旋转轴作为高精度仪器和机床设备中承担运动传递的核心部件,在制造业中发挥着至关重要的作用,旋转轴的运动精度是影响设备工作精度的主要因素。由于工作状态的不平衡、轴承装配挤压及润滑条件不充分等原因,对旋转轴的运动性能造成了影响形成回转误差,因此需对旋转轴的回转误差进行测量作为补偿基础。大型设备通常需要进行长距离多截面的回转误差测量,利用标准件的测量法在此条件下难以实现,为此选择使用光学视觉测量法。本文着重研究了各类回转误差的测量方法,提出了一种由无衍射光和双相机测头组成并可同时测量径向回转误差和倾角回转误差的方法,以满足长距离多截面的回转误差测量需求。主要的研究内容如下:首先,为了明确各回转误差的运动形式及其在设备工作中的表现形式,以空间运动理论为基础推导了运动变换特征矩阵;以车削加工为例,分析了加工过程中回转误差对切削面的影响。分析结果表明,在倾角的影响下误差会随距离变大,验证了长距离测量的需求。然后,提出了适用于长距离多截面的回转误差测量方法,该方法不需要使用标准件。具体设计了以无衍射光为基准、双相机测头通过连接件随旋转轴同步转动的测量系统。以空间运动分析作为测量原理,讨论了系统存在的偏心、偏角影响,选择了最小二乘圆的评估方法进行数据解耦得到所求的误差。其次,针对无衍射光的图像特性,研究了由重心法、极值法及Hough变换法等组成的图像处理路线,能够得到亚像素级的无衍射光中心坐标。并移植开发了系统配套的测量软件,能够以图形化界面的方式进行操作。最后,对测头的相关系数以及测量系统分别进行了标定实验、验证实验以及不确定度分析。实验和分析结果表明:方法原理正确,数据结果符合理论分析;系统设计合理,可完成对应测量任务。