金属零件熔积直接成形技术变革了金属零件传统的体积成形和减材加工方式，在高形状复杂度、高性能零件制造方面具有巨大优势，代表着先进材料短流程制造技术的发展方向。由于机器人具有工作范围大、自由度多、响应迅速等优点，因此基于机器人的金属零件熔积成形技术受到关注。金属零件机器人熔积成形是超常态成形过程，蕴含着多参数的复杂非线性影响作用。若不对该过程进行实时的监测和控制，则难以获得满足成形质量和成形精度的金属零件。因此，有必要开发金属熔积成形过程熔积层三维形貌监测系统，以保证制件质量的稳定性和可靠性。本文首先研究了熔积层三维形貌监测方法对机器视觉系统的要求，并根据其工作原理与要求选择了合适的三维形貌监测系统硬件配置。采用针孔模型和多幅标定图像对所使用的工业摄像机进行了标定，得到了形状反求所需的摄像机参数。其次，通过直方图变换和图像平滑等图像预处理方式对熔积层图像进行处理消除熔积层图像的噪声，使熔积层图像能够通过三维形貌反求得到接近真实的熔积形状。利用局部球面分析的方法，详细论述了求解实际光源的偏角和倾角的方法，并进一步进行了熔积层表面法矢和高度的求解，得到了熔积层表面形貌。利用制作的半圆柱形标定块对高度方向Z进行了标定，据此可由熔积层CCD图像反求出熔积层三维形貌。最后，本文利用前述的基于灰度值的三维反求方法对金属熔积层进行三维形貌反求，进行了前述反求模型与方法的实验验证。以反求的熔积层三维形貌为基础对其宽度、高度、截面形状、中心线位置形状、熔积层缺陷特征与位置进行检测与判别。对熔积层三维形貌反求的误差来源进行了分析，并提出了改进措施。实验表明，本基于灰度值的三维反求系统的反求高度方向误差小于0.2mm，宽度方向误差小于1mm，宽度方向误差小于，图像处理周期小于156ms，所以，在精度和响应频率上能够满足金属零件熔积直接成形过程成形质量可视化实时监测的要求。同时由于本方法只需要单幅熔积层数字图像即可重构熔积层的三维表面形貌，具有数据处理速度快、结构简单、成本低等优点，具有工程应用价值。因此，本研究为金属零件机器人熔积直接成形技术走向实用化提供了一定的技术基础。