基于WPF的數控轉塔沖床HMI軟件設計及應用

徐曉彬，沈 浪，黃 炎

（江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

數控轉塔沖床HMI操作軟件，通常采用數控系統供應商提供的通用HMI操作軟件，其HMI操作軟件可應用于多種適配的機床。對于數控轉塔沖床OEM廠商來說，添加一些個性化的功能變得非常困難，雖然類似西門子數控系統提供了HMI的功能擴展開發工具，但因種種限制導致功能擴展性差，功能實現困難。近年來隨著德國工業4.0和中國制造2025的提出，數控機床的智能化提出了更高的要求，數控機床需要與MES、ERP等管理系統互連互通，HMI操作軟件必須提供與其他設備數據交互的標準接口，但通用性數控系統HMI并不具備此功能。基于以上原因，OEM廠商非常有必要自主開發專用的HMI操作軟件，不僅可以根據機床特點提供更加人性化的操作體驗，還可以提供更多的擴展功能。

1 數控轉塔沖床HMI設計

1.1 布局設計

基于美學、人機工程學以及工業軟件的特殊性，HMI軟件布局設計需遵循以下原則：①滿足企業形象及產品功能要求；②滿足材料加工工藝和質地要求；③滿足人與產品相適應以及作業環境要求；④符合產品造型設計美學法則及符合時代審美要求；⑤符合不同地區和國家對色彩的愛好和禁忌要求。

按照以上設計原則，軟件采用黑灰色為主色調，以藍色為輔助色起強調作用，整體給人一種沉穩舒服的感覺。整個頁面分為4個功能區域：頂部狀態顯示區、左側主功能導航區、底部命令選擇區、中間內容顯示區。針對觸摸屏操作，按鈕等可點擊控件的大小都做了特定的優化，確保了觸摸屏操作的準確性和舒適性。

1.2 功能設計

通過對數控轉塔沖床的功能需求分析，本軟件主要包括以下基本功能模塊：①程序管理模塊，包括加工程序的預覽、編輯、加載、復制、刪除、導入、導出等功能；②機床狀態模塊，包括機床手動控制、MDA運行、自動運行等功能；③轉塔模具模塊，包括轉塔上模具的圖形化顯示、模具自動匹配、模具沖壓計數等功能；④機床設置模塊，包括系統參數的修改、用戶等級設置；軟件語言的設置等功能；⑤維護診斷模塊，包括IO狀態監控、備份和恢復功能、維護保養提示等功能；⑥報警信息模塊，包括報警信息顯示、歷史報警記錄等功能。頁面設計如圖1所示。基本功能模塊以外，根據實際需求預留標準功能拓展接口，例如能源監控、遠程診斷等。

2 數控轉塔沖床HMI軟件設計

2.1 WPF介紹

WPF為Windows Presentation Foundation的首字母縮寫，中文譯為“Windows呈現基礎”。WPF是微軟新一代圖形系統，運行于.NET Framework 3.0及以上版本，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統一的描述和操作方法[1]。WPF相對于以前Windows用戶界面開發工具來說，向前跨出了巨大的一步，主要有以下優點：

圖1 數控轉塔沖床HMI程序管理設計

（1）硬件加速：通過DirectX執行所有WPF繪圖操作，可充分利用現代顯卡的最新功能；

（2）分辨率無關性：WPF能夠根據系統DPI設置，非常靈活地放大和縮小顯示的內容，以使其適合所用的顯示器和顯示選擇；

（3）聲明式用戶界面：WPF中運用XAML語言定義用戶界面。XAML語言的語法類似于XML，通過XAML，不必編寫代碼即可創建窗口。特別是XAML的能力不局限于創建一成不變的用戶界面。可以使用許多工具，如數據綁定和觸發器等自動運行基本的用戶界面行為，而不需要編寫C#代碼[2]。

