Master's Thesis

Modular system of CNC gantry milling machine tools

Final Thesis 5.86 MB Appendix 13.73 MB

Author of thesis: Ing. Petr Kalivoda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Dr. Ing. Jiří Marek, Ph.D., DBA, FEng.

Reviewer: Ing. Tomáš Marek, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design of a modular system for CNC gantry milling machines. The introductory section provides an analysis of the current state of the field, focusing on the design concepts of gantry machining centers of the lower gantry, upper gantry, and sliding table types. Based on an analysis of 153 machine tools from global and Czech manufacturers, the main structural components, materials used in the support structure, linear feed systems, spindle he-ads, rotary axes, and optional technological components are compared. Subsequently, using the methodology of the Brno School of Design and a systems approach, a modular system is pro-posed that enables the reconfigurability of gantry-type machine tools. The thesis includes a de-sign of an optimal structural variant of a six-axis CNC gantry-type milling center with a bottom gantry, intended primarily for metal machining. For the selected variant, basic structural de-signs, designs of linear guides, drives, and ball screws are carried out, along with a simplified FEM calculation of the support structure’s deformations in the ANSYS environment and the creation of technical documentation for selected structural assemblies. The calculation results revealed insufficient stiffness of the crossbeam and identified areas suitable for further structu-ral optimization. The thesis also includes a technical and economic evaluation of the proposed solution and recommendations for the further development of a modular system of CNC gantry machine tools.

Keywords:

CNC machine tool, gantry milling center, , upper gantry, lower gantry, sliding table, modu-lar system, reconfigurability, welded structure, modular design, support structure, FEM analysis, ANSYS

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 dvě otázky oponenta. Komise měla doplňující otázky: -Rešerše ohledně pravítek, rozdíly mezi ocelovými a sklěněnými. Student bez problémů odpověděl. -Zvýšení tuhosti příčníku pomocí změny materiálu. Student bez problémů odpověděl. -Volba horní/spodní gantry. Student bez problémů odpověděl. -Ekonomický důsledek modulární a konvenční konstrukce. Student bez problémů odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Production Machines, Systems and Robotics

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
prof. Dr. Ing. Jiří Marek, Ph.D., DBA, FEng.

Diplomant provedl řádný a systematický rozbor současného stavu řešené problematiky. V práci prokázal dobrou orientaci v odborné literatuře i technických podkladech a získané poznatky vhodně využil při formulaci vlastního řešení. Přehled současného stavu poskytuje dostatečný základ pro pochopení řešené úlohy a navazuje na další části práce.

Systémový rozbor je zpracován přehledně, logicky a srozumitelně. Obsahuje všechny podstatné veličiny, vazby a ovlivňující faktory, které mají významný vliv na konstrukci navrhovaného stroje. Na základě provedeného rozboru byly správně identifikovány rozhodující parametry a požadavky na navrhované řešení.

Výběr optimální varianty odpovídá charakteru zadání a je dostatečně zdůvodněn. Následné technické výpočty vybrané varianty jsou provedeny na odpovídající úrovni a potvrzují realizovatelnost navrženého řešení. Popis výkresové dokumentace je sice poněkud zjednodušený a mohl být podrobnější, avšak tento nedostatek nemá zásadní vliv na celkovou kvalitu práce ani na dosažené výsledky.

Diplomant během řešení práce velmi často konzultoval postup řešení, aktivně přistupoval k řešeným problémům a projevoval potřebnou iniciativu. Oceňuji zejména jeho schopnost samostatně vyhodnocovat získané poznatky, formulovat vlastní závěry a následně je zapracovávat do navrhovaného řešení.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
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 A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Tomáš Marek, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá stavebnicovým systémem portálových obráběcíchs trojů. Téma práce je v současném konkurenčním prostředí výrobců obráběcích strojů aktuální.Autor přistoupil k řešení velmi systematicky, kdy dokázal sepsat rozsáhlou úvodní rešerši. Výsledkem je koncepční návrh šestiosého CNC portálového frézovacího centra (spodní gántry) s promyšlenou modularitou nosné i posuvové soustavy. V textu je několikrát  zmíněno využití odměřování, ale nikde není psané jaké. Zjednodušená MKP analýza v programu ANSYS odhalila u navrženého stroje nadměrnou deformaci 1,1066 mm způsobenou pouze vlastní hmotností. Autor v Tech.-Ekon. zhodncení píše, že to očekával již při návrhu konstrukce a  jako nejhořší část označil příčník, ale stejně nebyla navrhnuta nějaká alternativa nebo dokonke změna příčníku finální konstrukce. Ve výkresové dokumentaci jsou některé výkresy zbytečně a v některých se vyskytují drobné nedostatky (např. Odměřování plech atd.), Jinak je ale práce dobře zpracována a doporučuji 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 A
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 A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. jaké konkrétní změny v konstrukci by jste navrhl, aby nebylo posunutí TCP o 1,1 mm ?
  2. Jaký druh odměřovacího pravítka použijete ve své konstrukci a proč?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová