Früher ein Geheimnis, heute Grundvoraussetzung: Maschinensteuerung

Baustellen hinsichtlich Qualität, Zeitplan und Budget erfolgreich abwickeln – ein Beitrag von Bernhard W. Tabert 

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„Der Mann, der die Zukunft erfand“, so benannte der Spiegel seine 41. Titelseite zum Nachruf auf Steve Jobs im Oktober 2011. Kein anderer vor ihm hatte die Benutzerfreundlichkeit von elektronischer Hardware und Software neu definiert und nebenbei mit seiner „disruptiven“ (störenden) Technologie ganze Weltkonzerne eingedampft. Sein iPhone ist die Messelatte in puncto Benutzerfreundlichkeit und intuitiver Bedienung. Automobil-, Flugzeug-, Software- und Baumaschinenhersteller werden heute nicht nur danach beurteilt, dass ihre Produkte die technischen Anforderungen, Zuverlässigkeit, niedrige Betriebs- und Servicekosten erfüllen oder ein Alleinstellungsmerkmal aufweisen, sondern auch vor allem daran, wie schnell neue Mitarbeiter das neue System beherrschen und wie gut das neue System die Mitarbeiter in ihrer täglichen Arbeit unterstützt. Davon nicht ausgenommen: Baumaschinen. „Einfachheit ist die höchste Form der Raffinesse“, befand Steve Jobs. Definiert man Raffinesse als schlau ausgeklügelte Vorgehensweise, mit der jemand eine Situation zu seinem eigenen Vorteil nutzt, dann dürften – übertragen auf Baumaschinen – Maschinensteuerungen diese Kriterien erfüllen. Allen voran die neue Generation Trimble Earthworks, die das Grade Control System GCS900 mit über 4000 aktiven Steuerungen im deutschsprachigen Raum ablösen wird.

Eine moderne Maschinensteuerung auf einer Baumaschine kann mit einem Pkw- Navigationssystem verglichen werden. Beide Systeme haben Plandaten gespeichert, beide Systeme bestimmen permanent ihre eigene Ist-Position und beide Systeme berechnen eine Wegstrecke mit Fahranweisungen oder Bewegungsanweisungen für die automatische Schildsteuerung, um ihr Fahrziel oder die Soll-Höhe zu erreichen. Der große Unterschied zwischen Pkw-Navis und Maschinensteuerungen besteht in der benötigten Lage- und Höhengenauigkeit, Robustheit der Komponenten und der gefertigten Stückzahlen. Maschinensteuerungen mit RTKGPS erreichen heute Höhengenauigkeiten von plus/minus 15 Millimetern und UTS (Totalstation) von plus/minus fünf Millimetern, im Vergleich zu einem Pkw-Navi mit plus/minus fünf bis 15 Meter in der Lage. Der zweite Unterschied ist die Dauerfestigkeit der Komponenten von Bordrechnern, Bildschirmen, Winkelsensoren, Kabelverbindungen und Steckern im rauen Baustelleneinsatz in Verbindung mit Vibration, hohen Temperaturschwankungen und Feuchtigkeitswechseln sowie dem nicht gerade zimperlichen Umgang im täglichen Baugeschäft – das ist eine der größten Herausforderungen für den Hersteller. Maschinensteuerungen haben heute in der Regel zwei bis drei Maschinenleben und erreichen nicht selten Laufzeiten von bis zu 30 000 Betriebsstunden. Das dritte Unterscheidungsmerkmal sind die gefertigten Stückzahlen. 2017 wurden weltweit 73 000 000 Pkw gefertigt und ein Navigationssystem ist hier heute zur Standardausstattung geworden, während sich die Produktion bei Maschinensteuerungen im Bereich von 5 000 bis 10 000 Einheiten jährlich bewegt.

Die Summe aller Vorteile beim Einsatz äußert sich in einem wesentlich schnelleren Baufortschritt und niedrigeren Erstellungskosten je planiertem Quadratmeter oder bewegtem Kubikmeter Material und kann in die folgenden Einzelvorteile aufgebrochen werden: Keine Absteckung: Einer der größten Pluspunkte ist das Verschwinden von allen Absteckungen auf der Baustelle für das Abschieben des Oberbodens. Auf der einen Seite behindert zu viel vorgenommene Absteckung im Vorfeld den Bauablauf, da alle Beteiligten um die Absteckungen herumfahren und aufpassen müssen, diese nicht versehentlich zu zerstören. Auf der anderen Seite führt zu wenig Absteckung schnell zum Baustillstand, da der Fahrer der Baumaschine nicht weiß, wohin, wie hoch oder wie tief er wo arbeiten muss. In der Regel werden Absteckleistungen nur für ein bis drei Tage im Voraus erstellt, um sicherzustellen, dass die Absteckungen bei Arbeitsbeginn noch unzerstört vorhanden sind. Der laufende Kilometer Absteckung, links und rechts alle zehn Meter, kann mit bis zu 2 000 Euro pro Kilometer angesetzt werden. Der Verlust von einzelnen Absteckungspunkten kann zum Stillstand der Baustelle führen und der Ersatz kann bis zu 200 Euro je Punkt plus Maschinenstillstand kosten.

