一，可以解决大距离孔系零件尺寸和同轴度检测难而且不易返修的问题。本文在分析大距离分布孔系特点的基础上，首先提出了一套测量其内径和同轴度的测量方案，该方案由激光准直系统、多功能自定心测头、数据采集与处理系统和误差补偿系统四部分组成，以激光基准技术建立绝对坐标系，使用多功能自定心测头作为运动测量部件来采集被测目标的参数信息，通过数据处理系统和误差补偿方法评定大距离分布孔系的内径值和同轴度误差；对系统的核心部件——多功能自定心测头进行了详细设计，该测头使用三爪自定心原理，当三个测爪伸出时，将测爪径向位移伸缩转化为测头内部部件的轴向旋转，再通过光电编码器计数得到该旋转量，当测爪伸出与孔壁紧密接触时，安装在测头上的光电位置传感器PSD可以采集到基准激光束光斑在PSD坐标系里位置信息，通过该信息间接将被测孔系的中心位置反映到系统的绝对坐标系中，从而完成对孔系同轴度评定所需数据的采集；设计了系统数据采集与控制模块，对系统硬件各个元件进行选择和电路设计，包括PSD传感器、光电编码器、准直云台、数据采集卡等；对系统各个环节的误差进行了理论分析,通过理论分析，找到系统误差分布的主要环节，并进行了相应的模拟仿真；设计了内径测量标定和同轴度测量验证的系统实验方案。