CN1377781A - 阵列针式滚筒打印机设计原理 - Google Patents

Abstract

一种能够进行单色、彩色、专色,使用常规胶印族油墨和普通纸实现计算机直接输出高分辨率打印的打印机设计原理。它的基本结构由阵列针式打印滚筒及电磁驱动组件总成、油墨涂布机构、转印胶滚(含差动步进机构)、进纸机构、机架及电机拖动机构等5个核心部件组成,由另行设计的打印管理软件协调运行。适应不同的打印输出需求,根据本原理可设计出不同规格的打印针排序阵列,以及与之相应的电磁驱动组件结构。输出分辨率理论上无上限。每个阵列针式打印滚筒仅担任一种颜色的打印任务。可实现N多色的打印输出。如经打印管理软件对打印图形进行分色挂网处理,可实现胶印机的四色印刷效果。

Description

阵列针式滚筒打印机设计原理

所属技术领域：

本发明为一种个人电脑外设的打印输出设备的设计原理。根据本原理设计制造出的阵列针式滚筒打印机，可使用常规胶印族油墨和普通纸，从计算机直接输出实现单色、彩色、专色等高分辨率打印。

背景技术：

目前主流打印机以传统针式打印机、激光打印机、喷墨打印机为主。其它诸如热蜡打印机、热升华打印机等市场份额很小。

传统针式打印机分辨率较低，一般不超过180DPI。虽然耗材便宜，但基本无法实现彩色印刷式打印。

激光打印机能够实现高质量的全彩色打印输出，然而设备昂贵，耗材及维护费用高。

彩色喷墨打印机设备便宜，但耗材贵，打印成品耐水性差。

热蜡、热升华式打印机打印质量好，但纸、墨都需特制专用耗材，昂贵且限制使用范围。

各类打印机基本上只适于做单面打印，使后加工如装订等效果受到局限。

与以上计算机直接输出打印成品的打印机产品相关联的，是四色彩色胶印印刷机。由于其印前工艺不能与计算机直接衔接，需要经过分色胶片、制版等工艺准备，虽然彩色胶印产品大批量双面印刷质量良好，印后加工工艺成熟，是最容易被接受的平面传媒，但因印前工艺成本较高，对短版(小批量)制作需求不甚适应。

近年来，国外已有厂商开发出无版印刷设备，可通过计算机直接输出印刷产品，适于短版即时印刷，并采用四色胶印挂网标准，产品质量直追四色胶印机。但其设备过于昂贵，体积亦颇庞大，并非办公室桌面设备的概念。

迄今为止，属于办公室概念的打印输出设备与属于工厂概念的印刷设备，仍是泾渭分明的两种不同的技术范畴。假如需要制作100本彩色产品手册的时候，仍然面临成本、时效、质量等目标需求在这两种不同的技术范畴间如何选择的困惑。

发明内容：

综上所述，在属于办公室概念的打印输出设备与属于工厂概念的印刷设备这两种不同的技术范畴之间，显然还存在一个技术空白。本发明的阵列针式滚筒打印机设计原理，就是为填补这个空白铺设的可行之路。根据本原理设计制造的阵列针式滚筒打印机，应能达到以下一些商品指标：

1.使用成本：使用与常规印刷基本系列相同的油墨、纸张，从耗材角度使打印机的使用成本降至突破行业底线。

2.打印质量：采用常规四色胶版印刷机的网线、网角方式实现四基色彩色印刷效果，指标达到200线以上。在技术原理上，也可以实现目前最高端的4+3色(4个基本色，可外加3个专色)一次印刷。使印刷效果、质量与业内高标准看齐。

3.设备价格：制造成本低。在实现批量生产的情况下，单台静态生产成本应能与彩色喷墨打印机持平。

4.易用性：等同于常规电脑外设，由电脑直接输出打印，使用方便，调整容易。首张成功率高。

5.日常维护：结构简单，易损件便宜，不需要专业人员维护。维护费用低。

6.设备体积：实现桌上型概念，能够与现有IT设备配套，节约办公室空间。

7.打印速度：应该高于一般的彩色喷墨打印机。

8.打印噪音：应能低于一般针式打印机的噪音水平。技术方案：

1、基本原理：

阵列针式滚筒打印机的基本原理是打印针的阵列排列方案。

①打印针：常规的针式打印机，打印针为细钢丝。这是常规针式打印机分辨率不高的先天局限：作为打印针的特殊钢丝，直径不可能做得太细，目前超过0.18mm就已经很困难。因为钢丝太细，高速打印时很容易折断。打印针一旦折断，用户自己换打印针是一件很困难的事情。而0.18mm直径打印针在打印纸上留下的打印点，只相当于140DPI，即每英寸140象素点。

本发明首先突破打印针粗细的常规概念，即打印针的顶端(击打部)与轴部不是一根整体的细钢丝，而制成一枚具有相对较粗直径的打印针轴，轴头顶端成钝角尖顶的模制零件。其材料可在金属与工程塑料之间宽泛选择(在能够达到使用要求的条件下，推荐选择工程塑料)。

阵列针式滚筒打印机的打印针，滑动导向轴部分可以粗达2∽5mm，保证打印针的足够强度和复位精度。针的顶端为钝角尖顶，理论上可以实现无限小。在实际应用中，做成一个小圆弧是不困难的(见附图1)。由此，解决了打印针触点的绝对尺寸问题。

②打印针阵列原理：接着解决这种打印针的排列问题：常规的针式打印机，是将所有的24根打印针拢缩在一起，分列成三行，通过狭小的打印头出口排列成一簇。这种在有限的空间进行的静态分布，无法突破空间的限制。

阵列针式滚筒打印机对打印针进行阵列排序(见附图2)。

图2中的圆表示打印针的针轴截面，直径为N。其中小圆表示打印针的尖端工作面，其直径为n，n值将根据该打印机最小打印点的设计要求设定。也就是说，n永远小于N。即使是n等于N的情况出现，本阵列设计的必要性即不复存在。

在两根打印针并列的情况下，两根打印针的中心距等于打印针针轴直径N。由于打印针的针轴直径是一个固定值，因此，无论怎样排列，相邻两根打印针的中心距都不可能小于N。

在打印工作状态下，打印针需要进行有序的位移。在附图1中，设位移是沿oy轴方向进行的。这时，如果打印针按ox轴方向排列(虚线的圆表示这种排列方式的结果)，当ox轴上排列的四根打印针全部打下一次(表示执行了授墨任务)，其每个打印工作面之间都会存留一个尺寸为N-n的空白区。当这一次打印动作完成后，打印针同时向oy轴方向前进位移一个距离n，然后进行第二个打印动作，这时，在oy轴方向上打印出的两排授墨点能够衔接，而ox轴方向仍会留下N-n的空白区。此时如果要将ox轴方向留存的空白区打满，则原来排列在ox轴向的这一排打印针还需要进行沿ox轴方向的位移。同时满足两个相位的动作设计在实现时困难较大，因此本发明不考虑这一思路的选择。

在附图1中，另于ox、oy轴之间另设了一个oz轴。同时将打印针依oz轴方向进行排列。换言之，这相当于将原来排着一列打印针的ox轴以o点这圆心，向上移动一个弧s，这时，相对于原ox轴而形成了oz轴。弧s的取值能够实现从ox轴方向看，两根打印针的中心距等于n。这样，当打印工作状态下，打印针需要进行有序的位移时，当oz轴上排列的第一根打印针打下一次后(表示执行了授墨任务)，打印针继续向yo轴方向向下位移一个距离n，然后第二根打印针进行打印动作，这时，在ox轴方向上打印出的两个授墨点能够衔接而不会留下空白区。当相同的打印动作连续进行时，就会在ox轴的位置上留下一长连续的授墨线。这样，打印针仅作yo轴方向的单相位运动，不再需要进行ox轴向的动作。

再进一步，将这列沿着oz轴方向排列展开的打印针复制若干列，然后仍沿着ox轴平行排列成组，就形成了打印针的阵列(见附图3)。

附图3中示意了5行、8列打印针阵列。其中关于行数量H的设定，取决于打印机设计时对于单只打印针最小打印点直径的要求(打印点的直径为n)。以及打印针针轴直径的设计考虑(打印针针轴直径为N)。这两个因素确定后，则H＝N÷n。这样，本列的起始打印针的中心距至最后一根打印针的中心距之间的距离正好等于一个打印针针轴直径。也就是说，从位于o点的起始打印针开始，每上一行的第一根打印针向x轴方向移位一个量n，余此类推，就形成了每行的第一根打印针的中心距在oz轴向上的排列。这里，将这样组成的一列命名为一个“针轨”，每一个针轨负责打印的宽度范围为N。这样，将一个一个针轨顺ox轴方向平行排开，排列的数量L取决于对打印机输出打印宽度K的要求。因为每一个针轨能够实现的打印宽度为N，则L＝K÷N。

