为什么我不能用自动铅笔画画
第一个问题，我说说核心。上述总原则的优缺点是什么？优点:结构简单，夹紧力大，工作可靠(导程公差大)，使用寿命长；缺点:推出力大，无法采用更先进的原理。所以抽芯操作比较麻烦。需要改变手指握笔的姿势，用大拇指做轴向运动推出铅芯。
历史上有几百个自动铅笔的专利发明，但我研究了其中一些，发现都差不多，真正的自动原理只有几个。其他专利都是某个原理的演变。总结一下，最先进的原理是一种叫做“自动”抽芯的原理，最早是德国人发明的，后来被日本人改进进化，发展成很多不同的专利。它的原理并不复杂。笔体内装有两个单向卡盘机构，使铅芯只能向一个方向移动，而不能向相反方向移动。一个夹头与滑芯保护管连接，滑芯保护管由弹簧向前推动，由笔尖内凸缘限位，后夹头可在笔体内移动，带有延时机构和保持弹簧。写字的时候，铅越来越短。当纸碰到芯保护管时，它会缩回，但导线被后卡盘卡住，不会跟随。书写器放笔时，护芯管在止动弹簧的作用下自动回位，前夹头将铅芯从后夹头中拉出一点，从而达到自动顶芯的效果。这个原理也有推出铅芯的作用。书写时，虽然铅芯没有磨损到与芯保护管平齐，但书写者仍然可以按压铅芯头，使铅芯与两个夹子一起向后移动，然后举手。首先，铅芯与芯保护管一起向前移动，将铅芯从后夹中拉出。然后，经过一段时间的延迟，前面的剪辑已经复位，后面的剪辑开始复位。此时，铅芯将被推出芯保护管完成。
对于最先进的自动抽芯的自动铅笔来说，关键的一点是夹头必须具有优良的单向性能，或者两个方向的阻力差越大越好。芯保护管推入时力很小，复位时有足够的夹持阻力驱动导线向前移动。为了达到这种效果，这种铅笔往往采用斜球式精密夹头。它是一个内锥面的铜碗，里面有三个小球。从一侧插入引线很容易，但反方向移动时会被强力阻挡。关于延时机制，原理也不同。有些设计采用真实的阻尼延时，比如使用柔软的有机材料进行阻尼，或者使用带阻尼油的金属部件，使厚卡盘比前卡盘复位更晚；但有的设计不一样，采用机械自锁结构，这样后卡盘移动到位后会卡死。只有在当前卡盘复位后，后卡盘才会被锁定和释放，就像机械窗帘快门一样。
这种全自动铅笔原理很先进，看起来性能很优秀，但实际情况并没有想象中那么完美。首先，球形卡盘是一个极其精确的配件。铅芯直径的微小变化会导致球体夹紧时轴向位置的较大变化。如果引线的直径误差稍大，夹持电阻就会失效，所以需要使用高精度的引线，否则不适合使用国产引线。其次，当3球卡盘夹紧引线时，球将压在引线圆周上的三个点上。书写压力越大，球压铅芯的力就越大，这样如果铅芯性能稍弱就会断。第三，自动顶芯的原理是基于书写时，纸张碰到护芯管，使护芯管移动，带出铅芯。也就是说，书写时，芯保护管要一直接触纸张。由于纸张与它之间的摩擦力是横向的，而护芯管的回缩是轴向的，所以两者之间的摩擦力会很大，不仅会影响书写手感，还会造成护芯管的快速磨损，对铅笔的寿命影响很大。再次，这种原理的运动精度要求极高，零件的公差不能大于1um，甚至更小，给加工生产带来很大的麻烦，大大增加了产品的成本。而且如果夹头内部的零件稍有磨损，它的工作就会不正常，夹头的阻力就会大大降低，这样整个笔就报废了。还有一个问题是双头的自动铅笔剩余铅芯不能太短，浪费很大。
