Master's Thesis

Digital twin of machine tool component

Final Thesis 5.05 MB Appendix 145.67 MB

Author of thesis: Ing. Matěj Gröger

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Daniel Klíč

Reviewer: doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng.

Abstract:

This diploma thesis deals with the creation of a digital twin of the vertical machining center MCV 754 QUICK. The aim of the thesis was to create a virtual model for simulating stress and strain states and subsequently test it on a real machining process. The thesis describes the procedure for preparing an FEM model in Ansys software and its subsequent computational and time optimization in the optiSLang module. Then the created mathematical model was exported in FMU format to Matlab-Simulink software for further evaluation. The calculations of the created digital twin were validated with reference FEM analysis values, which confirmed the high accuracy and computational speed of the digital twin. After verifying its functionality, the digital twin was tested on real data obtained using a dynamometer during three different machining cycles.

Keywords:

Digital twin, spindle head, FEM analysis, optiSLang, response surface, machining simulation

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil členy komise se svou diplomovou prací. Student zodpověděl otázky oponenta. Otázky komise: -Síly působící na vřeteník. Student bez problémů odpověděl. -Digitální dvojče, definice, další termíny z digitalizace a simulací Student bez problémů odpověděl. -Silové zatížení, definice sil vznikajících při obrábění. Student odpověděl s drobným zaváháním. -Doplňující otázky k získávání dat experimentálně. Student bez problémů odpověděl. -Volba stroje pro tvorbu digitálního dvojčete. Student bez problémů odpověděl. -Otázky o využití LLM v rámci brainstormingu. Jaké modely. Student bez problémů odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

doc. Ing. Radek Knoflíček, Dr. (člen)
Ing. Roman Dvořák (člen)
prof. Dr. Ing. Jiří Marek, Ph.D., DBA, FEng. (předseda)
prof. Ing. Peter Demeč, CSc. (místopředseda)
Ing. Aleš Polzer, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Vlček (člen)

Supervisor’s report
Ing. Daniel Klíč

Kolega se věnoval tématu digitálních dvojčat, které kvalitně rešeršně zpracoval. V praktické části popsal tvorbu zjednodušeného modelu, modelu pro strukturální analýzu a následnou tvorbu redukovaného modelu. Na základě jeho popisu se práce zdá být reprodukovatelná.

Vytvořil model pro strukturální analýzu. Pomocí programu OptiSLang vytvořil odezvovou plochu, kterou vyexportoval jako samostatnou aplikaci využitelnou v dalších programech.

Pro ověření funkčnosti mezi plnohodnotným a redukovaným modelem vytvořil soubor simulací, které porovnal. Pro demonstraci využití digitálního dvojčete připravil měření obráběcích sil a vyhodnotil jejich průběhy na vytvořeném modelu. Popsal chování vřeteníku během obráběcích cyklů a vliv různých řezných podmínek na něj.

V diskusi dobře popsal výhody i omezení použité metody tvorby zjednodušených modelů, zhodnotil další postupy a možnosti využití vytvořeného modelu.

Shrnutí:

Student zvládl pokročilé užívání MKP analýz, srozumitelně popsal postup tvorby a ověření redukovaného modelu. Dále provedl experimentální měření a získaná data implementoval do svého modelu a tím prokázal jeho funkčnost. Splnil všechny cíle na výbornou, vytvořil funkční základ pro digitální dvojče. Práci hodnotím za A a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce je věnována postupu návrhu digitálního dvojčete vřeteníku CNC obráběcího stroje. V prvních dvou kapitolách diplomant popisuje problematiku digitálních dvojčat a digitalizace obecně. Ve třetí kopilote DP popisuje CNC obráběcí centrum, kde volí jako posuzovaný prvek vřeteník stroje s následným odůvodněním. V následném kroku je vytvořen MKP model, kde je součástí DP podrobný popis jeho tvorby a nezbytných zjednodušení, opět doplněno s patřičným odůvodněním. Dále je popsáno síťování a zavazbení vřeteníku a definování vstupních a výstupních parametrů modelu. V návaznosti na predikci chování vřeteníku z pohledu napěťovo-deformační analýzy byl vytvořen model pomocí nástroje Advanced Metamodel of Optimal Prognosis. Následně probíhalo definování sad virtuálních experimentů v software optiSLang. Zde byla získána odezvová funkce, na jejichž základě jsou získávány hledané (predikované) parametry. Na základě přenosové funkce byla dále ověřena přesnost navrženého modelu, která je prezentována v tabulce 4.

V kapitole 4 se potom diplomant věnoval popisu a realizaci experimentu na stroji MCV. Realizoval několik měření definovaných tabulkou 5 s následným vyhodnocením v kapitole 4.4. V kapitole 4.5 nasadil vytvořené digitální dvojče a sledoval odezvu na vstupní data z měření.

V kapitole 5 doplnil své výsledky o zhodnocení, které může být inspirací, pro další práce v této oblasti.

V diplomové práci jsou splněny cíle zadání, práce je čitelná, graficky na výborné úrovni, včetně vhodně zvolněné řešení částí doplněné o citované zdroje. V rámci dílčích závěrů uváděných v práci bych podpořil jednoznačnost výsledků např. jednoduchými schématy, kde bude jasně definován souřadný systém, směr posunutí apod. Dále bych rád viděl alespoň v diskuzi, jak by se daly výsledky verifikovat na reálném stroji. V práci se mluví o posunutí a zatížení. V rešeršní části by bylo vhodné uvést alespoň pár řádku o teorii ke statické tuhosti.

 

I přes výše uvedené nedostatky hodnotím práci velmi pozitivně, hlavně využití nástrojů jako DoE, AMOP a OptiSLang. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Na tabuli nakreslete zjednodušené schéma řešeného vřeteníku a do něj zakreslete výsledná natočení osy vřetene: X, Y a dále posunutí osy vřetene X, Y, Z a celkové posunutí.
  2. Jak byste ověřil posunutí vřetene při definovaném statickém zatížení na reálném stroji? Jakou tuhost má vřeteník v ose Z na základě Vámi získaných dat?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová