三坐标测量机是一种高效率的三维测量仪器，它集成了机械、光学、电子、计算机等技术。随着现代制造业的发展，MEMS器件的出现对测量机提出更高的精度要求。本文对一台用于生产现场的大量程低精度要求的悬臂式坐标测量机，和一台实验室环境下的新型小行程纳米级精度的坐标测量机进行了研究，围绕这两种不同类型的三坐标测量机的结构布局、误差分析及误差修正问题而展开。悬臂式测量机为传统结构，用于工字钢结晶器内腔现场测量，测量范围为600×600×800mm。本文详细分析了该测量机的各主要误差源，对常用的三坐标测量机21项几何误差修正模型加以改进，增加光栅零位修正量和长悬臂非刚性修正量，使用齐次坐标转换理论建立了测量机的机构误差修正模型。使用双频激光干涉仪、激光跟踪仪对测量机误差进行了分离，修正后的测量结果表明，测量机的最大位移误差由原来最大600μm降低到50μm。对国内外现有的纳米级精度三坐标测量机进行研究后，总结获得影响测量精度的一些关键因素，在此基础上提出了三轴测量线垂直共点、x-y导轨导向面与测量面三面共面、测点与三面重合的纳米三坐标测量机“331”结构构建原则。这种结构可以有效消除三维运动系统中阿贝误差的影响，降低导轨运动直线度误差对三维运动台定位精度的影响。文章详细介绍了一台基于“331”原则的纳米三坐标测量机，测量范围为50×50×50mm，各轴激光干涉仪测长的分辨率为1nm，纳米三维测头分辨率为1nm，适用于微器件和小尺寸量的测量。测量机三维工作台使用低热膨胀系数的铟钢作为主体材料，x、y轴采用了共平面、对称式设计。文中创新性的提出了一种力支撑点可跟随工作台沿x-y二维游动的力平衡系统，该结构能有效克服因工作台三维运动而导致自身作用力无法平衡的问题，可保证测量机各关键部件力变形较小，降低电机驱动阻力。在装调完成后，测量机各轴导轨的直线度误差在±1u以内，角运动误差均在30角秒以内。误差建模和误差修正是纳米坐标测量机研制的关键技术。本文首先使用现代精度理论分析了纳米测量机的误差影响因素，推导获得误差修正模型。误差模型的分析结果表明，x、y导轨的不完善性并不会对测量带来影响，测量机的主要误差项为激光器测长误差和反射镜的垂直度与平面度误差。然后使用激光干涉仪和几何量标准件对测量机的各项误差进行了分离，使用插值算法计算获得误差修正函数，并建立了纳米测量机z轴基于三次样条插值方法的三维误差模型。在完成插值修正后，使用激光干涉仪和标准件对修正结果进行了检验，测量结果表明：测量机沿对角线的最大位移误差由修正前的3500nm降低到150nm以内；台阶高度和量块长度测量的最大偏差小于100nm，标准差小于30nm。