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Maschinensteuerung - Grundlagen

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Von Baggern, die automatisch abziehen können, bis zu selbstfahrenden LKW – Maschinensteuerungstechnik revolutioniert die Bauindustrie. Aber wie funktioniert diese Technologie eigentlich?

Um zu verstehen, wie Maschinensteuerungen die Bauwirtschaft revolutionieren, müssen wir zunächst klären, was mit dem Begriff „Maschinensteuerung“ gemeint ist und welche Gründe es für ihre Entwicklung gibt. Vereinfacht gesagt, wurden Hardware- und Softwarelösungen für die Maschinensteuerung entwickelt, mit denen die aktuelle Position einer Maschine auf der Erdoberfläche bestimmt und mit dem geplanten Entwurf verglichen wird. Anhand von Daten aus Satelliten oder Totalstationen und 3D-Modellen versetzt diese Technologie die Maschinisten in die Lage, ihre Maschinen exakt zu positionieren, ihre Position zu überprüfen, Gerätefunktionen zu automatisieren und Daten zu erfassen. Mittels verschiedener Positionierungssensoren und eines Displays liefert die Maschinensteuerung dem Bediener einen eindeutigen Abgleich zwischen der Position des Maschinenwerkzeugs und der geplanten Profilierung.

Dank dieser Ende der 1990er-Jahre im Bauwesen für Erdbaumaschinen eingesetzten Technologie können Entscheidungen anhand von Daten getroffen werden, anstatt sich auf fehleranfällige und herkömmliche Methoden oder die Fähigkeit und Erfahrungen des Maschinenführers verlassen zu müssen. Auf diese Weise fördert die Maschinensteuerung die Produktivität der Bediener und die Genauigkeit der Arbeiten.

Dank ihrer erhöhten Leistung und Präzision sparen Lösungen der Maschinensteuerung – wie MC-Max von Topcon – für Bagger, Planierraupen und Grader viel Zeit, Geld und Kraftstoff. Durch die Nutzung von Lösungsplattformen wie der MC-X-Plattform haben die Anwender Zugang zu einer Technologie, die alle Standardlösungen für die Positionsbestimmung auf der Baustelle und verschiedene Maschinentypen zusammenführt, d. h. sie können Totalstationen oder GNSS mit Baggern, Planierraupen und Motorgradern flexibel kombinieren.

Die Geschichte der Maschinensteuerung

Derzeit erlebt die Maschinensteuerung bei den unterschiedlichsten Baumaschinen – Grader, Planierraupen und auch Bagger – einen regelrechten Boom. Vor ihrer eigentlichen Nutzung mussten die Prüfung des Geländeprofils und die Positionierung der Maschinen jedoch manuell erfolgen – ein Verfahren, das eher ungenau und zeitaufwändig war und zudem aufgrund von Arbeiten im Radius der Maschinen ein erhöhtes Sicherheitsrisiko darstellte. Mit der beginnenden Entwicklung der 2D- und 3D-Technologie erfuhr auch die noch junge Maschinensteuerungstechnologie einen Entwicklungsschub. Diese Technologie aus den Anfangszeiten lieferte den Bedienern einfache optische Orientierungshilfen, häufig ergänzt um Anzeigesysteme, die vorgaben, in welcher Höhe zu arbeiten war. Auf diese Weise wurden die Schilde von Planierraupen und die Scharen von Gradern gesteuert und auf der korrekten Höhe gehalten.

Zu diesem Zweck wurden Rotationslaser aufgestellt, deren Signale von an den Planierraupen oder Gradern angebrachten Sensoren empfangen werden konnten. Dadurch erhielten die Bediener die grundlegenden Informationen, die sie zur Steuerung ihrer Maschinen benötigten. Im Vergleich zu heutigen Systemen der Maschinensteuerung waren diese frühen Systeme jedoch noch sehr begrenzt in der Lage, ein vollständiges und genaues Bild zu liefern. Außerdem waren sie häufig zu kostspielig oder komplex.