本軟件采用WPF技術作為軟件開發的基礎，旨在開發出用戶體驗更佳的數控轉塔沖床的HMI軟件。

2.2 MVVM軟件設計模式介紹

軟件采用了MVVM軟件設計模式，MVVM是Model-View-ViewModel的簡寫。MVVM模式是微軟WPF和Silverlight架構師John Gossman在2005年提出的。MVVM模式是基于微軟.Net Framework以及WPF產生和發展的，和經典的MVC模式一樣，MVVM模式將數據層、業務邏輯層以及表現層區分開來，然而，它充分利用了WPF中的XAML和Data Binding的功能，最大程度地使得業務邏輯與界面分離開[3]。

使用MVVM模式，程序的UI和其背后的展現與業務邏輯將被分離至三個類中[4]：①視圖（View），封裝UI與UI邏輯；②模型視圖（ViewModel），封裝展示邏輯與狀態；③模型（Model），封裝程序的業務邏輯以及數據處理。

在MVVM模式中，視圖（View）通過數據綁定以及命令行與視圖模型（ViewModel）交互，并改變事件通知。視圖模型（VIewModel）查詢觀察并協調模型更新、轉換、校驗以及聚合數據，從而在視圖（View）顯示。圖2展示了MVVM類以及它們之間的交互。

圖2 視圖（View）與視圖模型（ViewModel）交互示意圖

MVVM模式的主要目的是分離視圖（View）和模型（Model），其有以下優點：

（1）低耦合，視圖（View）可獨立于Model變化和修改，一個ViewModel可以綁定到不同的"View"上，當View變化時Model可以不變，當Model變化時View也可以不變。

（2）可重用性，開發人員可以把一些視圖邏輯放在一個ViewModel里面，讓很多view重用這段視圖邏輯。

（3）獨立開發，開發人員可以專注于業務邏輯和數據的開發（ViewModel），設計人員可以專注于頁面設計，而且可以并行工作，提高軟件開發效率。

（4）可測試，界面素來是比較難于測試的，而現在測試可以針對ViewModel來寫。

2.3 軟件實現

軟件采用Adobe Illustrator+VisualStudio2013的開發工具組合，Adobe Illustrator軟件主要用于軟件頁面布局的設計；VisualStudio2013軟件用于軟件功能的開發，開發語言主要使用了XAML語言和C#語言，XAML語言主要用于頁面布局和動態效果的程序開發，C#語言主要用于軟件業務邏輯和數據處理的程序開發。

下面通過軟件中加工程序列表顯示功能的實現，講解一下MVVM模式在數控轉塔沖床HMI軟件開發中的實際應用。

（1）編寫Model，運用C#語言定義文件的屬性以及獲取文件列表的方法GetFileList

（2）編寫View Model，運用C#語言定義需要綁定到View的FileList屬性、SelectedFile屬性以及獲取文件列表的方法GetFileList

（3）編寫View，運用XAML語言定義用于顯示加工程序列表的控件，并設置控件的外觀，并把View Model中定義的屬性綁定到對應的屬性上，這樣在View中就可以顯示文件列表了，并在用戶選擇一個文件時ViewModel通過屬性SelectedFile知道用戶選擇了哪個文件，從而實現了數據的雙向傳輸，代碼如下：

通過加工程序列表顯示功能的實現可以看出，運用MVVM模式的軟件結構簡單，邏輯清晰，代碼耦合度低、可重用性高。界面設計與后臺邏輯采用不同的語言開發，從根本上實現了界面設計與后臺邏輯代碼的分離，前臺與后臺開發可以同步進行，顯著縮短了軟件的開發周期。

3 結語

本軟件已完成軟件開發并運行測試，目前應用于江蘇亞威機床股份有限公司數控轉塔沖床。機床操作更人性化，功能擴展也更方便快捷，對提升產品競爭力有很大作用。圖3是軟件實際應用現場。

圖3 HMI軟件機床現場實際應用

[1]劉鐵猛.深入淺出WPF[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2][美]MatthewMacDonald.WPF編程寶典：C#2012版[M].王德才，譯.北京：清華大學出版社，2012.

[3]劉 立.MVVM模式分析與應用[J].微型電腦應用，2012，28（12）：57-60.

[4]Amir Ahani.Intro to the Model-View-ViewModel DesignPattern[EB/OL].https://dzone.com/articles/model-view-viewmodel-design.