提出了一种用于深孔轴线重建的新型六探针测量系统。该系统基于三维两点法，探头在每次步进测量中可以获得被测横截面的圆心位置以及半径大小。该系统有以下优点：1）可以消除传感器运动装置的移动直线度误差对轴线测量与拟合结果造成的影响；2）有显著普遍性，调整位移传感器之间的相对位置可以测量不同的孔径；3）实现探头移动、数据获取的自动化，降低人工劳动量，提高测量效率；4）测量过程简单，只通过一次扫描测量就可拟合孔轴，并评估它的相关参数。通过理论推导和仿真证明了这些优点。实验结果表明，该方法具有高横向分辨率。

直线度现场标定是保证其在线测量精度的重要方法。在收发一体式激光五自由度测量结构的基础上，针对直线度现场标定中标定平台引入的阿贝误差和角锥棱镜成像误差，建立了直线度现场标定模型。根据该标定模型并结合五自由度测量装置的角度测量结果，提出一种直线度现场标定误差补偿方法。实验表明，该标定方法使标定系数误差减小到 0.2%以内，有效提高了直线度现场标定精度。

直线度测量中往往存在有限的测量范围、精度低和阿贝误差等问题。本文提出了一种高精密直线度外差干涉测量装置, 该装置由Koester棱镜、角锥棱镜、1/4波片、楔面棱镜和楔面反射镜构成。楔面棱镜为直线度传感元件, 角隅棱镜和楔面反射镜是测量信号的回光元件。双频激光信号进入直线度干涉仪后组成几何空间对称四光路测量信号。四路测量光走过几乎完全相同的路径有效地提高了干涉仪的稳定性, 并且使空程误差最小化。使用楔角为1°的楔角棱镜和2π/512细分的相位计, 直线度测量分辨力为17.71 nm。该方法不需要与行程同长的大反射参考镜, 但同样能实现高分辨率, 理论和实验证明空间对称测量结构避免了由俯仰, 偏转和滚转角引起的阿贝误差的串扰, 而且光学元件少, 结构简单, 方便易用, 结果可以直接溯源到米的定义。

中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅, 它以高的衍射级次和大的衍射角来工作, 具有高分辨率、 全波闪耀等特性。 已广泛应用于高端光谱仪器之中, 极大地促进了航天航空、 天文、 医疗、 **、 环境等尖端科技的发展。 但是专业的刻划系统需要定制, 价格昂贵。 使用已成熟的超精密加工设备来加工中阶梯光栅, 可以大大降低中阶梯光栅母版的制备成本。 超精密单点金刚石车床制备中阶梯光栅时, 系统直线度不好, 存在较大的累积误差, 导致中阶梯光栅衍射波前较差, 达不到制备要求。 为了减小超精密单点金刚石车床固有的直线度误差, 对超精密单点金刚石车床进行了误差补偿。 首先, 以累积误差曲线为依据进行第一次补偿。 实验结果表明, 当补偿系数为0.75～0.85时, 此时衍射波前的PV（峰谷值）值在约400 nm, 一次直线度补偿效果到达极限。 然后, 以闪耀级的衍射波前曲线为依据进行第二次直线度补偿, 二次补偿后的衍射波前PV值为约83 nm。 补偿后的结果表明衍射波前得到大幅改善, 有利于提高所制备光栅的质量, 在光栅实际刻划中具有指导作用。

基于激光位移传感器旋转，以回转轴线为基准，提出和验证了一种测量深孔零件直线度的方法。实验结果表明，在选用的激光位移传感器精度为±2 μm的情况下，该方法实现了圆孔直线度的在机测量，与三坐标测量机给出的相对真值对比，误差低于12%。该测量模型仅需机床主轴及其进给部件，易于实施。

针对影像仪测量直线度误差的特点, 设计了一种改进的边缘检测模板进行边缘提取, 并提出一种满足最小条件的直线度误差评定的方法——区间距离算法来优化直线度误差的测量。通过采用影像法对光滑极限塞规的高精度测量实验, 与传统边缘检测方法和斜率搜索法进行比较, 实例结果表明, 改进的边缘检测算法相对于传统检测模板计算卷积次数减少一半, 可以提高测量速度, 采用区间-距离算法与斜率搜索算法相比较, 相同8组数据直线度误差相对误差不超过2%, 平均计算速度提高0.01 s。实验验证在影像仪测量不同直径塞规直线度误差的自动化测量中, 采用该优化方法可以节约计算时间4.45 s, 并通过不同评定方式的比较, 提出测量直线度误差最佳测量跨距在0.078 mm~0.104 mm的建议, 对实际直线度误差测量具有指导意义。

基于多测头光学扫描法对导轨直线度的在位测量方法,提出一种新的倾角补偿的三测头扫描方法。介绍了测量原理,推导了基于最小二乘法的直线度形状重构方法,重构出的形状可精确反映直线度误差的高频成分,且对测量噪声有良好抑制能力。对算法进行了仿真验证,并由实验验证了提出方法的有效性。实验结果表明,该方法可以精确地还原出台阶状的直线度形状,测量标准偏差在10 μm以内。

对光栅刻划机的进给导轨直线度误差做了系统的研究，推导了直线度误差对光栅衍射波面和杂散光的影响的计算公式，并且定义了干涉仪测量轴线到刻线始端这段距离为定位臂。得出以下结论：定位臂会放大进给导轨的直线度误差；光栅的衍射波前和杂散光强度主要受定位臂和导轨直线度大小的影响，若定位臂为50 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.15″ ，若定位臂为10 mm，则水平方向直线度误差必须小于0.74″ ；与竖直方向的直线度相比，刻划机对进给导轨水平方向的直线度要求更高。理论推算与实验结果相符。