制造业是强国之基、富国之本,先进制造技术更是被作为前沿技术列入国家科技发展规划之中。在先进制造领域,利用多自由度误差检测和补偿技术来保持或提高大型精密设备的运行精度一直是学界的研究热点。近年来,基于光学自由曲面的导轨多自由度误差检测渐成流行趋势,但是这种检测系统仅仅适用于微小型多轴运动系统,对大量程的多轴运动系统如数控机床的几何误差检测则略显乏力。因此,有必要对其进行深入的研究和探索,以期寻找到更加合适的光学自由曲面面型和适合更大空间的直线轴运动误差检测方法。本文将旋转抛物面和平面相结合制成一种组合靶标,研究了单个组合靶标上的二维位移测量技术和基于组合靶标阵列的直线导轨平动几何误差的检测技术,主要完成了以下工作:1、研制出一种基于组合靶标阵列的位移测量系统,既能实现二维微小位移的线性测量,又能实现大量程二维位移的离散化精确测量,适用于一般直线运动导轨的平动几何误差测量。2、完成了测量系统的研制和改进。硬件部分一是优化了组合靶标的设计、加工、检测和仿真分析等研究工作,二是对光学角度传感器的光路结构进行了改进。软件部分利用Matlab软件对上位机接收到的光斑图像进行了图像处理和中心定位,所应用的中值滤波算法使得系统的稳定性得到提高。3、完成了单个组合靶标上的二维位移测量研究和基于组合靶标阵列的平动误差测量实验。利用单个组合靶标可以实现二维微小位移的线性测量,测量稳定性好（±0.05μm）、精度（±0.3μm）和重复性高（±0.18μm）。分析了测量系统中影响灵敏度和精度的相关因素并进行了实验验证,为后续的测量应用提供了理论支撑。针对组合靶标阵列存在的四自由度位姿差异,提出一种利用几何关系和角度信息的组合靶标阵列“分步标定法”并进行了实验验证。为扩大基于组合靶标的位移测量方法的量程,推导了基于组合靶标阵列的平动几何误差测量方法,并通过实验验证了测量系统的精度,包括定位误差（±2μm）和直线度误差（±1μm）。