OEE an CNC-Maschinen: Wo Verfügbarkeit wirklich verloren geht

Die Gesamtanlageneffektivität, kurz OEE (Overall Equipment Effectiveness), ist die bekannteste Kennzahl für die Produktivität einer Maschine. Sie fasst in einer Zahl zusammen, welcher Anteil der geplanten Zeit tatsächlich zu Gutteilen in der vorgesehenen Taktzeit geführt hat. Gerade diese Verdichtung macht sie anfällig: Zwei Betriebe mit derselben OEE können völlig unterschiedliche Probleme haben, und zwei Betriebe mit unterschiedlicher OEE rechnen oft schlicht anders. Dieser Artikel erklärt, wie man die OEE an CNC-Maschinen sauber berechnet, welche Verluste dahinterstehen, wo ungeplante Stillstände wirken und was eine Zustandsüberwachung der Spindel beitragen kann. Und was nicht.

OEE berechnen: Verfügbarkeit × Leistung × Qualität

Die OEE ist das Produkt aus drei Faktoren. Jeder Faktor beschreibt eine eigene Art von Verlust und liegt zwischen null und eins:

Die Verfügbarkeit erfasst, wie lange die Maschine während der geplanten Zeit überhaupt produziert hat. Die Leistung erfasst, ob sie in dieser Zeit so schnell gearbeitet hat, wie es die ideale Taktzeit erlaubt. Die Qualität erfasst, welcher Anteil der gefertigten Teile ohne Nacharbeit gut war.

Wichtig ist die Definition der Planbelegungszeit. Ob geplante Wartung, Rüsten oder fehlende Aufträge abgezogen werden oder als Stillstand zählen, ist eine Festlegung im Betrieb. Die internationale Norm ISO 22400-2 beschreibt Kennzahlen für das Fertigungsmanagement, darunter die OEE, lässt aber Spielraum bei der Zuordnung. Für die Praxis gilt: Eine einheitliche, schriftlich festgelegte Definition über alle Maschinen ist wichtiger als die Frage, welche Definition die „richtige“ ist.

Rechenbeispiel mit angenommenen Werten

Angenommen, ein Bearbeitungszentrum arbeitet eine Schicht von 480 Minuten. Davon sind 30 Minuten geplante Pause. In der Schicht steht die Maschine insgesamt 45 Minuten wegen Störungen und Rüsten. Die ideale Taktzeit für das Teil beträgt 3 Minuten. Gefertigt werden 120 Teile, davon sind 114 gut. Alle Werte sind frei gewählt:

Eine nützliche Gegenprobe: Die OEE ist auch die Zeit, die rechnerisch für die Gutteile nötig gewesen wäre, geteilt durch die Planbelegungszeit. Im Beispiel sind das 114 × 3 Minuten = 342 Minuten, geteilt durch 450 Minuten, also wieder 76,0 %. Stimmt diese Gegenprobe nicht, ist in den Eingangsdaten etwas falsch, meistens die ideale Taktzeit.

Das Beispiel zeigt auch, warum eine einzelne OEE-Zahl wenig verrät. Ob 76 % gut oder schlecht sind, hängt vom Teilespektrum, von der Losgröße und vor allem von der eigenen Definition ab. Im Internet kursierende Vergleichswerte sind deshalb nur mit großer Vorsicht zu gebrauchen. Aussagekräftiger ist die Entwicklung an derselben Maschine über die Zeit und die Frage, welcher der drei Faktoren den größten Verlust erklärt.

Die sechs großen Verluste an CNC-Maschinen

Aus dem Umfeld der Total Productive Maintenance stammt die Einteilung in sechs große Verluste. Sie ordnet jeden Verlust einem der drei OEE-Faktoren zu. Übertragen auf Bearbeitungszentren sieht das so aus:

Die Zuordnung ist nicht in Stein gemeißelt. Viele Betriebe zählen Kurzstopps unter einer festgelegten Dauer zur Leistung, längere Unterbrechungen zur Verfügbarkeit. Ob Rüsten als Verlust zählt oder aus der Planbelegungszeit herausgerechnet wird, ist ebenfalls eine Festlegung. Wieder gilt: Entscheidend ist, dass alle Maschinen gleich behandelt werden.

Wo ungeplante Stillstände in der OEE wirken

Ein ungeplanter Ausfall senkt zuerst die Verfügbarkeit. Bei einem Spindellagerschaden ist das aber nicht der einzige Effekt. Ein Lagerschaden kann die OEE auf allen drei Ebenen treffen:

• Verfügbarkeit: der Ausfall selbst, die Wartezeit auf Ersatzteil und Service, das Einmessen nach der Reparatur.
• Leistung: Wenn eine Spindel auffällig klingt oder warm wird, nehmen Bediener manchmal den Override zurück, um sie zu schonen. Das ist nachvollziehbar, taucht aber in keiner Störungsstatistik auf.
• Qualität: Ein fortgeschrittener Lagerschaden kann sich auf Oberflächengüte und Maßhaltigkeit auswirken. Dazu kommt Ausschuss, wenn der Schaden während der Bearbeitung eskaliert.