③打印针阵列设计的实际应用方案：具有实际应用价值的阵列针式滚筒打印机实际设计图纸中出现的打印针阵列，当然不会象示意图中表现的那样夸张。假设打印机设计的目标分辨率为180DPI(每英寸180个打印点)，可以计算出相当于打印针的尖端工作部的直径应为25.4mm(1英寸)÷180＝0.14mm。如果打印针针轴直径设定为4mm，则打印针行数H为4mm÷0.14mm＝28.57(行)，取其整数为29行。如果打印机设计的目标有效打印宽度为A4纸的纸宽即210mm，则排列针轨的数量L为210mm÷4mm＝52.5(列)，取其整数为53列。

将这个打印针阵列图画在纸上，会发现这是一个占据面积为210mm×116mm的斜方形阵列(见附图4)。将这个阵列按“列”的方向，也就是以116mm为周长卷成一个圆筒，就构成了阵列针式打印滚筒的设计基础(见附图5)。在这个圆筒的外表面排列着一行行的打印针，使这个打印滚筒按照yo的方向旋转，每当一行打印针到达相当于与打印纸的切线位置时，使这一行打印针处于打针作业状态。这一行打印针打印完毕后，滚筒继续旋转到下一行打印针与打印纸的切线位置，然后这一行打印针进行打印作业……余此类推，于是打印滚筒旋转一周后，如果全部打印针都参加了打印作业，则会在打印纸上打出一条完整的、分辨率为180DPI的直线。打印滚筒每旋转一周完成一条线的打印，而打印滚筒一周的打印作业完成后，将处于切线位置的打印纸向下移动一个量n。由于n等于打印针工作部的直径亦即等于打印机的设计分辨率，仍例如为180DPI，则打满一张A4幅打印纸的长度297mm，可计算出需要旋转打印滚筒2121.4周。

此即阵列针式打印滚筒的基本打印模式。

在进行打印针阵列的实际设计时，可能会出现多种相关机构的关联因素，因此也就需要根据设计的总体要求调整打印针阵列设计的方案选择。

例如，当一个打印针阵列设计出现在图纸上后，可能出现其N值×总行数后，能够作为周长的值偏小，当这个阵列被按照列的方向卷成一个打印滚筒时，这个打印滚筒的内部空间不够用来安装电磁驱动组件。在这种情况时，可以扩大打印滚筒的周长，使其成为打印针阵列图中N值×总行数的值的整倍数。也就是说，在打印针阵列图中，将原已设计好的阵列图复制整倍数的拷贝，然后顺序排列以成倍增加总行数，直到满足打印滚筒对于周长的设计要求(见附图6)。这样，打印滚筒旋转一周时完成的打印工作量也可成倍地增加。

适应不同的打印输出的设计需求，根据本原理可设计出不同规格的打印针排序阵列，以及与之相应的电磁驱动组件结构。输出分辨率理论上无上限。

④打印动力源的同轴排列：

现在讨论一下阵列针式滚筒上那么多的打印针是如何驱动其做出打印动作的。

传统的针式打印机，是在每一根打印针后面对应地安装一个驱动电磁铁，在打印管理软件的指挥下依次运动完成打印动作。阵列针式滚筒打印机的打印滚筒上排列着数千根打印针，因此不可能按传统针式打印机的设计思路，为每一个打印针安排一个独自使用的驱动电磁铁。阵列针式滚筒打印机采用纵向分组多针共用电磁驱动的方法。(见附图7)

对于每一个单独的电磁驱动单元，它的电磁强度设计是根据其对于吸引打印针的功率要求而定的。在实际应用中，如果这个单独的电磁驱动单元的外部尺寸小于打印针的排列轴距，将这样一个个单独的电磁驱动单元一个挨着一个地排列成一排，固定在一个安装架上，是一个非常方便的方案。如果由于打印针轴径设计的较小，电磁驱动单元无法做得小于打印针直径，这时可以采用将电磁驱动单元一左一右对置排列，或者将其分成两层排列的方案，无论怎样，最后的结果都是使所有的电磁驱动单元的驱动磁靴形成横向排列，成为一个整体的电磁驱动组件总成，并与打印针轨道相对应。这样，当一排打印针与电磁驱动组件总成的一排电磁驱动单元在打印滚筒的内切点互相对位的时候，电磁驱动组件总成的任何一个电磁驱动单元的驱动磁靴被加通电流，都会驱动与其相对应的打印针动作。随着打印滚筒的旋转，打印滚筒上的N多行打印针逐次通过与电磁驱动组件总成形成的切点位置，每当下一行打印针到达切点位置时，电磁驱动组件都做出相应的电流开关动作，于是使每一根打印针都具备了打印动作的机会。这就是纵向分组多针共用电磁驱动方法的原理。

⑤电磁驱动组件总成与打印针针轨的动态同步：在打印滚筒旋转运动时，由打印针列的方向形成的打印针针轨呈螺旋线运动，也就是说，从位于打印纸切线位置的第一行第一根打印针开始，当旋转到第二行打印针到达切线位置时，这一行的第一根打印针已经比前一行第一根打印针的列位置向一侧移位了一个距离n，以后每行也都是如此。对于处于切线位置进行打印驱动的那一个电磁驱动单元来说，它的位置如果保持不变，则再旋转下去，它的打印触头就会打到相邻列的针轨中去了。为此，需要有一种安排，使打印电磁驱动组件总成中的每一个电磁驱动单元都能够永远与其所指定的打印针针轨相吻合。

相对于动态螺旋线方式运行的打印针针轨，以及安装在打印滚筒内部由数目众多的打印电磁驱动单元组成的电磁驱动组件总成而言，可以有许多种使电磁驱动组件总成与打印针针轨动态同步的技术方案。在此提供一个最简单的靠机械方式实现的方案(见附图8)：首先，电磁驱动组件总成本身与一个精密滑动配合的滑槽组成滑动配合副，一起装进打印滚筒内。滑槽的两端伸出打印滚筒后定位装固在机架上。在打印滚筒的两端安装一副相对应的“同步时规环”与其共同旋转运动。安装在滑槽上的电磁驱动组件总成两端各设一个传动触头与同步时规环的导轨接触，这样，当打印滚筒旋转运动时，通过同步时规环推拉装在滑槽上的电磁驱动组件总成，实现与打印针针轨动态同步的左右往复跟随运动。

同步时规环的形状为一薄环形，一组为相对应的两只组成。其轴向端面制出时规凸轨。凸轨的端面呈螺旋线状，该螺丝线的线型为阵列打印针针轨螺旋线的仿形，也就是说，时规凸轨的最低面至最高面的距离为N，即两根打印针针位的距离(见附图9)。

⑥两种不同的打印针击打授墨的技术应用方案。

(方案1)缩针方式：在工作状态时，每一个电磁驱动单元负责管理阵列针式滚筒径向N宽的轨道内出现的打印针的缩针驱动。由于处于阵列针式滚筒表面直径方向的一排排打印针围绕着阵列针式滚筒内部同轴安装的电磁驱动组件总成作行星式运动，在阵列针式滚筒工作状态下，旋转中每一排打印针到达临界位置时，驱动管理软件向相对应的各个电磁驱动单元发出指令，使没有授墨任务的打印针缩回。

由于阵列针式滚筒在工作状态时，转速可能很高，这样会对打印针产生一定的离心力。因此打印针的安装设计，将伸出位置进行结构限位，使打印压力不受离心力影响。这样，打印针授墨实际上是打印针在相对静止状态下与转印胶滚做切线接触，打印压力容易控制均匀，对针头的摩擦以及噪音也可减至最小。

电磁驱动单元对打印针针尾的击打部位的力作用，是产生电磁力拖动打印针向内缩回。将这种这种电磁拖动采用非接触式拖动，以期进一步减少运动噪音(见附图10)。

这个方案适用于对打印质量要求高、打印噪音要求小的打印机设计。特别说明：本文讨论以方案1为主。

(方案2)出针方式：在工作状态时，每一个电磁驱动单元负责管理阵列针式滚筒径向N宽的轨道内出现的打印针的出针驱动。由于处于阵列针式滚筒表面直径方向的一排排打印针围绕着阵列针式滚筒内部同轴安装的电磁驱动组件总成作行星式运动，在阵列针式滚筒工作状态下，旋转中每一排打印针到达临界位置时，驱动管理软件向相对应的各个电磁驱动单元发出指令，使负担授墨任务的打印针击出(见附图11)。

采用这一方案设计的打印机，有可能省去转印滚筒的设置，而由打印针直接向打印纸授墨打印。但在设计进纸机构时，需应用步进电机带动配相齿轮副拖动进纸，以便保证打印纸表面运动与阵列针式打印滚筒运动的同步。方案2适用于对打印质量要求不高(300DPI以下的单色打印)，打印工作噪音要求不严、打印机外形尺寸要求较小的打印机种设计。

