ViewDesignEngine/include/vde/core/cam_advanced.h

#pragma once
/**
 * @file cam_advanced.h
 * @brief CAM 高级加工策略 — 自适应清除、摆线铣削、残料加工、清根、碰撞检测、刀路优化
 *
 * 在 cam_strategies.h 的 3 轴基础策略之上提供：
 *  - adaptive_clearing      — 自适应清除（摆线刀路），根据材料负载动态调整步距
 *  - trochoidal_milling      — 摆线铣削，使用圆形/圆弧切入避免全刃切削
 *  - rest_machining          — 残料加工，检测前序刀具未切削区域
 *  - pencil_tracing          — 清根加工，沿角落/交线生成清根刀路
 *  - tool_holder_collision_check — 刀柄/刀杆碰撞检测
 *  - toolpath_optimization   — 刀路重排序减少空行程
 *  - feed_rate_optimization  — 基于材料去除率的进给优化
 *
 * @ingroup core
 */
#include "vde/core/point.h"
#include "vde/core/aabb.h"
#include "vde/core/cam_toolpath.h"
#include "vde/core/cam_strategies.h"
#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <optional>
#include <functional>

namespace vde::brep {
class BrepModel;
}  // namespace vde::brep

namespace vde::core {

using core::Point3D;
using core::Vector3D;
using core::AABB3D;

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  高级 CAM 参数类型
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// 自适应清除参数
struct AdaptiveClearingParams {
    double step_down = 1.0;          ///< 每层切深 (mm)
    double min_step_over = 0.5;      ///< 最小横向步距 (mm)
    double max_step_over = 3.0;      ///< 最大横向步距 (mm) — 低负载时扩大
    double engagement_angle = 45.0;  ///< 最大啮合角 (度)
    double feed_rate = 800.0;        ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z = 15.0;            ///< 安全高度 (mm)
    double stock_to_leave = 0.5;     ///< 留量 (mm)
};

/// 摆线铣削参数
struct TrochoidalParams {
    double step_down = 1.0;          ///< 每层切深 (mm)
    double trochoid_radius = 2.5;    ///< 摆线圈半径 (mm)
    double step_forward = 1.0;       ///< 每圈前进量 (mm)
    double feed_rate = 600.0;        ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z = 15.0;            ///< 安全高度 (mm)
};

/// 残料加工参数
struct RestMachiningParams {
    double step_down = 0.5;          ///< 每层切深 (mm)
    double step_over = 0.3;          ///< 横向步距 (mm)
    double feed_rate = 500.0;        ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z = 15.0;            ///< 安全高度 (mm)
    double stock_threshold = 0.1;    ///< 残料检测阈值 (mm)
};

/// 清根加工参数
struct PencilTracingParams {
    double step_along = 0.2;         ///< 沿角落方向的步距 (mm)
    double feed_rate = 400.0;        ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z = 15.0;            ///< 安全高度 (mm)
    double corner_angle_min = 5.0;   ///< 最小检测角度 (度)
    double corner_angle_max = 170.0; ///< 最大检测角度 (度)
};

/// 刀柄/刀杆定义（用于碰撞检测）
struct ToolHolder {
    double diameter = 20.0;           ///< 刀杆直径 (mm)
    double length = 40.0;             ///< 刀杆长度 (mm)
    double clearance = 3.0;           ///< 安全间隙 (mm)
    std::string name;                 ///< 刀柄名称
};

/// 碰撞检测结果
struct CollisionResult {
    bool has_collision = false;       ///< 是否发生碰撞
    int collision_index = -1;         ///< 发生碰撞的刀位点索引 (-1 = 无碰撞)
    Point3D collision_point;          ///< 碰撞位置（近似）
    double penetration_depth = 0.0;   ///< 干涉深度 (mm)
    std::string description;          ///< 碰撞描述
};

/// 刀路优化参数
struct ToolpathOptimizationParams {
    bool reorder_segments = true;     ///< 是否重排序以减少空行程
    bool merge_collinear = true;      ///< 合并共线段
    double merge_tolerance = 1e-3;    ///< 共线容差 (mm)
    bool remove_duplicates = true;    ///< 去除重复点
    double duplicate_tolerance = 1e-6;///< 重点容差 (mm)
    bool smooth_corners = false;      ///< 圆角过渡
    double corner_radius = 0.0;       ///< 过渡圆角半径 (mm)
};