Welche Kosten hinter einem ungeplanten Stillstand stehen und wie man sie beziffert, beschreibt der Artikel Was kostet eine Stunde Maschinenstillstand?

OEE an CNC-Maschinen richtig messen

Eine OEE aus Schichtzetteln ist besser als keine. Sie unterschätzt aber fast immer die Kurzstopps und die Geschwindigkeitsverluste, weil niemand eine Unterbrechung von zwei Minuten aufschreibt. Moderne Steuerungen liefern viele der nötigen Daten selbst:

• Betriebszustand und Programmstatus: Läuft ein Programm, ist die Maschine im Halt, im Einrichtbetrieb oder im Alarm?
• Overrides: Mit welchem Prozentsatz laufen Vorschub und Spindel? Daraus lässt sich der Geschwindigkeitsverlust abschätzen.
• Alarme und Meldungen: Wann ist welcher Alarm aufgetreten, wann wurde er quittiert?
• Stückzahlen: Je nach Steuerung und Programmierung über Zähler im NC-Programm.

Bei SINUMERIK- und HEIDENHAIN-Steuerungen stehen viele dieser Werte über OPC UA zur Verfügung. Mit der Companion Specification für Werkzeugmaschinen (OPC 40501, bekannt als umati) gibt es dafür ein herstellerübergreifendes Informationsmodell, sofern die Steuerung es anbietet. Wie die Anbindung praktisch abläuft, zeigt der Artikel SINUMERIK und HEIDENHAIN per OPC UA anbinden.

Zwei Dinge liefert keine Steuerung: den Grund für einen Stillstand und die Zahl der Gutteile. Ein Halt kann Rüsten, Materialmangel oder ein Defekt sein. Ohne eine kurze Eingabe durch den Bediener oder eine Verknüpfung mit der Qualitätsprüfung bleibt die Verlustanalyse unvollständig. Prüfen Sie außerdem die ideale Taktzeit: Ein Wert aus dem CAM-System ist oft realistischer als ein historischer Durchschnitt, der die Verluste schon enthält.

Was Zustandsüberwachung zur OEE beitragen kann

Eine Zustandsüberwachung der Spindel setzt bei einem einzigen, aber teuren Verlust an: dem ungeplanten Ausfall durch einen Lagerschaden. Sie erkennt Veränderungen im Schwingungsbild der Spindel, bevor der Schaden zum Ausfall führt, und macht so aus einem ungeplanten einen geplanten Eingriff. Unser System wertet dafür Außenring, Innenring, Wälzkörper, Käfig und Unwucht aus, bewertet gegen die gelernte Normallage der einzelnen Spindel und begründet jede Meldung. Die Grundlagen beschreibt der Leitfaden zur Spindelüberwachung.

Genauso wichtig ist, was sie nicht leistet:

Eine Vorhersage auf den Tag oder ein Versprechen von null Stillstand kann seriös niemand geben. Wie früh ein Lagerschaden sichtbar wird, hängt von Lagerbauart, Last, Drehzahl und Schmierung ab. Hinweise zu den einzelnen Bereichen finden Sie in den Artikeln zu Vorschubachsen, Werkzeugwechslern und Kühlmittel.

So gehen Sie vor

1. Definition festlegen. Schreiben Sie auf, was zur Planbelegungszeit gehört und wie Rüsten, Wartung und Kurzstopps gebucht werden.
2. Mit einer Maschine beginnen. Am besten mit dem Engpass. Dort wirkt jede gewonnene Stunde direkt auf den Durchsatz.
3. Verluste nach Ursache sortieren. Eine einfache Pareto-Auswertung der Stillstandsgründe zeigt, wo die größten Blöcke liegen.
4. Geplant und ungeplant trennen. Erst diese Trennung zeigt, welcher Anteil der Ausfälle durch frühe Erkennung planbar werden könnte.
5. Maßnahme passend wählen. Hohe Rüstzeiten löst man mit Rüstoptimierung, nicht mit Sensorik. Häufige Spindelschäden dagegen mit Zustandsüberwachung.

Häufige Fragen

Über den Autor

Sascha P. Forbach ist Gründer von Forbach & Partners und Software-Architekt der Spindelüberwachung. Seit zwölf Jahren berät er produzierende Betriebe zu Prozessqualität und Anlagenverfügbarkeit. Mehr über uns