可視化虛擬控制面板設計系統的架構與開發

摘要：目前應用于職業院校數控教學和培訓中的數控機床仿真系統控制面板的開發與設計存在著很多局限，不能滿足職業院校數控教學或培訓多樣性的要求。本文提出使用Delphi集成開發環境開發方法可視化虛擬控制面板設計系統，并給出了系統的體系結構及主要功能模塊的設計與開發方法。由于采用了“所見即所得”和鼠標拖曳式編輯的設計理念，虛擬控制面板的設計與開發工作完全可以交與培訓教師或學生來進行，可以對多種類型的機床進行仿真，改變現有仿真軟件只能對有限幾種機床進行仿真的不合理現狀。

關鍵詞：數控教學；虛擬控制面板；仿真；可視化

當前我國數控類人才極度匱乏，這種現狀嚴重制約了國家制造業的發展，為了解決這個問題，國家大力發展職業教育，職業院校成為培養數控技術人才的主要陣地。由于數控機床價格昂貴，職業院校教育資金有限等種種原因催生了虛擬數控機床教育軟件的研發。虛擬數控機床是對數控加工過程進行電腦模擬仿真的教育軟件，這種軟件在職業院校數控教學與培訓的過程中發揮了極其重要的作用。當前不同的數控機床系統(如FANUC、SIMENS等)的控制面板布局標準不統一，不同的機床生產廠家生產的數控機床，其控制面板的控制元件設計及布局有很大不同，這就給機床仿真帶來了問題。當前職業院校所采取的解決辦法是：開發與實際機床對應的多套虛擬控制面板，以選擇菜單的形式提供給教師或學生，他們可以通過菜單選擇需要的機床型號的控制面板，從而對虛擬數控機床進行仿真操作。程序開發人員在開發軟件時，根據用戶的需求，采用一種面向對象的可視化編程語言，使用現有的集成開發環境，將應用功能和界面兩部分程序混合編寫，一種型號的數控機床就需要開發出一套相應的、單獨的虛擬控制面板。由于數控機床種類和型號繁多，軟件廠商不可能針對每一種機床型號都開發一套虛擬控制面板，這需要消耗很大的人力和物力，增加了軟件的生產成本，并且以當前方式開發完成的虛擬面板軟件在教學過程中維護與代碼更新的工作繁重。這樣就導致現有數控加工仿真軟件只能對有限幾種常用的數控機床進行仿真，不能滿足職業院校數控教學或培訓多樣性的要求。

這些問題在某種程度上限制了數控加工仿真軟件的普及，影響了職業院校數控教學和培訓。針對以上問題，筆者設計并開發了可視化虛擬控制面板設計系統，通過這個系統，學生只需點擊相應的功能控件選取窗口，拖動鼠標并完成相應控件的屬性（如：形狀、大小、顏色、位置等）設定，就可以設計所需的虛擬控制面板。即使學生沒有程序開發的基礎，也完全可以勝任面板的設計與生成工作。這樣，控制面板的開發工作就可以從原來的程序開發工作中獨立出來。界面的開發工作可以由教師或學生來完成，可以根據需要對多種數控機床進行仿真，同時也規避了當前面板中所存在的系統更新問題。

系統需求捕獲與分析

本系統運行在Windows操作平臺上，具有與Windows平臺相似的操作風格。系統的主要功能是用來開發、生成虛擬數控機床的控制面板，生成的控制面板是對真實數控機床控制面板的仿真，包括對控制面板上各個控制元件的外觀、布局的仿真，功能的仿真，操作時狀態變化的仿真。生成的仿真控制面板可以運行顯示在計算機屏幕上，可以響應計算機鼠標與鍵盤擊發的事件，可以向虛擬數控機床仿真運算核心傳遞控制信息，從而驅動虛擬數控機床在計算機系統中運轉。該系統具有良好的易用性，系統不要求學生具有軟件設計與程序開發的能力，只要進行一些簡單的培訓，學生就能運用該軟件進行虛擬面板的開發。已經開發完成的虛擬面板，學生可將其調用到本系統內，根據實際需要對其進行改動與保存。學生可利用該軟件開發、建立自己的虛擬控制面板庫。