Heutige Herausforderungen der Branche

Blicken wir auf die aktuelle Situation, steht die Bauwirtschaft vor großen Herausforderungen. Es ist kein Geheimnis, dass es in diesem Sektor an Nachwuchs mangelt. Bauunternehmen tun sich schwer, junge Leute für sich zu gewinnen, so dass es immer weniger Neueinsteiger für den Beruf des Maschinenführers gibt.
Sollte sich dieser Trend fortsetzen, steht die Branche vor einem Mangel an erfahrenen und zuverlässigen Bedienern, was letztlich die Qualität und Produktivität der Projekte angesichts fehlender Qualifikationen beeinträchtigen wird. Um Bauprojekte dennoch erfolgreich abzuwickeln und dem drohenden Fachkräftemangel Paroli zu bieten, setzt die Branche auf die automatische Maschinensteuerung, von der sie sich verbesserte und optimierte Arbeitsabläufe verspricht.

Automatisierte Maschinensteuerung

Die automatisierte Maschinensteuerung geht über eine simple, optische Orientierungshilfe für den Bediener bezüglich der Position des Löffels oder des Schildes hinaus. Vielmehr steuert sie das Arbeitsgerät auf die korrekte Höhe, indem sie Befehle an die Maschinenhydraulik sendet. Damit liegt bei der automatisierten Maschinensteuerung – anders als bei der herkömmlichen Technologie – die Verantwortung für Genauigkeit und Geschwindigkeit fest in den Händen der leistungsfähigen Technik. Somit können dank dieser Technologie auch neue oder weniger erfahrene Bediener wie „alte Hasen“ arbeiten, während selbst die erfahrensten Bediener noch besser und schneller werden.

Hat sich die automatisierte Maschinensteuerung durchgesetzt?

Betrachtet man die derzeitige Situation im Baugewerbe, wird schnell klar, dass die automatisierte Maschinensteuerung trotz ihrer erheblichen Vorteile nicht bei allen Maschinen im selben Maße eingesetzt wird. Während die Automatisierung bei Maschinen wie Gradern und Planierraupen relativ weit verbreitet ist, steigt die Akzeptanz bei Baggern erheblich langsamer. Der Anteil der automatisierten Maschinensteuerung stagniert bei diesen Maschinen in Europa bei geschätzten 10 %, während er bei Planierraupen bei über 50 % liegt. In der Vergangenheit war das kaum verwunderlich, da die Branche über ein stabiles Potenzial an Fachkräften verfügte, galt die Notwendigkeit für automatisierte Bagger nicht als besonders hoch. Heute lässt sich eine Produktivitätssteigerung bei Baggern feststellen, da sich eine höhere Genauigkeit und weniger Überaushub relativ leicht nachweisen lassen. Dessen ungeachtet muss die Branche jetzt die Anforderungen an Bagger neu bewerten. Angesichts steigender Anforderungen an die Produktivität und fehlender qualifizierter Bediener muss das Baugewerbe die Vorteile nutzen, die eine Investition in die automatisierte Maschinensteuerung mit sich bringen kann.

MC-Max Bagger

Gerade jetzt bietet sich der Branche die Chance, ihre Arbeitsabläufe grundlegend umzugestalten, indem sie in automatisierte Aushubsysteme investiert – und damit den ersten Schritt in Richtung einer vollautomatisierten Baustelle wagt.

 Topcon MC-Max für Bagger erweitert beispielsweise das vorhandene Maschinensteuerungssystem um eine zusätzliche, extrem sanft ansprechende Hydraulikansteuerung. Über eine anwenderfreundliche Tastenbedienung bietet diese Technologie eine automatische Höhensteuerung bei Planumsarbeiten auf ebenen, stufigen oder geneigten Flächen. Mit diesem System können erfahrene Maschinenführer ihre Fähigkeiten erweitern, während Einsteiger schon in kürzester Zeit so effizient wie ihre erfahrenen Kollegen arbeiten.

