针对锅炉行业中大量存在的异性膜式壁焊缝,本文基于龙门架平台开发了一种基于单目线性结构光的5自由度焊接机器人,此机器人具有工作范围广、适应性强,特别适用于锅炉行业中的膜式壁焊接自动化作业,该焊接机器人采用单目线性结构光传感器等外置传感器,具有工作稳定、工作时间长、抗干扰能力强等特点,因此,单目线性结构光应用于实际焊接自动化作业具有重要意义。本文围绕着硬件系统的搭建、软件系统设计、膜式壁焊缝图像处理及其识别、焊缝偏差识别以及机器人轨迹规划和控制器设计等展开了相关研究。首先,介绍了机器人系统组成,硬件部分由龙门架轨道式移动平台、焊炬、弧形导轨机构、单目线性结构光传感器和机器人控制箱等组成,其中设计并加工了单目线性结构光传感器,通过连接板合理地安装在龙门架上,利用CCD相机采集激光器发射在膜式壁焊缝上的图像,为后续的焊缝图像处理做准备;软件部分由OpenCV开源库、控制系统中一些板卡自带的SDK和MFC等组成,在Window 7+Visual Studio 2013 环境下进行开发。其次,对传感器中的相机进行了标定,建立了视觉系统数学模型、设计了焊缝图像处理及其焊缝特征点提取算法,主要包括灰度级开运算、顶帽变换、连通域标记删除、灰度级频率确定激光条纹区域、形态学算子细化处理、骨架抽取算法和动态ROI焊缝特征点提取法,并建立了焊缝偏差识别数学模型,对膜式壁焊缝跟踪进行了轨迹规划,基于三次均匀B样插补面拟合法和模糊控制算法设计了膜式壁焊缝自动跟踪系统控制器。最后,对锅炉行业中膜式壁空间焊缝进行了焊接试验,将其分为平焊缝、上坡焊缝、下坡焊缝以及膜式壁正反面,并对它们进行了实验研究,最后做了焊缝跟踪精度和简单的工艺分析。实验结果表明,本文硬件部分设计合理、设计的焊缝图像处理和跟踪控制算法鲁棒性强,可靠性好,焊缝跟踪准确,焊接成形质量良好。