目前,工业机器人已经广泛应用到焊接领域,尤其是对于标准工件的焊接。但对于非标准工件的焊接,由于各个工件之间存在差异,而基于示教的机器人无法感知实际工件与示教工件焊缝位置的差异,从而导致焊接精度的偏差。基于视觉的自动焊接则能够感知实际工件焊缝位置提高焊接精度,现已成为制造企业的迫切需求。国内外对视觉引导的机器人焊接的研究开展得也较多,主要应用在平面简单焊缝,而对于空间复杂焊缝且精度要求较高的焊接场景研究的较少。因此,本文针对复杂非标准工件焊接场景,提出了基于视觉扫描、焊缝重建的自动焊接方案。本文将对复杂空间曲线机器人自动焊接系统中涉及到的几个关键技术:传感器位姿标定、弧焊机器人焊点位姿规划和连接位姿序列的轨迹规划等进行研究。首先,在基于视觉的机器人自动焊接系统中确定机器人工作站各个坐标系之间的变换关系。且由于视觉传感器固定于机器人末端,所以需要标定传感器相对于机器人末端的变换矩阵才能确定焊缝相对于机器人基坐标系位姿关系。通过对国内外传感器标定的方法与各种适用场景进行研究与总结,再结合本系统所采用的线结构光传感器和当前实验条件,设计结构光传感器三点标定方案。为了使计算机程序能够更便捷的实现该算法,对标定结果进行了化简处理,消去了公式中的逆矩阵的求解。另外,本文设计了机器人携带传感器连续扫描与机器人位置插值方案,确定了传感器扫描到每个焊缝点时机器人末端位姿,将焊缝位置从传感器坐标系变换到机器人基坐标系。在确定了焊缝点位置后,对机器人焊接姿态进行了规划。首先结合焊接工艺参数建立了焊缝坐标系与焊枪坐标系,得到了焊枪坐标系与机器人基坐标系的变换矩阵。由于焊枪回转角可以任意设定,焊接空间维度小于机器人运动维度,导致六轴机器人冗余,提出了姿态优化方案。姿态优化方案通过焊枪回转角的设定优化机器人焊接时的运动性能。首先建立运动性能评价模型,然后基于该模型设计的指标,结合遗传算法寻找最佳运动性能所对应的回转角。完成了弧焊机器人自动焊接的焊点位置与姿态规划,从而得到机器人焊接所需的位姿序列。得到机器人焊接点位姿序列之后,需要规划一条平滑的焊接轨迹。本文针对目前机器人焊接轨迹规划过程中出现的过渡轨迹不经过行径点导致焊接精度降低,焊接轨迹不平滑等问题,设计了基于NURBS的机器人焊接轨迹规划的方案。首先推导了NURBS曲线的求解过程,分析了如何通过行径点求解控制点,随后使用NURBS曲线对机器人关节空间进行轨迹规划。本文另外还利用C++程序语言实现了NURBS轨迹规划算法。然后,从整体上设计了机器人自动焊接系统的架构和方案流程,分别针对各个子系统结合上述章节介绍的算法进行硬件选型和软件设计。子系统分别为上位机控制子系统、机器人与焊机执行子系统、视觉传感子系统。并且采用Socket通信联通各个子系统,本文设计了基于Socket通信的确认反馈机制确保信息传输准确性。最终,基于已有的焊接工作站与本课题所设计的自动焊接平台,对论文中介绍的算法进行了验证,并完成了自行车三脚架焊缝的自主焊接物理实验。从仿真和物理实验分别验证了机器人与上位机通信、传感器标定、位姿规划、轨迹规划等模块,最后综合所有模块完成了三脚架焊缝的焊接。焊接后的曲线表面连接平滑,完全覆盖焊缝满足精度要求,证明了本论文所设计的基于3D视觉的自动焊接平台的有效性与实用性。