超高精密机械零件的表面微观形貌不仅直接影响着零件的使用性能,而且还影响着产品的质量、可靠性及寿命。精确可靠地测量超精密表面的微观形貌已成为超精密加工领域中一个亟待解决的关键问题。原子力显微镜表面分析仪器的发明和应用极大地促进了超精密加工及其检测技术的发展,为人们研究超精密零件表面的微观特性提供了有利的手段。本论文在借鉴原子力显微镜原理的基础上,结合具有立方厘米级工作空间、纳米级运动分辨率的6-DOF并联工作台的实际测量需要,综合考虑了系统的开放性、扫描范围和调节装置的可靠性,研制了面向纳米测量定位的高精度表面纳米级形貌测量样机。首先,分析了原子力探针系统的中原子力–距离的关系,并确定探针系统的探针的工作模式和样品的扫描模式,从而选择压电陶瓷作为扫描微位移驱动器;采用光学偏转法检测微悬臂偏转量,并选用了PSD作为传感元件,并在此基础上进行了系统光路设计及其数学模型的建立。其次,设计了测量系统的光路调节装置,并进行了主要结构尺寸和装配误差的分析,进而确定了系统的机械结构。使用Pro/E进行三维建模,并绘制工程图。针对系统对元件的性能要求,分析了元件的性能,并针对力传感器–微悬臂在工作状态下的性能进行了模态分析。最后,针对压电陶瓷扫描器开环控制误差较大的问题,使用了PID控制算法,获得了良好的控制效果。同系统恒力模式下的闭环控制一起,构建了探针系统双闭环控制;使用VC++6.0开发平台,完成了系统的相关控制功能的实现;针对标准样品进行了三维表面形貌的测量实验,达到了系统预期设计目的。