Maschinenführung und autonome Ausrüstung kommen den Auftragnehmern auf halbem Weg entgegen

Apr 27, 2024

Built Robotics stellte Bechtel Steuerungen zur Verfügung, mit denen Bagger autonom betrieben werden können und von einem Bediener vor Ort in einem nahegelegenen Anhänger überwacht werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Built Robotics

Da Gerätehersteller zunehmend auf Elektrifizierung und autonomen Betrieb setzen, möchten Anbieter von Positionierungs-, Middleware- und Robotertechnologie wie Moog Construction, Built Robotics und Trimble Auftragnehmer dabei unterstützen, die Zukunft zu testen.

Die Umstellung auf elektrischen oder autonomen Betrieb ist für Auftragnehmer kein geringer Aufwand. Die Kosten variieren, aber ein batteriebetriebenes schweres Gerät kann gegenüber Dieselmaschinen einen Preisvorteil von 50 % oder mehr haben, und zwar ohne Berücksichtigung der Preise für die Installation von Ladestationen und die Modernisierung von Servicestationen.

Durch die Aftermarket-Elektrifizierung dieselbetriebener Geräte können sich Auftragnehmer zu einem günstigeren Preis an diese neuen Systeme gewöhnen, während vom Händler installierte Sensorpakete einen Vorgeschmack auf halbautonome Maschinen bieten. Mietkanäle sind eine weitere Möglichkeit, diese neuen Arbeitsweisen auszuprobieren.

SunBelt Rental übernahm im Jahr 2022 die ersten 100 Einheiten des vollelektrischen Kompakt-Raupenladers Bobcat T7X und verlängerte diesen Vertrag um zusätzliche Einheiten, die Anfang des Jahres gekauft wurden. Der T7X verfügt über das integrierte Software-Framework von Moog, eine elektrische Maschinensteuerung, elektrische Hub- und Kippantriebe, elektrische Fahrmotoren und der ehemalige Dieselmotorraum ist mit Batterien und elektronischen Steuerungen gefüllt. Der Hub arbeitet mit elektrisch betriebenen Aktuatoren und nicht mit Hydraulik. Obwohl er über die Leistung eines normalen Bobcat-Raupenladers T76 verfügt, ist der T7X aufgrund der Batterie- und Steuerungskomponenten etwa 450 kg schwerer, was für den Bediener zu einer anderen Handhabung führt.

Der autonome Kompakt-Raupenlader (oben) kann mithilfe der Moog-Software (links) von einem Fernbediener so programmiert werden, dass er Materialien liefert oder andere Aufgaben ausführt. Fotos von Jeff Yoders/ENR

Keith Churchill, Chief Innovation Officer von Bechtel, und Ken Burke, der globale Betriebsleiter des Unternehmens, arbeiteten 2021 auf dem Gerätehof des Unternehmens im Raum Houston und verwendeten Hardware von Built, die es ermöglichte, die Bagger des Unternehmens völlig autonom zu betreiben.

Churchill sagte, ein wettbewerbsintensiver Arbeitsmarkt mache es für die qualifizierten Bediener des großen EPC-Auftragnehmers vorteilhaft, mehrere der autonomen Bagger von einem Anhänger aus zu beaufsichtigen, anstatt stundenlang Gräben für große Solarparkprojekte in Texas und Louisiana auszuheben.

Die Bediener konnten die Komatsu- und Caterpillar-Bagger vor Ort überwachen, während sie Gräben für elektrische Leitungen und Löcher für Pfähle zur Unterstützung der Paneele aushoben. Das System von Built wurde von Burke und seinem Team auf Bechtels Hof getestet und sie entwickelten Verbesserungen wie die Verwendung eines Sicherheits-Geofence, um sicherzustellen, dass die Bagger automatisch abschalten, wenn sie Menschen zu nahe kommen. Das System von Built passt auf normale Caterpillar- und Komatsu-Hydraulikbagger und übergibt die elektrohydraulischen Steuerungen der Maschine an einen Bordcomputer, der so programmiert ist, dass er standardisierte und sich wiederholende Aushubaufgaben unter Beladung vor dem Betrieb ausführt. Bei den Solarprojekten von Bechtel erreichten Built-fähige Bagger eine Betriebszeit von 93 % bei einer Produktivitätsrate von 191 linearen Fuß pro Stunde – eine Produktivitätssteigerung von 45 % im Vergleich zu einem einzelnen Bediener beim Ausheben von Gräben.

Die autonomen, vollelektrischen Raupenlader von Moog werden in ähnlicher Weise bei einem groß angelegten Solarprojekt eines großen Solarenergieanbieters im Westen von New York eingesetzt. Jeder Lader verfügt über eine GPS-Einheit sowie vorne und hinten montierte Kameras und LiDAR-Sensoren, die direkt mit der Moog-Software kommunizieren. Dieser Aufbau ermöglicht es einem Bediener, einfache Befehle zu programmieren, z. B. Paletten mit Materialien in einem Ablagebereich aufzunehmen und sie dorthin zu liefern, wo sie benötigt werden, sich dann umzudrehen und die Aufgabe zu wiederholen.

Die autonomen Raupenlader liefern Materialien wie Polysilizium-Photovoltaikpaneele, die jeweils 80 Pfund wiegen. Der Projektstandort liegt, wie die meisten Solarenergieanlagen im Versorgungsmaßstab, in einer abgelegenen Gegend, und die Installationsteams müssen jede Woche Hunderte Paletten mit Paneelen liefern. Aditya Sharma, Business Development Manager bei Moog, sagte, dass die autonome Lieferfunktion ein Maß an Konsistenz biete, das der Auftragnehmer benötigt.

Er sagte, Moogs Wurzeln in der Art von Mechatronik, die bereits in der Weltraumforschung, bei militärischen Anwendungen sowie der Öl- und Gasexploration weit verbreitet sei, seien ein Vorteil für Unternehmenspartner wie Bobcat und Sunbelt, wenn es sowohl um Autonomie als auch um elektrischen Betrieb gehe.

„Viele [Bau-]OEMs verfügen weder über das Engineering-Team noch über die Aktuatoren und Servomotoren, um dies zusammenzustellen. Deshalb versuchen sie, es aus allen Himmelsrichtungen zu beziehen“, erklärt Thomas Greier, Systemingenieur für Robotik bei Moog. Laut Greier ist der derzeitige Fokus des Unternehmens auf Solarenergie darauf zurückzuführen, dass diese Projekte arbeitsintensiv, schmutzig, abgelegen und im laufenden Übergang zur sauberen Energieerzeugung stark nachgefragt werden. Greier glaubt auch, dass die Betreiber, sobald sie verstehen, was sie mit elektrischen Maschinen machen können, diese gegenüber Dieselmaschinen bevorzugen werden.

„Deine Macht ist verteilt. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Hydrauliksystem verfügen Sie also über eine unabhängige Leistung an jeder Achse. Sie können abhängig von Ihrer Anwendung gleichzeitig die volle Leistung und das Heben, Neigen und Ziehen ausführen“, sagt Erik Berg, leitender Systemingenieur bei Moog Construction. „Dies ist ein herkömmliches Planetengetriebe, aber dahinter befindet sich ein Servomotor, der das Getriebe antreibt und Ihnen 100 Prozent Drehmoment ab Nulldrehzahl liefert. Das bedeutet, dass ich als Fahrer im gesamten Leistungsbereich im Vergleich zum Diesel über das volle Drehmoment verfüge. Erstaunlich zum Planieren und Ausheben der Pfähle.“

Laut Berg wird die Anpassung der Leistung an verschiedene Aufgaben nur sehr selten den Austausch ganzer Systeme wie bei einer hydraulischen Plattform erfordern, da die Servomotoren und Aktuatoren eines elektrischen Raupenladers per Software konfigurierbar sind. Einstellungen für Hublänge und Geschwindigkeit der Aktuatoren können durch ein Update der Software geändert werden, ähnlich wie bei der Installation des neuesten Firmware-Updates für einen PC. Auch das Nachfüllen von Hydraulikflüssigkeiten entfällt.

