ViewDesignEngine/include/vde/core/cam_optimization.h

#pragma once
/**
 * @file cam_optimization.h
 * @brief CAM 综合优化 — 切屑减薄、车铣复合摆线、HSM高速加工、恒接触角铣削、刀具寿命管理
 *
 * cam_advanced.h 提供高级加工策略，本模块在其之上提供面向效率与刀具保护的优化：
 *  - chip_thinning_optimization    — 切屑减薄优化，调整进给以维持恒定切屑厚度
 *  - trochoidal_turn_milling       — 车铣复合摆线加工
 *  - high_speed_machining          — HSM 高速加工策略（浅层大切宽）
 *  - constant_engagement_milling  — 恒接触角铣削，保持刀具啮合角恒定
 *  - tool_life_management          — 刀具寿命管理，基于磨损模型预测剩余寿命
 *
 * @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/core/cam_advanced.h"
#include "vde/mesh/halfedge_mesh.h"
#include <vector>
#include <string>
#include <utility>
#include <chrono>

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

namespace vde::core {

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

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  优化参数类型
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// 高速加工 (HSM) 参数
struct HSMParams {
    double step_down         = 0.5;       ///< 每层切深 (mm) — HSM 通常浅层
    double step_over         = 4.0;       ///< 横向步距 (mm) — HSM 大切宽
    double feed_rate         = 2000.0;    ///< 进给速度 (mm/min)
    double spindle_rpm       = 15000.0;   ///< 主轴转速 (rpm)
    double safe_z            = 15.0;      ///< 安全高度 (mm)
    double stock_to_leave    = 0.3;       ///< 留量 (mm)
    double corner_radius     = 2.0;       ///< 拐角过渡半径 (mm)
    bool   trochoidal_corners = true;     ///< 拐角处是否使用摆线过渡
};

/// 恒接触角铣削参数
struct ConstantEngagementParams {
    double target_engagement    = 45.0;   ///< 目标啮合角 (度)
    double step_down            = 0.8;    ///< 每层切深 (mm)
    double feed_rate            = 600.0;  ///< 进给速度 (mm/min)
    double safe_z               = 15.0;   ///< 安全高度 (mm)
    double min_step_over        = 0.3;    ///< 最小横向步距 (mm)
    double max_step_over        = 4.0;    ///< 最大横向步距 (mm)
    double engagement_tolerance = 5.0;    ///< 啮合角容差 (度)
};

/// 刀具寿命管理参数
struct ToolLifeParams {
    double max_cutting_time_min  = 60.0;  ///< 最大切削时间 (分钟)
    double max_cutting_length_m = 500.0;  ///< 最大切削距离 (米)
    double wear_coefficient     = 1.0e-6; ///< 磨损系数 (mm³/N·m)
    double critical_flank_wear  = 0.3;    ///< 临界后刀面磨损 (mm)
    double spindle_speed_factor = 1.2;    ///< 主轴转速修正系数
    bool   enable_adaptive_feed = true;   ///< 是否启用自适应进给降级
};

/// 刀具寿命预估结果
struct ToolLifeResult {
    double estimated_life_min     = 0.0;  ///< 预估剩余寿命 (分钟)
    double accumulated_wear_mm    = 0.0;  ///< 累计磨损量 (mm)
    double material_removed_mm3   = 0.0;  ///< 已切除材料体积 (mm³)
    double current_flank_wear     = 0.0;  ///< 当前后刀面磨损 (mm)
    bool   needs_replacement      = false;///< 是否需要更换刀具
    double recommended_feed_scale = 1.0;  ///< 推荐的进给缩放系数
    std::string warning_message;          ///< 警告消息
};

/// 车铣复合摆线参数
struct TurnMillParams {
    double stock_diameter      = 0.0;     ///< 毛坯直径 (mm)，0 表示从模型推测
    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           = 500.0;   ///< 进给速度 (mm/min)
    double spindle_rpm         = 8000.0;  ///< 铣主轴转速 (rpm)
    double turning_rpm         = 500.0;   ///< 车主轴转速 (rpm)
    double safe_z              = 20.0;    ///< 安全高度 (mm)
    bool   sync_axes           = true;    ///< C/Y 轴同步
};

