基于WPF的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐曉彬，沈 浪，黃 炎

（江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI操作軟件，通常采用數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商提供的通用HMI操作軟件，其HMI操作軟件可應(yīng)用于多種適配的機(jī)床。對(duì)于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床OEM廠商來說，添加一些個(gè)性化的功能變得非常困難，雖然類似西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了HMI的功能擴(kuò)展開發(fā)工具，但因種種限制導(dǎo)致功能擴(kuò)展性差，功能實(shí)現(xiàn)困難。近年來隨著德國(guó)工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，數(shù)控機(jī)床的智能化提出了更高的要求，數(shù)控機(jī)床需要與MES、ERP等管理系統(tǒng)互連互通，HMI操作軟件必須提供與其他設(shè)備數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)接口，但通用性數(shù)控系統(tǒng)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(fā)專用的HMI操作軟件，不僅可以根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)提供更加人性化的操作體驗(yàn)，還可以提供更多的擴(kuò)展功能。

1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI設(shè)計(jì)

1.1 布局設(shè)計(jì)

基于美學(xué)、人機(jī)工程學(xué)以及工業(yè)軟件的特殊性，HMI軟件布局設(shè)計(jì)需遵循以下原則：①滿足企業(yè)形象及產(chǎn)品功能要求；②滿足材料加工工藝和質(zhì)地要求；③滿足人與產(chǎn)品相適應(yīng)以及作業(yè)環(huán)境要求；④符合產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)美學(xué)法則及符合時(shí)代審美要求；⑤符合不同地區(qū)和國(guó)家對(duì)色彩的愛好和禁忌要求。

按照以上設(shè)計(jì)原則，軟件采用黑灰色為主色調(diào)，以藍(lán)色為輔助色起強(qiáng)調(diào)作用，整體給人一種沉穩(wěn)舒服的感覺。整個(gè)頁(yè)面分為4個(gè)功能區(qū)域：頂部狀態(tài)顯示區(qū)、左側(cè)主功能導(dǎo)航區(qū)、底部命令選擇區(qū)、中間內(nèi)容顯示區(qū)。針對(duì)觸摸屏操作，按鈕等可點(diǎn)擊控件的大小都做了特定的優(yōu)化，確保了觸摸屏操作的準(zhǔn)確性和舒適性。

1.2 功能設(shè)計(jì)

通過對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)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(yù)覽、編輯、加載、復(fù)制、刪除、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能；②機(jī)床狀態(tài)模塊，包括機(jī)床手動(dòng)控制、MDA運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行等功能；③轉(zhuǎn)塔模具模塊，包括轉(zhuǎn)塔上模具的圖形化顯示、模具自動(dòng)匹配、模具沖壓計(jì)數(shù)等功能；④機(jī)床設(shè)置模塊，包括系統(tǒng)參數(shù)的修改、用戶等級(jí)設(shè)置；軟件語(yǔ)言的設(shè)置等功能；⑤維護(hù)診斷模塊，包括IO狀態(tài)監(jiān)控、備份和恢復(fù)功能、維護(hù)保養(yǎng)提示等功能；⑥報(bào)警信息模塊，包括報(bào)警信息顯示、歷史報(bào)警記錄等功能。頁(yè)面設(shè)計(jì)如圖1所示。基本功能模塊以外，根據(jù)實(shí)際需求預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)功能拓展接口，例如能源監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷等。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI軟件設(shè)計(jì)

2.1 WPF介紹

WPF為Windows Presentation Foundation的首字母縮寫，中文譯為“Windows呈現(xiàn)基礎(chǔ)”。WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng)，運(yùn)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(tǒng)一的描述和操作方法[1]。WPF相對(duì)于以前Windows用戶界面開發(fā)工具來說，向前跨出了巨大的一步，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI程序管理設(shè)計(jì)

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

（2）分辨率無關(guān)性：WPF能夠根據(jù)系統(tǒng)DPI設(shè)置，非常靈活地放大和縮小顯示的內(nèi)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(yùn)用XAML語(yǔ)言定義用戶界面。XAML語(yǔ)言的語(yǔ)法類似于XML，通過XAML，不必編寫代碼即可創(chuàng)建窗口。特別是XAML的能力不局限于創(chuàng)建一成不變的用戶界面。可以使用許多工具，如數(shù)據(jù)綁定和觸發(fā)器等自動(dòng)運(yùn)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(shù)作為軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，旨在開發(fā)出用戶體驗(yàn)更佳的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的HMI軟件。

2.2 MVVM軟件設(shè)計(jì)模式介紹

軟件采用了MVVM軟件設(shè)計(jì)模式，MVVM是Model-View-ViewModel的簡(jiǎn)寫。MVVM模式是微軟WPF和Silverlight架構(gòu)師John Gossman在2005年提出的。MVVM模式是基于微軟.Net Framework以及WPF產(chǎn)生和發(fā)展的，和經(jīng)典的MVC模式一樣，MVVM模式將數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表現(xiàn)層區(qū)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(yè)務(wù)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(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯將被分離至三個(gè)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(tài)；③模型（Model），封裝程序的業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)處理。

在MVVM模式中，視圖（View）通過數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)模型更新、轉(zhuǎn)換、校驗(yàn)以及聚合數(shù)據(jù)，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(yōu)點(diǎn)：

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

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

（3）獨(dú)立開發(fā)，開發(fā)人員可以專注于業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的開發(fā)（ViewModel），設(shè)計(jì)人員可以專注于頁(yè)面設(shè)計(jì)，而且可以并行工作，提高軟件開發(fā)效率。

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

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用Adobe Illustrator+VisualStudio2013的開發(fā)工具組合，Adobe Illustrator軟件主要用于軟件頁(yè)面布局的設(shè)計(jì)；VisualStudio2013軟件用于軟件功能的開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)言主要使用了XAML語(yǔ)言和C#語(yǔ)言，XAML語(yǔ)言主要用于頁(yè)面布局和動(dòng)態(tài)效果的程序開發(fā)，C#語(yǔ)言主要用于軟件業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理的程序開發(fā)。

下面通過軟件中加工程序列表顯示功能的實(shí)現(xiàn)，講解一下MVVM模式在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床HMI軟件開發(fā)中的實(shí)際應(yīng)用。

（1）編寫Model，運(yùn)用C#語(yǔ)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(yùn)用C#語(yǔ)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(yùn)用XAML語(yǔ)言定義用于顯示加工程序列表的控件，并設(shè)置控件的外觀，并把View Model中定義的屬性綁定到對(duì)應(yīng)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(gè)文件時(shí)ViewModel通過屬性SelectedFile知道用戶選擇了哪個(gè)文件，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸，代碼如下：

通過加工程序列表顯示功能的實(shí)現(xiàn)可以看出，運(yùn)用MVVM模式的軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯清晰，代碼耦合度低、可重用性高。界面設(shè)計(jì)與后臺(tái)邏輯采用不同的語(yǔ)言開發(fā)，從根本上實(shí)現(xiàn)了界面設(shè)計(jì)與后臺(tái)邏輯代碼的分離，前臺(tái)與后臺(tái)開發(fā)可以同步進(jìn)行，顯著縮短了軟件的開發(fā)周期。

3 結(jié)語(yǔ)

本軟件已完成軟件開發(fā)并運(yùn)行測(cè)試，目前應(yīng)用于江蘇亞威機(jī)床股份有限公司數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。機(jī)床操作更人性化，功能擴(kuò)展也更方便快捷，對(duì)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有很大作用。圖3是軟件實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 HMI軟件機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

[1]劉鐵猛.深入淺出WPF[M].北京：中國(guó)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(xué)出版社，2012.

[3]劉 立.MVVM模式分析與應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)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.