Bachelor's Thesis

Design of a Manipulator for UHV Apparatus

Final Thesis 1.9 MB Appendix 1.66 MB

Author of thesis: Jakub Stodůlka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vojtěch Mikerásek

Reviewer: Ing. Aleš Kraml

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design of a new sample manipulator for the UHV apparatus chamber used for MBE at the Institute of Physical Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University Technology. The aim of the design is to eliminate the shortcomings of the existing manual manipulator, namely the limited usable range of horizontal translations and the lack of automation, which prevents repeatable experiments. Following a review of manipulator design solutions and MBE method requirements, an assembly with three linear axes and rotation around the vertical axis was designed. Changing the order of horizontal and vertical translations allows for the full utilization of the range of the purchased two-axis stage; the movement in the Z-axis is provided by a custom-designed screw jack mechanism driven by a stepper motor, whose self-locking capability maintains the position even without power. The thesis also includes the design of an automation system based on the Arduino Mega 2560 microcontroller and a custom application with a graphical user interface in C#, enabling repeatable sample positioning from a computer with automatic zero-reference calibration.

Keywords:

ultra-high vacuum (UHV), molecular beam epitaxy (MBE), sample manipulator, linear drive, stepper motor, automation, microcontroller

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Je nutné použít mikrokrokování v kombinaci s použitým ovládacím štítem? Doporučení k vypnutí mikrokrokování kvůli vibracím. Čím jsou pohybové šrouby mazány, máte nějaký plán údržby? Je na ose Z implementován fyzický spínač jako forma hard-stop? Popište pohyb pružného spojení zaručující rotaci vzorku kolem osy Z. Jaký byl důvod volby motoru s převodovkou namísto použití silnějšího motoru napřímo a jaká negativa má toto řešení? Doporučení na použití direct-drive v ose Z s ohledem na vyšší přesnost otáčení vzorku. Ovládací aplikaci jste vytvořil sám, nebo jste vycházel z dřívějších řešení? Na závěr byla obhajoba hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Vlachý (člen)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vojtěch Mikerásek

Tématem bakalářské práce pana Jakuba Stodůlky byl návrh manipulátoru a jeho automatizace pro polohování vzorku ve vakuové depoziční komoře na ústavu fyzikálního inženýrství.

Student se dobře zorientoval v problematice a aktivně přistupoval k řešení dílčích inženýrských problémů.

Jak se ve konstrukční práci hodí, byly všechny navrhované díly dobře zobrazeny, všechny v kvalitě renderovaných CAD modelů. K úplnosti návrhu by bylo vhodné důsledněji zkontrolovat použití všech spojovacích prvků.

Student dále vypracoval kompletní výkresovou dokumentaci k navrhovaným dílům, navrhl a připravil řízení motorů a vytvořil program k ovládání manipulátoru přes grafické rozhraní na počítači.

Určitým nedostatkem práce je poměrně stručně zpracovaná rešerše současných komerčních řešení vertikálních posuvů pro vakuové komory.

Práce je uspořádaná přehledně, psaná srozumitelným jazykem. V textu lze najít jen minimum gramatických chyb a překlepů.

V neposlední řadě je potřeba zmínit, že výstupy práce mají přímý praktický význam. Přestože se k datu odevzdání práce nepodařilo manipulátor kompletovat do finální podoby, bude v blízké době, po dokončení výroby všech dílů, manipulátor instalován na vakuovou komoru a využit k vědeckým experimentům a přípravě polovodičových materiálů.

Autor dokázal úspěšně splnit všechny cíle definované v zadání. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Aleš Kraml

Předložená bakalářská práce Jakuba Stodůlky se zabývá návrhem manipulátoru pro polohování vzorků v UHV aparatuře. Autor nejprve provádí rešerši dostupných manipulátorů a popis současné řešení, identifikuje jeho nedostatky, na jejichž základě definuje požadavky na nový manipulátor. Provedl návrh nových posuvů, jejich pohonů a potřebné řídicí elektroniky a vytvořil SW pro ovládání z PC spolu s implementací ochranných prvků aparatury. Práce je logicky členěna, text je psán srozumitelně a vhodně doplněn o modely aparatury, které zvyšují přehlednost textu. Součástí příloh je aplikace pro ovládání řídicí desky a výkresy jendotlivých dílů. Cíle práce považuji za splněné a s přihlédnutím k výše uvedenému hodnocení doporučuji k obhajobě s hodnocením výborně/A. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Bude v realizaci implementován bezpečnostní spínač nebo jiná forma nouzového vypnutí při poruše či nestandardní situaci?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová