随着科技水平的飞速发展,微/纳米尺寸的功能元件在民用及军事领域发挥着不可替代的作用。因而,微/纳米加工技术成为了目前制造业的研究热点。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)技术的日渐成熟使其应用范围从最初的表面形貌检测扩展到纳米加工领域。相比于其他的纳米加工方法,AFM机械刻划加工具有加工精度高、材料普适性好、易于操作、环境要求低等优点,在微纳加工领域获得了广泛的应用。因此,对基于AFM的纳米机械刻划技术进行深入研究,具有重要的理论意义与应用价值。本学位论文主要从基于AFM的微纳机械刻划机理和微纳刻划加工装备两方面开展研究。分析刻划的加工原理,在此基础上提出并推导了加工沟槽的深度控制理论模型。采用分子动力学仿真的方法对加工机理进行研究,重点集中于在液体环境下的加工过程模拟及对加工沟槽间最小进给量确定方法的研究。针对纳米沟槽加工中的力检测与控制需求,基于光束偏转法设计了用于微纳米沟槽加工的高精度系统。应用该系统开展表面微纳结构刻划实验验证了系统可行性与可靠性,同时研究了各种参数对加工过程及加工结果的影响。主要研究内容如下:针对加工过程中微纳米沟槽的深度控制问题,建立了AFM金刚石针尖单次刻划加工微纳米沟槽的深度模型。采用应变梯度弹性理论来描述微探针悬臂梁变形的尺度效应,采用应变梯度塑性理论描述工件在纳米尺度变形时所产生的尺度效应。通过Hamilton原理将两种理论建立联系,得到了微探针悬臂梁挠度(即加工力)与深度对应的解析表达式。经过换算得到AFM控制电压与深度的对应关系。采用实验的方法对模型的正确性加以验证,并将本文中模型的预测结果与采用宏观梁分析理论的预测结果进行对比,突出了本文模型对深度预测的准确性及可靠性。采用分子动力学仿真的手段对纳米刻划机理进行研究。重点对浸没式刻划的加工过程进行仿真分析,研究水层厚度对加工后的表面形貌、刻划力、摩擦系数及加工区域温度的影响,分析了在有水层存在的情况下进行加工,刻划深度及刻划速度对加工过程的影响。利用分子动力学仿真对加工过程中的沟槽间最小进给进行研究,提出了最小进给的判断方法。采用此方法分析了加工深度、针尖顶角角度及针尖形状对最小进给的影响。基于光束偏转法的工作原理,研制了用于微纳米机械刻划加工的实验系统,解决了采用AFM进行微纳刻划时所产生的轴间耦合误差及刻划结构尺寸较小等问题。设计考虑到光路布置及各部分间的相互干涉,具有紧凑的结构、较高的系统刚度及良好的操作性。运动系统中的宏动部分采用高精度的滑台实现,主要完成针尖的抬起方便工件安装及快速进针过程。微动平台采用压电陶瓷驱动柔性铰链的结构形式,实现高精度的运动。采用视觉系统辅助激光斑的对准,设计系统机架用于固定同时提高系统刚度。采用LabVIEW进行编程实现对整个系统的运动控制。最后,针对上述所设计的微纳加工系统,设计了用于PSD灵敏度标定的微动台,对微动台的动静力学进行分析。进行标定实验,实现了操作过程中精确的力检测与控制。利用所研制的加工装置进行一维及二维图形的刻划,验证了系统的可行性。另外,采用实验的方法,研究了加工参数(加工力、加工速度、进给量、水层、加工次数)对加工过程的影响,并与分子动力学仿真的结果进行对比,说明了两者在分析纳米刻划加工过程中的相似之处,同时针对两者之间的差异阐述了其产生的原因。