Beim Einsatz von Maschinensteuerungen ist die gesamte Planung für Durchstoßkanten, Dämme und Einschnitte, Frostschutz- und Schottertragschichten sowie die Stationierung für alle Achsen in der Steuerung für Dozer, Bagger und Grader hinterlegt. Bei unerwarteten Behinderungen in einem Bauabschnitt kann sofort in einen anderen Abschnitt ausgewichen werden. Statt der klassischen Absteckung befinden sich heute meist nur noch alle 200 Meter ein Höhen- und Lagekontrollpunkt zur täglichen Eigenkontrolle des Fahrers auf der Baustelle.

Automatische Schildsteuerung

Ein großer, wenn nicht der größte Vorteil von Trimble Maschinensteuerungen bei Dozern, Gradern und nun auch bei Cat Kettenbaggern mit Trimble Earthworks ist die automatische Schild- beziehungsweise Löffel-Steuerung auf Soll-Höhe. Der Fahrer kann sich ganz auf das Materialmanagement vor der Graderschar oder dem Schubschild konzentrieren und erreicht die Soll-Höhe unabhängig von seinem Feingefühl, seiner Erfahrung oder Tageskondition und die vorgegebene Höhentoleranz wird ohne Nacharbeit sofort im ersten oder zweiten Übergang erreicht. Das Schild, die Graderschar oder Löffelschneide wird bei Kettendozern auf bis zu plus/minus 15 Millimeter, bei Gradern auf bis zu plus/minus fünf Millimeter und bei Kettenbaggern auf bis zu plus/minus 25 Millimeter automatisch in der Höhe gesteuert. Die Maschinensteuerung verhindert das versehentlich zu tiefe Ausheben und die damit verbundene Nacharbeit, wie Rückbau, Verdichten und erneutes Abziehen.

Grober Erdbau

Im groben Erdbau (Löffel mit Zähnen) bleibt der Baggerfahrer 40 Zentimeter über dem fertigen Planum stehen und erstellt im Nachgang mit einem Grabenräumlöffel das fertige Planum auf Soll-Höhe. Die Trimble Earthworks Maschinensteuerung in Verbindung mit den Cat Kettenbaggern der nächsten Generation vermeidet, dass der Fahrer versehentlich das zu erstellende Planum im groben Erdbau zerstört, hierdurch kann sich der Fahrer ganz auf das schnelle Beladen der Transportfahrzeuge konzentrieren. Anmerkung für den Leser zum Größenvergleich: Ein DIN-A4-Blatt hat eine Kantenlänge von rund 30 x 21 Zentimetern, 40 Zentimeter sind nicht viel im groben Erdbau, wenn bewegte Tonnen pro Stunde die Messgröße ist.

Bei Cat Kettendozern mit Trimble Steuerung sorgt heute die Funktion „Auto Carry“ (Automatische Laststeuerung am Schubschild) dafür, dass das Schubschild automatisch angehoben wird, wenn die maximale Schubleistung des Dozers erreicht wird. Auto Carry vergleicht permanent die tatsächliche GPS-Bewegung des Dozers mit der tatsächlichen Motorleistung. Erreicht die Motorleistung ihr Maximum und die GPS-Bewegung verlangsamt sich, wird das Schild automatisch angehoben. Auto Carry verhindert, dass die Ketten durchdrehen. Dadurch kann der Fahrer immer voll ins Material fahren. Im Ergebnis werden weniger Überfahrten im Erdbau für das Ein- oder Abschieben von Material benötigt, da der Fahrer permanent dichter an der Leistungsgrenze der Maschine arbeiten kann. Ferner wird hierdurch der Verschleiß des Laufwerks reduziert. Auto Carry kommt ursprünglich von den Cat Dozern D10T und D11T im Bergbau für die Massenbewegung im Abraum und kann in der Funktionsweise mit einem Abstandstempomaten in einem modernen Pkw verglichen werden.

