Den „Zeitfressern“ auf der Spur

Mit dem „Cycle Time Analyzer MTX cta“ optimiert Rexroth Maschinenzeiten effizient und schnell

In nahezu allen Fertigungssystemen spielt die Maschinenlaufzeit je Teil – die Taktzeit – eine zentrale Rolle, beeinflusst sie doch wesentlich die Herstellkosten eines Produktes. Durch Absenkung der Taktzeit um nur wenige Sekundenbruchteile können im Bereich der Großserienfertigung bereits Investitionen im sechsstelligen Euro-Bereich eingespart werden. * Jens Brühl, Günther Landgraf

Taktzeitoptimierung setzt gegenwärtig jahrelange Erfahrung bei der Inbetriebnahme von Automatisierungslösungen voraus. Maschinensysteme werden mit Hilfe einer Vielzahl von Tools – jedes auf das jeweilige Teilsystem abgestimmt – im Hinblick auf die Taktzeit optimiert. So wird im PLC-Bereich eine Logik-Analyse eingesetzt, im Antriebsbereich ein Drive-Oszilloskop, im NC-Bereich zur Überprüfung der Achsbewegungen eine Konturanzeige oder eine grafische NC-Simulation. Die Aufzeichnungen verschiedener Tools aber können unter dem Aspekt einer Taktzeitanalyse häufig nicht oder nur mit erheblichem Aufwand miteinander in Beziehung gebracht werden. Ein Bezug der einzelnen Messungen zum Prozess – bei CNC-gesteuerten Abläufen zum NC-Programm – fehlt in der Regel völlig.

Rexroth bietet deshalb für sein CNC-System IndraMotion MTX das Taktzeitanalyse-Tool MTX cta (Cycle Time Analyzer) als Basis zur gezielten und effektiven Optimierung der Maschinentaktzeit. Es ermöglicht Anwendern, sich innerhalb kürzester Zeit einen Überblick über die Taktzeit beeinflussenden Größen aller Teilsysteme zu verschaffen.

Systemübergreifende Detailanalyse

MTX cta zeichnet alle relevanten Daten in allen Teilsystemen kontinuierlich mit einer Auflösung von 0,1 ms auf, bei Bedarf auch gleichzeitig in mehreren NC-Kanälen der IndraMotion MTX. Alle Informationen werden in einen zeitlichen Bezug zum Steuerprogramm gesetzt und können grafisch oder tabellarisch angezeigt werden. Zentrale Rolle bei der Realisierung der Taktzeitanalyse spielte dabei das Design der Software-Architektur, die eine optimale Aufzeichnungsperformance bei minimaler Systembelastung sicherstellen sollte. So wird die Abarbeitungszeit durch die Taktzeitmessung nur unmerklich erhöht. Die Echtzeitfähigkeit der Steuerung bleibt jederzeit garantiert.