/// 材料定义
struct Material {
    std::string name;                  ///< 材料名称
    double hardness_brinell = 200.0;   ///< 布氏硬度
    double specific_cutting_force = 2000.0; ///< 比切削力 (N/mm²)
    double max_chip_thickness = 0.2;   ///< 最大切屑厚度 (mm)
    double max_feed_per_tooth = 0.3;   ///< 最大每齿进给 (mm/tooth)
};

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  CAM 高级加工策略函数
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// 自适应清除 (Adaptive Clearing)
///
/// 使用摆线/自适应刀路进行粗加工，根据材料负载动态调整步距。
/// 在低负载区域扩大步距（高速切削），在高负载/角落区域缩小步距（避免断刀）。
///
/// @param body   B-Rep 实体模型
/// @param tool   使用的刀具
/// @param params 自适应清除参数
/// @return 自适应清除刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath adaptive_clearing(
    const brep::BrepModel& body,
    const Tool& tool,
    const AdaptiveClearingParams& params);

/// 摆线铣削 (Trochoidal Milling)
///
/// 刀具沿圆形/摆线路径切入，避免全刃切削。
/// 适用于深槽、窄槽加工，减少刀具负载和振动。
///
/// @param slot  槽/边界曲线（定义槽的走向）
/// @param tool  使用的刀具
/// @param params 摆线铣削参数
/// @return 摆线铣削刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath trochoidal_milling(
    const std::vector<Point3D>& slot,
    const Tool& tool,
    const TrochoidalParams& params);

/// 残料加工 (Rest Machining)
///
/// 检测前序大刀具未切削到的角落/窄区域，用小刀具进行残料清除。
/// 通过比较两次不同直径刀具的遍历范围，识别残料区域。
///
/// @param body       B-Rep 实体模型
/// @param prev_tool  前序（较大）刀具
/// @param next_tool  后序（较小）刀具
/// @param params     残料加工参数
/// @return 残料加工刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath rest_machining(
    const brep::BrepModel& body,
    const Tool& prev_tool,
    const Tool& next_tool,
    const RestMachiningParams& params = RestMachiningParams{});

/// 清根加工 (Pencil Tracing)
///
/// 沿模型角落/交线走刀，清除前序加工无法到达的根部材料。
/// 检测曲面之间的凹角交界线（角 < corner_angle_max），
/// 沿交线生成单线刀路。
///
/// @param body   B-Rep 实体模型
/// @param tool   使用的刀具（通常为球头刀）
/// @param params 清根加工参数
/// @return 清根刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath pencil_tracing(
    const brep::BrepModel& body,
    const Tool& tool,
    const PencilTracingParams& params = PencilTracingParams{});

/// 刀柄碰撞检测 (Tool Holder Collision Check)
///
/// 沿刀路检查刀柄和刀杆是否与工件发生碰撞。
/// 使用快速包围盒预检 + 精确三角形碰撞测试。
///
/// @param toolpath 加工刀路
/// @param holder   刀柄/刀杆定义
/// @param body     B-Rep 工件模型
/// @return 碰撞检测结果列表（每个刀位点一个结果）
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] std::vector<CollisionResult> tool_holder_collision_check(
    const Toolpath& toolpath,
    const ToolHolder& holder,
    const brep::BrepModel& body);

/// 刀路优化 (Toolpath Optimization)
///
/// 优化刀路以减少非切削时间：
///  - 重排序段以最小化空行程（最近邻启发式）
///  - 合并共线相邻段
///  - 去除重复/过短段
///  - 可选圆角过渡
///
/// @param toolpath 待优化的原始刀路
/// @param params   优化参数
/// @return 优化后的刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath toolpath_optimization(
    const Toolpath& toolpath,
    const ToolpathOptimizationParams& params = ToolpathOptimizationParams{});

/// 进给优化 (Feed Rate Optimization)
///
/// 基于材料去除率动态调整进给速度：
///  - 估算每个刀位点的材料去除率（切削截面积 × 进给）
///  - 在去除率高的区域降低进给（保护刀具）
///  - 在去除率低的区域提高进给（提高效率）
///
/// @param toolpath 待优化的刀路
/// @param material 工件材料属性
/// @return 进给优化后的刀路（各段 feed_rate 已调整）
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath feed_rate_optimization(
    const Toolpath& toolpath,
    const Material& material);

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  新增后处理器
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// Mazak (Mazatrol) 控制器后处理器
class MazakPost : public PostProcessor {
public:
    [[nodiscard]] std::string prologue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string epilogue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string format_gcode(const PathSegment& seg) const override;
};

