基于WPF的数控转塔冲床HMI软件设计及应用

徐晓彬，沈 浪，黄 炎

（江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州 225200）

数控转塔冲床HMI操作软件，通常采用数控系统供应商提供的通用HMI操作软件，其HMI操作软件可应用于多种适配的机床。对于数控转塔冲床OEM厂商来说，添加一些个性化的功能变得非常困难，虽然类似西门子数控系统提供了HMI的功能扩展开发工具，但因种种限制导致功能扩展性差，功能实现困难。近年来随着德国工业4.0和中国制造2025的提出，数控机床的智能化提出了更高的要求，数控机床需要与MES、ERP等管理系统互连互通，HMI操作软件必须提供与其他设备数据交互的标准接口，但通用性数控系统HMI并不具备此功能。基于以上原因，OEM厂商非常有必要自主开发专用的HMI操作软件，不仅可以根据机床特点提供更加人性化的操作体验，还可以提供更多的扩展功能。

1 数控转塔冲床HMI设计

1.1 布局设计

基于美学、人机工程学以及工业软件的特殊性，HMI软件布局设计需遵循以下原则：①满足企业形象及产品功能要求；②满足材料加工工艺和质地要求；③满足人与产品相适应以及作业环境要求；④符合产品造型设计美学法则及符合时代审美要求；⑤符合不同地区和国家对色彩的爱好和禁忌要求。

按照以上设计原则，软件采用黑灰色为主色调，以蓝色为辅助色起强调作用，整体给人一种沉稳舒服的感觉。整个页面分为4个功能区域：顶部状态显示区、左侧主功能导航区、底部命令选择区、中间内容显示区。针对触摸屏操作，按钮等可点击控件的大小都做了特定的优化，确保了触摸屏操作的准确性和舒适性。

1.2 功能设计

通过对数控转塔冲床的功能需求分析，本软件主要包括以下基本功能模块：①程序管理模块，包括加工程序的预览、编辑、加载、复制、删除、导入、导出等功能；②机床状态模块，包括机床手动控制、MDA运行、自动运行等功能；③转塔模具模块，包括转塔上模具的图形化显示、模具自动匹配、模具冲压计数等功能；④机床设置模块，包括系统参数的修改、用户等级设置；软件语言的设置等功能；⑤维护诊断模块，包括IO状态监控、备份和恢复功能、维护保养提示等功能；⑥报警信息模块，包括报警信息显示、历史报警记录等功能。页面设计如图1所示。基本功能模块以外，根据实际需求预留标准功能拓展接口，例如能源监控、远程诊断等。

2 数控转塔冲床HMI软件设计

2.1 WPF介绍

WPF为Windows Presentation Foundation的首字母缩写，中文译为“Windows呈现基础”。WPF是微软新一代图形系统，运行于.NET Framework 3.0及以上版本，为用户界面、2D/3D图形、文档和媒体提供了统一的描述和操作方法[1]。WPF相对于以前Windows用户界面开发工具来说，向前跨出了巨大的一步，主要有以下优点：

图1 数控转塔冲床HMI程序管理设计

（1）硬件加速：通过DirectX执行所有WPF绘图操作，可充分利用现代显卡的最新功能；

（2）分辨率无关性：WPF能够根据系统DPI设置，非常灵活地放大和缩小显示的内容，以使其适合所用的显示器和显示选择；

（3）声明式用户界面：WPF中运用XAML语言定义用户界面。XAML语言的语法类似于XML，通过XAML，不必编写代码即可创建窗口。特别是XAML的能力不局限于创建一成不变的用户界面。可以使用许多工具，如数据绑定和触发器等自动运行基本的用户界面行为，而不需要编写C#代码[2]。

本软件采用WPF技术作为软件开发的基础，旨在开发出用户体验更佳的数控转塔冲床的HMI软件。

2.2 MVVM软件设计模式介绍

软件采用了MVVM软件设计模式，MVVM是Model-View-ViewModel的简写。MVVM模式是微软WPF和Silverlight架构师John Gossman在2005年提出的。MVVM模式是基于微软.Net Framework以及WPF产生和发展的，和经典的MVC模式一样，MVVM模式将数据层、业务逻辑层以及表现层区分开来，然而，它充分利用了WPF中的XAML和Data Binding的功能，最大程度地使得业务逻辑与界面分离开[3]。

使用MVVM模式，程序的UI和其背后的展现与业务逻辑将被分离至三个类中[4]：①视图（View），封装UI与UI逻辑；②模型视图（ViewModel），封装展示逻辑与状态；③模型（Model），封装程序的业务逻辑以及数据处理。

在MVVM模式中，视图（View）通过数据绑定以及命令行与视图模型（ViewModel）交互，并改变事件通知。视图模型（VIewModel）查询观察并协调模型更新、转换、校验以及聚合数据，从而在视图（View）显示。图2展示了MVVM类以及它们之间的交互。

图2 视图（View）与视图模型（ViewModel）交互示意图

MVVM模式的主要目的是分离视图（View）和模型（Model），其有以下优点：

（1）低耦合，视图（View）可独立于Model变化和修改，一个ViewModel可以绑定到不同的"View"上，当View变化时Model可以不变，当Model变化时View也可以不变。

（2）可重用性，开发人员可以把一些视图逻辑放在一个ViewModel里面，让很多view重用这段视图逻辑。

（3）独立开发，开发人员可以专注于业务逻辑和数据的开发（ViewModel），设计人员可以专注于页面设计，而且可以并行工作，提高软件开发效率。

（4）可测试，界面素来是比较难于测试的，而现在测试可以针对ViewModel来写。

2.3 软件实现

软件采用Adobe Illustrator+VisualStudio2013的开发工具组合，Adobe Illustrator软件主要用于软件页面布局的设计；VisualStudio2013软件用于软件功能的开发，开发语言主要使用了XAML语言和C#语言，XAML语言主要用于页面布局和动态效果的程序开发，C#语言主要用于软件业务逻辑和数据处理的程序开发。

下面通过软件中加工程序列表显示功能的实现，讲解一下MVVM模式在数控转塔冲床HMI软件开发中的实际应用。

（1）编写Model，运用C#语言定义文件的属性以及获取文件列表的方法GetFileList

（2）编写View Model，运用C#语言定义需要绑定到View的FileList属性、SelectedFile属性以及获取文件列表的方法GetFileList

（3）编写View，运用XAML语言定义用于显示加工程序列表的控件，并设置控件的外观，并把View Model中定义的属性绑定到对应的属性上，这样在View中就可以显示文件列表了，并在用户选择一个文件时ViewModel通过属性SelectedFile知道用户选择了哪个文件，从而实现了数据的双向传输，代码如下：

通过加工程序列表显示功能的实现可以看出，运用MVVM模式的软件结构简单，逻辑清晰，代码耦合度低、可重用性高。界面设计与后台逻辑采用不同的语言开发，从根本上实现了界面设计与后台逻辑代码的分离，前台与后台开发可以同步进行，显著缩短了软件的开发周期。

3 结语

本软件已完成软件开发并运行测试，目前应用于江苏亚威机床股份有限公司数控转塔冲床。机床操作更人性化，功能扩展也更方便快捷，对提升产品竞争力有很大作用。图3是软件实际应用现场。

图3 HMI软件机床现场实际应用

[1]刘铁猛.深入浅出WPF[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2][美]MatthewMacDonald.WPF编程宝典：C#2012版[M].王德才，译.北京：清华大学出版社，2012.

[3]刘 立.MVVM模式分析与应用[J].微型电脑应用，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.