Excel-ähnliche Diagramme ermöglichen es, einen ersten Überblick über die Abläufe an der Maschine zu gewinnen. Mit Hilfe der Diagramme können Prozesszeiten einzelner Werkzeuge und Bearbeitungsschritte in mehreren Kanälen dargestellt werden. Verschiedene Messungen (etwa unterschiedliche Optimierungsstände) oder Messungen von mehreren Maschinen lassen sich so miteinander vergleichen. Das NC-Satzanalyse-Menü stellt den Durchlauf der NC-Sätze in den einzelnen parallelen Zeitebenen eines NC-Kanals grafisch dar – die Basis für ein tiefer gehendes Verständnis der NC-internen Abläufe sowie der externen Prozessabläufe. Dieses sowie weitere Analyse-Menüs bieten Anwendern gute Voraussetzungen, um NC-gesteuerte Prozessabläufe zu optimieren, ganze Prozessabläufe zu parallelisieren, unnötige Synchronisationen zwischen Prozessabläufen zu erkennen, also „Zeitfresser“ zu finden. Die Tabellenanzeige dient zur Analyse mehrerer Durchläufe eines NC-Programms. Hierbei lassen sich die durch Prozess oder Peripherie bedingten Ausführungsschwankungen einzelner NC-Sätze ermitteln und anzeigen. Berechnet werden für jeden NC-Satz dessen Durchschnittszeit, die minimale Zeit, die maximale Zeit sowie die Zeitdifferenz. Das Menü „Tabellenvergleich“ ermöglicht die Gegenüberstellung zweier Programmstände. Wie bei moderner Software üblich, stellt das Programm alle identischen NC-Sätze in einer Zeile dar, während unterschiedliche NC-Sätze in gesonderten Zeilen abgebildet werden. Bei der Betrachtung kann der Anwender, wie bei der Tabellenanzeige, auf die jeweils definierten Zeitarten umschalten. Mit der Oszilloskopanzeige lassen sich systemübergreifende Problemstellungen detailliert untersuchen. Dabei werden die Daten verschiedener Teilsysteme mit zeitlichem Bezug zum NC-Programm grafisch dargestellt. Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Einsatzmöglichkeiten: So lässt sich der Spindelhochlauf bis zum Start eines bestimmten NC-Satzes unter Heranziehung der antriebsseitigen Ist-Drehzahl, des antriebsseitigen Ist-Drehmoments oder der SPS-seitigen Freigabe- und Quittierungssignale mit zeitlichem Bezug zu den betreffenden NC-Sätzen analysieren. Aber auch Schwingungstechnische Untersuchungen von Achsen während der Bearbeitung oder bei Positioniervorgängen können unter Heranziehen der antriebsseitigen Ist-Positionen, Ist-Geschwindigkeiten, Ist-Drehmomente mit zeitlichem Bezug zu den NC-Sätzen und damit zum Fertigungsablauf – etwa dem Eintauchen eines Werkzeugs in das Werkstück – detailliert vorgenommen werden. Innerhalb der verschiedenen Analyse-Menüs bietet MTX cta weitere, auf die Taktzeitanalyse abgestimmte Funktionen, Darunter eine Mehrfensterdarstellung, ausgefeilte Such- und Filterfunktionen sowie offene standardisierte Schnittstellen für den Datenaustausch mit anderen Systemen.

Praxisbeispiele zeigen Sparpotenziale

Die Validierung von MTX cta erfolgte an einem Drehbearbeitungszentrum mit automatischer Werkstückzuführung wie es standardmäßig von Maschinenherstellern ausgeliefert wird. Während der mehrmonatigen Testphase wurde das Maschinenverhalten intensiv hinsichtlich folgender Aspekte analysiert:

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prozessbedingte Schwankungen im Spindelhochlauf sowie beim Ansteuern von Peripheriekomponenten über die Feldbusebene,
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Auswirkungen des Aufwärmvorgangs beim Start der Maschine auf den Schwenkvorgang des hydraulisch geklemmten Werkzeugrevolvers,
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Einschwingvorgänge bei kleinen Positionierfenstern,
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Zusammenspiel von Teilabläufen auf den verschiedenen Teilsystemen beim Werkzeugwechsel,
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Auswirkungen von Verschleifbewegungen im Eilgangbetrieb,
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Wegoptimierungen mit Hilfe von Spline-Funktionen,
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Zusammenfassen von NC-Sätzen,
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Unnötige Synchronisationsmarken und NC-Kommandos,
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Auswirkungen von Änderung der SPS-Zykluszeit und der NC-Interpolationszykluszeit.

Als Referenzteil wurde ein bereits vom Hersteller der Maschine entwickeltes NC-Programm für eine Riemenscheibe gewählt, das der Maschinenabnahme diente und über einen relativ hohen Zerspanungsanteil sowie eine Laufzeit von 489,44 s verfügte. Während der Testphase ließen sich zahlreiche Einsparpotenziale identifizieren, wobei in der folgenden Optimierungsphase nur Zeiteinsparungen mit einem günstigen Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen auch umgesetzt wurden. Dabei ließ sich die Gesamtzeit um 9,71 S senken.

Eine ganze Reihe weiterer Praxisbeispiele zeigen das Sparpotenzial des Systems: Durch das Verschleifen der Eilgangbewegungen mit Hilfe des Kommandos „NIPS“ beim Bohrzyklus für ein Automobilprojekt ließ sich jeder Bohrvorgang um etwa 0,1 s verkürzen. Zusammen mit einigen zusätzlichen Optimierungen konnte die Taktzeit für eine Serie von Bohrungen so von ursprünglich 256,4 s um 2,1 s gesenkt werden. In einem anderen Fräsbearbeitungszentrum wurde die Zeit für den Werkzeugwechsel durch Entfernen unnötiger Sicherheitsverriegelungen im Automatikbetrieb in der SPS (Achsfreigaben) sowie mit Hilfe der Spline-basierten Wegoptimierung um 42 Prozent von ursprünglich 3,8 s auf nur noch 2,2 s verkürzt. Die Auswirkungen der SPS-Achsfreigaben auf die NC-Satzabarbeitung ließen sich dabei besonders innerhalb des Oszilloskop-Menüs mit NC-Satzbezug zeigen. Im Ergebnis wurden die für den Automatikbetrieb unnötigen Sicherheitsverriegelungen für die Betriebsart Automatik entfernt. Durch Zusammenfassen mehrerer NC-Sätze (M206, G53, M9 G8) und durch Entfernen unnötiger Synchronisationsmarken (WAIT) nach dem Suchen innerhalb der Werkzeugdatenbank konnte die Zeit für den Werkzeugwechsel bei einer ähnlichen Anwendung um 15 Prozent, von ursprünglich 2,7 s auf 2,3 s reduziert werden.Optimierungspotenziale zeigte auch eine Außen- und Innenrundschleifmaschine mit automatischer Be- und Entlade-Einrichtung in Gantry-Bauweise sowie mit einer Abrichteinheit, die während des Be- und Entladens eingesetzt wurde. Neben vielen kleineren Optimierungspotenzialen im 0,1-Sekunden–Bereich fielen bei der MTX cta-Analyse insbesondere die beiden nachstehenden Punkte auf: Die Funktion H66 („Aktivieren Inprozessmessung“) benötigte bis zu ihrer Quittierung etwa 0,8 s. Die NC arbeitete während dieser Zeit bis zur Quittierung der Hilfsfunktion eine Vielzahl von Befehlen ab, die ausschließlich auf Satzvorbereitungsebene bearbeitet wurden. Während der H66-Hilfsfunktionsausgabe erfolgte keine Bewegung. Der Hilfsfunktion H66 folgten wiederum eine Hilfsfunktion sowie eine Anfahrbewegung. Durch Zusammenfassen der NC-Sätze konnte eine Zeitverbesserung von 0,54 s erzielt werden. Bei weiteren Untersuchungen mit dem MTX cta entdeckte das Rexroth-Tool, dass allein die Hilfsfunktionsausgabe M232 („Kühlmittel ein“) ganze 4,05 s des gesamten Abrichtvorgangs von etwa 10 s benötigte. Nach Untersuchungen des Ventils wurde ein Defekt festgestellt und behoben.

Taktzeituntersuchung als Dienstleistung

Mit Hilfe von MTX cta können erstmalig innerhalb einer Software systemübergreifende Problemstellungen analysiert und grafisch dargestellt werden. Das Ergebnis ist dabei abhängig von der jeweiligen Maschine, von deren Zustand sowie von der Aufgabenstellung. Einsparungspotenziale können also nicht vorab und ohne eine detaillierte Analyse beziffert werden. Das mit Hilfe des Programms ermittelte Optimierungspotenzial kann anschließend Schritt für Schritt durch Änderungen an den entsprechenden Stellen umgesetzt werden.

Die Analyse von Taktzeitpotenzialen mit MTX cta bietet Rexroth seinen Kunden als Dienstleistung an. Der Service beinhaltet die Vorbereitung und Durchführung der Messungen in Kombination mit einer kompetenten und zielgerichteten Beratung. In allen beschriebenen Fällen wurde die Analyse einschließlich Optimierung innerhalb eines Tag abgeschlossen.

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