Feinplanum

Die konventionelle Erstellung des Feinplanums ohne automatische Maschinensteuerung ist ein ständiges Herantasten an die vorgegebene Soll-Höhe und kann als ein ständiges Arbeiten, Anhalten, Messen, Arbeiten, Anhalten, Messen und so weiter beschrieben werden. Dieser iterative „Stop-and-go“-Prozess wird zusätzlich durch die Qualität des Messgehilfen maßgeblich beeinflusst, der dem Fahrer die Höhenabweichungen signalisieren muss. Der Messgehilfe muss ständig die nächsten Manöver des Maschinenfahrers vorhersehen, eine akkurate Höhendifferenz an den Fahrer signalisieren und dabei auf seine eigene Sicherheit achten. Verschlimmert wird diese Situation häufig dadurch, dass dem Fahrer kein Messgehilfe zur Verfügung steht und der Fahrer selber zum Messen ein- und aussteigen muss. Doch gerade das Auf- und Absteigen von Baumaschinen ist nicht ohne Risiko: circa 70 Prozent aller Arbeitsunfälle auf Baustellen sind darauf zurückzuführen.

Die automatische Schildsteuerung hat die Flächenleistung von Dozern und Gradern von konventionell bei annähernd 3 000 Quadratmeter pro Tag auf 6 000 bis zu 10 000 Quadratmeter pro Tag gesteigert. Um diese hohen Flächenleistung zu gewährleisten, ist die permanente Versorgung mit Material vor dem Schild notwendig. Da sehr häufig die Materialzufuhr mit Lkw ein Engpass auf der Baustelle ist, hat sich ein anderes Phänomen im Straßen- und Erdbau eingestellt: „downsizing“ (verkleinern). Die Kunden sind von einem Cat Dozer D6T (24 Tonnen) zu einer D6N (19 Tonnen) oder von einer D6N zu einer D6K2 (14 Tonnen) gewechselt. Die maximale Schubleistung eines Dozers ist das Produkt aus Maschinenmasse mal Bodenschluss (μ ≈ 0,8). Im Straßenbau wird „nur“ loses und weiches Material eingebaut, hier ist die Schubleistung untergeordnet, wenn weniger Material vor dem Schild zum Einbauen zur Verfügung steht. Um die Flächenleistung eines Dozers weiter zu erhöhen, ist das Materialabkippen vor dem Schild und das Ausziehen als Teppich durch die Transportfahrzeuge effizienter als ein größerer Dozer: „Gut gekippt ist halb planiert“. Erst im groben Erdbau (gewachsenes Material) ist die Maschinenmasse und Motorleistung entscheidend für die Schubleistung des Dozers.

Materialmehreinbau

Was für den Einsatz von Maschinensteuerung spricht, ist, dass dem Dozer- und Graderfahrer die Seitenbegrenzungen für die Tragschicht, Frostschutzschicht und Asphaltdecke als Nebenachsen auf dem Bildschirm angezeigt werden. Ferner wird dem Fahrer der Abstand von der Schildecke zum Seitenrand als numerischer Wert visualisiert. Das hat den Vorteil, dass weniger Material über die Seitenränder „versehentlich“ hinaus eingebaut wird. Bei Cat Gradern mit Trimble Maschinensteuerung wird zusätzlich die Scharecke automatisch auf dem Seitenrand geführt, die Schar wird automatisch seitlich ein- und ausgefahren. Die Funktion Auto-Side-Shift verhindert bereits bei der Materialverteilung, dass zu viel Material links und rechts der Seitenränder eingebaut wird. Im konventionellen Straßenbau sind Materialmehreinbau von 20 Zentimetern links und rechts der Seitenränder nichts Ungewöhnliches, auch Materialmehreinbau in der Höhe von 2,5 Zentimetern, um die Mindestschichtstärken an allen Stellen des Bauwerkes zu gewährleisten, sind keine Seltenheit. Dieser Materialmehreinbau wird nicht bezahlt und läuft direkt gegen das Baustellenergebnis.

Andere Anwender lassen mit einem Dozer das Erdplanum, die Tragschicht und den Frostschutz auf plus/minus 25 Millimeter in der Höhe grob vorarbeiten und schicken jeweils im Anschluss einen Motorgrader über alle drei Lagen mit einer Höhengenauigkeit von plus/minus fünf bis zehn Millimetern. Wenn bei der Erstellung einer Lage eine Höhengenauigkeit der Unter- und Oberseite mit plus/minus zehn Millimeter sichergestellt werden kann, kann mit den Toleranzen „gespielt“ werden. Aus der Toleranzvorgabe plus/minus 25 Millimeter (oberes Abmaß: plus 25 Millimeter, unteres Abmaß: minus 25 Millimeter) wird dann zum Beispiel: 0 Millimeter/minus 25 Millimeter oder minus fünf/minus 25 Millimeter. Voraussetzung für diese Materialoptimierung ist, dass die jeweilige Unterseite der Lage exakt auf Soll-Höhe erstellt wurde.

