3D（三维）折线焊缝大量存在于海工装备、大型起重装备、物流运输装备等制造领域中,属于典型的复杂轨迹焊缝。3D折线焊缝工件由不同折角角度的折线板和平板通过定位焊缝装配而成,通常为大型构件,难以使用高精度夹具严格固定其位姿,且通常为中厚板,要求摆动GMAW（熔化极气体保护焊）工艺。目前,3D折线焊缝几乎全部通过人工焊接。与此同时,也存在机器人离线编程模式或示教模式实现自动焊接。机器人离线编程模式和示教模式存在编程效率低、示教工作量大以及不能实时获取焊缝偏差等缺点,严重影响了3D折线焊缝焊接的效率和质量。实现3D折线焊缝实时跟踪是提高其焊接效率和质量的有效途径。然而,3D折线焊缝机器人摆动GMAW实时跟踪仍然是一个很大的挑战。针对以上难题主要进行了一下几个方面的研究和创新。（1）针对3D折线焊缝实时跟踪的难题,建立了3D折线焊缝摆动GMAW的机器人系统。设计了一种五轴焊接机器人,对机器人进行了运动分析,包括机器人正运动学分析、逆运动学分析和微分运动学分析,为实现机器人焊缝实时跟踪奠定了运动学理论基础。利用MATLAB（矩阵实验室）机器人工具箱建立机器人模型并进行了机器人运动学仿真,包括机器人正运动学仿真、机器人逆运动学仿真和机器人工作空间分析,验证了3D折线焊缝跟踪机器人运动学理论分析计算的可靠性。（2）针对3D折线焊缝起焊点寻位过程中的位姿检测问题,提出了一种基于激光位移传感的3D折线焊缝起焊点位姿检测方法。利用激光位移传感器获取工件二维信息,使用斜率分析法实现折线焊缝起焊点位置检测。采用基于RANSAC（随机采样一致性）三维点云平面提取的3D折线焊缝姿态估计方法实现折线焊缝的起焊点姿态估计。对不同位姿的3D折线焊缝进行了起焊点位姿检测实验,结果表明,起焊点位置检测误差小于0.4mm,起焊点姿态估计误差小于1.8度,满足3D折线焊缝起焊点位姿检测的要求。（3）针对焊缝实时跟踪过程中难以在线提取焊缝三维位姿的难题,提出了一种基于激光位移传感和密度聚类点云分割的3D折线焊缝位姿信息在线快速提取方法。采用激光位移传感器在线获取3D折线焊缝点云数据,利用-Approximate DBSCAN（基于密度的聚类方法）算法对3D折线焊缝点云数据在线分割。对典型折角类型的低碳钢3D折线焊缝利用熔化极气体保护焊进行焊接实验,结果表明,本方法在焊速高达1000mm/min时,焊缝位置检测误差小于0.35mm,焊缝姿态估计误差小于2度,主要算法运行时间不超过120ms,实现了3D折线焊缝位姿信息在线快速提取,满足为3D折线焊缝实时跟踪提供位姿信息的要求。（4）针对结构复杂且要求摆动GMAW工艺的3D折线焊缝跟踪问题,提出了一种基于轨迹在线识别的3D折线焊缝机器人摆动GMAW实时跟踪方法。利用3D折线焊缝位姿信息在线快速提取方法获取焊缝位姿信息。机器人转轴5控制焊枪以焊缝轨迹为中心进行摆动并实时提取焊缝偏差。采用模糊PID控制方法通过控制机器人轴2和轴3实现3D折线焊缝实时偏差调节并且实时修正焊缝轨迹。分别对存在130°、150°、170°、180°、190°、210°和230°典型折角的3D折线焊缝进行摆动GMAW实时跟踪实验,结果表明,在焊速高达1000mm/min时,焊缝跟踪误差不超过0.4mm,满足3D折线焊缝实时跟踪的要求。（5）针对3D折线焊缝摆动GMAW过程中,要求机器人各关节和焊枪连续、平滑运行的问题,提出了一种机器人轨迹规划的方法。在焊接过程中,通过激光位移传感器以及点云数据处理获得3D折线焊缝位姿信息,对焊枪位姿在笛卡尔空间中进行轨迹规划,将3D折线焊缝轨迹划分为直线焊接区和焊枪姿态调节区。在焊枪姿态调节区为了保证焊枪姿态变化的连续性、平滑性,以线性变换方式调整相邻折线段的焊枪姿态。起焊点寻位过程中,使用5次多项式插值法对机器人各个关节进行轨迹规划。摆动焊接过程中,利用8次多项式对焊接机器人轴5进行轨迹规划。对具有多种折角角度的3D折线焊缝进行焊接实验,结果表明,所提出的机器人轨迹规划方法满足3D折线焊缝GMAW过程中焊缝实时跟踪的要求。