Las herramientas de máquina de grabado láser multi-eje (LEMT) se utilizan ampliamente en el procesamiento de precisión de piezas con superficies complejas. La precisión del modelo cinemático y la medición de parámetros son los factores clave que determinan la calidad del procesamiento de LEMT. En este artículo, se estableció un modelo cinemático de LEMT multi-eje basado en la Matriz de Transformación Homogénea (HTM). Se midieron dos tipos de parámetros desconocidos, parámetros de enlace y parámetros de posicionamiento, en el modelo presentado. Aprovechando las características del procesamiento láser, este artículo propuso un método de medición rápida de parámetros de enlace combinando el movimiento de la máquina herramienta con la acción de marcado láser. Para los parámetros de posicionamiento, este estudio propuso un método de medición sin contacto basado en un escáner de luz estructurada, que puede obtener simultáneamente los valores de translación y los valores de rotación del Sistema de Coordenadas de la Pieza de Trabajo (WCS) al Sistema de Coordenadas Básico (BCS). Después de completar la medición de dos tipos de parámetros de un LEMT multi-eje, se realizó el procesamiento de una curva espacial y el error de contorno promedio se controló en 15.1 m, lo cual es suficiente para cumplir con los requisitos del proyecto.