Keine Nacharbeiten

Die automatische Schildsteuerung hat dazu geführt, dass Nacharbeiten im Erd- und Straßenbau nahezu verschwunden sind. Um dieses mit GPS- oder UTS-Steuerung (Totalstation) zu gewährleisten, ist es ratsam, dass sich der Fahrer mindestens einmal am Tag an einem bekannten Höhen- und Lagepunkt selbst kontrolliert. Die Messer von Schar, Schild und Grabenräumlöffeln nutzen sich mit der Zeit ab, GPS-Referenzstationen können sich verschieben, digitale Geländemodelle ändern sich und der Fahrer hat das nicht mitbekommen. Ein weiterer positiver Nebeneffekt beim Einsatz von Maschinensteuerung ist, dass nicht nur die Seitenränder als Nebenachsen angezeigt werden, sondern auch die Hauptachsen mit ihrer Stationierung und dem lotrechten Quermaß von der Schildecke zur Hauptachse. Dieses verwandelt die Baumaschine „nebenbei“ zu einer Absteck- und Messmaschine. Auf Linienbaustellen wird immer in Stationierungen gedacht und kommuniziert, um die Lage von Arbeitsaufträgen, Nachträgen oder Plattendruckversuchen eindeutig zu beschreiben. In der Vergangenheit hat die Vermessung die Absteckungen für die kommenden Absteckarbeiten auf der Baustelle für drei bis fünf Tage im Voraus vorbereitet. Ein Großteil der Arbeitszeit der Vermesser bestand in der physischen Absteckung von Pflöcken, Pinnen und Fahrdraht sowie dem Bau von Böschungslehren oder der Wiederherstellung von zerstörten Absteckungen. Unstimmigkeiten und/ oder Planungsfehler sind häufig erst auf der Baustelle in der praktischen Ausführung sichtbar geworden, mit der Konsequenz, dass der ganze Baustellenbetrieb bis zur Klärung stand. Der Einsatz von Maschinensteuerung verlagert die physische Absteckung von der Baustelle in die Arbeitsvorbereitung im Büro. Aufgrund der großen Speicherkapazität und Rechenleistung spielt es heute keine Rolle mehr, ob nur ein Abschnitt der Baustelle oder gleich die ganze Baustelle mit allen Schichten auf der Steuerung gespeichert wird. Die ganzheitliche Arbeitsvorbereitung im Innendienst führt dazu, dass Unstimmigkeiten und/oder Planungsfehler frühzeitig aufgespürt werden können, bevor überhaupt eine Baumaschine auf der Baustelle arbeitet.

Grundlagen GPS

Heute reden bei Maschinensteuerung alle über GPS (Global Positioning System, deutsch: globales Positionsbestimmungssystem). Doch was steckt dahinter und wie funktioniert es? Die Nutzung der GPS-Satellitensignale für die zivile Nutzung ist seit Mitte der 90er-Jahre möglich und kostenfrei für den Endnutzer. Das Satellitenpositionierungssystem GPS wurde vom US-amerikanischen Militär zur schnellen, sicheren und weltweiten Positionsbestimmung seiner Streitkräfte im Einsatz (Gefechtsbedingungen) entwickelt. Im Pflichtenheft stand: weltweiter Einsatz, Einsatz bei allen Wetterbedingungen, einheitliches weltweites Koordinatensystem, Signale sollen nicht oder nur schwer störbar sein und eine Lagegenauigkeit plus/minus 20 Meter haben. Diese Anforderungen wurden von GPS bei der Einführung 1985 sogar übertroffen, leider konnte auch der Feind diese GPS-Signale empfangen und für sich nutzen. Das führte zur Einführung des P- und Y-Codes auf dem GPS-Trägersignal. Das GPS-Signal mit P-Code wurde für die zivile Nutzung absichtlich verschlechtert und stand mit einer Lagegenauigkeit von plus/minus 300 bis 400 Metern zur Verfügung, was ausreichend für Pkw-, Marine- und Luftfahrtnavigation war und wesentlich besser, schneller und einheitlicher als alles, was zuvor zur Navigation zur Verfügung stand. Der militärische Y-Code ermöglichte eine Lagegenauigkeit, wie wir sie heute von GPS kennen. Seit dem 2. Mai 2000 ist der P-Code abgeschaltet worden und der zivile Nutzer kann die volle Genauigkeit von GPS nutzen. Arbeiten bei ungünstigen Sicht- und Wetterbedingungen: Ein weiterer Vorteil von GPS-Steuerung ist, dass sie überall dort einwandfrei arbeitet, wo zum Beispiel Rotationslaser- oder UTS-Steuerungen (Totalstationen) nur schwer oder gar nicht mehr arbeiten können, etwa bei Sturm und Wind, Nebel, Regen sowie Staub (schlechte oder beeinträchtigte Sicht) und Vibration (Erschütterung).

Von 2D-Laser zu 3D-GPS

Sofort nach der Verfügbarkeit von RTKGPS- Vermessung haben Unternehmen für Laser-Steuerungen begonnen, Baumaschinen, vornehmlich Grader und Dozer, mit dieser neuen Technologie auszurüsten. Bei Laser-Steuerungen beschreibt der Rotationslaser eine aufgespannte Fläche mit einer Längs- und Querneigung für nur einen bestimmten Abschnitt eines Baufeldes. Der Fahrer benötigt zusätzlich immer noch die Begrenzung in der Lage durch Pflöcke, wo die Laserfläche anfängt und wo sie aufhört. Laser-Steuerungen haben immer noch ihre Berechtigung bei Projekten mit einfacher Geometrie, wie Fundament- und Lagerflächen oder Park- und Reitplätzen. Ein Fußballplatz beispielsweise besteht aus vier Einzelflächen, sieht von oben aus wie ein platt gedrücktes Walmdach und kann mit den sechs Eckpunkten der vier Einzelflächen gut mit einer Laser-Steuerung erstellt werden. Aufgrund dessen, dass heute fast alle Bauprojekte auf dem PC mit CAD-Programmen geplant werden, nutzen die Planer auch alle Möglichkeiten der CAD-Programme voll aus. Heute sind Rastermaße, Vorzugsradien und Regelprofile ein Teil der Vergangenheit geworden. Wurden früher die Straßengeometrien auf den Einsatz von Laser-Steuerungen hin optimiert (große lange Flächen), wird heute der Achs- und Gradientenverlauf auf ein Minimum der Erdbewegung in der Ausführung getrimmt. Als Ergebnis kommt ein Straßenverlauf heraus, der sich harmonisch in das Landschaftsbild einpasst, sich hervorragend fahren lässt, ein Minimum an Erdbewegung verursacht und in der Ausführung aussieht wie eine Achterbahn. Im Achsverlauf schließt sich eine Klothoide (Übergangsbogen) oder ein Klothoidenabschnitt nahtlos an die nächste an und im Gradientenverlauf schließt sich ein Bogensegment nahtlos an das nächste an. Damit Maschinensteuerungen die Planungselemente von Achs-, Gradienten-, Breitenverziehung- und Rampenbandbeschreibung verstehen, werden die Planungselemente in ein digitales Geländemodell (DGM) umgewandelt. Damit kann jede beliebige Oberfläche beschrieben werden; das DGM kennt jedoch nur Dreiecke zur Beschreibung von Oberflächen. Eine Kurve mit einer Überhöhung kann nicht als eine einzelne Dreiecksfläche beschrieben werden, sodass die Kurve automatisch in lauter kleine einzelne Dreiecke zerlegt wird, bis die Höhenfehler zwischen Planungselementen (Ideal) und Dreiecksflächen (Annäherung) vernachlässigbar klein sind. Der große Vorteil von 3D-GPS-Steuerung ist, im Gegensatz zu einer Laser-Steuerung, dass die gesamte CAD-Planung als DGM auf der Steuerung hinterlegt ist, die Datengröße der Projekte spielt heute nur eine untergeordnete Rolle.

Integration in Cat Maschinen

Die ersten 3D-GPS-Steuerungen auf Gradern und Dozern waren immer Nachrüstungen in Neu- oder Bestandsmaschinen beim Kunden. Die Maschine musste durch eine sogenannte Vorrüstung erst in die Lage versetzt werden, dass eine Maschinensteuerung aufgebaut werden konnte. Der Vorteil: Der Kunde brauchte keine Neumaschine zu kaufen und konnte seine Bestandsmaschine relativ schnell auf der Baustelle nutzen. Diese Vorgehensweise hatte jedoch fünf große Nachteile: - Die Maschinen mussten für mindestens zwei bis drei Tage aus der Produktion in eine Werkstatt für die Nachrüstung gebracht werden, plus Hin- und Rücktransport. Der Hydraulikkreislauf für Schild heben/ senken und Querneigung musste geöffnet und ein zusätzliches elektrohydraulisches Ventil eingebaut werden. Die größte Herausforderung bestand darin, dass keine Verschmutzung durch Dreck während der nachträglichen Montage in das Hydrauliksystem gelangte. Das Arbeitsergebnis der Vorrüstung war hier immer abhängig von der Sorgfalt des jeweiligen Monteurs und der Sauberkeit der Maschine und Werkstatt. Das Arbeitsergebnis der Steuerung war nur so gut, wie die Qualität der Bolzen-Buchsen-Lagerung des Schildes. Häufig musste die gesamte Schildlagerung gleich mit erneuert werden. Jede Nachrüstung war anders, solange ein Monteur alle Maschinen bei einem Kunden nachgerüstet hatte, gab es einen „Quasi-Standard“ bei diesem Kunden. Hat derselbe Monteur ein Jahr später eine weitere Maschine nachgerüstet, sah diese Nachrüstung im Detail schon wieder anders aus. Die Maschinen waren nicht auf den Einsatz und die Montage von Maschinensteuerung ab Werk vorbereitet. Montageflächen für den Aufbau von Laser-, UTS- oder GPS-Masten auf dem Schild fehlten. Durchbrüche für die schnelle und saubere Verlegung des Kabelbaumes fehlten. Im rechten Joystick waren keine Bedienelemente für die Schildautomatik (An/Aus) integriert und es gab keine ergonomische Position für den Bordrechner mit Display im Sichtfeld zwischen den beiden Schildecken.