Durch einfaches Zurückziehen des Joysticks kann der Bediener automatisch die Grabtiefe, die Löffelarmhöhe und den Löffelwinkel steuern – somit ist gewährleistet, dass er jedes Mal die korrekte Höhe einhält und einen Überaushub vermeidet. Auf diese Weise sparen sowohl neue als auch erfahrene Bediener Zeit und Geld, da die Produktivität um schätzungsweise 30 % steigt. Damit nicht genug, sorgt diese Technologie auch dafür, dass nur so viel Material bewegt wird, wie erforderlich ist. Ein Überaushub wird also zuverlässig vermieden, zusätzliche Kosten für Kraftstoff und unnötige Materialtransporte werden einspart.

Aber auch zur Sicherheit auf der Baustelle tragen automatische 3D-Maschinensteuerungen wie MC-Max wirksam bei. Durch Einsatz modernster und präzisester GNSS-Lokalisierungstechnologien und Sensoren erhalten die Maschinenführer dynamische Anzeigen der Löffelstellung und Planungsvorgaben in Echtzeit auf ihrem Bildschirm. Durch den Zugriff auf Echtzeitpläne können die Bediener genauer arbeiten und komplexe Profile direkt in der Kabine überprüfen, ohne dass die Fläche durch Dritte im Graben überprüft werden muss. 
Dank der integrierten Konnektivität können sich diese automatisierten Maschinensteuerungssysteme mit Baustellenmanagement-Lösungen wie Topcon Sitelink3D vernetzen. Auf diese Weise haben die Teams Fernzugriff auf die Bagger, während von jeder Maschine Berichte erstellt und an eine zentrale Stelle übermittelt werden können. Berichte, Daten und sogar Planungsunterlagen können zwischen dem Büro und dem Bildschirm in der Kabine ausgetauscht werden. Somit ist gewährleistet, dass die Bediener über jede Änderung in Echtzeit auf dem Laufenden gehalten werden und kaum noch Nacharbeiten bei Planänderungen notwendig sind. Indem die Teams mit aktuellen Leistungsdaten versorgt werden, können sie den Fortgang der Bauarbeiten überwachen und sogar vom Büro aus in Echtzeit Änderungen an den Plänen vornehmen.

Die Zukunft der automatisierten Maschinensteuerung

Die Automatisierung ist nur der erste Schritt der Maschinensteuerung. Wagen wir einen Blick in die Zukunft, wird die Automatisierung nicht nur Grabwinkel und Tiefe steuern, sondern höchstwahrscheinlich den gesamten Aushubvorgang übernehmen können und damit die Produktivität im gesamten Arbeitsablauf eines Bauprojekts erhöhen. Durch den Einsatz automatisierter Maschinensteuerungen wie MC-Max und von Baustellenmanagement-Tools wie Sitelink3D werden Maschinen gewissermaßen als Sensoren fungieren können. Somit wird eine Echtzeitüberwachung des Projektfortgangs ebenso möglich wie die Bereitstellung exakter Berichte zur Produktivität der Bauaktivitäten. Für den breiter gefassten Arbeitsablauf werden diese Berichte anschließend zur Synchronisierung mit anderen Gewerken innerhalb eines Projekts und der zugehörigen Ausrüstung – beispielsweise LKW – dienen, um den gesamten Bauprozess zu rationalisieren und Projektverzögerungen zu vermeiden.

Heutzutage entscheiden einzelne Personen darüber, ob mehr Bagger benötigt werden. Dabei orientieren sie sich an den Fertigstellungsterminen und der Transportdauer, was wiederum die Anzahl der Muldenkipper beeinflusst. In Zukunft werden vollautomatische Arbeitsabläufe den Projektleitern das Instrumentarium an die Hand geben, um das Tempo des Baufortgangs exakt zu analysieren und entsprechende Ressourcen vorzusehen.

Die Verantwortlichen der Bauwirtschaft müssen sicherstellen, dass diese Technologie dazu beiträgt, die Fähigkeiten ihrer Mitarbeiter zu erweitern, und sie müssen die damit verbundenen potenziellen Vorteile für ihre Projekte nutzen. Denn ohne Zweifel werden vollautomatische Arbeitsabläufe zukünftig die Antwort auf unsere Infrastrukturziele sein.