数控机床作为装备制造行业的工作母机,其加工精度高低代表了一个国家制造业的发展水平。随着我国经济的发展和科学技术的进步,一方面全国数控机床的保有量逐年增加并成增长态势,另一方面高新制造领域对数控机床的加工精度也提出了也越来越高的要求,如何提高和保持数控机床加工精度一直是精密制造领域研究的重点问题。几何误差测量与补偿技术对于改善机床的整体加工精度具有显著的效果而受到广泛的应用,面对体量越来越大、精度越来越高的误差补偿需求,如何更加高效、准确地实现几何误差测量成为关键的问题之一。本文针对这一问题,研究基于复合特性面阵列的几何误差测量方法,主要完成了以下工作:1、根据数控机床的几何误差的测量需求,分析不同几何误差参数的测量原理,通过设计光学测头和复合特征面基准件,提出了一种五自由度几何误差参数同时测量系统,给出了该系统的测量模型;2、设计了几何误差测量系统的整体结构,选取半导体激光器作为系统的测量光源,分析了测量系统在位移测量中成像光斑质量特点,提出使用聚焦光束进行位移测量,提高了光斑成像质量,完成了光学测头、一体式基准件阵列和组合式阵列基准件的机械设计与样机搭建;3、针对测量系统中角度成像光斑和位移成像光斑的位置提取问题,分析了其评价方法,通过数字图像处理技术,验证了不同光斑位置提取方法的精度和稳定性,最终使用质心法完成了成像光斑位置的高精度提取;4、针对所设计的测量系统,完成了系统的总体标定实验和测试实验,其中标定实验中针对所设计的L型组合式基准件给出其标定方法,测试实验中完成了单个特征面基准件上的俯仰角、偏摆角、位移、滚转角测量功能以及L型组合式基准件上的位移测量功能测试。验证了测量系统在单个复合特征面模块上具有较好的测量效果,并分析了在组合式基准件上误差的产生原因。