锻造操作机、重载抓料机等重载操作装备是重载制造工业中的基础设备,广泛应用于在船舶、核电等领域关键核心部件的加工制造中。夹持器是操作装备的末端执行器,对工件进行约束和定位,其动态特性直接影响操作装备的抓取能力与操作性能。在重载条件下,夹持器通常采用单自由度的开合机构来实现工件的夹持和释放操作,以达到结构刚度大,驱动控制简单的目的,但却存在运动学缺陷(Defective Kinematics),无法实现复杂的抓取动作。为了解决这个问题,操作机夹持器采用了各种特殊形状的钳口来完成工件的抓取。由于大型工件制造过程中,不可避免的存在工件尺寸变化和加工误差,因此要求夹持器钳口具有良好的适应性,需要在钳口上设计被动关节来实现。力封闭是夹持器—工件系统进行稳定抓取的必要条件。在具有被动关节的情况下如何进行在力封闭判定,实现力封闭抓取,保证工件抓取稳定性,是目前重载抓取理论面临的一大挑战。本文针对重型工件的稳定夹持操作问题,研究了夹持器的结构形式,钳口的约束特点以及重载接触变形等问题对夹持器性能的影响,重点研究了适应性钳口的可变接触约束的建模,并针对性提出了力封闭的判定方法,旨在从理论上进行夹持器分析和优化设计,使其满足重载操作装备日益苛刻的性能要求。对两种常用结构形式的操作机夹持机构进行了运动学建模,分析了夹持器的工作空间和夹持力矩的放大系数,针对工业应用中的近恒力夹持驱动应用需求,提出了夹持力矩波动系数等指标来进行夹持机构性能评价,并且对80吨操作机夹持器结构参数进行了相应的性能评价指标分析,给出了夹持器结构参数设计的选择范围,为夹持器驱动机构的参数设计提供了理论基础。在摩擦点接触模型的基础上,采取线性化摩擦锥的方法,建立夹持器—工件系统的抓取运动学模型,利用线几何和旋量理论,建立夹持器—工件系统的可变接触约束模型,基于凸集分离定理,提出了具有可变接触约束的夹持器—工件系统的力封闭夹持条件,该理论针对实际工业采取的二指对拓夹持方式给出了完善的判定方法,为具有可变接触约束的夹持系统力封闭分析提供了良好的理论基础。针对重载夹持中接触力大、接触变形不可忽略的问题,提出了面接触等效约束模型,引入接触刚度与关节刚度,提出了静不定接触约束力的求解方法。分析了夹持器在夹紧、抬升等不同加载过程中以及不同控制策略下接触力的约束表达形式,给出了重载操作机夹持操作分析的一般性方法。针对重载操作机夹持器的结构特点,在运动学建模和结构约束描述的基础上,提出了夹持器承载能力的分析的承载能力分析方法和判定准则。根据接触力的计算分析和承载能力的判定条件,针对操作机夹持器的设计搭建了夹持驱动承载能力分析计算软件平台,分析了四种不同型号的操作机夹持器承载能力,计算结果与实际应用结果相符,软件平台在青岛华东锻造机械厂得到了实际应用。采用光纤光栅传感器设计了分布式接触约束力的测量实验,在50吨锻造操作机上开展了常温现场夹持实验,实验结果与理论分析结果比较一致,验证了理论分析结果的正确性。