针式打印机工作原理和结构

针式打印机针式打印机之所以得名，关键在于其打印头的结构。打印头的结构比较复杂，大致说来，可分为打印针，驱动线圈，定位器，激励盘等等。简单的说，打印头的工作过程是这样的：当打印头从驱动电路获得一个电流脉冲时，电磁铁的驱动线圈就产生磁场吸引打印针衔铁，带动打印针击打色带，在打印纸上打出一个点的图形。因其直接执行打印功能的是打印针，所以这类打印机被称为针式打印机。针式打印机是通过打印头中的24根针击打复写纸，从而形成字体，在使用中，用户可以根据需求来选择多联纸张，一般常用的的多联纸有2联、3联、4联纸，其中也有使用6联的打印机纸。多联纸一次性打印完成只有针式打印机能够快速完成,喷墨打印机、激光打印机无法实现多联纸打印。对于一些医院窗口、银行窗口、邮局窗口等行业用户来说，针式打印机是他们的必备产品之一，因此只有通过针式打印机才能快速的完成各项单据的复写，为用户提供高效的服务，而且还能为这些窗口行业用户存底。另外还有一些快递公司，为了提高工作效率，使用针式打印机来取代以往的手写工作，大大提高了工作效率。组成部分针式打印机的种类繁多，型式各异，一般分为打印机械装置和控制与驱动电路两大部分。针式打印机在正常工作时有三种运动，即打印头的横向运动、打印纸的纵向运动和打印针的击针运动。这些运动都是由软件控制驱动系统，通过一些精密机械进行的。机械装置打印机械装置主要包括字车与传动机构、打印针控制机构、色带驱动机构，走纸机构和打印机状态传感器，这些机构都为精密机械装置，以保证各种机构能实现下面的各种运动。字车与传动机构字车是打印头的载体，打印头通过字车传动系统实现横向左、右移动，再由打印针撞击色带而印字。字车的动力源一般都用步进电动机，通过传动装置将步进电动机的转动变为字车的横向移动。一般用钢丝绳或同步齿形带进行传动。打印针控制机构打印针是正确打印的关键。打印针控制机构实现打印针的出针和收针动作。通常利用电磁原理控制打印针的动作。色带驱动机构打印针撞击色带，色带上的印油在打印纸上印出字符或图形。在打印过程中，打印头左、右移动时，色带驱动机构驱动色带也同时循环往复转动，不断改变色带被打印针撞击的部位，保证色带均匀磨损，从而既延长了色带的使用寿命，又保证了打印出的字符或图形颜色均匀。色带驱动机构一般利用字车电动机带动同步齿形带(如LQ-1600K)或钢(尼龙)丝绳驱动色带铀转动，也可采用两个单独的电动机(如某些彩色打印机)分别带动色带正、反向走带。⑷走纸机构该机构实现打印纸的纵向移动。当打印完一行后，由它走纸换行。走纸方式一般有摩擦走纸、齿轮馈送和压纸滚筒馈送等。其动力方式为通过牵引机构将步进电动机的转动转变为走纸移动。（5）打印机状态传感器对于不同的打印机来说，传感器的设置情况不同。通常有原始位置传感器（检测字车是否停在左边原始位置上）、纸尽传感器（检测所装的打印纸是否用完，用完则报警、计时传感器（检测字车的瞬时位置）和机盖状态传感器（检测正在打印中的异常开打印机盖操作）等等。控制与驱动电路针式打印机结构图⑴控制电路打印机的控制电路均已采用了微机结构，所以打印机也就是一个完整的微型机。从处理器类别划分，有采用单片机扩展内存及接口电路构成的，也有采用CPU（做处理器）设计的。从组成结构上划分，有采用单一CPU结构的，也有采用主从CPU过程控制结构的。对打印机的各种控制是通过软件进行的。在ROM中存储有点阵字库和控制程序，用户自定义的字符存储在行缓存RAM中。（2） 驱动电路驱动电路的功能是在控制电路的控制下，由高压驱动走纸电动机、字车电动机和打印针出针动作。（3） 接口电路打印机与主机的连接有串行接口、并行接口及USB接口等。⑷直流稳压电路为打印机提供各种直流电源。[1]图1打印机组成框图针式打印机的工作原理是这样的：主机送来的代码，经过打印机输入接口电路的处理后送至打印机的主控电路，在控制程序的控制下，产生字符或图形的编码，驱动打印头打印一列的点阵图形，同时字车横向运动，产生列间距或字间距，再打印下一列，逐列进行打印；一行打印完毕后，启动走纸机构进纸，产生行距，同时打印头回车换行，打印下一行；上述过程反复进行，直到打印完毕。工作原理概述打印机本身就是一个微型计算机系统，全机的工作都由CPU控制。