Projets:Lab:brodeuse

Click here for English version. Translation in progress.

= Le projet =

L'objectif est de fabriquer un module qui, ajouté à une machine a coudre classique, la transforme en brodeuse.

Nous nous interdisons de modifier la machine à coudre pour des raisons d'acceptation et de simplicité de mise en oeuvre.

Le design est réfléchi pour être accessible et reproductible par le plus grand nombre (çàd avec de l'outillage grand public principalement).

Le système devra être à la fois fonctionnel et esthétique (possibilité d'y mettre une enveloppe, une "carrosserie") pour faciliter son acceptation.

L'ensemble du projet est décrit ici même, sur cette page wiki.

= La technique =

Le système est assez simple:
 * Un capteur pour connaître la position de l'aiguille et n'avancer que quand elle est sortie du tissu.
 * Une table XY motorisée soutenant un cadre de broderie.
 * Une électronique de commande faite autour d'une carte a microcontrôleur du commerce.

= La mécanique =

Les contraintes
Les impératifs de précision sont assez faibles (1/10eme de mm suffisant).

Les contraintes mécaniques sur le cadre sont légères (traction du fil), mais il est nécessaire de faire un compromis entre l'intégration avec le bâtit, la surface de broderie et le bras de levier sur la structure. Le tout en maitrisant la rigidité et les jeux.

Pour pouvoir gérer une cadence de points de 10 a 15 points/secondes (vitesse moyenne des machines à coudre) avec des déplacements de l'ordre de 5mm de long la table doit gérer des accélérations/décélérations ce qui la force à être relativement rapide (10/15 cm/sec) mais surtout supporter des vibrations importantes.

Le jeu de la mécanique à ici encore une importance critique puisqu'il limite les vibrations et permet une stabilisation plus rapide en fin de course.

Solutions
Notre structure se compose d'un axe X parallèle à la machine et d'un axe Y perpendiculaire (et donc parallèle au sens de couture classique).

2 moteurs pas a pas en format Nema 14 à 200 pas/tour assurent l’entraînement par le biais de courroies de 8mm.

Le moteur de l'axe X entraîne un chariot le long de 2 guides de 8mm avec des roulements à billes linéaires (les mêmes que pour les imprimantes 3D).

Ce chariot soutient lui même le moteur et l’ensemble de l'axe Y.

L'axe Y est formé d'une cornière en aluminium (standard) et d'un autre guide de 8mm sur lequel glisse le support de cadre.

Résultats
L'utilisation de stub et de roulements de faible qualité pose des problèmes de vibration et de jeu. Nous envisageons une alternative pour la prochaine version.

Les moteurs sont parfaitement adaptés à cette application, les vitesses de déplacement sont suffisantes et la puissance n'a jamais été un problème (trop puissants ils pourraient même casser l'aiguillex).

Excepté un problème de réglage de l’électronique ils ne chauffent pas trop même en utilisation intensive (démos sur salon) ce qui autorise un refroidissement passif.

Les courroies ont aussi donné toute satisfaction, la seule problématique étant de trouver des roulements a billes suffisamment large et de faible diamètre pour les guider.

Le contraintes
Le choix a été d'avoir une surface brodable maximale. Celle ci est limitée dans un axe par la longueur du col de cygne de la machine à coudre mais n'a pas de limite à priori dans l'autre axe.

Le cadre doit être capable de maintenir le tissu et son support en tension malgré les efforts mécaniques du fil.

La solution retenue
Nous avons choisi de faire un cadre en impression 3D afin de limiter les contraintes de design (le cadre doit passer sous le pied de la machine lorsqu'il est relevé).

Ce cadre est composé de deux demi-cadres extérieurs maintenus ensemble par des vis de serrage et d'un cadre intérieur qui assure la rigidité de l’ensemble.

Les résultats
Les résultats sont mitigés.

Le cadre est encore un peu trop souple. Le tissu est bien maintenu aux coins mais un peu trop lâche le long du cadre.

Malgré cela les résultats sont intéressants. Difficile de dire ce qui est dû à la souplesse du cadre ou à la vibration de la mécanique.

Les contraintes
Le pied doit être capable d'encaisser des mouvements rapides et réguliers et un capteur de position d'aiguille doit y etre attaché.

Il doit presser le tissu lors du retrait de l'aiguille et le relâcher une fois le fil rétracté sous le tissu (aiguille en position haute).

La solution retenue
Nous avons choisi d'utiliser un pied du commerce destiné aux machines à coudre pour faire de la broderie machine libre.

