随着我国装备制造业水平的不断发展,对装备制造中多自由度运动的精密测量的需求与日俱增。由单轴激光干涉测量发展而来的多自由度同步测量技术已成为目前国内外的重要研究方向,而国内该方面的技术发展尚不完善,无法兼顾测头体积与精度的要求,集成化程度低。本文总结了基于不同测量原理的多自由度同步测量方法。基于激光干涉测量原理与激光准直测量原理,研制了高度集成的激光五自由度传感头,并进行相关实验,对相关指标进行测量测试,在实现高精度测量的同时,保证激光五自由度传感头的小型化,本文重点研究内容包括以下几个方面:（1）设计了激光五自由度传感头的光机结构,并且建立了激光五自由度解耦模型。针对五自由度同步测量的问题,设计了基于激光干涉测量原理和激光准直测量原理的测量光路,可以实现沿导轨方向位移、竖直和水平直线度、偏摆俯仰角五个自由度的同步测量。针对各个自由度之间存在相互耦合性的问题,提出了一种基于旋转矩阵,能够将各个自由度的真实变化值从测量值中解算出来的解耦方式。对五自由度传感头的机械结构进行设计,体积小于75 mm×100 mm×50 mm,以满足本论文测量设备高度集成化、装调方便的要求。（2）设计和调试了五自由度光电传感模块。对位置敏感探测器的原理及指标进行分析,针对PSD输出的微弱电流信号难以探测并进行后续处理的问题,对PSD的电气性能进行分析,同时对跨阻放大电路进行稳定性和噪声进行分析,设计了包括跨阻放大电路、有源低通滤波电路和AD采样及处理模块在内的五自由度光电传感模块,采用模拟滤波与数字滤波结合的方式,有效降低了信号噪声,系统整体电压噪声峰峰值仅为0.2 m V,能够满足本论文的测量要求。（3）基于上述关键技术研究,本文设计了对激光五自由度传感头的位移、直线度和角度测量的相关测试实验。针对激光五自由度传感头在测量过程中存在的非线性误差的问题,分析非线性误差产生的原因,提出了一种基于多项式拟合的非线性误差修正方式。沿导轨方向位移量测量基于外差激光干涉系统分辨力等效测试法,分辨力可达0.31 nm。直线度测量以激光干涉仪为基准,角度测量以自准直仪为基准,分别对直线度和角度测量进行稳定性、分辨力和精度实验。实验结果表明,激光五自由度传感头直线度和角度测量十分钟内漂移分别小于0.3μm和0.2″,测量分辨力分别为0.3μm和0.5″。在±300μm和±200″的测量范围内,测量精度分别优于±0.5μm和±0.5″,能够实现本文提出的五自由度高精度同步测量要求。