它的控制程序存放在ROM中，使CPU开机就可以工作。CPU可以接收面板的各种控制指令，也可以接收来自主机的指令，并对各种指令进行解释执行。这些连接都是通过计算机的接口完成的。一般针打有两种工作方式，文本方式(TextMede)和位映像方式(BitImagePrintMode）o文本方式针式打印机的打印数据是通过与计算机的接口从主机得到的。打印机得到的打印数据是要打印的字符的A5CII码，这些A5CII码存放在打印机内的打印缓冲区中。主机每次传送的数据装满打印缓冲区后，打印机给主机发送一个"BU5Y（忙）"信号，主机接到该信号后，暂停发送数据，然后打印机开始打印。打印开始后，打印机内的CPU从打印缓冲区中取出打印字符的ASCII码，经过计算得到该字符对应的字符点阵存储区的首地址。按地址逐个地取出每列的点阵码，驱动打印针，撞击色带，在打印纸上形成打印字符。打印机的字符发生器ROM中，通常存有96种ASCII码及一些特殊字符的字型编码（有的打印机内也有汉字的点阵码，如LQ-1600K）o当缓冲区内的数据打印完成后，又一次开放打印机，接收主机送来的新打印数据，开始新的打印过程。如果需要打印的是图形或汉字（对于没有汉字字库的打印机），则由主机送出图形的像素信号或汉字字型码即可。很明显，这种打印方式和显示器显示字符的方式是类似的。位映像方式此方式下，计算机送出的打印数据就是控制打印针的出针、收针的数据，所以程序设计人员可以直接编写程序来控制每根打印针，从而打印出图形、表格和汉字。打印头工作原理LQ1600K打印头示意图针式打印机的主要部件是打印头，通常所讲的9针、16针和24针打印机说的就是打印头上的打印针的数目。打印头按击针方式可分为螺管式、拍合式、储能式、音因式和压电式。这里以24针打印机LQ-1600K和AIz3240的打印头为例说明其工作原理。右图是LQ-1600K打印头的工作原理图，它是拍合式打印头。在每根打印针的前面（从打印针的后面向前看）有一个环行扼铁，环行扼铁的四周排列着12个线圈和12根打印针（LQ1600K打印头分为两层，每层12根打印针，上层12根为长针，下层12根为短针），每层12根打印针在环行圆周上均匀排列，并沿导向板上的导向槽在打印头顶部穿出，形成两列平行排列的打印针。从图可以看出，平时打印针受复位弹簧的弹力作用处于离开驱动线圈状态，当驱动线圈通过电流时，激励打印针尾部的衔铁向驱动线圈运动，同时带动打印针沿着多层导向板向色带撞击，使色带和打印纸压向卷简。这时，色带上的油墨被打印针的撞击渗透到打印纸上，留下一个小圆点。当驱动线圈中的电流消失后，打印针被复位弹簧复位回到原始状态，完成一次打印动作。这种拍合式打印头，打印针加速快，出针频率高，由于打印针分为两层，更有利于更换打印针，且长针断了可以作短针使用。AR3240打印头的工作原理图左图是AR3240打印头的工作原理图，它是储能式打印头。在每根打印针的后面(从打印针的后面向前看)有一个环行扼铁，环行扼铁的四周排列着24个消磁线圈、24个衔铁弹蟹片和24根打印针。24根打印针在环行圆周上均匀排列，并沿导向板上的导向槽在打印头顶部穿出，形成两列平行排列的打印针。从图中可以看出，储能式打印头的工作原理是用永久磁铁作用于弹簧，使打印针缩在打印头内处于储能状态，即打印针储存了击打能量，当消磁线团通电后，产生与永久磁铁磁场方向相反的磁场，即减少了永久磁铁的磁通量，抵消了永久磁铁对打印针后部衔铁和弹簧片的吸引，使弹簧片驱动打印针向前飞行，完成扔印动作。此种打印头的优点是功耗低和打印速度快。[1]主要组件的功能和作用字车传动机构在字车步进电机的驱动下，载有打印头的字车沿水平方向的横轴左右移动，将打印头移动到需要打印的位置。字车传动机构一般由字车步进电机、字车底座、齿型带(或齿条)、初始位置传感器等组成。输纸传动机构在输纸步进电机的驱动下，通过摩擦输纸或链轮输纸方式将打印纸移动到需要打印的位置上。输纸传动机构一般由输纸步进电机、打印胶辊、输纸链轮、导纸板、压纸杆和纸尽传感器等组成。根据输纸方式的不同，在输纸传动机构的实现形式上分为卷绕式输纸方式(也称为普通输纸方式)和平推式输纸方式两种。