日本专利中有几种常用的结构。比如侧压有两种出芯原理。一种是只是把尾帽移到铅笔的侧面，更靠近笔尖，这样推出铅芯的动作不需要改变书写姿势，确实有一定的效果，但不属于真正的侧下巴动型；另一种真正的侧下巴风格是侧下巴按键按90度排列的按键出芯，手感大大提升。但是，这种取芯方式并不理想。由于用铅笔写字时笔芯的磨损，需要在写字时不断转动笔身，改变笔芯与纸张的接触角。这样，当你打算出芯的时候，侧钮就不知道藏在哪里了！折芯的原理比以上两种方案好很多。这款铅笔可以折叠，角度不限在360度范围内。你可以把笔弯到任何地方，非常方便。
我还设计了两个很特别的自动原理，也可以申请专利。第一个叫电动抽芯自动原理。笔的结构并不特别，夹头也是3球型，但推动机构是电磁铁。一个小型化的锂电池为1F超级电容充电。当需要顶出型芯时，按下电子开关按钮，电容将强力电磁铁放电，产生大量推力推动型芯顶出机构。这种方案自动化程度高，结构复杂，但操作繁琐，因为需要充电。如果没有条件收费，那就没什么可做的了。而且那些电池，电磁铁，大电容，体积都不小，会占很多笔的空间。第二种叫做惯性抽芯自动原理。笔身后部装有一个大的重锤，用来压出笔芯。需要铅芯的时候，晃动铅笔，铅芯会被推出一会儿。这项先进的设计很有价值。
第二个问题，我讲实用性。目前普通的自动铅笔设计有很多，如德国红环的600型，实德楼的925-85/925-95型等。，都是精心设计的，细长造型，细长护芯管，全金属高档笔身，大摩擦力滚花前段，六边形或圆形后段，带铅芯硬度指示器，尾帽橡胶，单次抽芯长度可调等。，功能多，加工精准。但是这种产品只能在固定的地方使用，不方便携带。如果放在口袋里，它的芯保护管会像针一样刺破口袋，这样口袋也会刮到芯保护管。如果不小心把铅笔掉在地上，由于其重心靠近笔尾，笔尖肯定会先碰到地面，芯保护管会弯曲，无法修复。另外这个笔身的尺寸也很长，大概145mm，放在大衣口袋里都装不下，携带起来确实不方便。比较可行的携带方式是放在便携笔筒里，然后放在裤兜里，用的时候再拿出来，相当麻烦！
我觉得比较好的便携设计是缩短笔身的总长度，不要把笔杆的直径设计的太小。日本的Panto和德国的Lamy都有又矮又胖的自动铅笔，看起来很喜人又傻又可爱，但是这些产品都是低档塑料的东西，原理很简单。当然，要便携，不仅要设计这样的外形，还要考虑如何保护珍贵的芯管。美国的Sunfeili和Parker都有大量的时尚产品。我称之为这个。这些铅笔的笔尖没有细长的保护芯管。笔尖是类似圆珠笔的圆锥形金属，非常结实，不会折断。但是这支笔当然不能用来画画，只能写字。日本有些专利把护芯管设计成可移动的，按下尾钮缩回芯时也可以和护芯管一起放进笔管里，起到保护作用。然而，这种设计有一些缺点。护芯管本来就很小，后来设计成滑动单件。稍有匹配误差就会导致正常使用时护芯管晃动，手感极差！还有一些专利设计的是整个笔尖可以缩进的结构，这个原理可以更好；一个优秀的设计是附加一个可滑动的保护套，比例用完之后通过旋转前段可以滑出，将笔尖和笔芯保护管套住，防止其受到伤害。
这里需要提到一个有趣的设计。一个美国人第一个做出了像左轮手枪一样的多芯可互换复合笔。其原理是在转轮上安装六个带复位弹簧的滑动机构，每个机构的末端连接一个笔芯，转轮的中心是连接尾帽的滑动推杆，推杆内安装一个靠重力悬挂的铁塞。当笔身向下旋转到某个滑动机构时，铁塞就会落入滑动机构的槽口中。此时推动尾帽，滑动机构即可推出并自锁，从而将相关的笔芯推出笔尖。这个设计很巧妙。首次实现1笔6核。这6支笔芯可以是4支圆珠笔，1圆珠笔，1自动铅笔。应用范围相当广泛。我曾经买过这样一个产品，发现它最严重的缺点足以摧毁专利价值。它推出来的每一个笔芯都是倾斜的，从笔管外缘到轴心，对书写影响很大，尤其是铅笔，尤其是需要旋转笔芯角度的时候。当时我也开始设计改进这种特殊左轮手枪的结构，最后拿到了一个相当不错的专利。可惜我从来没有发表过，所以世界上没有这种产品。