⑦通过转印胶滚受墨并转印到打印纸：

打印滚筒在进行旋转打印的时候，处于与打印纸切线位置的一行打印针与打印纸在打印动作的一瞬间，应保持其相对静止的状态，也就是说需要实现两者间的同步运动。这当然可以通过使用步进电动机拖动打印纸进纸来实现。在本发明中，这只是若干种可供选择的设计方案之一，在全面比较工艺复杂程度、制造成本、打印速度、打印质量、噪音控制等诸方面因素之后，这并不是优先推荐使用的方法。

阵列针式滚筒打印机推荐使用通过转印胶滚受墨并向打印纸进行转印的特有技术。

为此，需要制造一个用于转印的表面覆以一层耐油橡胶面滚筒，称为转印胶滚，与打印滚筒互相平行安装，使其外表面与打印滚筒的外表面的阵列分布的打印针互相接触。两者的外表面进行相对旋转运动，使其表面运动保持线速度同步状态。通过以阵列原理有序排列在阵列针式打印滚筒外表面上的打印针和装设于阵列针式打印滚筒内的电磁驱动组件总成，在打印管理软件的驱动下执行打印动作，向与之相对旋转运动的转印胶滚上授墨，再由转印胶滚向打印纸转印的方式实现打印(见附图12)。

当设计多个阵列针式打印滚筒共同组成一部打印机时，赋予每个阵列针式打印滚筒担任一种颜色的打印任务，而这些打印滚筒及其附件都是能够互换的同一标准结构。多个阵列针式打印滚筒及电磁驱动组件总成围绕转印胶滚作星形排列，可实现多色的打印输出。如经打印管理软件对打印图形进行分色挂网处理，可实现胶印机的四色印刷效果(见附图13)。

转印胶滚的基本设计要求，首先其表面积必须大于目标有效打印面积。即转印胶滚的宽度，应大于打印机使用的打印纸的幅宽，转印胶滚的外表面周长，应大于打印机使用的打印纸的幅长。这样，在转印胶滚完成授墨任务，向打印纸进行转印的时候，才能以一周的旋转完成整幅画面的转印工作。例如A4打印纸的长×宽为297mm×210mm，则为实现这个目标有效打印面积，转印胶滚的轴向长度不应小于210mm，其外表面周长不应小于297mm。如果假定将其表面周长增放至314mm，则可以知道这个转印胶滚的外直径为100mm。

在实际设计时，决定这一增放量的多少，则与打印滚筒的打印针阵列设计、打印滚筒的旋转速度设计以及用于使打印电磁驱动组件总成与针轨保持动态吻合的同步时规环设计等因素有关。

转印胶滚的工作性质决定了它将是整个打印机各个机构中的消耗品，因此设计时应考虑到尽可能降低制造成本以及更换件原材料的回收利用，以及简化更换操作的技术难度。

⑧转印胶滚的同步与差步：

由于存在两种不同的打印针击打授墨的技术应用方案可供设计者选择，因此在授墨打印时，也就会有两种不同的授墨目标步进的方案。选用方案2的出针式打印针击打授墨技术应用方案时，打印滚筒上的打印针是直接向打印击打授墨，打印针筒每旋转一周，打印纸需要向前推进一个单位量n。这种进纸方式与常规针式打印机、喷墨打印机没有什么不同，采用与之大体相同的技术即能实现，在此不再赘述。

如果采用方案1的缩针式打印针击打授墨技术应用方案，打印滚筒先向转印胶滚授墨，授墨任务完成之后，再通过转印胶滚为中介，向打印纸进行转印授墨(见附图13)。这一方案对于提高打印质量和打印速度比较有利，但是，由于转印胶滚与打印滚筒的外圆周在进行同步运动的同时，还需要使转印胶滚在打印滚筒每旋转一周，完成一次阵列打印针的打印任务之后，开始新的一周打印任务之前，相对打印滚筒的外圆周步进一个单位量n。我们将这一任务称之为差动步进，执行这一任务的机构称之为差动步进机构。

同样，这个差动步进任务也可以有许多种技术方案可以实现。在这里举出一个较简单的设计方案，以说明整体设计的完整性和可行性(见附图14)。

将转印胶滚的转印工作部分，即转印滚筒筒基的一端与同步传动机构部分滑动配合组装在一起并使之成为能够相互旋转运动的一个运动副。同步传动机构部分通过一个节圆与转印胶滚外圆周直径相同的齿轮与打印滚筒互相啮合，以保证两者间的同步运动。同步传动机构向机架外方向延伸出一段空心轴，空心轴上装固若干导电滑环，以引入差动步进机构的电源。

同步转动机构安装在机架的一侧，在其内部同轴位置安装由一个步进电机与减速器结合的差动步进机构。差动步进机构的输出轴通过轴承架位圆盘与机架的另一端相联，同时，将转印胶滚的筒基的另一端装固在轴承架位圆盘的定位口上。差动步进机构的步进电机的电源控制线从后部的空心轴引出，从内部焊接在相应的导电滑环上，通过机架上另行安装的电刷将电流引入步进电机。

差动步进机构的步进电机与减速器的关系，是将步进电机的一个步进旋转角，转换成驱动转印胶滚的转印工作部分的外圆周步进一个单位量n，并由一个电磁刹车装置使其在无动作时保持固持状态。减速器可采用普通齿轮、行星齿轮、摆线针轮等形式的减速方案。关于减速器的设计涉及常规机械设计标准，不在本发明的讨论范围之内。

转印滚筒的同步传动机构与差动步进传动机构的工作方式为：当打印滚筒进行旋转打印作业时，通过自身无动作的差动步进机构带动一端与其装固在一起的转印胶滚的滚基进行同步旋转运动。当打印滚筒完成一周的打印授墨作业之后，处于开始新的一轮打印授墨作业之前，这时正运行经过一个同步时规环进行针轨转换的过渡段，此时差动步进机构的步进电机进行一个步进动作，该动作经过减速器减速，通过其输出轴带动一端与之装固在一起的转印滚筒的滚基，与打印滚筒外圆周相对运动，步进一个单位量n，然后停止动作，再一次与同步传动机构作同心旋转，直到下一个工作周期到来。

差动步进机构另外还负担着一个转印进纸的差动驱动任务，将在本章第⑩节，以及第6章“各机构的同步”第⑤节中另行讨论。

⑨油墨的贮存和涂布：

打印滚筒需要有一个与之配套的油墨贮存及涂布机构。若需要设计多个打印滚筒共同工作以实现彩色打印作业，则每个打印滚筒都需要有一个与之配套的油墨贮存及涂布机构。如同多打印滚筒的制造均采用同一设计标准结构一样，与之配套的油墨贮存及涂布机构也要用同一设计标准制造，以实现相互间最大的可互换性(见附图15)。

由于多打印滚筒在围绕转印胶滚星形排列时，每外打印滚筒的位置角度及其可用空间可能不尽相同，所以对与之配套的油墨贮存及涂布机构的设计要求，就包括它处于不同安装角度时，其贮存及涂布油墨的性能应当尽可能相同。

贮存及涂布机构主要由贮墨槽、1至2个匀墨滚、授墨滚与油墨清除滚组成。

贮墨槽本身也是匀墨滚与授墨滚的安装承载架。匀墨滚将油墨挤压摊匀并转移到授墨滚表面，形成均匀的墨膜，以便向打印滚筒上的打印针进行授墨。匀墨滚与授墨滚之间的间隙应当可以调整，以便根据打印状况调整授墨的浓度。

打印油墨采用常规印刷工业使用的胶印油墨，可根据阵列针式滚筒打印机的工作特点进行必要的改性处理。

⑩与转印胶滚配合的进纸方式：

采用转印胶滚授墨技术的阵列针式滚筒打印机，其进纸动作与常规针式打印机和喷墨打印机有很大区别，但比较接近激光打印机。打印授墨动作与转印进纸动作需要分别进行并衔接完成。

在打印动作开始阶段，打印管理软件首先进行自我检测，打印纸仓如果处于无纸状态，则打印机报警并停止执行下一步打印动作。当打印准备就绪后，打印动作开始，从这时开始直到授墨阶段结束，打印纸都处于待机状态，仅由阵列针式滚筒向转印滚筒上进行授墨，而进纸机构的所有部件都不能与转印滚筒表面有任何接触。当打印授墨任务完成后，一幅图形文件的色彩信息就已经全部通过阵列针式滚筒打印到转印胶滚上了，这时，打印管理软件向进纸机构发出转印进纸指令，开始进纸印刷运动，打印纸与转印胶滚相对运动并施以一定压力，将上面的油墨转印到打印纸上。(见附图16)