色带传动机构为了保证打印质量和清晰度，在打印头前的色带需要不断更换，色带传动机构通常采用换向齿轮使色带按照一定的速率和方向循环运动，该机构一般由换向齿轮组、色带盒组成。打印头由一定数量的打印针按照单列或双列(个别的为三列)纵向排列，在打印数据的配合下实现字符、汉字和图形的打印。目前常用的打印头一般为9针和24针，均是通过薄膜电缆与控制电路连接。电气控制部分中主要组件的功能和作用：(1)微处理器或单片机针式打印机所有的动作和功能都是由其控制电路中的微处理器或单片机来控制实现的。不但要完成对打印数据的加工处理，还要控制机械部件的协调动作，同时还要对面板功能选择和工作状态进行监视以及必要的显示，这一切必须依靠执行打印机专用监控软件来实现。⑵数据/程序/字符点阵存储器在通用计算机中离不开各种存储器，在针式打印机中同样也需要有关种类的存储器件。一般分为输入数据缓冲存储器、中间数据缓冲存储器、监控程序存储器、西文和汉字字符点阵存储器(字库)。驱动电路与传感器在针式打印机中一般有三种驱动电路，即打印头驱动电路、字车步进电机驱动电路和输纸步进电机驱动电路，通常采用集成化的中功率晶体管来实现。通常针式打印机都安装有两种或两种以上的传感器，对打印头的初始位置、是否缺纸、打印头是否过热、打印纸的薄厚等进行检测，以保证打印的质量。电源针式打印机由于功耗一般较大，故均采用开关电源，将220V交流电转变成打印机各部件使用的直流电压，如+5V、+12V、+24V等。接口电路针式打印机大多采用Centronics标准并行接口，这是一种通用打印机专用接口，具有数据传输率高的特点，个别型号的打印机采用RS-232C标准串行接口，以适应某些特殊的需要。在打印机接口电路中，往往还配置一定存储容量的输入数据缓冲区，如1K字节、8K字节、16K字节、40K字节等，其目的是减少与计算机主机的频繁通讯，提高计算机主机工作效率。主要技术参数性能指标用户在选购和使用打印机时，应该对所使用的打印机性能有所了解，一般情况下，打印机厂商在产品说明书上均给出有关的技术参数和性能指标，下面对一些主要的技术参数和性能指标的意义进行介绍。打印方式表明针式打印机在打印过程中所采用的模式。如“双向逻辑选距”打印方式，在该打印方式下，打印机将根据每行打印内容的具体位置来控制打印头的启停位置，以用来节省时间，提高打印速度和效率；又如“可选择单双向”打印方式，在该方式下，可由用户根据打印要求，选择每次打印时打印头起始位置。单向打印是打印每一行时，打印头字车都要先回到初始位置，然后再打印，打印效率较低，但字符或图像上下衔接精度高;双向打印是打印头横向来回移动时进行打印，打印效率高。但由于机械部件精度的影响，可能会造成字符或图像上下衔接部分有一定的错位，对打印质量会带来影响。打印头在选购时注意打印头的针数，目前绝大多数的打印机都采用24针的打印头。这种打印头具有打印速度快，打印质量好的特点，其性能参数主要是针的寿命，如2亿次/针。另外，在选择打印机时要注意打印机的打印点密度，点密度定义为在水平方向上每英寸打印的点数，用DPI表示。打印质量较高的打印机其点密度可以达到360DPI。字符集字符集是打印机中字库种类的说明，通过字符集可以看出该打印机属于哪一种类型。中文打印机的字符集种类较为齐全，一般包括有ASCII码点阵字符集、汉字点阵字符集以及国际字符组点阵字符集等，通常上述字符集是按国家标准制定的。如GB-5007标准（宋体24x24点阵字符集）和GB-2312-80（宋体32x32点阵字符集）。打印速度这是点阵打印机重要的性能指标，它反映出打印机的综合性能指标，一般只给出打印一行西文字符或中文汉字时的打印速度。标准的说明应是在草稿方式下，按照每英寸打印10个西文字符(10CPI)的方式，每秒中能打印字符的数目。现在打印速度较快的打印机其打印速度一般在200字/秒以上。行距在说明书中一般都有行距指标，因为这项指标是说明输纸操作精度和性能的重要指标，尤其是最小输纸距离(如1/360〃或n/368〃)更能反映出其输纸组件的控制能力和精密程度。接口大多数打印机均标准配置Centronics并行接口，其它标准的接口一般是作为附件而另需购置。