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O+P Fluidtechnik 1-2/2021

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O+P Fluidtechnik 1-2/2021

MOBILE MASCHINEN

MOBILE MASCHINEN AUTOMATISIERUNG AUTOMATISIERUNG VON HYDRAULISCH ANGETRIEBENEN ERDBEWEGUNGS- MASCHINEN – TEIL II Im vorliegenden zweiten und abschließenden Teil der Serie wird nach einem kurzen Blick auf ausgewählte weit entwickelte Demonstratoren der Forschungsstand und verbleibender Forschungsbedarf betrachtet, die für eine autonom arbeitende Maschine als langfristiges Zukunftsziel relevant sind. Hieraus wird eine Vision abgeleitet, welche Entwicklungen uns mittelfristig auf einer modernen Baustelle vermutlich erwarten werden. Die ETH Zürich setzt seit einigen Jahren prototypische (Teil-)Automatisierungslösungen an einem Schreitbagger um. In [HLSM15] wird z. B. eine automatische Nivellierung und Fußkraftverteilung vorgestellt. Musste der Fahrer bisher alle vier Füße des Schreitbaggers manuell nacheinander steuern, so reicht nun die manuelle Bedienung der vorderen Beine allein, während eine computergestützte Steuerung die hinteren Beine so nachführt, dass die Kabine in ebener Orientierung verbleibt und die Fußkräfte gleichmäßig verteilt sind. Damit kann der Fahrer die Maschine sicherer und schneller bewegen, als zuvor. In die Kategorie der bedingten Automatisierung (Level 3) fallen die Aktivitäten der Stiftungsprofessur für Baumaschinen der TU Dresden im Rahmen des Projekts „Smart Loader“ [KBHR17], [WaRW18]. Gegenstand der Entwicklung ist die Automatisierung des 52 O+P Fluidtechnik 2021/01-02 www.oup-fluidtechnik.de

AUTOMATISIERUNG Schaufelbefüllungsprozesses bei einem Radlader. Voraussetzung für die Arbeitsplanung ist an erster Stelle die Erkennung des Istzustandes der Umgebung – hier der Haufwerksebene. In [WaRW18] ist eine Lösung auf Basis eines Lidar-Sensors beschrieben. An der TU Tampere in Finnland existiert ein mittlerweile unter bestimmten Bedingungen vollautonom arbeitender Radlader. In [Tamp17] nimmt dieser ohne menschlichen Eingriff Schüttgut aus einem Haufen auf und lädt dieses an anderer Stelle ab. Der „Bediener“ muss hierzu die Arbeitsaufgabe genau definieren, also Aufnahmeort, bestimmte Wegpunkte und Ablageort. Auch wenn die Maschine zuweilen noch langsam und teilweise unpräzise arbeitet, was sich in einer geringen Schaufelbefüllung äußert, zeigt die Lösung doch das Potenzial, das sich mit bereits jetzt verfügbaren Technologien heben lässt. Es ist zu erwarten, dass weitere Optimierungen mittelfristig zu einer Leistungssteigerung der Maschine führen werden. Mit dem HEAP-Schreitbagger von Menzi Muck hat die ETH Zürich ein Beispiel für einen automatisierten Grabprozess realisiert [Ethz20]. Mithilfe eines 3D-Lidarsystems (ein Velodyne VLP16) zur Erfassung der Arbeitsoberfläche und Erstellung einer Terrainkarte ist der Bagger in der Lage, auch tiefen Grabenaushub vollautomatisiert zu bewerkstelligen. Der sensorische und antriebstechnische Aufwand zur Realisierung solch eines Demonstrators ist erheblich, weshalb sich dieser Automatisierungsgrad wohl nur bedingt in der breiten Masse der Erdbewegungsmaschinen in den nächsten Jahren wiederfinden wird. Dennoch wurde hier gezeigt, was technisch möglich ist und wie sich der Weg für neue Assistenzfunktionen bereiten lässt. Bild 01 zeigt die Antriebsarchitektur der Aktoren von HEAP [JLKH19]. Auf einem ähnlich anspruchsvollen Niveau ist der Demonstrator THOR der TU Kaiserslautern angesiedelt, welcher auf einem 18-Tonnen-Volvo-Bagger basiert [Schm16]. Schwerpunkt dieser Arbeiten war die Arbeitsplanung. Die Maschine ist in der Lage, verschiedene Grabaufgaben autonom durchzuführen, einschließlich der autonomen Bewegung der Maschine zwischen verschiedenen Standorten. ERTÜCHTIGUNG DER HYDRAULIK FÜR AUTOMATISIERUNGSFUNKTIONEN Die zuvor angesprochenen (Teil-)Automatisierungslösungen umfassen vorrangig Regelungen komplexer kinematischer Ketten. So wird z. B. im Rahmen des Projekts „Smart-Loader“ beim automatisierten Abtragen des Haufwerks die Ladeschaufel des Radladers stets so positioniert, dass minimale Prozesskräfte und ein minimaler Kraftstoffverbrauch erreicht wird [WaRW18]. Die Löffelspitze des erwähnten HEAP-Schreitbaggers von Menzi Muck folgt beim automatisierten Grabprozess einer optimierten Bahnkurve, sodass der Löffel unter Berücksichtigung der Standsicherheit stets maximal befüllt wird [JHLH17]. Das Ziel der Automatisierungslösungen ist somit i. d. R. ein geeignetes Folgeverhalten eines Tool- Center-Points als Endpunkt einer kinematischen Kette. Mithilfe inverser Kinematikberechnungen lassen sich daraus die Sollwerte der eingesetzten elektrohydraulischen Achsen ableiten. Hieraus wiederum folgt, dass grundsätzlich umfassende Regelungen elektrohydraulischer Achsen notwendig werden, wie dies in der Stationärhydraulik, der Robotik und im Bereich elektrisch betriebener Maschinen und Anlagen bereits verbreitet ist. Im Sinne einer guten Regelbarkeit zeigten Untersuchungen aus dem Bereich stationärer Maschinen, dass die Systemeigenschaften hohe Dynamik, Linearität, Wiederholgenauigkeit und Unabhängigkeit parallel betriebener Verbraucher wünschenswert sind. Herkömmliche Hydrauliksysteme mobiler Arbeitsmaschinen sind klassischerweise für den bedienergeführten Betrieb konzipiert und bringen einige Herausforderungen mit sich: n Lange Hydraulikleitungen sowie hohe Auslenkzeiten variabler Hydraulikpumpen begrenzen häufig die erreichbare Dynamik der Antriebssysteme. 01 Antriebsarchitektur der Aktoren von HEAP [JLKH19] Host PC Hydraulics CAN Bus Electrical HyTTC Pilot Stage Valve Main Stage Valve Servo Valve + Micro Controller + Pressure Sensing Pilot Stage 30bar Main Stage 300bar www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2021/01-02 53

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