此时打印机要同时完成两个动作：一个是使阵列针式滚筒上面的打印针不能再与转印滚筒表面接触(这里表述的阵列针式滚筒的打印针设计是常接式)，这就要指示阵列针式滚筒内所有打印针驱动电磁铁全部导通处于常吸状态，也就是将全部经过转印滚筒外表面的打印针吸至缩进位置。同时，另一个转印进纸指令使进纸机构开始动作：处于转印滚筒外侧的转印加压滚在电磁牵引器的牵引下，在恰当的时间将处于待机状态的打印纸压向转印滚筒，转印滚筒继续旋转一周，将打印纸沿着旋转方向向前推进并完成转印任务。完成转印的打印纸脱离转印滚筒之后，转印加压滚仍然复位到与转印滚筒脱离接触的位置，同时，下一张打印纸进至待机位置，准备完成下一次转印。

在向转印加压滚下达加压指令的同时，这个指令也下达给打印滚筒内的差动步进机构，使其进行与转印滚筒公转方向相反的连续旋转运动。由于转印滚筒的滚基被差动步进机构直接驱动进行自转，而差动步进机构又装固在同步传动机械上与之进行公转，因此这时转印胶滚的实际转速K等于公转转速S减去自转转速s(K＝S-s)。

2、核心部件：

①阵列针式打印滚筒及电磁驱动组件总成：实际制造出来的阵列针式滚筒，连同全部打印针组装后的总成，是一个中空的圆形薄壁滚筒。由于实际制作时，打印滚筒上分布的打印针不可能如同阵列图表现的那样一根挨一根紧密排列，因此应用设计中，计算打印针阵列时，每两根打印针的中心距之间还要加上一个安装间隙(见附图17)。例如设计的打印针阵列，相邻打印针的中心距是按3mm计算的，则该打印针轴直径可能应为2.5mm。这样，相邻两根打印针之间就有了一个1mm的安装间隔。在打印滚筒筒基制造时，筒基表面上留有一个挨一个的容针孔，每个容针孔之间的间隙为1mm。

由于一个打印滚筒上需要安装上千根打印针，如果打印针在打印滚筒上的安装形式采用单针分列安装的话，则每根打印针将需要由针体、磁靴、复位弹簧等一系列零件组成，增加了装配工作量，并且使故障出现的机率大大增加，所以可能不是有效的应用设计方案。本发明中为此安排了一种打印针整体组合安装的技术应用方案，即打印针如果用塑料制造，则需要在中空的打印针针轴上端卡装一块具有磁效应的金属材料磁靴，或者直接使用钢铁类材料制造的打印针。在将其整体组合安装为打印针部件总成时，利用特为其开发的工艺装备，将打印针预置入排列，再用一层高弹性橡胶材料注入，将所有打印针连结为一个整体的橡胶套状。打印针的位置精度由装配工艺装备自身的精度予以保证。当工艺装备中的橡胶层与打印针固化为一体后，就成了打印针的整体组合总成零件。在与打印滚筒外壳进行组合时，只需将这个打印针整体总成放入打印滚筒壳中，对准其中一行打印针的位置，其它行的打印针也就很容易对位了。

电磁驱动组件放在这个中空的筒心里，与阵列针式滚筒同一轴向排列。电磁驱动组件总成的轴向名义尺寸与阵列针式滚筒相同，如果顺序排列的相邻空间不能够满足一个单独的电磁驱动单元的安装尺寸设计，可采用相对交错或者分层排列的设计方案，只要保证每个驱动单元的工作部位都与打印针针轨的击打部位相对应即可。

电磁驱动组件总成与导向滑槽之间为较高精度的滑动配合。电磁驱动组件总成两端各有一个与同步时规环相接触的传动触头，触头的顶端为一个小滚轮，以减少磨擦力。这两个传动触头中，至少有一个具有微调节功能，而且这个触头应安排在打印滚筒空间相对宽裕、容易进行调整的那一端。在安装时，通过微调整触头保持电磁驱动组件总成与同步时规环的同步工作面之间的间隙。

同步时规环导向部位的螺旋角与打印针针轨的螺旋角相同，两只同步时规环的导向螺旋线相互对应，分别安装在打印滚筒的两端。

②油墨贮存及涂布机构总成：

油墨的存储、涂布及清除方式：

油墨：油墨技术不是本发明主要讨论的内容。但由于本发明与油墨的应用相关联，因此这里对油墨与阵列针式滚筒打印机的关联因素作一些界定。

阵列针式滚筒打印机采用常规彩色胶印油墨族的油墨用于打印作业。在粘度、干燥速度等方面可能需要进行一些调整。将来作为日常耗材在市场上供应，可采用小容量软管类包装。

贮墨槽：添加进打印机的油墨贮存在贮墨槽中，贮墨槽中下墨口处平行装有匀墨滚，匀墨滚与授墨滚相对滚动，将油墨转移到授墨滚上，授墨滚再将油墨涂布到与其平行同步旋转运动的阵列针式滚筒的打印针上。

每次打印任务完成后，在选择关机时，打印机的油墨清除程序起动，通过清除滚的动作将打印针及转印胶滚上残余的油墨清除。

③转印胶滚及同步、差动步进机构总成：阵列针式滚筒打印机采用的转印技术本身，乃是从常规彩色胶印机的胶板转印技术移植而来。其本身并不属本发明内容。本发明仅是在对它与阵列针式打印滚筒的关联应用进行了再开发，从而成为本发明的一个技术组成部分。

转印胶滚的同步、差动步进机构可能有不同的设计技术方案，在本文中提出的仅是其中的一种。同步、差动步进机构与转印胶滚的驱动输入轴相互连接固定，来自动力输出端主动齿轮的驱动力拖动转印滚筒的动力输入轴，再通过共用的同步、差动步进机构的动力输出端将动力输出驱动转印胶滚的工作套筒旋转。转印滚筒的工作套筒作为易损件，应该设计成容易拆换的结构，其结构应尽量简单并且方便拆换作业。

转印胶滚工作套筒筒基制作，可采用工程塑料注塑成型，再进行表面橡胶层的敷设工艺，在转印胶滚工作套筒外表面均匀覆盖厚度3mm左右的高弹性耐油橡胶。安装时将工作套筒的一端滑动配合连接在同步机构的连接配合处，工作套筒的另一端装固在差动步进机构的连接配合处。

同步、差动步进机构共用的的塑料滚基一侧注塑出传动齿，将来装配时与阵列针式打印滚筒啮合，以进行动力输出。同时，这一齿轮也是接受来自主拖动电机动力输入的被动齿轮。同步、差动步进机构的塑料滚基通过轴承与机架连接。

差动步进机构的步进电机及变速部分安装在同步、差动步进机构塑料滚基内部，两者同轴。其电源及控制导线通过后部空心轴内引出至轴一端的导电滑环上，由电刷与相关线路联接。差动步进机构的输出端通过轴承与机架的另一端连接。

制成品的橡胶层外表面应具高光洁度，不得有杂质、气泡等缺陷。传动齿轮为渐开线标准传动齿轮，模数及精度等级应符合传动均匀度的要求。转印胶滚整体同心度、平行度、跳动偏差等几何尺寸应与打印设计和精度要求相符，并确保设计转速下的动态平衡。

④进纸机构：

进纸装置及进纸动作：

进纸装置与常规打印机使用的技术没有本质区别，重点在阵列针式滚筒打印机独有的转印加压滚离合机构。

进纸机构的动作包括取纸、预送纸至准备位置、转印加压、出纸导向等，这些技术方案已经被大量应用在各种各样的打印机中，而且不乏成熟且成功的案例。对于本发明的阵列针式滚筒打印机而言，可根据具体应用设计时的要求进行取舍，故在此不做更多的说明。

⑤机架及电机拖动机构：阵列针式滚筒打印机打印驱动部分采用主驱动电动机共用方式。驱动顺序为：第一动力系——主电动机直接驱动转印胶滚；转印胶滚通过齿轮驱动各个阵列针式滚筒；各阵列针式滚筒再分别驱动本组的加墨器；第二动力系——授墨涂布滚与油墨清除滚的工况转换驱动，以及转印胶滚的清除滚进行清洁作业；第三动力系——转印胶滚的差动步进机构的变速与驱动；第四动力系——转印胶滚通过电磁离合器，按指令驱动送纸器卷滚取纸，当进纸传感器测到打印纸已经到达打印位置时，与转印胶滚平行的加压滚被电磁铁拖动向打印纸施压，完成转印任务。

3、基本结构：

阵列针式滚筒打印机的基本结构由阵列针式打印滚筒、电磁驱动组件总成、油墨贮存与涂布机构、转印胶滚及差动步进机构、进纸机构等5个核心部件组成(见附图18)，由另行设计的打印管理软件协调运行。

