Master's Thesis

Design of a test bench for linear measurement testing

Final Thesis 5.23 MB Appendix 32.03 MB

Author of thesis: Bc. Jan Frýdl

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: Ing. Jiří Tůma, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the structural design of a universal test bench intended for the testing, diagnostics, and calibration of linear optical position encoders under controlled temperature changes, with a primary focus on Heidenhain products.
The theoretical part analyzes the current state of direct position measurement technologies, the physical principles of photoelectric scanning, and the factors affecting measurement accuracy, in particular the thermomechanical behavior of materials and the Abbe error. Within the system analysis, a multi-criteria analysis of materials was performed, based on which polymer concrete was selected for the supporting frame, combining a high decrement of vibration damping, thermal inertia, and the possibility of integrating functional elements directly into the casting.
The structural design includes a polymer concrete bed with a travel of 1500 mm with integrated internal water cooling and a distributed network of Pt100 temperature sensors, aerostatic linear guideways, an ironless linear motor, and a modular system of external insulation. To eliminate vibration transmission, the entire bed is mounted on active air springs with electronic tilting moment compensation. Accuracy validation is ensured by a Renishaw XL-80 laser interferometer and a Heidenhain PWM 21 diagnostic device.
The conclusion of the thesis contains a measurement methodology based on ISO 230 standards, a technical and economic evaluation with an estimate of total costs, and a summary of the test bench's benefits for research, educational, and service activities.

Keywords:

Linear position encoder, Heidenhain, PWM 21, laser interferometer, XL-80, CNC machine, thermal expansion, optical measurement, test bench, positioning accuracy, polymer concrete, aerostatic guideway, ironless linear motor, Abbe error, thermomechanical behavior

Date of defence

16.06.2026

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: -Polymerbeton a UHPC, vlastnosti, útlum vibrací, výrobní přesnosti. Student odpověděl s drobným zaváháním. -Abbeho chyba, definice. Student odpověděl s drobným zaváháním. -Typy měřidel navrhnutých v práci. Student bez problémů odpověděl. -Okolní vlivy na testovací zařízení. Student bez problémů odpověděl. -Využití granitu pro lože. Student bez problémů odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

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

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)

Diplomová práce se věnuje konstručnímu návrhu zkušebního pracoviště pro testování lineárného odměřování. Zpracování technického řešení je velmi zajímavé a zpracováno do detailu. Diplomant správně vychází z poznatků popsaných v úvodních kapitolách předložené práce. Navazuje systémovým rozborem, který vychází z definovaných funkčních bloků zkušebního zařízení a dále popisuje slovně jednotlivé vazby mezi nimi. V dalších částech se věnuje vlasnotem jednotlivých komponent a posuzuje jejich vhodnost pro samonté řešení. V kapitole 3.7 popisuje tři možné konstrukční varianty, zde postrádám popis vyhodnocení, stanovení a ohodnocení zvolených kritérií. Kapitola 4 obsahuje už samotný konstrukční návrh. Technické řešení shledávám jako velmi zajímavé a propraocvané. Součástí práce je i technicko-ekonomické zhodnocení, což v tomto případě také oceňuji. Navržené technologie a postupy jsou velmi specifické a oceňuji sestavení kalkulace nákladů v takovémto rozsahu. Dále musím i ocenit bod závěru práce, a to návrhy a doporučení pro další vývoj a výzkum. Zde je patrné, že diplomant provedl kvalitní rešerši v této oblasti. Práce je na výborné grafické úpravě, dokáži si představit i realizaci navrženého technického díla. Z pohledu celkového hodnocení uděluji znáku A a 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 A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Tůma, Ph.D.

Předložená práce si klade za cíl návrh pracoviště pro měření lineárních pravítek určených typicky pro obráběcí stroje. Jedná se o velmi komplikovaný problém zahrnující eliminaci všech rušivých vlivů, které by mohly "měření měřidel" ovlivnit.

Práce čtenáře přehledně seznamuje s problematikou, je logicky členěná a veškeré pojmy jsou vysvětleny tak, aby problém pochopil i nepříliš znalý čtenář.

V návrhu testovacího pracoviště je dle mého názoru řešena problematika opravdu do detailu a nastavuje pomyslnou laťku značně vysoko.

Obecně vzato práci není co vytknout, proto ji hodnotím jako výbornou a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
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 A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Popište, jakým způsobem se budou vyrovnávat dílčí komponenty zkušební stanice (aerostatická vedení, lineární motor a pravítka).
  2. Jaký navrhujete postup lití polymerbetonové desky, aby byla dodržena požadovaná pozice jednotlivých ocelových vložek. Bude nutné dodatečně obrábět montážní plochy vložek pro docílení požadované rovinnosti?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová