透平机械在国民经济中起着极为重要的作用。作为能量转换的核心部件的涡轮设计十分复杂,涡轮叶片是典型的雕塑曲面类型零件,设计过程涉及非常复杂的多学科理论和技术,一般要通过气动试验验证,导致其开发周期长和成本高。因此非常有必要在已有的模型基础上,采用逆向工程技术进行针对性的改型设计、再创新,进而大大缩短新产品的开发周期和降低成本。随着各国工业界和学术界对逆向工程研究的不断深入,对于一般产品的逆向而言,工业应用已经相当成熟。为此,复杂曲面产品高质量、高效率的逆向CAD模型重建受到高度重视。同时,为了满足市场全球化经济时代新产品快速开发的需求,逆向工程其研究热点和难点是以现有产品为原型,还原产品原始设计意图,注重重建CAD模型的再设计能力。因此,本文以某涡轮叶片为研究对象,结合CAD建模理论的发展,在现有的技术基础上,深入研究了面向再创新设计的涡轮叶片逆向CAD建模中若干关键技术。基于Matlab软件采用五次多项式曲线拟合叶片的叶身型线、圆弧拟合前后缘,获取叶型的几何参数;采用直线和圆弧拟合榫头的截面线,提取其特征参数,重构了满足设计要求的涡轮动叶片的CAD模型。这一工作对涡轮叶片的参数化设计具有重要意义,改进了现有逆向工程CAD建模的理论,进一步指导逆向工程CAD三维建模技术的发展,并建立了还原产品设计意图和支持产品创新设计的逆向工程CAD模型。主要研究工作及成果归纳如下:(1)针对新产品快速开发的需求,建立了面向创新设计的涡轮叶片逆向CAD建模系统的体系结构。全面、系统地总结了创新设计方法、重建模型再设计的现有技术手段、面向创新设计的逆向CAD建模的基本目标和基本要求;提出了点云密度的估算方法,并对曲线曲面拟合、截面线点云数据获取和截面线重建等关键技术做了详细阐述;分析了逆向工程中误差产生的原因,并指出还原产品原始设计参数的重要性。(2)在归纳分类现有实物测量技术的基础上,详细分析了 CMM(三坐标测量机)和Handyscan(手持式三维激光扫描仪)的优缺点以及Handyscan的测量技术、系统组成和点云数据采集的一般流程。针对具有复杂外形的叶片类产品,提出了采用激光扫描仪进行点云数据采集的方法,最后实现了涡轮叶片的合理数字化。(3)结合涡轮叶片点云数据的特点,详细讨论了异常点去除、点云数据平滑滤波和点云数据修补的方法;提出采用曲率采样、弦偏差采样和等距采样依次对点云数据进行精简的方法。(4)提出了采用五次多项式拟合叶身型线、圆弧拟合前后缘的方法,还原了涡轮叶片的原始设计意图和原始设计参数;针对榫头这种结构类产品,提出了基于特征和约束提取其截面线几何特征参数的方法。(5)在重点研究涡轮叶片逆向建模过程中,提出基于特征与自由形状的逆向CAD建模、基于截面线的与基于面的曲面重建、曲线曲面的特征形式表达与NURBS形式表达相结合的方法,着重分析点云定位、点云分块、叶身和榫头曲面重构等问题,从而实现从初始的激光扫描点云数据开始到最后的涡轮叶片CAD模型的完整过程。综上所述,本文提出的面向创新设计的逆向工程CAD建模方法,完善了现有的逆向工程CAD建模理论,对逆向工程CAD建模技术的发展有重要的参考价值。