①所有核心部件均安装在由薄金属板冲压制成的型机架上。阵列针式打印滚筒为一圆形薄壁筒，表面按照打印针阵列设计的要求预制出成行成列的打印针容针孔。容针孔的出口处制出缩口台阶，以对打印针进行移动限位。打印滚筒的两端预留滚珠轴承的安装位置，以其外侧两端与机架进行架位衔接。打印滚筒与机架连接安装后，其两端呈通孔状，用以安装电磁驱动组件总成。电磁驱动组件总成安装在滑槽上，滑槽长度超过打印滚筒的轴线长度，使其能够从两端伸出，其伸出部分与机架预留的安装脚相对应，并将滑槽装固。

②打印滚筒两端安装的同步时规环在预安装时即可定位。当打印滚筒和电磁驱动组件总成及滑槽在机架上安装定位之后，对滑槽上的电磁驱动组件总成与同步时规环之间的间隙进行调整。将每个阵列针式滚筒的第一排打印针定为起始位置，并在阵列针式滚筒这一排的同一端制作出刻线标记，在组装时，四个阵列针式滚筒的这一标记依次对准转印滚筒相应部位的刻线标记。打印滚筒的一侧预制有传动齿，装配时与转印胶滚上的传动齿啮合，以实现两者的同步运动。

③转印胶滚中安装的差动步进机构，设计制造时应在一个步进电机的输出轴端，直接连接一个减速器，并使减速器的输出轴与步进电机轴在同一轴线上。在转印胶滚工作套筒装配时，也应使差动步进机构整体的轴线与转印胶滚的轴线保持同轴。差动步进机构中步进电机的电源及控制引线通过步进电机尾部引出，并通过空心轴从内部与空心轴外预装的导电滑环分别连接，最后通过导电滑环外的电刷机构分别与控制电路相接。

设计装有一个以上的阵列针式打印滚筒的打印机时，全部打印滚筒、电磁驱动组件总成以及与其配合的油墨涂布机构的结构、尺寸完全相同。全部打印滚筒的运动轴心都分布在与转印胶滚轴心同心的一个同心圆上。全部打印滚筒都围绕转印胶滚作行星排列。

④每个打印滚筒的外侧安装有一套油墨涂布机构。油墨涂布机构的贮墨槽内设有一个或多个匀墨滚，其中一个匀墨滚表面开有浅螺旋槽，以容纳并推送油墨。

油墨涂布机构的贮墨槽出口处设有一个授墨滚，授墨滚与匀墨滚平行排列，表面相对运动并可调节两者的间隙。授墨滚露出贮墨槽的部分与打印滚筒表面露出的打印针相接触，以对其进行授墨。

油墨涂布机构中的匀墨滚一侧预制有传动齿轮，装配时通过减速传动器与打印滚筒上的传动齿啮合，以实现两者的同步运动。同时，也用同样方式对授墨滚和清除滚进行传动。

油墨涂布机构的一侧设有清除滚。清除滚与授墨滚的外表面周圆共同处于一个与匀墨滚同心的切线圆上。围绕着匀墨滚的轴，清除滚与授墨滚两者可进行一定角度的翻转，使两滚不能同时与打印滚筒表面接触。

⑤进纸机构采用抽屉式贮纸盒设计，贮纸盒内装有可调整的规板，以适应不同尺寸的打印纸。贮纸盒后部设有推力挡板，将打印纸推到准备位置。贮纸盒前端底部装有托纸簧，将置于托板上的打印纸向上托升至准备位置。在贮纸盒的前端上部，设有橡胶被覆的取纸滚，当取纸滚旋转时，将拉于其下的第一张打印纸推送至打印准备位置，这时，只要打印加压滚向转印胶滚方向移动并施加压力，处于打印准备位置的打印纸即开始与转印胶滚接触并被向前推动，进行转印。

出纸方向通过导向板引导(必要时，其间可安排加热干燥装置)，可采用上出纸、后出纸等不同设计。

⑥当需要对转印胶滚表面残留的油墨进行清除时，位于转印胶滚附近的清除滚向转印胶滚表面靠近并进行油墨清除作业。该动作可以与打印滚筒外贮墨机构上的清除滚同时动作，也可以单独进行清除动作。

⑦主驱动电机安装在机架与转印胶滚动力输入轴的同一侧，通过齿轮或传动皮带与动力输入轴联接。主电机安装位置的剩余空间用以安装电源、控制电路板等元器件。控制开关、按钮及状态指示等安装在打印机的前部。

4、四色挂网的动态实现：

为了更容易说明这个问题，我们可以回顾一下四色彩色打印机印刷原理。

传统的四色胶版印刷机采用四块PS印版分别挂到四个印刷滚筒上，每个印版印刷CMYK四种不同的颜色之中的一种。每种颜色的PS版，依靠蚀出的一个个凸起将油墨印到转印胶滚上，再通过转印胶滚转印到纸张上。PS版上的这些凸起，如同一条条线那样排列成网状，四种颜色的PS版上的网线分别具有不同有角度，使其印制时产生的墨点尽可能不互相重叠。印刷行业内称这种技术应用为“挂网”。

为了不使四种颜色重叠，每个印版上的网线分别使用不同的网线角度，印刷行业内称其为网角。每版挂网175线/英寸是一种比较常用的网线密度。如果与DPI概念做粗略的比较，每版175线×4版＝700线，约略相当于像素图模式的700DPI分辨率。

现在，将阵列针式打印滚筒看做是胶版印刷机上的PS版，每个打印针就相当于PS版上的一个蚀出的凸起。我们也是靠这些凸起的打印针将颜色印到转印胶滚上，再转印到纸张上去。

不同之处在于，PS版上的全部凸起都是在制版时一次性制作出来的，同时它的每个凸起点的大小也不是完全一样，如果是175线的印版，则其中任一凸起点的尺寸允许达到175分之一英寸。这样，它工作时可以旋转一周即完成一种颜色的全部转印。而阵列针式滚筒上只有固定数量的打印针，而且远远少于PS版上的凸点数量。所以只能靠旋转多次才能完成PS版旋转一次即可完成的工作。上面由打印针形成的凸起是在滚筒旋转到指定位置(即与纸平面相切)时，靠软件下达的指令缩进或者击出形成的。此时，处于临界状态的那一行的若干根打印针，由打印软件管理，决定哪根该缩进或击出，哪根不该缩进或击出。

一行行打印针依次通过打印临界位置，打印管理软件及时给每一根处于临界位置的打印什下达打印指令，这样，阵列针式滚筒旋转一圈，也就完成了相当于PS版一条网线的印制工作。

由于打印滚筒与转印胶滚是互相平行固定安装的，不能象PS印版那样先天具有事先安排好的不同网角。所以，阵列针式滚筒打印机的网角只能是动态实现的，也就是说，需要由打印管理软件来对不同墨色的打印滚筒上的打印针击打授墨进行动态分配。

每当阵列针式滚筒旋转一周完成一格网线的打印后，如果我们暂时抛开转印胶滚的概念，假定是在向打印纸上直接输出，此时即可以将打印纸向前推进“一格”了。这“一格”的尺度，姑且将它看作PS印版上的一条网线。事实上，打印滚筒与转印胶滚之间差动的这“一格”的概念，只是实现了相当于0度挂网的那一块印版的网角要求，相当于其它颜色印版的网角可能需要15度、45度、75度等不同的变化。既然不能将其它的打印滚筒扭转出相应的角度安装，于是需要在设计打印管理软件时进行安排：将图象的其它不同颜色信息通过计算赋予相应的角度，向打印滚筒上的打印针输出打印指令时，按照其相应的角度进行分配。因为我们是通过一个转印滚筒作中间媒介向打印纸输出印刷，所以这种进格差动也是进行动态挂网计算时的一个常量，由打印管理软件指挥阵列针式滚筒的打印次序。这样，当阵列针式滚筒旋转了足够圈数后，就在打印纸上实现了四种颜色的全部“挂网印刷”。

设计用于彩色打印的阵列针式滚筒打印机应该至少配有四个(甚至可多达七个以上)阵列针式滚筒，每个阵列针式滚筒负责打印CMYK四种颜色中的一种。这些阵列针式滚筒象行星一样围绕着位于中央的转印胶滚，在打印管理软件的驱动下分工合作，同时向转印胶滚上打印各自负责的一种颜色。(见附图13)

5、高分辨率打印输出的设计选择：

四色胶版印刷机使用175网线即能达到相当于700DPI的效果，是因为它的每一色印版只负责完成1/4即175线的精度，四个印版的印点并不互相重合，加在一起就达到了700点的分辨率。而阵列针式滚筒打印机对于打印针数量的安排，是按照4×4的饱满量进行的。照此计算，阵列针式滚筒打印机在进行四色打印输出时，如果也乘以4个滚筒数量，按照上面举例中给出的数据，将4倍于175网线四色胶印，达到相当于3000DPI的水平。果真如此吗？