根據以上需求進行分析，系統應具備以下功能：支持鼠標拖曳式編輯，學生只需要點擊相應的功能控件選取窗口，拖動鼠標并完成相應控件的屬性（如：形狀、大小、顏色、位置等）設定，從而可以定制所需的數控系統虛擬控制面板。支持“所見即所得”，學生可以即時在編輯器中看到界面設計的實際效果，如各種控制元件的標題字形大小、顏色、位置、形狀等。支持面板文件的新建、打開、修改、保存、運行；面板文件在系統中存在兩種狀態，即設計時狀態和運行時狀態。在學生定制設計時，可以向面板文件中添加按鈕、旋鈕等元件，并可以設定元件的各種屬性和元件的動作，隨時讀取某個元件的屬性值與動作值并對其進行修改。對于定制完成的虛擬控制面板，學生可以運行面板，在運行時狀態下測試面板運行效果，若不滿足需求，可以切換回初始狀態，對面板進行修改，直至達到滿意的效果，最后將生成的虛擬面板文件以特定的格式存儲。能夠允許學生在設計時和運行時狀態間隨意切換，隨時查看面板的效果，這是可視化虛擬控制面板設計系統的重要特征。

系統邏輯模型建構

（一）“級變”模型

在圖元的容器類組件（父組件）上，優先級高的圖元子組件被置前顯示，在圖元子組件的疊加隊列中，優先級較高的子組件自動向下覆蓋優先級較低的子組件。系統中的圖元類子組件在創建時獲得的系統默認分配的優先級可以重組。

（二）圖元顯示模型

圖元顯示模型是建立在“級變”模型的基礎之上的，真實數控機床控制面板上的控制元件在操作時都呈現出了外觀狀態的變化。我們把控制元件呈現出的每一個外觀狀態都做成仿真度很好的狀態位圖，然后根據控制元件狀態的多少來決定圖元子組件的數目，每個圖元子組件都可以裝載一個狀態仿真位圖，這組圖元子組件形成一個疊加隊列，這樣，控制面板上的每個元件都唯一對應一個疊加隊列，每個圖元子組件都可以發出調用信息或響應其他圖元的調用信息。通過響應調用信息，圖元子組件隊列的優先級進行重組，被調用的圖元子組件獲得最高優先級從而被置前顯示在圖元容器類組件上，當鼠標點擊該圖元子組件時，組件會發出調用信息調用其他圖元，這樣就完成了一個控制元件的狀態切換。

面板上所有元件對應的圖元隊列構成一個大的整體的隊列，學生進行面板設計時，把數控機床上出現的所有元件都進行編號，比如“急?！卑粹o編號為1，“手輪”編號為2等等，同時給每個面板元件對應的圖元隊列里的圖元子組件都設定了編號，也就是把某個數控面板元件呈現出的所有的狀態都進行了編號，比如“急?！卑粹o有兩個狀態，按下時狀態和松開時狀態，裝載有按下時狀態仿真位圖的圖元組件編號為1，裝載有松開時狀態仿真位圖的圖元組件編號為2，這樣，裝載有“急停”按鈕按下時狀態仿真位圖的圖元組件編號為11，裝載有“急?！卑粹o松開時狀態仿真位圖的圖元組件編號為12，面板上所有元件對應的圖元隊列又構成一個大的整體的隊列，比如11、12，21、22、23，31、32等等。根據前面所述的“級變”模型和“圖元顯示”模型可知，學生點擊某一元件時發出調用信息，被調用的圖元在隊列里置前顯示，通過一個程序過程可以捕捉到哪一個圖元被調用，比如捕捉到編號為11的圖元被置前顯示，那么就可以根據編號規則解析出下面的信息：學生當前在操作“急?！卑粹o，“急?！卑粹o被按下，這些信息就是控制信息，這樣面板的控制信息就產生了。

每一個狀態切換過程都會產生相應的控制信息，這些控制信息被指令與坐標顯示模塊讀取、解析后顯示出相應的狀態參數。這些控制信息的格式與虛擬數控機床仿真運算核心能夠接受的控制信息的格式有所不同，兩者之間需要創建一個信息值轉換表，通過該轉換表，控制信息就能被仿真運算核心讀取并處理，處理效果通過加工過程三維顯示模塊顯示，這樣就完成了一個仿真過程。

