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自由曲面因具有优美的外形和突出的力学性能而广泛用于现代工业产品的结构设计中,但表面形状复杂的自由曲面零件也给自动化焊接带来了巨大的困难和挑战,其难度不仅存在于焊缝的跟踪纠偏,在焊缝的表面识别难题上则表现的更为突出。目前对于自由曲面焊缝的焊接自动化程度仍较低,依旧主要依靠人工焊接,缺少能够有效提高自由曲面焊缝自动化焊接程度的设备与方法。电容传感器技术作为高精度测量技术,因其具备成本低廉、响应灵敏、抗干扰能力强且可在恶劣环境下长期工作等优点,目前已被广泛用于工业自动化领域的各种检测系统之中。本文针对上述问题,根据自由曲面焊缝的特点,设计了一种用于自由焊缝识别的新型多极阵列电容传感器,并对传感器设计理论和焊缝曲面重建的方法进行了研究,提出一种基于多极阵列电容传感器的自由曲面焊缝跟踪方法,有效解决了自由曲面焊缝表面识别精度低、焊接质量差的关键性问题,具体研究内容如下:1)根据多种电容传感器的工作原理并结合实际情况,设计了多极阵列电容传感器的机械结构,并分析了传感器探头的运动方式,利用MATLAB对传感器探头运动轨迹进行了仿真,验证了该传感器设计的合理性。2)以多极阵列电容传感器为核心设计了自动焊接系统的整体结构,并利用LABVIEW并结合数据采集卡与运动控制卡,设计了上位机软件,采用两种滤波算法对传感器信号进行滤波处理,实现了对传感器信号的实时采集和传感器运行速度的精确控制。3)根据多极阵列电容传感器的采样方式,确定了采样数据点的空间分布,在曲面重建过程中,首先采用二维Delaunay三角剖分算法确定初始三角网格,随后在利用Loop曲面细分算法处理网格顶点的法向量过程中引入粒子群算法(PSO),通过仿真分析验证了PSO-Loop曲面细分算法的高效性和准确性,有效降低了法向量求解复杂、精度不高致使曲面不够平滑的问题,适合重建自由曲面焊缝的三维形貌。4)根据提出的基于多极阵列电容传感器的自由曲面焊缝跟踪方法,搭建了试验平台,结果表明本文所述方法的自由曲面焊缝三维形貌重建准确,焊缝识别精度高。