事实上，由于四色胶印机的PS印版，不仅使用“网线”这一种手段实现印刷精度，而且通过控制网线中的每一印点尺寸的大小，来保证印品的色彩饱和度。而阵列针式滚筒打印机的打印针印点的尺寸是按照某一个分辨率的对应点尺寸固定下来的，无法静态调整出750DPI至180DPI之间印点大小的变化。所以只能在打印工作的动态中，用4倍的打印点充满一个PS版可能只用1个印点即实现的任务。否则，就会使画面中单一纯色的部分色彩饱和度达不到要求，比如黑色可能成为深灰色。

因此，要实现高分辨率打印输出，在设计打印针阵列时，就要遵循这样一个设计原则：每一个单独的打印滚筒上的打印针阵列分辨率设计，即决定了这台打印机的最高输出分辨率。即使这样有可能使打印机进行四色打印输出时，可能有一部分打印针工作机会很少，但却是实现高分辨率打印输出时保证色彩饱和度的必要条件。

6、各机构的同步：

本节重点讨论阵列针式滚筒打印机在工作状态时，各主要部件间的相互关系，即各机构的同步问题。

①电磁驱动组件与打印针阵列的同步：阵列针式滚筒上打印针在直径方向的排列，由于L列针轨的打印针中，每一列对于下一列都有一个的偏移量n，打印滚筒旋转一圈下来，最后一排比第1排正好错开了一个距离即nL，这也就正好是两根打印针的轴间距离N。将每个阵列针式打印滚筒的第一排打印针定为起始位置，并在阵列针式滚筒这一排的同一端制作出刻线标记，在组装时，四个阵列针式滚筒的这一标记依次对准转印滚筒相应部位的刻线标记，这样，能够确定每一根打印针编码地址的对应空间位置，以及它们之间的对应关系。

应用在打印滚筒两端装设同步时规环的方案实现打印电磁驱动组件总成与打印针针轨动态同步的设计方案时，如果打印滚筒上的打印针阵列是起始行与终点行挨紧排列的，这样与之相应，同步时规环的凹凸缘的曲线在起始行与终点行相交的位置，将出现一个陡直的台阶。考虑到实际工作状态时打印滚筒的转速可能较高，电磁驱动组件两端的时规环传动触头滚轮与同步时规环的凹凸缘相对运动时，每到这一位置就会出现一个剧烈的跳动，这样会增加工作噪音并缩短部件工作寿命。为此，应在同步时规环的凹凸缘这一转换处留一个平滑的过渡距离，这外过渡距离的长度视打印滚筒转速设计的需要而定，但不管怎样，这个过渡距离都必须以两个打印针的针距为单位进位计算，只能取一个针距或其整倍数。

相应的设计调整对于打印滚筒来说，则是打印针的起始行与终点行不再挨紧排列，而是在它们之间留出同样针距的间隔。

事实上，要解决电磁驱动组件与打印针阵列的同步问题还可能有许多种方案，以上举出的仅是一种最简单的方案。

②多个阵列针式打印滚筒的同步：一台阵列针式滚筒打印机可能设计安装不止一个打印滚筒，以实现多色输出的要求。阵列针式滚筒打印机对所有阵列针式打印滚筒的设计参数都是相同的，而且在结构安排上，打印滚筒无论是4个还是更多，都是围绕着转印滚筒并与之轴向平行排列的，并且都围绕着转印胶滚作行星状分布。这四个阵列针式滚筒都从转印胶滚得到动力，而且它们之间的转速也是同步的。

阵列针式打印滚筒在制作时，事先在其打印针起始行对应的齿轮边缘位置留有一道刻线作为装配标记。同样作用的标记在转印滚筒边缘的传动齿轮上也有，用以在安装时校准。

③转印胶滚与打印滚筒的同步：

按照常规的四色胶版印刷机的组色方式，阵列针式滚筒打印机可采用CMYK四种颜色为标准机型的配置方案。在结构设计上，四个阵列针式滚筒的内容完全相同，为了保证打印针对转印滚筒授墨的授墨点的精度，要求阵列针式滚筒外表面的旋转线速度与转印滚筒外表面旋转的线速度相等，也就是要实现两个外表面的相对同步运动。为此，原理上打印滚筒由其边缘的被动齿轮与转印胶滚边缘的主动齿轮相啮合，在进行齿轮副设计时，必须保证两个齿轮的节圆与各自所属的滚筒工作面圆周直径相等，这样，当打印针授墨时，其与转印滚筒表面是相对静止状态。

由于这些运动部件各自作着相关的运动而形成了一个运动体系，而且几个阵列针式滚筒、电磁驱动组件总成以及进纸机构并不是永远进行重复动作，给这一系列动作设定一个基准时钟信号很有必要。这就需要对起始点(0点)的物理定位，并提供信号提取手段。

由于多个打印滚筒沿转印胶滚的外表面行星状分布，使对于旋转方向来说前后位置不同的打印滚筒，各自进入打印临界位置(即与转印胶滚周长表面的切线位置)的时间有一个先后差距。因此它们开始打印动作的时间也就有一个先后的区别。

为此，需要为各个打印滚筒以及转印胶滚的运动提供一个作为共同动作依据的起始信号，同时也供打印管理软件安排打印动作时序提供依据。在一系列滚筒装置之中，相对而言转印滚筒是主动滚筒，其它滚筒部件的动力都是来自于此。在转印滚筒的一端径向开有一个能够透过光线的微小的缝隙，并在相对应位置设置光源和光敏传感器，这样转印滚筒每旋转一圈，就能通过光敏传感器拾取到一个起始信号。这个信号可用于多种用途，例如打印管理软件可利用这个信号，对每一行打印作业进行除余处理。

进纸机构也需要与转印滚筒拾取的起始信号取得联系，以控制打印纸的进取。

④授墨机构与打印滚筒的同步：

油墨自身总具有一定的趋干性，因此在每次开机时，授墨机构都需要先于其它机构进行匀墨处理。这个任务可以由打印管理软件管理完成。

授墨机构与打印滚筒的传动关系为被动与主动关系，同样由表面圆周与传动齿轮的节圆相同的原理，保证两者运动表面处于线速度相等的同步状态。由于一般情况下，授墨机构中的所有滚件的外圆周都远比打印滚筒的外圆周小，匀墨滚与授墨滚需要的工作转速也可能不一样，如果仅靠打印滚筒筒侧的齿轮直接驱动，会使授墨滚与匀墨滚的转速要求顾此失彼。因此，还需要在打印滚筒与授墨机构之间的传动，通过一个减速器来完成。这个减速器可采用一组经过计算组成的齿轮组，装设在打印滚筒的侧端齿轮与授墨机构匀墨滚的输出轴之间。

由于贮墨与授墨机构中还附带有一个油墨清除滚，油墨清除滚与授墨滚的工作任务的执行期是完全相反的，也就是说，当授墨滚执行授墨任务时，油墨清除滚必须离开打印滚筒的打印针阵列表面；而当油墨清除滚执行清除油墨任务时，授墨滚同样必须离开打印滚筒的打印针阵列表面。所以，将授墨滚、油墨清除滚、匀墨滚三个轴心呈三角形排列，其中以匀墨滚作为第一传动滚，授墨滚和油墨清除滚分别从匀墨滚处取得动力来源。同时，以匀墨滚的轴心作为贮墨与授墨机构在机架上的安装轴心。这样，围绕着匀墨滚的轴心，授墨滚和油墨清除滚能够进行旋转位移。当授墨滚与打印滚筒接触时，油墨清除滚自然离开打印滚筒表面，反之亦然。这一旋转位移动作可由安装在贮墨与授墨机构上的电磁驱动机构拖动，而拖动的指令来自打印管理软件。

⑤转印胶滚与进纸机构的同步：

在进行实际应用设计时可能会发现，为了提高打印速度，对打印滚筒和转印胶滚设定了较高的转速，可是当授墨任务结束，转入进行进纸转印时，就感觉这一转速有些太高了。也就是说，在这样高的转速下，进纸和转印任务的精确度难以保证。

对转印胶滚的同步与差动步进两种驱动方式并用的设计，在这里能够起到区别并改变转速的作用。即当进入进纸转印工况时，同步驱动的动力传导部分仍然正常运转，只是此时差动步进驱动的动力传导部分在与同步驱动共同公转的情况下，另外自行驱动转印胶滚反相旋转，这样，公转的转速S减去反相旋转的自转转速s，得到的即是所需的较低的转印胶滚的转印转速K。

7、各部件的定位及复位精度：

当打印机各部件的制造达到要求的工艺精度后，各部件的定位精度，依靠装配工艺的保证来实现。因此对打印机制造应该设计一个有效并可靠的装配工艺。

在必要的情况下，尽可能在打印滚筒、转印滚筒、同步传动、差动步进机构的相关部位预先制作出刻线一类的安装参考标志。

对运动部件复位精度的控制，由于阵列针式滚筒打印机大部分的旋转件都各自始终向一个方向转，少有正反车现象，因此它们相互运动的复位精度相对较容易控制。复位精度在机械加工工艺过程中的要求是零部件的加工精度及工艺处理，在装配工艺过程中的重点在径向、轴向间隙的控制，以及设计时就予以考虑的在部件运动状态下的自动间隙补偿措施。这些内容属于机构制造业的常规技术，在这里不做过多的讨论。