我的设计是7孔结构。大直径笔管的外缘有六个笔芯。六个笔芯的内圆插入一个带有缺口的半圆形薄壁管。薄壁管连接到笔末端的旋转环上，可以手动旋转。每个笔芯的末端安装有配重和锁紧结构，笔尖内安装有弹簧和锁紧机构，通过笔腰的转动套控制锁紧机构打开。当需要使用笔芯时，手动旋转尾环，使笔内半圆套的槽口与对应的笔芯对齐，然后旋转笔身，使槽口朝上，笔芯就会落入笔的轴腔内，然后向下摆动笔身，在重锤的作用下，笔芯就会冲出笔尖，然后被锁住，就可以使用了。钢笔用完后，旋转笔腰即可解锁，笔芯可由弹簧复位，再由重力使笔芯复位，实现多芯功能，每支笔芯可绝对垂直排出，书写性能极佳，省去了按压式尾盖。
第三个问题，我说说摩擦装置。在铅笔的自动原理上，摩擦装置应该是用了单向夹头，安装在笔尖里，对铅芯施加一个夹持力，只允许铅芯前进，不允许后退。但一方面考虑到集芯，另一方面考虑到它的功能，不需要很好的单向性能，所以设计者将其简化为摩擦装置，用廉价的软胶等材料制作。这种摩擦装置压装在笔头的内孔里，它的问题相当严重。一方面，摩擦装置固定不牢，人拿起笔芯，铅芯会后退，摩擦力很容易推动摩擦装置从笔尖上脱落，还是没用，这样铅笔就没用了，取不出来；另一方面，橡胶的寿命相当短，摩擦装置用不了几年就会失效，这样的零件根本不可能用在高档钢笔上。
为了提高摩擦装置的性能，日本开始在笔尖的内孔中焊接一些带有弧度的细金属丝来代替橡胶部件。这些高弹性的锰合金钢丝具有优异的耐磨性，使用10年也不会磨掉，摩擦力也很优异。我欣赏这个设计很多年了。
这种摩擦装置的性能是有问题的，因为它不是单向机构，而是双向机构，两个方向的摩擦力完全相等，这就意味着铅芯的推出力过大，抗回缩能力不足。对于常用的使用三抓卡盘的自动原理，通过手动按压尾部按钮来实现抽芯，因此抽芯力极大，完全不需要摩擦装置的阻力；而对于那些比较高级复杂的抽芯原理，则要求在较小的抽芯力作用下能够可靠地完成抽芯动作，这就要求摩擦装置具有较小的正向力和足够大的反向力。实际上，自动铅笔中的摩擦装置采用的是同样结构的三球卡盘。它的性能那么好，除了不能缩芯，效果非常理想。可以想象，这种铅笔是无法缩回的，所以必须考虑为芯保护管和铅芯设计一个保护方案，比如将整个笔尖缩回，或者推出一段保护管盖住芯保护管和铅芯。
我一直关注高端自动铅笔市场，有时会在网上搜索很多新产品和设计。我发现很多高端产品其实属于时尚而非科技。比如在最普通的抽芯原理上，用红木、楠木、大理石等特殊材料制作笔套，在金属上镀上钛或金，做出优雅时尚的造型，做出无数花式设计。其实这些产品没有使用价值，甚至收藏价值也不大，完全变成了商业的东西，和镀金座椅的意思一样。真正高性能的自动铅笔很少见到。比如我上面描述的全自动产品，在中国市场上基本看不到。我觉得3球卡盘的市场份额不到万分之一，这就是现状。
最后，我想详细说说我的想法和具体的结构设计。
