近年来,随着汽车和金属钣金等行业的发展,对焊接质量、效率、可靠性等方面的要求越来越高,与工业机械臂结合的激光焊接头能很好地适应这些需求。为使激光焊接头能适应不同工况下的焊缝变化,本文针对激光焊接头调焦模块设计及焊缝跟踪技术研究展开了深入研究,主要涉及到激光焊接头结构三维设计、光学组件设计与仿真、视觉系统建模、焊缝识别与跟踪算法和轴径向调焦控制与实验等,并取得相应的研究成果。首先,设计了激光焊接头的整体方案,包括光学组件设计与结构三维设计。利用Zemax光学仿真软件,得出合理的整体光路方案和透镜相关参数,并对轴径向调焦与激光焦点运动的关系进行设计。实验表明,从定性和定量上均满足理论仿真值,轴向为线性负相关,径向为线性正相关。利用三维设计软件设计了激光焊接头各模块结构,重点设计了调焦模块,采用偏心蜗轮与曲柄滑块相结合的结构,满足了径向调焦变偏心距的实时控制。其次,对视觉检测系统建立数学模型。根据针孔摄像机原理,求解出了像素坐标系的二维坐标,转换为机器人基坐标系下三维坐标的函数关系。利用激光三角测量方法得出了相应的焊缝参数。对线结构光测量模型进行剖析,获得焊缝特征点在基坐标系下的三维信息。利用B样条函数建立了三维焊缝曲线模型,并采用最小二乘法拟合来减弱噪音,从而求得焊缝的实时跟踪模型。再次,设计了基于一字线激光照明与CCD视频成像的焊缝跟踪方法,包括图像处理提取焊缝特征点和KCF(Kernelized Correlation Filter,核相关滤波器)目标跟踪算法两部分。采用基于灰度特征的图像处理方法,通过Matlab编程进行结果验证。采用KCF跟踪算法,对直线焊缝和曲线焊缝两种线条状目标进行视频定位跟踪,实验表明,CCD跟踪所获得的焊缝直线和曲线与实际焊缝直线或曲线吻合度很高,证明了本焊缝跟踪方法的有效性与精确性。最后,进行了轴径向调焦实验及误差分析。基于Labview和STM32对调焦模块的硬件电路和控制软件进行了设计,轴向调焦实验结果与仿真结果误差率为7.8%,径向仅为3.3%,均在误差范围内。对实验中两种主要误差分析,得出当透镜偏离主光轴和透镜与主光轴不严格垂直时,对激光焦点光斑位置与大小影响较大,从而证明透镜安装精度的重要性。