Master's Thesis

CNC milling machine

Final Thesis 21.46 MB Appendix 1.29 MB

Author of thesis: Jaromír Bača

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Jiří Maxa, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis presents the design, construction, and verification of a threeaxis gantry-type CNC milling machine intended for hobby and prototyping applications. The work covers the complete development cycle – from theoretical analysis and mechanical dimensioning, through 3D modelling, to the physical assembly and testing of the machine. The load-bearing structure is made from birch plywood reinforced with aluminium elements at critical stress points. The control electronics are housed in a dedicated cabinet with forced-air cooling, whose effectiveness was validated by CFD simulation and compared against real temperature measurements during operation. The functionality of the machine was demonstrated by test machining of wood, PMMA, and aluminium. An operating manual and an economic assessment of the build are also included.

Keywords:

CNC milling machine, gantry design, stepper motors, NEMA, control electronics, control cabinet, cooling, CFD, SolidWorks Flow Simulation, Arduino, ESTLCAM, positioning accuracy, machining

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta a komise. Otázky komise k obhajobě: 1. Jaký výkon má použité vřeteno? 2. Jakou rychlostí zvládne frézka odebírat nástrojem materiál?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

prof. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Rastislav Straňák (člen)
Ing. Robert Bayer, PhD. (člen)
Ing. Ladislav Chladil, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Šafl (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.

Diplomová práce je zaměřena na návrh, konstrukci a realizaci CNC frézky určené především pro hobby a výukové využití. Součástí práce je návrh mechanické konstrukce, výběr a implementace elektronických komponent, realizace řídicího systému, experimentální ověření funkčnosti zařízení a vytvoření uživatelské dokumentace.
V práci je podrobně rozebrána potřebná teorie, která se opírá o relevantní literární zdroje. Student se během řešení musel vypořádat s problematikou zasahující do několika technických oblastí, zejména konstrukce strojních zařízení, elektroniky, automatizace a výroby. Za hlavní přínos práce považuji návrh a realizaci funkčního CNC systému včetně jeho uvedení do provozu a ověření základních parametrů. Přínosem je rovněž zpracování uživatelského manuálu, který zvyšuje praktickou využitelnost výsledného zařízení.
Student během řešení práce průběžně využíval konzultace a pracoval samostatně na realizaci jednotlivých částí projektu. Řešení některých technických problémů vyžadovalo opakované konzultace a úpravy navržených postupů, přesto se studentovi podařilo projekt úspěšně dokončit a dosáhnout stanovených cílů práce. Oceňuji především jeho vytrvalost při řešení vzniklých problémů a schopnost dovést rozsáhlý projekt od návrhu až k funkční realizaci.
Po odborné stránce hodnotím kladně zejména rozsah realizovaných prací a praktický charakter celé práce. Výsledkem není pouze návrh zařízení, ale jeho skutečná realizace a ověření funkčnosti. Práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a představuje ucelené technické řešení s potenciálem dalšího využití.
Vzhledem k výše uvedenému doporučuji práci k obhajobě a navrhuji ji hodnotit stupněm B Points proposed by supervisor: 88

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
prof. Ing. Jiří Maxa, Ph.D.

Pan Bc. Jaromír Bača svoji diplomovou práci na téma: Konstrukce CNC frézky v rozsahu 90 stran a rozdělil ji do 8mi hlavních kapitol.

V prvních dvou kapitolách student popisuje problematiku CNC frézek včetně základních aspektů její konstrukce, kterou následně autor řeší.

Následně student rozebírá již konkretně teorii a na jejím základě řešení řídící elektroniky a pohonu jednotlivých os stroje navazuje kapitolou dimenzování vyvíjené frézky na základě pevnostních základních výpočtů.

Tyto kapitoly považuji za dostatečné a prokazující vhled studenta do řešené problematiky.

V další části se student zabývá CFD simulacemi tepelné bilance rozvodné skříně a aerodynamiky cyklonového separátoru. I zde student splnil požadované cíle a prokázal širší vhled do řešeného úkolu, který si zadal.

Svou práci autor zakončuje experimentálním ověřením přesnosti zařízení, který si stanovil a ekonomickým zhodnocením.

Práce prokazuje velký přehled studenta v dané oblasti, což prokazuje i kvalitně zpracovaný manuál, jako doplněk práce.

K práci nemám výraznějších připomínek.

U obr. 2.2. by v obvyklé konfiguraci bylo možné zvážit rohové výztuhy ve spodní části zařízení.

Při formátování došlo k rozhozené formátu u vzorců. Například u 4.13 a dalších.

U tab. 5.1: Materiálové vlastnosti použité v tepelné simulaci by bylo vhodné dodat i hodnotu měrné tepelné kapacity.

Analýza separátoru byla provedena jako stacionární s modelem turbulence 𝑘-𝜀. Ten staví na Boussinesqově hypotéze, která předpokládá, že turbulentní Reynoldsova napětí lze popsat jedinou turbulentní viskozitou a že turbulence je v jistém smyslu "izotropní". To ve víru separátoru obvykle neplatí. Ansys Fluent používá v tomto případě například model Reynolds Stress Model, který řeší jednotlivé složky Reynoldsových napětí zvlášť.

Flow Simulation se snaží upravit stěnové funkce, přidat korekce pro zakřivení proudnic a použít robustní numeriku, ale základní předpoklad turbulentní viskozity zůstává.

Proto Flow Simulation odhadne tlakovou ztrátu, ale účinnost separace může být mimo. Doporučil bych srovnat výsledek s Ansys Fluent, zda v daném řešení možnosti Flow Simulation postačují.

Daná poznámka nesnižuje kvalitu a objem provedené práce a proto práci hodnotím A – 97 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Byla provedena citlivostní analýza mesh? Zvlášť v oblasti přestupu tepla mezi pevnou a fluidní částí modelu?
Points proposed by reviewer: 97

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová