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近年来由于精密和超精密加工技术的高速发展，出现了许多微型构件，各种复杂表面件，微型电子器件，精密光学元件等零部件，其加工精度在微米和亚微米级别。这就要求检测这些零部件的三维测量设备的测量精度要在亚微米以下，而一般传统的三坐标测量机并没有如此高的测量精度，在此背景下，具有纳米级测量精度的纳米三坐标测量机应运而生。 论文首先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，在此基础上自主开发了一套大范围高精度的接触式三维测量探头，此探头是由基于迈克尔逊干涉原理测量位移和自准直原理测量二维角度的共光束的三自由度的传感器，铍青铜簧片组成的悬浮机构，以及带红宝石测球的探针组成。通过测试实验得出：该探头具有测量范围大，精度高且测力小的特性；各方向的测量范围为20μm，测量精度达20 nm且测力为0.5 mN/μm。 再次，介绍了本实验室开发的第二代纳米三坐标测量机，包括共平面XY平台、宝塔型配重式Z轴架构、超声波马达HR4、以及自主开发的位移传感器-线性光栅衍射干涉仪(LDGI，Linear Diffraction Grating Interferometer)、基于DVD及光耦的三轴零位系统等，并结合自主开发的接触式三维测量探头对此纳米三坐标测量机进行硬件系统整合。另外，还提出了导轨运动时光栅的偏摆(Yaw)对LDGI的读数的影响，并改进了光路设计以克服此缺点。 最后，研究了纳米三坐标测量机的驱动与控制部分。结合超声波马达HR4和驱动器AB2以及三轴位移传感器LDGI，对纳米三坐标测量机进行了速度控制、定位控制、循圆控制以及探头的触发控制等。 本课题来源于国家自然科学基金国际合作与交流项目“纳米三维测量关键技术与系统研究(50420120134)”，以及国家自然科学基金项目“接触触发式三维微纳米探头系统研究(50875073)”，重点在开发一套三维接触式测量探头，并完成对纳米三坐标测量机的系统整合，具有一定的科学意义。