三坐标测量机是实现三维方向测量的主要测量仪器。随着现代工业的发展，具有纳米级三维测量精度的三坐标测量机和三维接触式探头，正成为国内外许多高校和研究所的研究热点。简要介绍了国内外纳米三坐标测量机以及三维探头的发展现状。详细介绍了自主开发的大量程高精度三维接触式测量探头的原理和结构，该探头主要由三自由度光学传感器、悬浮机构和探针三部分组成。全面介绍了自主研发的微纳米三坐标测量机的系统组成、结构特点和控制流程。搭建了不同的实验系统，分别对探头的稳定性、量程、重复性和测力等指标进行了测试。实验结果表明：量程为±20μm×±20μm×20μm，重复性标准差小于30nm，探头的刚度小于0.5mN/μm。实现了探头与微纳米三坐标测量机台的整合，对探头进行了标定及探头的误差进行分析。利用一些特殊标准件（包括标准球和环规）或一等量块，从定点重复性、平面度、长度、台阶高度、凸透镜三维轮廓、圆度等方面，测试了微纳米三坐标测量机的测量功能和测量精度。完成了探头测端等效直径的补偿。从测量结果来看：在功能测试方面，xyz三轴定点重复性在20nm左右，xyz主轴方向上的平面度偏差在20nm左右，标准差在15nm以内；其长度偏差在25nm左右，标准差在50nm以内。通过对标准件的平面度等进行了测量，结果符合课题要求，验证了研究的微纳米三坐标测量机和探头具有纳米级的测量精度。