Ce pied étant compatible avec la majorité des machines du commerce (même anciennes) cela nous simplifie grandement le travail tout en assurant une fiabilité et une efficacité importante.

Ce pied dispose déjà de la fonction pressage et l'ajout du capteur a été facilité par la disponibilité d'une tige sortant à l’arrière et fixé sur la partie pressante du pied.

Il nous a suffit de placer notre capteur (une fourche optique) pour détecter la position basse du pied.

Les résultats
Cette option est la bonne.

Le seul problème rencontré jusqu’à aujourd'hui est dû à une section des fils du capteurs, probablement à cause des divers efforts du pied (remontée en fin de travail et vibrations pendant). Ce problème devrait être relativement trivial à résoudre avec une connectique adaptée.

= L'électronique =

Les contraintes
La partie commande doit être facile à se procurer, économique et simple à implémenter.

Elle doit être connectable facilement à un ordinateur pour la piloter ou la reprogrammer, règle d'or de l'open hardware.

Elle doit être suffisamment rapide et avoir assez de mémoire pour stocker les points de broderie.

La solution retenue
Nous avons décidé de nous orienter vers une carte stm32-F030. C'est un microcontroleur 32 bits de chez STmicroelectronics à base de cortex-M0 qui tourne à 48 MHz et coûte moins de 10€.

La connexion avec l'ordinateur se fait par l’intermédiaire d'un pont série Bluetooth HC-06 (le sans fil est très pratique et peu onéreux).

Le choix a été fait d'envoyer au fur et à mesure les points à partir de l'ordinateur pour limiter la quantité de mémoire nécessaire et assurer un lien permanent entre l'ordinateur et l’électronique de commande (retours d'informations en temps réel, arrêt d'urgence).

Le contrôle de la pédale de la machine n'a pas encore été implémenté (3 prototypes infructeux). L’électronique interne de la machine nous pose quelques problèmes pour son émulation.

Les résultats
Cette carte donne toute satisfaction.

La programmation n'est pas a la porté d'un débutant mais elle est très économique et le rapport qualité/prix joue en sa faveur.

Les contraintes
Il nous faut piloter 2 moteurs pas à pas avec de nombreux pics de consommation (accélérations/décélérations régulières).

Ces moteurs consomment en moyenne 300mA avec des pics a 1A, il nous faut donc des drivers adaptés.

La solution retenue
Notre choix s'est tourné vers une carte faite maison à base de drivers Toshiba STK-682.

Ces drivers sont surdimensionnés pour notre application mais c’était l'occasion de les tester et leur coût est de toute façon plus faible que les autres solutions regardées (7/8€ piece).

fichiers kicad

Les résultats
Ces drivers, après réglages, conviennent parfaitement à notre usage.

Nous n'avons eu pour le moment aucun problème de surchauffe, même sans les radiateurs montés. Il est vrai que nous travaillons aujourd'hui en majorité a vitesse réduite (6/7 points/sec) et la mise en place des radiateurs sera peut être nécéssaire avec des puissances et vitesses plus élevées.

Les contraintes
Il nous faut gérer:
 * une communication série
 * 2 drivers moteur
 * un capteur d'aiguille
 * un contrôle de pédale

Les résultats
= Historique =

Premier prototype
Fin 2014: premier prototype avec une vieille Singer, premiers motifs.

Problèmes: Points positifs:
 * hyperstatisme et couple insuffisant, châssis en bois inadapté.
 * vitesse réduite, 2 ou 3 points par secondes
 * pilotage de la vitesse à l'autotransformateur, avec une forte chauffe (pause toutes les 5 minutes sinon odeur de brûlé)
 * commander à l'arduino, obligation de reprogrammer pour changer de motif.
 * pédale non commandée (on/off géré manuellement)
 * précision suffisante (mais surdimensionnée). Moteurs à 200 pas/tour, vis à bille en pas de 4mm => 20µm de résolution.
 * procédé rudimentaire mais fonctionnel et automatique pour broder à partir de fichiers svg.
 * il est possible de construire un socle non destructif pour la machine d'origine.
 * la machine de proto est vraiment un vieux tromblon, il est probable que nombres de problèmes ci-dessus disparaissent avec une machine plus récente.

Deuxieme prototype
La machine utilisée est une Singer Curvy. Ce prototype est né en avril/mai 2015.

Cibles de ce prototype:
 * Rigidité de la structure.
 * Mécanique propre avec des pièces standard (cornière alu, courroies, poulies,...) ou réaliseés à l'imprimante 3D. Le tout dans un soucis de reproductibilité dans un environnement moins riche en machines outils que l'Electrolab.
 * Entraînement à base de courroies pour rééquilibrer la vitesse/précision. Vérifier que le couple moteur est toujours suffisant.
 * Mécanique plus compacte et encloisonable dans un caisson.
 * Etudier l'adaptation sur une machine récente.
 * Sélection du cadre, solution maison ou cadre de broderie manuelle (le cadre de broderie machine n'a pas été évoqué à l'époque).