系統設計與實現

（一）系統架構

系統由以下主要模塊構成（如圖1）：（1）主控模塊：系統的主要功能模塊，負責調用和控制其他程序模塊。（2）風格調整模塊：允許學生根據自己的喜好對系統的環境參數進行設定如工作區背景顏色的設定、編輯區中控制點的色彩設定、是否顯示編輯區柵格、是否對齊到柵格等。（3）面板設計模塊：包含面板編輯模塊、排版模塊、面板運行模塊。學生通過面板設計模塊設計自己需要的面板。在面板編輯區，學生用鼠標拖拉自己所需要的圖元控件到編輯區中，然后設定圖元控件的各種屬性值和圖元控件間的調用信息，用鼠標拖動控件生成圖元疊加隊列；對比數控機床控制面板的外觀布局，通過排版模塊對單個圖元控件或一組圖元控件進行位置或者規格大小調整，最后形成虛擬控制面板文件，調用面板運行模塊，運行面板，查看運行效果，若效果不能滿足需要，則切換回編輯模塊進行修改調整，若效果滿足需要，則保存面板文件。（4）幫助模塊：提供系統操作說明和系統版本說明。

圖1軟件模塊結構示意圖

（二）系統界面及功能介紹

系統界面由主窗口、用戶面板編輯窗口、工作區風格調整窗口、面板文件運行窗口、對齊調整窗口、規格大小調整窗口、幫助和程序說明窗口、圖元屬性調整窗口組成。主窗口是程序運行時最先出現的窗口，是軟件主控窗口，軟件的大部分功能都需要借助主窗口的菜單欄和工具欄中的命令來實現，主窗口控制用戶編輯窗口、工作區屬性調整窗口和面板文件運行窗口的顯示或隱藏。

系統程序啟動后，學生可通過選擇“文件”菜單欄中的“新建”菜單項，或直接點擊工具欄中的“新建”按鈕，新建一個面板文件編輯區，可以通過工作區風格調整窗口調整編輯區的環境參數。學生使用鼠標拖拉主窗口界面上的圖元控件到面板編輯區，并可以通過“編輯”菜單欄里的菜單命令或工具欄中的編輯按鈕，如：剪切、復制、粘貼、刪除，來對編輯區的圖元控件進行編輯。雙擊選中的圖元控件，系統會彈出圖元屬性值設定窗口，在這個設定窗口，可以設定圖元控件的各種屬性值。

學生添加完所有的控件后可以單擊菜單欄中或工具欄中的“大小調整”和“對齊調整”按鈕，系統彈出相應的窗口，學生可以對選中的圖元控件進行布局調整，如圖2和圖3所示。

布局調整后，學生可以單擊工具欄中的“運行”按鈕，或選擇“運行”菜單中的“運行”菜單項，系統會彈出面板運行窗口，學生可以查看運行效果，生成的面板文件學生可以保存，以備下次調用。

系統在數控教學中的應用價值

采用可視化虛擬控制面板設計系統對現有數控加工仿真軟件進行重新架構以后，仿真軟件控制面板部分的更新與開發就可以交給軟件的使用者——學生來完成。當機床廠家生產的實際機床控制面板有了改動，比如增加或減少了一個按鈕，某個按鈕或手輪的位置改動了，這時，仿真軟件的控制面板需要根據實際進行更新。當前普遍采用開發方式開發的仿真軟件，面板部分的更新與開發必須由仿真軟件開發廠家的專業程序開發人員來進行，并且這些開發與更新工作相當繁雜。而筆者開發的虛擬面板設計系統的仿真軟件能很好地解決面板更新與開發問題，并且操作簡單、易用性強，可交給學生來完成，大大增強了數控仿真教學軟件的靈活性和可擴展性。

參考文獻：

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作者簡介：

崔延亮（1982—），男，天津工程師范學院2005級碩士研究生，研究方向為教育技術以及職業教育信息化。