0 前言

　　反求工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。几何模型重构技术是整个逆向工程的关键技术。CATIA逆向工程流程为：输入由扫描实物得到的点云数据，然后对扫描的点云进行预处理，由点云构造3D轮廓线框，再由点云直接拟合成摹本曲面，并对生成的曲面进行裁剪、倒角等后处理，并检测构建的曲面与点云数据的偏差情况，根据精度和曲面质量要求进行修改，最后由构建好的曲面通过缝合、增厚曲面等方式生成实体。

　　1 数据采集

　　根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本分为接触式和非接触式两大类。基于激光测头的非接触测量方法获取物体表面的三维几何数据是大批量、无序的点云数据，这类测量数据的特点是没有明显的几何分布特征，成散乱无序状态。本文采用激光测头的非接触式测量机来测量叶片的点云数据将测量完的数据保存为“igs”格式文件，最后导入CATIA V5软件，为下一个反求环节做准备。

　　2 几何模型重构

　　CATIA V5的数字曲面编辑模块(Digitized Shape Editor)和快速曲面重构模块(Quick Surface Reconstruction)是逆向工程的专用模块，可以提供多种格式的点云输入和输出数据，除了具有对点云数据进行处理功能外，还提供了强大的曲面和曲线直接拟合功能，由于植入了STYLER算法，CATIA的POWER FIT功能比专用逆向工程软件IMAGEWARE的FIT FREEROM要强大很多。这两个逆向工程模块结合并综合应用创成式曲面设计模块(Generative Shape Design)和自由曲面造型模块(Freestyle Shape)，实现了逆向工程与正向设计曲面功能的交互应用，其使用变得更为简便、灵活。在外表面曲面完成之后，使用实体设计(Part Design)模块使曲面缝合成实体。这些模块之间交互应用，可以得到精度和质量很高的曲面，可以满足大部分产品设计的要求。

　　2.1 点云数据预处理

　　在“Cloud Import”工具栏中单击“Import”按钮，可直接导入由扫描仪测得的叶片点云数据。导入点云如图1所示。在实体测量过程中，有可能将一些错误的数据点录入，所以应先对数据点进行降噪处理。这部分一般是手工处理，即对数据点进行放大观察，删除一些明显与结构无关的点。激光扫描测量的点云数目是非常庞大的，如果直接对点云进行造型处理，将会造成文件过大，处理速度慢，因此有必要在保证一定精度的前提下减少数据量，即在曲率变化缓慢的地方，点密度较稀疏，在曲率变化较大部分需要密集的取点。使用CATIA的过滤功能(Filter)来过滤数据点，选用弦高偏差法(Adaptative)选项对点云进行过滤，过滤得到的点云如图2所示。

　　2.2 三角网络化点云和结构分析

　　点击“mesh creation”命令，对点云进行三角网络化，并通过调节Neighborhood的值来减少破洞的数量。三角网络化后的点云如图3，此时叶片的各部分特征比较明显，可以对其结构进行分析。

　　逆向工程不只是简单的将点云进行拟合，而应要充分理解零件的设计意图、结构特点以及各部位的重要等级，这样才可以使逆向设计的曲面更加的合理、精确。对于复杂零件，由于点云是杂乱无序的，需先对零件进行分解，分析各个部分的特征，分清主次，确定好设计方法，设计好整体思路。对于本叶片来说，叶扇部分是其主要部分，由于其最初的设计方法一般是按流体力学设计的，所以保证其前后缘曲面的光顺性是最主要的。叶柄部分基本是规则的表面，重构起来比较简单。

　　2.3 构建特征线

　　以叶柄底面为参考平面，选择“planar sections”命令，做叶扇的交线。由于直接把交线转换成曲线的方法不能得到很光顺的曲线，而反求的叶片表面需要光顺的曲面，故我们采用正逆向设计的方法来获得曲面的截面曲线。即沿着上一步得到的交线，利用CATIA的“3D corve”命令直接画出叶扇的曲线。在画3D曲线时，注意曲线的方向性以及取点的密集性，因为这对反求曲面的质量有很大的影响。在曲率变化小的地方点取得稀疏一些，在曲率变化较大的地方应把点取得密集一些。在确定下一点的时候注意观察曲线的方向以及曲线的形状变化，对于曲线变化较大的点应当剔除不要。叶片特征线如图4所示。

　　2.4 曲面逆向设计

　　利用多截面曲线(Multi-sections suface)命令，生成叶片前后缘的曲面，再利用外插延伸(Extrapolate)和填充(Edge Fillet Definition)等命令构造出叶扇的其它部分。注意在构建前后缘连接部分的曲线时，曲线起始点应与前后缘曲线起始点在一条直线上。在曲面造型中，对于曲率较小地方的边棱处的造型比较困难，需要利用原始点云数据再结合上一步设计的曲面数据来完成。构造出叶片的叶柄部分后，再将曲面进行实体填充缝合即得叶片的三维实体模型。最后形成的叶片整体造型如图5所示。

　　3 叶身型面的校验

　　叶片模型是由点云处理、三维模型构建等步骤得来的，在每一步都不可避免地存在误差，而且叶型的光顺性对于叶片的实际工作非常重要，为了对以后的加工提供精度高的模型和加工参数，同时避免出现尖点和拐点，需要对叶片进行光顺度校验。并以结果数据来再次指导建模过程，通过不断的改进来达到叶片的精度要求。由于叶片的叶型是不规则的曲面，而曲率半径变化较大的地方往往误差较大，所以在校验过程中，应注意曲率半径变化较大部分的平滑度。

　　4 总结

　　本文通过逆向工程的设计方法，利用CATIA软件完成了对汽轮机叶片的反求设计，总结数据处理以及建模过了在程中一些实用的技巧和方法。在曲面设计过程中，利用正逆向相互结合的设计方法对叶片进行设计，在曲面平滑度方面取得了良好的设计效果。