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
//  CAM 优化函数
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

/// 切屑减薄优化 (Chip Thinning Optimization)
///
/// 当径向切削深度小于刀具半径时，实际切屑厚度小于设定的每齿进给量。
/// 此函数调整进给率以补偿切屑减薄效应，维持恒定的实际切屑厚度，
/// 避免切削过薄导致刀具摩擦而非切削。
///
/// 公式: f_adj = f_nominal × (D / (2 × √(ae×(D−ae))))  当 ae < D/2
///
/// @param toolpath 原始刀路（进给率为名义值）
/// @param tool     使用的刀具
/// @return 进给补偿后的刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath chip_thinning_optimization(
    const Toolpath& toolpath,
    const Tool& tool);

/// 车铣复合摆线加工 (Trochoidal Turn-Milling)
///
/// 在车铣复合机床上使用铣刀对旋转工件进行摆线切削。
/// 工件旋转（C 轴）提供车削运动，铣刀沿径向和轴向做摆线切入。
/// 适用于轴类零件的深槽、偏心特征等。
///
/// 策略：
///  1. 工件以 turning_rpm 旋转
///  2. 铣刀沿径向做摆线切入（trochoid_radius / step_forward）
///  3. 轴向分层推进（step_down）
///
/// @param body   B-Rep 实体模型
/// @param tool   铣刀参数
/// @param params 车铣复合参数
/// @return 车铣复合刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath trochoidal_turn_milling(
    const brep::BrepModel& body,
    const Tool& tool,
    const TurnMillParams& params = TurnMillParams{});

/// 高速加工 (High-Speed Machining)
///
/// 采用浅层大切宽策略，配合拐角摆线过渡以维持恒定切削负载。
/// 不同于传统粗加工的重切削，HSM 利用高主轴转速和快速进给，
/// 以"高速轻切"的方式实现更高的材料去除率。
///
/// 特点：
///  - 浅切深 (step_down ~0.5mm)，大切宽 (step_over ~4mm)
///  - 拐角自动摆线过渡，避免负载突变
///  - 更高进给率 (通常 >2000 mm/min)
///  - 平滑的刀路轨迹减少加减速
///
/// @param toolpath 原始刀路（作基础路径参考）
/// @param params   HSM 参数
/// @return 优化后的高速刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath high_speed_machining(
    const Toolpath& toolpath,
    const HSMParams& params);

/// 恒接触角铣削 (Constant Engagement Milling)
///
/// 在加工过程中动态调整横向步距，使刀具与材料的啮合角始终保持恒定。
/// 恒定啮合角 = 恒定切削力 = 刀具负载稳定 → 延长刀具寿命、提高表面质量。
///
/// 在进入角落或狭窄区域时减小步距，在开放区域时增大步距。
///
/// @param body   B-Rep 实体模型
/// @param tool   使用的刀具
/// @param params 恒接触角参数
/// @return 恒接触角刀路
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] Toolpath constant_engagement_milling(
    const brep::BrepModel& body,
    const Tool& tool,
    const ConstantEngagementParams& params = ConstantEngagementParams{});

/// 刀具寿命管理 (Tool Life Management)
///
/// 基于 Taylor 刀具寿命公式和累积磨损模型，预测刀具的剩余寿命，
/// 并在需要时建议降低进给率以延长刀具寿命至完成当前任务。
///
/// Taylor 公式: Vc × T^n = C （Vc = 切削速度，T = 刀具寿命，n, C 为材料常数）
///
/// @param tool     当前刀具
/// @param material 工件材料属性
/// @param params   刀具寿命管理参数
/// @return 刀具寿命预估结果（包含磨损量和建议进给修正）
///
/// @ingroup core
[[nodiscard]] ToolLifeResult tool_life_management(
    const Tool& tool,
    const Material& material,
    const ToolLifeParams& params = ToolLifeParams{});

}  // namespace vde::core