最大缓冲容量该指标间接表明了打印机在打印时，对计算机主机工作效率的影响。缓冲容量大，一次输入数据就多，打印机处理和打印所需的时间就长。因此，与计算机通信的次数就可以减少，主机效率提高。输纸方式对于输纸方式来说，一台好的打印机应具备多种输纸功能,这反映出其机构设计是否合理及全面。一般情况下应有连续纸输送的链轮装置，以保证输纸的精度和避免输纸过程中的偏斜;另外是否具备单页纸和卡片纸的输送能力，以及是否具备平推进纸的能力，这一点对票据打印十分重要。纸宽及纸厚度纸宽指标反映出打印机最大打印宽度，目前通用打印机的该项指标一般为9英寸（窄行）和13.6英寸（宽行）；纸厚度则反映出打印头的击打能力，这项指标对于需要复写拷贝的用途很重要。一般用“正本+复写份数”来表示。针式打印机的主要分类各类针式打印机从表面上看没有什么区别，但随着专用化和专业化的需要，出现了不同类型的针式打印机，其中主要有“通用针式打印机”、“存折针式打印机”、“行式针式打印机”和“高速针式打印机”等几种。通用针式打印机我国的“通用针式打印机”是早期使用十分广泛的汉字打印设备，打印头针数普遍为24针，有宽行和窄行两种，打印头在金属杆上来回滑动完成横向行式打印。打印宽度最大为33cm,打印速度一般在50个汉字/秒（标准），分辨率一般在180dpi,采用色带印字，可用摩擦和拖拉两种方式走纸，既可打印单页纸张，也可以打印穿孔折叠连续纸，色带和打印介质等耗材价格低廉。由于是电磁击打，打印头长时间连续打印时发热严重，但因打印速度不快，影响不大；又由于通用针式打印机普遍是宽幅打印机，与DOS系统兼容，因而特别适用于报表处理较多的普通办公室和财务机构。通用针式打印机使用方便，若色带和纸张质量较差或安装不妥，极易断针。当打印字符太淡时，意味着色带的着色能力下降，容易出现挂针和阻纸，此时必须更换色带。另外，通用针式打印机的色带不统一，互相不能代用。通用针式打印机有一个调节纸张厚度的手动调节杆，当打印纸的厚度发生变化时，一定要调节厚度调节杆，以调节打印深度并保护打印针。存折针式打印机随着各行业电子化的发展，专门用于银行、邮电、保险等服务部门的柜台业务使用的存折针式打印机得到了迅速推广与应用，所谓存折针式打印机也叫票据针式打印机，与其它通用针式打印机相比，存折针式打印机有以下特点：平推式走纸：平推式走纸通道设计减少了纸张弯曲和卡纸造成的打印偏差，使纸张进退轻松自如，也使得处理超厚打印介质成为可能；自适应纸厚：存折针式打印机的打印对象是存折等票据，而不同存折票据的厚度是不同的，所以存折针式打印机要求能根据厚度不同的打印介质自动调整打印间隙和击打力度，实现任何厚度的清晰打印效果；自动纠偏技术：能够自动调正打印介质，大大提高了打印准确度，使操作员的操作异常简便；纸张定位技术：为使打印格式整齐一致，在纸车托架上安装光电传感器来自动检测纸张的左右边界。在进纸机构处设置多个光电传感器来检测纸张的页顶位置，保证纸张相对于打印底板绝对平整。再通过打印机控制软件中的打印定位指令，实现打印位置的完全准确；磁条读写功能：提供可选的内置式磁条读写器，可读写存折上用户姓名、卡号、金额等信息，并支持ANSI、ISO、NCR、IBM、HITACHI等多种磁条格式；打印状态识别：具有与主机或终端双向通讯功能，能够将打印机当前的状态、出现的错误及时准确地反映出来，并进行相应的处理。另夕外大多数存折针式打印机还专门设计了开盖时自动停止打印功能，可以防止人为干扰造成打印错误，同时保护人身安全；其它功能：有些高档存折针式打印机还提供一些可选功能，如两个操作员共享打印机、自动识别条码页码、打印磁性等密码文字、提供保密和解密、银行专用符号打印以及采用Fresh-Rom存储技术实现自动下载升级软件等。评价存折针式打印机的技术指标主要是设备是否具有良好的高级纸张处理能力、介质适应范围、操作的便捷性、业务处理速度、命令仿真能力、维护的简便性和耗材耐用性，还有机器功能的可扩充性等。尤其是高档存折打印机应具有纸张全自动纠偏、自动对边、自适应厚度打印等功能，既可保证打印效果的高度精确，又要使操作极其简便。行式针式打印机行式针式打印机是一种高档针式打印机，可以满足银行、证券、电信、税务等行业高速批量打印业务的要求。