激光加工设备目前广泛应用于薄壁细长管材的复杂轮廓形貌特征加工,精密夹持与操作装置是其中的核心技术问题之一。本论文从约束的角度针对多种截面轮廓的对心夹持定位、进给运动以及减少加工尾料等需求,设计和开发具有能够适应多截面形状的管材对心的夹持装置及送料系统原型样机,满足了在加工过程中对管材的约束需求。主要的研究内容如下:通过对多爪对心夹持装置与卡盘技术的调研,归纳了精密机器设计中约束与精度的分析方法。基于运动学精确约束定位原理,对物体自由度分析、接触点布置、包笼抓取、定位误差以及实现送料操作的换位夹持方法进行了分析,阐明了设计该装置时所涉及到的约束原理。针对圆形、椭圆和矩形截面管材的夹持适应性,通过对夹持位置布局进行分析,建立了综合评价指标,确定了四爪正交夹持方式。为了防止不同管材在上料过程中脱离卡爪约束,根据包笼原理确定了卡爪的初始位置。为了减少设备体积,采用基于换位操作的送料方式,设计了一种由双卡盘与二指夹钳构成的送料系统,实现了管材夹持定位与换位操作系统的设计。针对具有定位管材作用的支撑端卡盘,分析了卡爪夹持误差对管材姿态误差的影响,引入Limacon模型建立了卡爪夹持误差影响加工平面上激光头焦距的数学模型,说明了夹持精度与加工精度的关联性。针对两个卡盘夹持管材工况下影响加工精度的机制,通过引入转角位移方程和最小势能方法,建立了在具有同轴度误差情况下管材加工部分姿态误差优化求解模型,并使用增广拉格朗日方法求解管材位姿误差的漂移量,然后采用多因子多水平正交实验方法明确了各设计参数的设计方向,在有限元仿真软件中对比驱动端高接触刚度—支撑端单滚子与驱动端低接触刚度—支撑端双滚子两种方案,对优化方向进行了验证,得到了较优的约束配置方案,为样机研制提供了理论支撑。最后根据前文分析结果,搭建了原型样机与测控系统,并在样机上开展了包笼功能测试、回转精度测试试验,证明了该原型样机方案的合理性。