随着“中国制造2025”宏大计划的推进实施,先进制造技术中的微纳米测量技术和微细加工技术也迎来了迅速发展,诸多高端设备与精密仪器对于具有微纳米尺度特征的精密元器件的需求越来越大,对于它们的制造精度要求也越来越高。例如柴油发动机喷油嘴喷油孔的几何参数偏差对于其工作效率、燃油油耗以及污染物排放等具有显著影响;各种微型齿轮、螺纹、芯片、透镜、针阵列等精密元器件的工作性能也与其制造精度密切相关。高精度尺寸参数要求需要高精度检测技术和手段相匹配,因此用于精密元器件测量的微纳米三坐标测量机和在微纳米三坐标测量机中担任扫描或触发功能的测头系统已经成为研究的热点。在微纳米测量领域中,相对于外尺寸的测量而言,大深宽比内尺寸的测量更具难度,主要体现在测量空间狭小和测量深度要求带来的挑战。因此本文针对目前在微纳米内尺寸测量中存在的测量精度低、可测深宽比小、测量链复杂等问题,围绕着实验室自主研发的音叉光纤一体式三维谐振测头,搭建了相应测量系统,并选用具有设计指标的柴油机喷油嘴针阀体微锥孔进行测量,验证了该谐振测头的实用性,主要完成的工作如下:1.实验系统搭建:基于石英音叉谐振测头系统,结合高精度大行程三维纳米定位台,搭建了一套微尺度测量系统,使得该系统在三维方向上具备纳米量级精确测量的可行性和有效性。2.测控软件开发:结合实验具体测量要求,使用C++语言,基于MFC编写了测量系统控制软件,主要实现的功能包括对于测头性能的测试验证以及对于喷油嘴微锥孔形貌的三维自动测量等。3.测头性能验证:基于搭建的实验装置,对石英音叉谐振测头的测量性能进行了测试,验证了该测头具备亚纳米量级的分辨力和良好的重复性。4.喷油孔角度姿态调整:针对喷油孔轴线偏离竖直方向导致的测头无法伸入到微孔底端完成微孔整体三维形貌测量的问题,设计和选用了喷油嘴角度姿态粗调夹具以及精密二维角度转台,结合实验数据完成喷油孔角度姿态调节,使其轴线竖直向上,从而使得测球能够伸入到微孔底端。5.喷油孔三维形貌测量:使用经过性能验证的石英音叉谐振测头,对经过角度姿态调节的喷油嘴微锥孔进行了包括内孔直径、锥角参数求解等测量实验,并结合测头测量特性对微孔深度进行了测量。实验结果表明了基于谐振触发测量原理的石英音叉测头能够实现高精度的大深宽比微孔测量。