/// Okuma (OSP) 控制器后处理器
class OkumaPost : public PostProcessor {
public:
    [[nodiscard]] std::string prologue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string epilogue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string format_gcode(const PathSegment& seg) const override;
};

/// Haas 控制器后处理器
class HaasPost : public PostProcessor {
public:
    [[nodiscard]] std::string prologue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string epilogue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string format_gcode(const PathSegment& seg) const override;
};

/// DMG Mori (Siemens 840D + DMG 扩展) 控制器后处理器
class DMGPost : public PostProcessor {
public:
    [[nodiscard]] std::string prologue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string epilogue(const Toolpath& tp) const override;
    [[nodiscard]] std::string format_gcode(const PathSegment& seg) const override;
};

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  探测循环与螺纹铣削
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// 探测循环类型
enum class ProbingCycleType {
    SingleSurface,   ///< 单面探测
    Boss,            ///< 凸台中心探测
    Pocket,          ///< 槽/孔中心探测
    Corner,          ///< 角落探测
    Angle            ///< 角度探测
};

/// 探测循环参数
struct ProbingParams {
    ProbingCycleType cycle_type = ProbingCycleType::SingleSurface;
    Point3D approach_position = Point3D::Zero();  ///< 接近位置
    Point3D target_position  = Point3D::Zero();  ///< 目标/期望接触位置
    Vector3D probe_direction = Vector3D(0, 0, -1); ///< 探测方向
    double overtravel        = 5.0;     ///< 超程距离 (mm)
    double feed_rate         = 200.0;   ///< 探测进给 (mm/min)
    double retract_distance  = 3.0;     ///< 接触后退回距离 (mm)
    double safe_z            = 15.0;    ///< 安全高度 (mm)
};

/// 探测结果
struct ProbingResult {
    Point3D contact_point;        ///< 实际接触点坐标
    bool    contact_made = false; ///< 是否探测到接触
    double  deviation = 0.0;      ///< 与目标位置的偏差 (mm)
    std::string message;          ///< 结果消息
};

/// 螺纹铣削参数
struct ThreadMillParams {
    double thread_diameter    = 10.0;   ///< 螺纹公称直径 (mm)
    double thread_pitch       = 1.5;    ///< 螺距 (mm)
    double thread_depth       = 20.0;   ///< 螺纹深度 (mm)
    double major_diameter     = 10.0;   ///< 大径 (mm)
    double minor_diameter     = 8.376;  ///< 小径 (mm，M10×1.5 标准)
    int    num_passes         = 3;      ///< 切削刀数（径向分层）
    double feed_rate          = 300.0;  ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z             = 15.0;   ///< 安全高度 (mm)
    bool   right_hand         = true;   ///< 右旋螺纹
    bool   internal_thread    = true;   ///< 内螺纹 (false = 外螺纹)
    Point3D hole_center       = Point3D::Zero(); ///< 孔中心/螺纹起点
};

/// 探测循环 — 生成探测刀路
///
/// 使用接触式测头执行工件找正/测量循环。
/// 支持单面、凸台、孔/槽、角落、角度等探测类型。
///
/// @param tool   测头（接触式探头）
/// @param params 探测参数
/// @return 探测刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath probing_cycle(
    const Tool& tool,
    const ProbingParams& params);

/// 探测循环（含结果）— 执行探测并返回结果
///
/// @param tool   测头
/// @param params 探测参数
/// @param body   工件模型（模拟碰撞检测）
/// @return 探测结果
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] ProbingResult probing_cycle_with_result(
    const Tool& tool,
    const ProbingParams& params,
    const brep::BrepModel& body);

/// 螺纹铣削 — 生成螺纹铣削刀路
///
/// 使用螺纹铣刀以螺旋插补方式加工螺纹。
/// 支持内/外螺纹、右旋/左旋、多刀切削。
///
/// 刀路策略：
///  1. 定位到孔中心上方安全高度
///  2. 下刀到螺纹起始深度
///  3. 径向切入到螺纹小径
///  4. 以螺旋方式从底向上（或从顶向下）走 360° × 圈数
///  5. 径向退出
///  6. 如有多次走刀 (num_passes > 1)，逐步增加半径
///
/// @param tool   螺纹铣刀
/// @param params 螺纹参数
/// @return 螺纹铣削刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath thread_milling(
    const Tool& tool,
    const ThreadMillParams& params);

}  // namespace vde::core