2006 hat Caterpillar beschlossen, alle seine Dozer, von der D4K bis zur D8R, und alle seine Motorgrader der M-Serie für den Einsatz von Trimble Maschinensteuerung GCS900 ab Werk mit der Accu-Grade-Ready-Option (kurz ARO oder ARO Ready) vorzubereiten. Ab Frühjahr 2008 hat Zeppelin ARO zum Ausrüstungsstandard für alle Dozer und Grader übernommen. Der Kunde hatte nun beim Kauf den Vorteil, dass die Maschine jederzeit mit einer Trimble Steuerung im Feld ausgerüstet werden konnte. Die oben angeführten Nachteile waren mit der ARO-Vorbereitung ab Werk verschwunden. Der größte Vorteil für den Kunden, Sitech und Zeppelin bestand darin, dass eine Trimble 2D-Laser-, 3DUTS- oder 3D-GPS-Steuerung innerhalb von zwei bis vier Stunden auf der Baustelle aufgebaut und in Betrieb genommen werden konnte. Der schnelle Aufbau von Trimble Maschinensteuerungen auf Cat Dozern und Gradern hat auch das Mieten von Steuerungen für den Kunden wesentlich erleichtert. Im März 2002 haben Caterpillar und Trimble ein Joint Venture CTCT (Cat Trimble Control Technologie) zur gemeinsamen Entwicklung von Trimble Maschinensteuerungen und der Integration in Cat Baumaschinen gegründet.

Im April 2005 wurde die Trimble Plattform für Maschinensteuerung GCS900 eingeführt. Sie ist heute mit über 4 000 installierten Systemen allein im deutschsprachigen Markt und einem Marktanteil von mehr als 60 Prozent eines der erfolgreichsten Maschinensteuerungssysteme überhaupt. Nach über zwölfeinhalb Jahren hat sich GCS900 zu einer vollumfänglichen Plattform für 2D- und 3D-Maschinensteuerungen für alle Maschinentypen und alle Steuerungsarten entwickelt. GSC900 besticht insbesondere durch seine anwendungsbezogene Softwareoberfläche sowie seine robuste Hardware von Bordrechnern (Display), Radios (Funkgerät für Korrekturdaten), Winkelsensoren, Verkabelung und Steckern. Ein gutes Produkt ist die Summe aller seiner durchdachten Details, die dem Anwender die tägliche Arbeit in allen Situationen erleichtert. Die Kabelverbindungen sind scheuer- und vibrationsfest ausgeführt und die Steckerverbindungen sind extra groß und robust für den täglichen rauen Gebrauch auf Baustellen ausgelegt. Der Bordrechner und die Winkelsensoren wurden auf Dauerfestigkeit für den weltweiten, harten Baustelleneinsatz entwickelt. Ständige Temperaturwechsel, permanente Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, feiner Wüstenstaub und Regeneinwirkung waren die ständigen Begleiter auf den Prüfständen von Trimble in der Entwicklungsabteilung. Die Software auf dem Bordrechner wurde aus dem Blickwinkel des Fahrers, der kein Vermessungsingenieur ist, für die jeweilige Maschinenart und Steuerungsart entwickelt. Immer mit dem Anspruch, die Benutzeroberfläche übersichtlich mit allen notwendigen Informationen zu versehen, die in dieser Anwendung benötigt werden. Die Benutzeroberfläche steht in 26 Sprachen zur Verfügung. Große, einfache Symbole, große, numerische Zahlenwerte und eine farbige 2D-Ansicht für Draufsicht, Quer- und Längsschnitt stehen zur Verfügung.

Gestern war Maschinensteuerung noch etwas Besonderes, heute avanciert sie zur Standardtechnologie bei Baumaschinen in der Erdbewegung. Früher war der Einsatz von Maschinensteuerung das Geheimnis, um hohe Gewinnspannen im Erd- und Straßenbau zu erwirtschaften, heute sind Steuerungen die Voraussetzung, um überhaupt an einer Ausschreibung mit einer Erfolgschance teilnehmen zu können.

Die nächste Generation

„Jeder, der ein Smartphone bedienen kann, kann auch Earthworks bedienen“, das ist der Anspruch, den Trimble Entwicklungsingenieure an sich selbst haben. Der demografische Wandel tut sein Übriges, und zusammen mit der sehr guten ökonomischen Lage führt dies zu einer massiven Verknappung von Fahrern für Baumaschinen. Heute konkurrieren alle Industrien, ob Maschinenbau, Elektro, Chemie, Handel, Banken, Automobil, Handwerk und öffentlicher Dienst um junge Berufseinsteiger. Zurzeit ist im Straßen- und Tiefbau der Abgang in den Ruhestand und die Abwanderung in andere Industrien größer als der Ersatz durch eigene Ausbildung. Neue, junge und unerfahrene Fahrer, die mit dem Smartphone und der ständigen Internetverbindung aufgewachsen sind, kommen auf die Baumaschinen. Die Frage ist, wie lange benötigt ein neuer, unerfahrener Fahrer, um mit Trimble Earthworks produktiv zu arbeiten: einen Monat, eine Woche oder einen Tag? Trimble hat intensiv mit über 80 Fahrern weltweit, vom Anfänger bis zum Vollprofi, vom Youngster bis zum Oldie, gesprochen. Die Befragten wurden bei der Bedienung der neuen Softwareoberfläche von Spezialisten beobachtet, um deren Bedürfnisse und Nutzerverhalten zu analysieren, um die schnellste und intuitivste Benutzeroberfläche zu entwickeln.

Die Anforderungen der Nutzer, die mit Trimble Earthworks umgesetzt wurden, waren folgende:

• Touchscreen

• Drei-Fingertipp-Bedienung

• Lesbarkeit des Displays bei direkter Sonneneinstrahlung

• Benutzeroberfläche in Landessprache

• Große, einfache Symbole und Grafiken

• Dreidimensionale Ansicht aus der Vogelperspektive

• Einfache Navigation in der Benutzeroberfläche

• Online-Hilfe und Tipps

• Einfacherer Hardware-Wechsel von einer auf eine andere Maschine

GCS900 ist mit seiner Grundkonzeption Anfang 2000 an seine technischen Grenzen gestoßen. Jetzt hat Trimble die Möglichkeit genutzt, von Grund auf mit den heutigen technischen Möglichkeiten eine neue zukunftsweisende Plattform zu entwickeln. Das 25,6 Zentimeter große Display TD520 mit Gorilla-Glas läuft mit Android-Betriebssystem, verfügt über eine WiFi- und Bluetooth-Anbindung und ist ferner auch offen für andere Anwendungen auf dem Tablet. Die alten Winkelsensoren von GCS900 wurden durch dreidimensionale Beschleunigungssensoren GS520, mit sechs Freiheitsgraden, sogenannten IMU (Inertial Measurement Unit, deutsch: Inertiale Messeinheit) ersetzt. IMU-Sensoren messen neben dem Winkel auch die Beschleunigung und eröffnen hierdurch eine Vorhersage der Bewegung. Um eine ruckfreie Grafik auf dem Bildschirm zu gewährleisten, wurde die Sensoren- und CAN-Bus-Geschwindigkeit von vormals 20 auf hundert Hertz erhöht, also auf die fünffache Datengeschwindigkeit. Die aus der Fahrersicht größten Vorteile sind die einfache und intuitive Benutzeroberfläche, wie auf einem iPhone oder iPad. Das Auswählen von Funktionen über Tippen auf der Oberfläche, das Aufziehen (Zoomen) von Ansichten mit zwei Fingern und die dreidimensionale Ansicht des Modells aus der Vogelperspektive zur Orientierung auf der Baustelle. Des Weiteren haben die Entwickler sichergestellt, dass jede Funktion von jeder Position in der Benutzeroberfläche mit maximal drei Fingertipps (Mausklicks) erreichbar ist. Das sind die herausragenden Vorteile der neuen Benutzeroberfläche für den Fahrer.