行式针式打印机有比较强的专业打印倾向，有专门的西文字符打印机，也有专门的汉字字符打印机。与一般通用针式打印机相比，行式针式打印机的内部数据处理能力极强，由于打印头和走纸等控制复杂,一般采用主、从双CPU处理方式，既可极大地提高打印速度，又可全面地控制打印流程。行式针式打印机的打印头结构复杂，为了保证行式针式打印机在持续高速打印时不出现因过热而断针，打印头内部的散热冷却机构十分良好。行式针式打印机的打印针多，出针频率高，因而在降低噪声方面打印头也采用了许多有效措施和先进技术。行式针式打印机的关键技术在打印头上，出针频率高达2000Hz，是通用针式打印机的2倍以上。打印针数量普遍为72针、91针、144针，最多的有288针，是24针普通针式打印机的十几倍。行式针式打印机的打印头采用模块结构（如144针的打印头为12个模块，每个模块有12针），每个模块只需负责水平打印一小段打印距离（一般在1英寸左右）大大小于普通针式打印机的打印机距离（一般在十几英寸）。打印针模块的针排列方式对行式针式打印机的打印速度和性能有重大影响，一般情况下，行式针式打印机分为直排针方式、斜排针方式和并行纵向排列方式几种。直排列方式指打印针模块中各针水平横向排开，针模块左右水平移动进行打印时只能完成一行横向点的打印距离，打印高度为1/180英寸或1/144英寸，采用该排列方式的行式针式打印机的西文速度可达到1000行/分钟，但汉字速度只有200多行/分钟。因此，直排列方式行式针式打印机非常适合于西文字符的打印输出。斜排列方式是指打印针模块中各针斜向排开,针模块左右水平移动进行打印时，模块有几针就可打印几行横向点，如KD6000C行式打印机的模块有12针斜向排列，这种打印机在打印汉字时的速度可以达到1000汉字/分钟，比较适应汉字输出。并行纵向排列方式是指打印针模块中各针按两列并行纵向排开，每个模块一般有24针，通过增加多个打印头来提高速度，这是一种早期的行式打印技术，现已基本淘汰。行式针式打印机是高档打印机，其打印针寿命在10亿次/针以上，但其寿命受打印纸和色带质量的影响。高速针式打印机高速针式打印机是介于普通针式打印机与行式针式打印机之间的产品，其主要特点是打印机速度很快。高速针式打印机的价格较高，但具有高打印质量、高打印速度、能承担打印重荷，在金融、邮电、交通运输及企业单位的批量专门处理打印数据领域占有重要的地位。针式打印机的“专利”是复写拷贝和连续走纸打印等功能，高速针式打印机也同样具有这方面的能力。目前高速针式打印机的复写能力一般为14~15层，较好的可以达到18层的复写拷贝能力。[4]国内外市场分析国内打印机市场呈现出外国品牌打印机相互竞争的局面，针式打印机占主导地位的主要是：日本Epson公司的LQ-1600系列的24针打印机，该系列打印机经过近十年的应用推广、技术改进和完善，已具备了较好的市场信誉和占有量，其特点是打印速度较快，操作方便，结构合理耐用。香港得实公司(Dascom)的StarAR系列和StarCR系列的24针打印机，这两种系列的打印机都曾在国内市场上产生过较大的影响，其主要特点是字库种类多、打印速度快、控制面板功能丰富。日本NEC公司的P2000/3000系列的24针打印机，其主要特点是价格较低、打印精度好、打印时噪声低，可在家庭中使用。此外，还有众多国外打印机厂家的产品，如日本Fujitsu公司的DPK系列24针打印机；HP公司的DJ系列24针打印机；Oki公司的8000系列24针打印机；意大利Olivetti公司的PR系列存折、票据专用打印机等。这些产品都有各自的特点，各公司产品中基本上都有普通输纸和平推输纸方式两种不同类型的打印机，其中普通输纸窄行打印机市场销售价在1400元左右，普通输纸宽行打印机市场售价在3000元〜4000元之间，而平推输纸方式的打印机价格稍贵，用户可根据具体需要进行选择。[5]色带常见故障及解决办法在使用针式打印机时，最常见的就是色带故障，下面介绍和解决几种打印机色带故障。1、 色带断裂色带的拉力过大，拉断缝合线或字锤打烂色带导致色带断裂。前一种情况可将断裂部分剪掉,重新缝合好；后一种情况只要更换色带即可。2、 色带被卡