Résultats:
 * Notre carte de pilotage moteur fonctionne, sans surchauffe, et permet d'améliorer notre vitesse et couple. Une allure de 10 ou 12 points par seconde est envisageable. Les sources et fichiers de fabrication de cette carte se trouvent ici (TODO insert link).
 * Electronique fonctionnelle mais un peu brouillon: à moitié sur breadbord, fixation approximative, dépendance à une alimenation de laboratoire. Un peu de nettoyage est nécessaire.
 * Quelques pièces réalisées à l'imprimante 3D sont trop fragiles, design à revoir.
 * Toujours pas de logiciel adéquat. Effet de bord sur la tension de fil non gérée dans les longs déplacements et pertes de points.
 * Impossible sur ce modèle de rétracter les griffes, le cache-griffe fournit ne tient que moyennement, mais pas d'impact sur la broderie, le tissu n’étant pas pressé pendant les déplacements.
 * Présentation à la MakerFaire Paris 2015, qualité broderie grandement améliorée et des retours encourageant du public.
 * Plusieurs retours nous conseillent d'utiliser des supports de broderie, à tester. ( http://fr.madeira.de/fournitures/films-a-broder, http://www.rascol.com/broderie/avalon-madeira )

Deuxieme prototype, seconde édition pendant le CCC
http://blog.electrolab.fr/2015/08/20/electrolabccc2015/

Nous avons principalement travaillé sur le logiciel d'édition, le pied presseur et les supports de broderie. Le logiciel téléchargeable en bas de page est une version mi-CCC, il est aujourd'hui obsolète et nous travaillons pour sortir une version stable et récente. Si vous souhaitez tester notre logiciel n’hésitez pas à nous contacter sur openembroidery@gmail.com.

Nouveau pied-de-biche: spécial broderie, avec ressort pour plaquer le tissu et faciliter la remontée du fil. Modèle permettant d'y adapter notre capteur de position: une fourche optique pour détecter la position haute. Parmi les avantages: faible coût, pièce standard et facilement dénichable, modification facile. Ce pied améliore la broderie et nous supprime toutes pertes de points rencontrées sur les prototypes précédants.

Un troisième prototype de contrôle de la pédale (et donc de la vitesse de point) a été fait sur place, toujours sans succès, ce modèle nous donne du fil à retordre, il est possible qu'une autre machine, plus bas en gamme ou d'un autre fabricant, soit plus simple a piloter.

L'utilisation de supports de broderie est en fait un point très important dans le rendu final, beaucoup moins de déformations et une meilleure tension de tissu. Nous nous sommes rôdés sur la machine et les bonnes pratiques en broderie grâce aux visiteurs du CCC, en faisant de nombreux tests de broderie dont un essai d'appliqué plutôt réussi et plusieurs dizaines de démos de la machine dont une filmée (visible sur le lien au dessus).

On rapelle que toute aide de personnes habituées à ces machines est la bienvenue, notamment pour distinguer les limites liés a notre mécanique et ceux liés a la broderie elle même (vitesse, etat de surface, tension du tissu).

Troisième prototype
Un troisième prototype est en cours d'élaboration avec au programme:
 * meilleure rigidité: le deuxième prototype ne nous permettait pas d'avoir de bons résultats à grande vitesse à cause du jeu important des roulements utilisés, du design et des pièces imprimées en 3D qui ajoutent de la souplesse à l'ensemble. Le nouveau modèle prends en compte ce retour d’expérience en utilisant des matériaux plus rigides et en portant une attention particulière aux effets de levier (augmentation de l'espacement des guides linéaires, espacement des fixations de l'axe mobile, rapprochement des moteurs des guides linéaires).
 * des pièces d'usure facilement trouvables et de meilleure qualité: les axes sont prévu pour utiliser des rails drylin® N du fabricant allemand Igus (http://www.igus.fr/wpck/1969/drylin_n). Ils sont abordables (seulement 20% plus cher que les guides a billes chinois de basse qualité utilisés pour la V2), fiables, les références précises, la gamme importante et leur approvisionnement est assuré à long terme.
 * un design adaptable à un plus grand nombre de modèles de machine: longueur de la mécanique optimisée, hauteur réduite à un peu plus de 5cm, sortie du cadre par l'avant,...
 * une majorité de pièces usinable "en extrusion": 100% des pièces structurelles sont prévues pour être usinées dans du PMMA à la découpeuse laser et collées et/ou vissée (20mn de découpe contre 10h d'impression pour le modèle V2). Seules quelques pièces secondaires restent en impression 3D et peu de reprises manuelles sont nécessaires sur les pièces découpées.
 * La possibilité d'adapter des cadres de brodeuses du commerce (on en trouve facilement sur internet de bonne qualité et à des prix intéressants)
 * un circuit de courroie simplifié (pour limiter les frottements et faciliter mise en œuvre et entretien)
 * des fentes d'aération permettant l'ajout d'un ventilateur en cas d'utilisation intensive.
 * (en étude) un système de homing (pour permettre des placements du cadre en absolu)