Fahrer tragen heute oft Sonnenbrillen mit polarisierten Gläsern. In Verbindung mit direkter Sonneneinstrahlung auf das Display führt dies zur Unleserlichkeit. Das neue Display TD520 ermöglicht ein kontrastreiches Bild, auch bei direkter Sonneneinstrahlung. Die Ausrüstungsquote mit 3D-Maschinensteuerungen bei Kettenbaggern ist im Vergleich zu Gradern mit 95 Prozent und zu Dozern mit über 60 Prozent in der Erstausrüstung mit nur zwei bis fünf Prozent sehr gering. Eine Maschinensteuerung auf einem Grader oder Dozer verdoppelt durch die automatische Schildsteuerung sofort die Flächenleistung der Maschine, während bei einem Bagger eine 3D-Steuerung ein reines Anzeigesystem war. Bei einem Bagger hat die 3D-Steuerung nur die Absteckung und das Ein- und Aussteigen des Fahrers beziehungsweise den Messgehilfen eingespart. Es ist immer noch ein routinierter Fahrer notwendig, der aus den drei Radialbewegungen von Löffel, Stiel und Ausleger eine lineare Fläche mit einer Höhengenauigkeit von plus/minus 2,5 Zentimetern erzeugt. Das erklärt die geringe Aufrüstungsquote bei Baggern mit 3D-Steuerungen. Versuche in der Vergangenheit, diese drei Bewegungen zu automatisieren, sind immer an der mangelnden Rechenleistung, den zu trägen Winkelsensoren und der zu langsamen CAN-Bus-Geschwindigkeit gescheitert. Caterpillar und Trimble gehen hier gemeinsam einen neuen Weg: Darum sind alle neuen Cat Kettenbagger (320, 330, 336) und alle folgenden Modelle (311 bis 390) ab Werk mit der 2D-Steuerung CGC (Cat Grade Control) und mit der Semi-Automatik Assist ausgestattet. Diese ermöglicht das automatische Abziehen von ebenen Flächen mit einer Höhengenauigkeit von plus/minus 20 Millimeter. Sobald die Löffelschneide die vorgegebene Soll Höhe erreicht, stoppt automatisch die Abwärtsbewegung des Auslegers. Der Fahrer zieht den linken Joystick für die Stielbewegung heran, der Ausleger führt automatisch eine Auf- und Abwärtsbewegung durch, und im Ergebnis entsteht eine grade Fläche. Die Leistungssteigerungen sind beträchtlich, sowohl bei Anfängern als auch bei Profis. Berufseinsteiger auf Baggern können nun sofort ein Feinplanum abziehen und erfahrene Fahrer werden vor Flüchtigkeitsfehlern geschützt, die sich nach langen Arbeitstagen einschleichen.

Cat Assist kann durch Sitech mit Trimble Earthworks von einer 2D-Steuerung auf eine 3D-GPS-Steuerung aufgerüstet werden. Die Cat Bagger 320E, 323E, 326F, 335F (CR), 336F und 349F können mit einer Semi-Automatik wie mit Trimble Earthworks von Sitech nachgerüstet werden. Trimble Earthworks nutzt hier die bereits vorhandenen Winkelsensoren (IMU), den Kabelbaum und die elektrohydraulische Ansteuerung für Löffel, Stiel und Ausleger auf den Cat Baggern der nächsten Generation. Die Löffelschneide folgt nun automatisch dem 3D-Modell mit seinen Bruchkanten. Trimble Earthworks ermöglicht den schnellen Wechsel der Maschinensteuerungskomponenten (GPS-Empfänger, Radio (Funk), Bordrechner (Display)) von einer vorgerüsteten auf eine andere vorgerüstete Maschine. Der Fahrer der abzurüstenden Maschine packt die Trimble Earthworks Hardware ein, der Fahrer der aufzurüstenden Maschine baut Trimble Earthworks Hardware auf. Die Maschinensettings (Einmessdatei), welche die genauen Hydraulikeinstellungen und die exakten Abmessungen beinhalten (wo befinden sich die Winkelsensoren (IMU) und die GPS-Empfänger auf dieser Maschine) verbleiben immer fest auf der Maschine. Dies hört sich ganz einfach an, doch bei Organisationen, die größer sind und die keine gepflegte Struktur der Einmessdatei organisiert haben, wurden sehr häufig die Maschinen kurzerhand und ganz „pragmatisch“ neu eingemessen. Die Einmessung bedeutet ein bis zwei Stunden Maschinenstillstand. Diese entfällt mit Earthworks vollkommen. Der demografische Wandel und die damit verbundene Verknappung von qualifizierten Maschinenfahrern, der in den letzten zehn Jahren geänderte Anspruch im Umgang mit Softwarebedienung und das Verlangen nach mehr Assistenzsystemen auf Baumaschinen, um sie produktiver werden zu lassen, wird den Straßen-, Tief- und Erdbau in den nächsten fünf Jahren nachhaltig verändern. Darum führt kein Weg daran vorbei, dass Baustellen hinsichtlich Qualität, Zeitplan und Budget noch erfolgreicher abgewickelt werden müssen. 

Der Autor des Beitrags, Bernhard W. Tabert, ist seit 2007 bei der Zeppelin Baumaschinen GmbH als Produktmanager tätig und verantwortet die Bereiche Maschinensteuerung, Flottenmanagement und Drohnenservices.