本发明提供了一种用于同时测量旋转轴六自由度运动误差的系统。该系统包括：光路连接的光源、测量单元和误差敏感单元；测量单元对光源发出的激光进行处理并传输至误差敏感单元，根据误差敏感单元返回的衍射光和反射光测量旋转轴六自由度运动误差；误差敏感单元包括环形光栅、第一角锥棱镜、正多面棱体和面型反射镜，环形光栅固定于第一角锥棱镜的斜面中心位置上；误差敏感单元固定于旋转轴的端面中心位置处，且环形光栅、第一角锥棱镜、正多面棱体、面型反射镜以及旋转轴五者的旋转中心轴重合，对测量单元入射的光进行衍射和回射。本系统无需伺服回转系统即可实现旋转轴的六自由度运动误差同时测量，极大的提高了测量效率和测量精度。