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激光焊接技术是现代焊接技术的重要组成部分，在国民经济发展中处于举足轻重的地位，其中的激光拼焊技术由于具有高效率、高速度、高精度、强适应性等特点，被广泛应用于航天、造船、汽车等领域。激光焊接过程中，仅仅依靠示教再现以及预装夹的方法已很难满足焊接精度要求，需要采用焊缝跟踪系统精确确定焊炬与焊缝的位置关系，并实时检测出这种变化，以保证焊接质量。目前，虽然国外已有将焊缝视觉跟踪系统应用于激光焊接的实例，但国内仍处在实验研发阶段，焊缝视觉跟踪过程中仍存在很多亟待解决的技术难题，因此，研制焊缝视觉跟踪系统，应用于机器人激光焊接，实现焊接过程中的自动跟踪补偿在学术理论性及工程应用性上具有重要研究意义。
本文以激光拼焊为背景，针对激光拼焊焊缝跟踪中存在的科学问题和实际应用需求，基于结构光视觉检测原理、实时图像处理等技术，开展了应用于机器人激光拼焊系统的焊缝视觉跟踪关键技术研究以及系统集成技术研究。
线结构光视觉传感器是焊缝跟踪系统的核心，本文首先论述了应用于焊缝跟踪的线结构光视觉传感器检测原理，建立了线结构光视觉传感器测量模型，深入分析了应用于焊缝跟踪的线结构光视觉传感器误差影响因素，并给出了一种线结构光视觉传感器优化设计方法。
焊缝跟踪光纹图像实时处理技术是激光拼焊焊缝跟踪系统的关键技术之一，针对激光拼焊过程中图像处理的特点，分析研究了基于二值数学形态学的焊缝跟踪结构光条纹中心线提取算法流程及激光拼焊焊缝特征点识别算法。实验结果表明，图像处理算法可以满足激光拼焊的焊接速度要求。
焊缝跟踪系统中，结构光视觉传感器的标定精度决定了系统的实际使用精度，标定方法的便捷性也直接影响着工业现场实际应用。本文系统论述了摄像机以及结构光视觉传感器的标定方法，针对当前大多数结构光传感器的标定方法在大视场、短焦距或广角镜头的应用中有明显优势，而在小视场情况下标定难度加大的问题，以及激光拼焊焊缝视觉跟踪过程中小视场高精度的应用要求，提出了一种新的线结构光传感器直接标定方法，并实验验证了该标定方法的有效性。新方法建立了特征点图像坐标同空间三维坐标的直接映射关系，使得空间任一点的三维坐标均可通过已知点插值获得，而不必对摄像机的内外参数和系统结构进行标定。该方法操作便捷，可靠稳定，标定精度高，可以方便地应用于实际工业生产，满足现场应用需求。
如何提高跟踪控制过程的精度及实时性是焊缝跟踪系统面临的一个重要问题，本文通过分析焊缝跟踪系统的控制过程及特征，建立了基于图像的激光焊接焊缝跟踪系统控制模型。鉴于焊缝跟踪控制是一个高度非线性、强耦合及时变性的复杂过程，难以建立起精确的数学模型，本文设计了模糊控制器，以实现跟踪过程中的偏差跟踪控制，并结合激光拼焊焊缝跟踪系统生产实际要求，分析了系统的实时性及精度的影响因素。
焊缝跟踪误差补偿是实现高精度激光拼焊的关键。本文分析了机器人激光拼焊过程中焊接精度的影响因素，通过实验分析了多关节式机器人的轨迹精度，并结合系统工作的特点，对不同形状的焊缝分别探讨了跟踪补偿方法，进行了跟踪补偿实验，实验结果表明焊接质量良好。实验过程中，根据同轴视觉传感，提出了一种基于同轴视觉传感的焊缝跟踪补偿方法，该方法通过获取激光焊点处的引导光斑图像，可以直接修正机器人轨迹偏差，在焊接过程中结合跟踪系统获取信息，可以实现激光拼焊过程中的误差跟踪补偿，满足了系统应用的便捷性要求，仿真实验验证了该方法的有效性。
最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。