8、管理及驱动软件：

阵列针式滚筒打印机从硬件方面，尽可能为打印管理驱动软件设计提供足够的取样手段和能力。提供通知打印作业的时钟信号(从起始点取到的0点信号)，该信号能够用来确定打印任务的起始点，供软件进行源图像数学换算时进行容错处理及余数省略的边界。

打印滚筒上的每一个打印针，都可以赋予一个独立的数码地址，由打印驱动软件计算出每个地址相对应的源图像像素位置、色彩等内容，指挥电磁驱动单元进行打印驱动动作。

打印管理软件的一个重要任务是对源图形的数据按照挂网打印的要求进行换算，将每一种颜色转换成网线的规则，并赋予一个可设定的网角，根据每一根打印针的数码地址为其设定动作时间，并在该时间内将打印指令下达给相应的打印针。

其次，打印管理软件还要计算打印进度，当一幅图形向转印滚筒授墨完毕后，指令全部打印驱动电磁铁吸起通过临界位置的打印针，避免打印针继续接触转印滚筒，损坏已经完成的转印授墨工作。同时，打印管理软件还要通知进纸加压滚将待机状态的打印纸压向转印滚筒，完成向打印纸转印的任务。

当然，开机时机器状态的自检、纸仓中是否还有纸、墨槽中是否还有墨、关机后对打印机转印滚筒和阵列针式滚筒打印针的残墨的清理等等，都是打印管理软件的任务。

9、各项综合指标的实现：

本发明对技术性能能够达到的指标做了一些探讨，为实现以下各项综合指标提供了进行实质性开发的可能。

①使用成本：从世界性科技发展的总趋向以及对经济发展日益强烈的绿色化要求的角度出发，能够尽可能地降低使用成本，显然也是对打印机产品越来越严格的技术要求。应用本发明制造的打印机，能够使用与常规印刷基本系列相同的油墨、纸张，从耗材角度使打印机的使用成本降至行业底线。

②打印质量：本发明的核心技术，在于打印针概念的突破，以及阵列式排列方案的原理。从理论上看，能够达到的输出分辨率无上限。从实际应用的角度看，可提供采用如同彩色喷墨打印机的点阵式色素点打印、采用常规四色胶版印刷机的网线、网角方式实现四基色彩色印刷效果等两种技术方案。本发明更倾向于采用后者。目前国内常规彩色胶印产品，一般多使用175线标准，国外发达国家使用指标有达200线以上的，本发明对于商品打印机的设计，应立足在200线标准。在技术原理上，也可以实现目前最高端的4+3色(4个基本色，可外加3个专色)一次印刷。使印刷效果、质量与业内高标准看齐。

③设备价格：本发明对产品的结构及材料使用有比较宽的选择余地，产品零部件较少，零部件的通用性较高，关键部件的制造工艺相对简单，对生产设备与工艺装备要求较低，适宜大批量生产，因此有可能大幅降低制造成本。在实现批量生产的情况下，单台静态生产成本应能与彩色喷墨打印机持平。

④易用性：作为一种桌面电脑的外部设备，根据本发明设计制造的打印机与常规电脑外设的打印机使用方法基本相同。由电脑直接输出打印，使用方便，调整容易。首张成功率高。

⑤日常维护：根据本发明设计制造的打印机原理易懂，结构简单，不会出现彩色喷墨打印机喷墨头易堵等故障。关键部件使用寿命长，不会产生如激光打印机硒鼓容易划伤的现象。全新概念的打印针设计使打印针工作可靠，没有一般针式打印机打印针容易折断的问题。易损件便宜，不需要专业人员维护。维护费用低。

⑥设备体积：本发明在产生实际设计方案的时候，打印滚筒、转印胶滚、油墨涂布机构以及进纸机构等关键部件的尺寸决定了打印机的外部尺寸。针对其需求实现的有效性(即打印产品的使用要求，对于装订、裁切等后加工的处理)，阵列针式滚筒打印机的打印宽度应以A3幅面为主流产品设计。这样，它的外部尺寸宽度应接近普通宽行打印机，但要高一些。粗略估算，按照打印针轴直径3mm、输出分辨率750DPI要求设计的阵列针式滚筒打印机，其外部高度、宽度均约500mm左右，类似一般的激光复印机的尺寸。能够实现桌上型概念，与现有IT设备配套，节约办公室空间。

⑦打印速度：提高打印滚筒的转速是提高阵列针式打印机打印速度最直接的手段，但打印滚筒转速的提高，受到打印针及打印电磁驱动组件的反应速度、复位速度的制约。一般说来，在打印针及打印电磁驱动组件的反应速度、复位速度已达极限的情况下，考虑采用尽可能小的打印针轴直径设计，能够提高每一行打印针的排列数量，同时减少总行数，也是有效提高打印速度的可行手段。简单估算，阵列针式滚筒打印机的输出打印速度，在同等输出分辨率的条件下，应该高于一般的彩色喷墨打印机。

⑧打印噪音：采用缩针式打印技术方案，打印针被驱动电磁铁吸动缩回时，可加装一个隔离缓冲垫吸收噪音，能够有效减轻打印针击打动作的噪音。如果对打针滚筒、转印胶滚等高速运转的部件做较好的动平衡，提高其运动副的精度，并在机壳等相关部件做降噪处理设计，阵列针式滚筒打印机的打印噪音应能低于一般针式打印机的噪音水平。有益效果：

本发明应用于阵列针式滚筒打印机设计制造的有益效果是：

1、针对社会经济活动实际应用需求较大的批量小、质量要求高、制作时效快然而又需要考虑成本的彩色、专色印刷作业，提供一种跨越属于办公室概念的打印输出设备与属于工厂概念的印刷设备两种不同的技术范畴的技术应用选择。

2、针对现代社会对环境保护的要求，本发明所产生的技术产品本身在材料、工艺以及实际应用中对自然资源的节约等方面都更具绿色概念。目前商业社会对小批量彩色印刷品的需求只能以付出高成本的代价实现：出一套胶片，拷一套PS印版，本来能够以一次几万印的批量，大幅摊薄印前成本，但是只印刷几千份，从资源利用的角度看也实在不上算。

3、中国是印刷术的发祥地，然而近代以来却落在了外国人后面。现代计算机技术为中国的经济发展起到巨大的推动作用，但作为计算机最寻常的外设，中国人还没有发明一种属于自己的打印机技术。从这个意义上讲，希望本发明能够为中国IT产业拾遗补阙。

附图说明：附图1：阵列针式滚筒打印机的打印针附图2：打印针阵列排列原理附图3：打印针阵列示意附图4：模拟打印针阵列设计图附图5：阵列针式打印滚筒示意附图6：2倍打印针阵列组合附图7：打印动力源的同轴排列附图8：电磁驱动组件总成与打印针针轨的动态同步附图9：同步时规环附图10：缩针式击打方案附图11：出针式击打方案附图12：授墨转印示意附图13：四色打印原理示意附图14：转印胶滚及差动步进机构附图15：油墨贮存及涂布机构附图16：与转印胶滚配合的进纸动作附图17：打印滚筒与打印针附图18：阵列针式滚筒打印机的基本结构

具体实施方式：

由于阵列针式滚筒打印机仅是一种原理设计，尚未进行实际应用设计及原型样机制作，在此仅列出一些事先能够设想得到的研发重点。

一、模拟设计方案：

A：设计目标

①打印模式：四打印滚筒四色动态挂网打印效果。

②打印输出分辨率：单打印滚筒750DPI，实现相当于175线彩色印刷质量。

B：基础数据：

①打印针针轴直径：2.5mm

②相邻打印针轴心距：3mm

③打印针尖端工作部直径：0.03mm

④打印有效宽度：300mm(A3打印纸)

⑤打印针动作方式：缩针式

C：推算数据：

①每行针数：100针；

②有效行宽：300mm

③针轨数(列数)：100轨(列)

④有效列长(与轴线垂直)300mm

⑤同步时规环缓冲长度：15mm(5针轴距)