et toujours:
 * aucune modification de la machine a coudre
 * la possibilité de caréner le module de broderie (une première approche a base de thermoformage est envisagée, le carénage est par contre entièrement dépendant du modèle de machine utilisé)
 * un coût raisonnable des matériaux (<100€)
 * une simplicité d'utilisation et d’entretien
 * un desing méca et élec en open hardware (ça vas sans dire mais ça vas mieux en le disant ;-) )

Le logiciel de son coté continue à évoluer. Une petite formation informelle a été faite a certains membres actifs de l'electrolab pour permettre un retour d’expérience utilisateur et des démonstrations sur les événements extérieurs auxquels participe l'association.

= Fichiers =


 * Le code de la version CCC du logiciel OpenEmbroider (version tres basique, utilisable uniquement pour les tests, pas d'interface utilisateur, compilation hazardeuse): OpenEmbroider
 * Le firmware N'est pas encore accessible car certains drivers ne sont pas libres et demandent une réécriture.
 * Fichiers CAO, il n'y a pas le pied capteur (Le nouveau modèle est de toute facon complètement différent). Tous les fichiers Stl pour l'impression 3D (environ 10h d'impression en tout).
 * Nos slides pour notre lightning talks au CCC2015 (en anglais).

A faire:
 * pilotage électronique pour remplacer la pédale
 * amélioration du logiciel embarqué (sans dépendances avec arduino)
 * Continuer le logiciel dédié à la broderie.

= références & inspirations =

Mots clefs de recherche: diy embroidery machine


 * http://edutechwiki.unige.ch/en/Computerized_embroidery (still active page, lot of information)
 * http://www.cnczone.com/forums/general-other-machine-discussion/170492-cnc.html
 * https://wiki.techinc.nl/index.php/Embroidery_machine
 * http://scanlime.org/2010/01/diy-sewing-machine-retrofit/

projets fonctionnels


 * http://boxedcnc.blogspot.fr/search/label/EMBROIDERY (http://www.cnczone.com/forums/general-other-machine-discussion/170492-cnc.html)
 * http://eclipseproyect.blogspot.fr
 * http://www.bordadorascaseras.blogspot.fr/ ( http://www.youtube.com/watch?v=LVcVuo_7Nj0 )
 * http://my-woodcarving.blogspot.fr/2010/01/my-diy-cnc-embroidery-machine.html
 * http://hackedgadgets.com/wp-content/Computerized_Embroidery.jpg (http://130.94.182.150/embroidr.htm)
 * http://www.adafruit.com/blog/2014/06/11/diy-open-embroidery-machine-wearablewednesday/ (http://www.openbuilds.com/builds/embroidery-machine-with-xy-belt-and-pinion-drive.691/)

brodeuse mécanique


 * http://www.cnczone.com/forums/cnc-wood-router-project-log/57404-software-19.html

software:


 * http://sophiesew.com/SS2/ (https://www.facebook.com/pages/SophieSew-Embroidery-Software/130220207023161)
 * http://svg2embr.wasbo.net/
 * http://www.jonh.net/~jonh/inkscape-embroidery/
 * http://www.thredworks.com/index.php (http://libregraphicsworld.org/blog/entry/embroidery-design-on-linux-now-possible-with-thred)
 * http://www.wingssystems.com/index.php/products/modular/
 * http://www.embroideryi2.com/adobe/media/videos/i2-vid-01.htm

dev possible: https://www.biicode.com/lasote/nanosvg

autres liens: http://edutechwiki.unige.ch/en/Computerized_embroidery#Fablab_work.2C_open_source.2C_etc. http://www.k2g2.org/portal:machine_embroidery

autres liens: http://edutechwiki.unige.ch/en/Computerized_embroidery#Fablab_work.2C_open_source.2C_etc. http://www.k2g2.org/portal:machine_embroidery