*关于3球卡盘:在一个斜面上，三个直径很小的球均匀分布在原来360度的圆周内。这些滚珠被弱弹簧推向斜面圆锥体的小直径端，相互碰撞推在一起，形成3球卡盘。当一个铅芯从圆锥体的小直径端插入时，它将推开三个球，穿过卡盘体并从另一端伸出。这种领先只能向前，不能向后。当它后退时，三个球会在圆锥体的斜面上滚动，导致轴心圆直径减小。结果，引线被夹紧。后退力越大，夹紧力越大。而且，由于倾斜角度的原因，夹紧力将总是大于后退力。因此，这种卡盘的单向动作性能极高，不需要像普通三爪卡盘那样用强力弹簧的力来夹紧芯子。这种3球夹头就不一样了，正向力极小，反向力极强，性能相当理想。
一种设计在结构上得到简化。青铜锥的小直径端装有磁铁端板，三个球被磁铁吸引自动聚集在小直径端，省去了弹簧。这个设计是好的，但是磁铁的性能是否会影响使用寿命需要考虑。另一个改进是把锥体做成三个凹槽，每个凹槽里放一个球，限制了球的随机串动，性能更稳定。
3球果酱也有它的缺点。第一个缺点是铅芯是三点接触夹住的，接触面主动小，自然把铅芯夹出一个半球形的凹坑。如果铅芯强度不够高，很容易将铅芯夹断。所以这支笔只能用树脂铅，不能用碳精铅。如果适当增大球径，断芯问题会有所改善，但仍不能完全解决；第二个缺点是锥体的倾斜角度设计困难，角度小，大大提高了夹紧可靠性，提高了自锁能力，但对铅芯直径的精度要求较高。如果铅芯过细，夹具就会失去作用，无法阻止铅芯回位；如果角度设计得大一些，可以降低引线芯径的精度要求，但夹紧的可靠性会降低，有时会不自锁而失去作用；第三个缺点是三个球的直径极小，锥面精度极高，尺寸误差不能大于1微米。如此高精度的加工必然导致成本的大幅增加，所以这种卡盘非常昂贵；第四个缺点，同样的原因，铅芯一旦被夹断，在高压下可能会有部分铅粉屑附着在三个球或锥面上，导致卡盘功能失常，因此结构的工作可靠性不理想；第五个缺点，出于同样的原因，卡盘零件的轻微磨损会对其性能产生明显的影响。斜面虽然有自动消除误差的性能，但是公差还是太小，所以设计的使用寿命不会很长；第六个缺点是这种卡盘不容易手动打开。与三爪卡盘不同，三爪卡盘可以通过推动与卡盘连接的尾帽来打开，使卡盘可以自由地穿过导线。这种三球夹头很难推开三个球，使铅芯自由通过，所以用它设计铅笔最难解决连续芯的问题。我的改进方案是将磁性端板做成活动管，既能吸引小球又能通过压尾帽将其推开，使铅芯在重力的作用下落入并穿过卡盘，解决了续芯问题。
*关于抽芯原理，我觉得常用的后下巴尾帽的方法不太理想。在画图写字时，拇指要经常变换位置，推尾帽推出铅芯会耽误工作，影响创作构思。这方面折叠设计先进很多，不需要改变手的位置。只要稍微用力按压笔杆，铅芯就会伸出来，简单快捷。不幸的是，这种设计将在结构上受到很大限制，并且难以制造。我否定过护芯管擦纸自动原理，但它的先秦抽芯原理还不错。可以用写作时的句号作为抽芯动作，比一般的写作压力要重一些；但是如果你正在画一幅画呢？总不能在线上加个重点或者借张卫生纸做个核心动作吧？所以可见前秦风格不实用！最佳抽芯原理困扰了人们几十年，就像理想的手枪自动原理一样。可用的原则很少，人们已经智穷才尽，想不出更理想的方案。我的设计是利用重力去核心。只要你摇一摇胳膊，铅就会伸长一会儿。这个方案的实现非常简单。只要在笔身后面加一个足够大的重锤就解决了！是不是前辈们太笨了？
重力抽芯设计肯定有问题。一个是必须使用高性能卡盘，比如3球卡盘，另一个是必须解决核心延续的问题。后卡盘的球必须由尾帽推开，使铅芯穿过卡盘到达前卡盘的球孔，后续动作可用重锤操作。