⑥打印滚筒外表面周长：315mm

⑦打印滚筒直径名义尺寸：100mm

⑧转印胶滚有效打印周长：400mm

⑨转印胶滚实际设计周长：628mm

⑩转印胶滚直径：200mm

D：运行数据：

①打印滚筒旋转一周，打印电磁驱动组件工作次数：100次

②打印长度为400mm时，打印滚筒需要旋转的周数：13333周

③打印滚筒旋转速度：2000周/每分钟

④打印滚筒工作表面线速度：20.9M/s

⑤打印滚筒每周运行时间：0.03s

⑥打印电磁驱动每次动作时间：0.0003s

⑦A3幅面打印完成需要时间：6.6分钟

二、相关工艺要求：

①打印针材料的选择：

打印针对抗磨损性能以及自润滑性能的要求较高，考虑采用聚四氟塑料模注成型，一方面容易控制尺寸精度，另一方面便于规模化生产。聚四氟材料比重较大，价格较贵，可将打印针的导向轴部分制成中空筒型，在其中空筒的上部安装磁动铁靴，在减少材料消耗的同时也减轻驱动打印针运动状态时的离心力。

②打印针总成的制作方案：

在阵列针式滚筒上排列的打印针数量很大，因此尽可能避免手工组装的可能性。工艺上尽可能将其预制成打印针与磁靴组合状态的总成形式提供给用户。

要为它们之间的结合寻找到一种合适的媒介材料。目前考虑采用耐油橡胶。在试验阶段可采用硅橡胶，因为其工艺性能较好。最后制作出来的打印针总成应该呈一橡胶套筒模样。所有的打印针都已按既定位置固定在橡胶套上，全部针尖朝外。磁靴在橡胶套筒内部按打印轨道的规划排列到位。安装时只要对准基准标记，将打印针总成装入打印滚筒内即可。这种结构在将来更换时也很容易。

为此，需要得到能够在阵列针式滚筒打印针频繁高速的运动中，满足抗疲劳性能要求的橡胶族材料的配方及工艺。另外，打印针的复位运动主要靠这种橡胶材料的弹性实现，需要这种材料能够提供的复位反应速度能达到尽可能高的速度极限。

③关于打印针阵列的重复或者轨道的延伸：

打印针阵列应用在打印滚筒外表面时，如果针轨(列)的总长度等于或者大于打印纸长度，似乎是一种比较合适的状况。但是也可能发现其针轨(列)的长度可能与需要完成的打印纸长度不相匹配，也就是小于打印纸的长度，这样，打印滚筒对转印胶滚的授墨工作只好分成两段或更多段来完成。这种情况对于打印速度可能会有影响。

在这种情况出现时，可有两种选择进行设计处理。一种方法是将打印针阵列进行重复，即扩大打印滚筒的表面周长至少一倍，在其表面上安排两个或者两个以上打印针阵列的布局。另一种方法是将一个完整的打印针阵列的打印针轨道进行延伸，延伸至等于或者大于打印纸长度。

④关于阵列针式打印滚筒：

工程塑料是首选，能够一次性注塑成型。从部件机械强度、温度湿度变化时的膨胀系数、散热性能、抗磨擦能力等诸方面考虑，不排除采用工程塑料与金属材料结合的选择，尤其是其两端轴承架位部分，需要特别关注。

⑤关于转印胶滚：

可参照四色胶版印刷机的转印橡胶板的材料。结构上，转印滚筒的内筒用工程塑料制作，橡胶材料覆盖在塑料内筒的外表面。橡胶表面的致密度、均匀度、平整度应达到较高的标准，橡胶材料设计的硬度应合适，滚筒总成在旋转检验时，表面径向跳动应该有严格的指标。转印胶滚橡胶层的作用，如同胶印机中的转印胶板，由于阵列针式滚筒的打印压力低于四色胶版印刷机的印刷压力，应该不会出现大的问题。

转印胶滚可能属于阵列针式滚筒打印机中的易损件，设计时应考虑价格、可回收材料、更换简易、无继发性污染等因素。

⑥各旋转部件的轴承架位：

各相互旋转部件的运行速度都倾向于设计到最大，这样，除了运动副共有的如动平衡、同心度、磨擦系数、运动噪音、润滑等问题外，由于阵列针式滚筒内部要安排安装打印电磁驱动组件总成，而且将会有一条信号电缆从这里引出。它本身的架位安装应避开旋转的阵列针式滚筒，直接安装在机架上。这样，它们的轴承架位是一个需要单独考虑的问题。

由于阵列针式滚筒的直径可能达到100mm以上，其行星式围绕着的转印胶滚直径还要大于这个尺寸，因此传统的中心轴式设计无法实现要求。考虑将这些滚筒的轴承架位都安排在滚筒两端的外边缘，直接与机架衔接。并考虑到这些滚筒的工作转速都比较大，为满足磨擦系数小、容易润滑及运转平稳的要求，应单独为其设计一种大直径微滚珠开式轴承。

⑦转速的极限：

对打印机来说，打印速度是其性能的一个重要的指标。通常以每分钟打印多少张纸计算。目前的桌面打印机都给出一个参考指标。通常，较好的彩色喷墨打印机以高分辨率打印输出时，一张A4幅面的打印纸满幅打印需要3至5分钟左右。

在阵列针式滚筒打印机实际进行的原型机台架试验中，最有可能遇到的与速度有关的问题，主要都出现在阵列针式滚筒的运转速度上。虽然理论上速度没有上限，但由于制造及装配精度的限制，会出现动平衡、离心力、轴向及径向旋转精度、线速度均匀度、驱动电磁铁的反应速度、打印针的响应及复位速度等一系列问题需要解决。

三、多种应用设计方案的可能性：

本发明作为一种设计原理，其目的不仅在于提供一种产品的应用设计方案，更侧重于提示一种根据本原理寻找出多种应用设计方案的可能性。这种可能性也许能够使阵列针式滚筒打印机的设计生产最终形成一个涵盖各种应用目标和适应不同使用需求的完整产品族。

①采用单滚筒单色打印针击出式方案、低分辨率(300DPI以下)应用设计思路，可导致产生小型高速的便携式产品，应用于票据打印；或者开发出大型的连续数据输出打印设备，供数据报表、工程图纸等打印项目需要。

②采用打印针击出式直接击打方案，并改变进纸结构，使之与纸卷筒配合，可进行数据流记录打印，用于心电记录仪等目标任务。

③采用多打印滚筒缩针式转印方案，可设计出高分辨率彩色打印设备，适应不同幅面的桌面印刷需求，替代现有彩色打印机进行小批量产品直接制作、进行印前模拟打样等。

⑤制造大幅面打印设备，进行整开纸打印甚至更大幅面打印，替代丝网印刷及大幅彩色喷涂设备，进行小批量大幅面印刷品如海报、灯箱片等制作。

⑥制造4+3打印滚筒转印式打印机，可一次完成彩色加金、银等专色印刷工艺。

⑦另行设计进纸机构，变更油墨配方设计，可用于布料、文化衫等特殊印刷要求。

⑧可开发专用机型，直接与电脑结合，在数据处理与直接输出之间进行图像加密，实现印鉴打印等特殊要求。

总之，作为一种新技术原理，进行上列应用产品开发的实际意义，主要在于可以不需昂贵的设备投入，不需复杂的印前工艺，不需传统印前工艺诸如PS版制作、印刷校色加放等资源开销，即可实现同样的印刷效果。同时，电脑制作与直接输出的捷径，使阵列针式滚筒打印机在适应多变的信息社会和快速、小批量、高质量的制作需求方面，具有独特的优势。

Claims (7)

1、一种打印机设计原理。它的核心部件由阵列针式打印滚筒及电磁驱动组件总成、油墨涂布机构、转印胶滚(含差动步进机构)、进纸机构、机架及电机拖动机构等5个部分组成，由另行设计的打印管理软件协调运行。

2、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：通过以阵列原理有序排列在阵列针式打印滚筒外表面上的打印针，向与之相对旋转运动的转印胶滚上授墨，再由转印胶滚向打印纸转印的方式实现打印。打印针由同轴方向装设在阵列针式打印滚筒内的电磁驱动组件总成，在打印管理软件的驱动下执行打印动作。

3、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：打印动力源(电磁驱动组件)的同轴排列，电磁驱动组件由N多个电磁驱动单元排列组成，每个电磁驱动单元负责驱动所对应的打印针轨道内的打印针，每一打印针轨道内的打印针多起始点支终点分为3个驱动段，电磁驱动单元对不同驱动段的驱动转换由打印管理软件指挥实现。

4、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：阵列针式打印滚筒外表面的打印针和转印胶滚授墨时的动作可根据需要进行设计选择，例如授墨时打印针可使用击出态或缩进态。

5、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：适应不同的打印输出需求，根据本原理可设计出不同规格的打印针排序阵列，以及与之相应的电磁驱动组件结构，输出分辩率理论上无上限。

6、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：每个阵列针式打印滚筒仅担任一种颜色的打印任务，N多个阵列针式打印滚筒及电磁驱动组件总成围绕转印滚筒作星形排列，可实现N多色的打印输出。

7、根据权利要求1所述的打印机设计原理，其特征是：经过打印管理软件对打印图形进行分色挂网处理，可实现胶印机的四色印刷效果。

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