Sein Lift verfügt über einen IMU-Sensor (rechts), der die gekippte oder angehobene Distanz zurück an die Software meldet. Der CTL verfügt über elektrische Aktuatoren (Mitte) und nicht über hydraulische Antriebe für den Hubbetrieb (links). Der Batteriekasten enthält eine Lastmanagementtechnologie, die den Stromverbrauch ausgleicht, um die Ladung im Laufe der Zeit besser zu schonen, sowie ein Getriebe, das Batteriestrom an einzelne Servomotoren auf den Schienen und Hebevorrichtungen der Maschine liefert. Fotos von Jeff Yoders/ENR

Trimble verfolgt einen ähnlichen Ansatz, damit Kunden ihre vorhandenen Maschinenflotten auf neue Weise nutzen können, und bietet Upgrades an, um die 3D-Maschinenführung in die Kabine zu bringen und den Fahrern zu helfen, Zeit zu sparen. Obwohl 3D-Maschinensteuerungen und -führungen bereits seit mehr als einem Jahrzehnt kommerziell verfügbar sind, ist es immer noch etwas gewöhnungsbedürftig, mit ihnen ein Gefälle in der Kabine zu ermitteln und die Notwendigkeit zu beseitigen, dass ein Vermesser oder ein anderer Arbeiter Gefälle außerhalb der Maschine halten muss. Aber die Möglichkeit, heute ein Maschinensteuerungssystem für eine minimale Investition zu installieren, verglichen mit der Investition in eine ganz neue Maschine, verändert die Kalkulation der Auftragnehmer.

Siteworks Machine Guidance nutzt die Trimble Siteworks-Software für Vermessung und Projektlayout, um dem Bediener über ein Tablet-Display in der Kabine Anweisungen zu geben. Ein einzelner Baggerführer kann Tätigkeiten ausführen, für die zuvor eine ganze Mannschaft erforderlich war – mit GPS-Geräten, die neben dem Fahrer arbeiten und Vermessungs- und Planungsaufgaben vor Ort durchführen. Auch die Protokollierung von Daten zu ausgehobenen Gräben oder der genauen Anzahl ausgehobener Eimer kann automatisch erfolgen.

„Es hilft dem Auftragnehmer, insbesondere den kleineren [Unternehmen], die ich als Nicht-Unternehmensebene bezeichnen würde – Werkstätten, die normalerweise Eigentümer und Betreiber sind –, in die Technologie einzusteigen und wirklich produktiver zu sein“, sagt Steve DiBenedetto, Trimble-Produktmanager von Tiefbau- und Außendienstlösungen. Bediener müssen jetzt „nicht mehr in die Maschine hinein- und wieder herausspringen“. Er weist darauf hin, dass Siteworks Machine Guidance auch Auftragnehmern bei personellen Herausforderungen helfen kann, da sie für die Vermessungsarbeiten keine separate Person in einem Loch mit einem Pfahl benötigen oder einen Vermesser zur Baustelle zurückrufen müssen, wenn jemand Pfähle umstößt, die dort waren bereits platziert.

Siteworks Machine Guidance kann von einem Trimble SITECH-Händler in wenigen Stunden installiert werden. Es besteht aus drei Teilen: einer Trimble GPS-Antenne, die oben am Baggerarm montiert wird; ein am Dogbone des Baggerarms befestigter Trägheitsmesseinheitssensor (IMU); und das Feldtablett im Fahrerhaus. Zusammen mit einem Kabelbaum kann das System laut Trimble in jeden kleinen bis mittelgroßen Bagger eingebaut werden.

Mit der IMU können Messungen wie Grabtiefe und Grabwinkel in die Trimble-Software in der Kabine hochgeladen werden. Die GPS-Antenne bringt diese Bewegungen in einen Kontext, unter anderem mit einem 3D-Modell dessen, was sich unter der Erde befindet, und nutzt dazu die Positionierungs-Engine der Trimble-Software. Sensor, GPS und IMU verbinden sich alle über Bluetooth. Die GNSS-Smart-Antennen Trimble SPS986 und Trimble R780 können beide als GPS-Antenne mit Siteworks Machine Guidance verwendet werden. Trimble verkauft Siteworks Machine Guidance als Abonnement mit monatlichen Zahlungen oder als traditionelleres, unbefristetes Angebot. Wenn ein Auftragnehmer bereits über ein Trimble-Standortpositionierungssystem mit Siteworks verfügt, könnte das Upgrade je nach regionalen Händlerpreisen etwa 5.000 US-Dollar kosten.

Die Lieferung von Paletten mit Polysilizium-Photovoltaikmodulen mit autonomen CTLs spart Arbeitskräfte bei einem Solarprojekt im Westen von New York. Foto links mit freundlicher Genehmigung von Moog Construction

„Wir verwenden das System hauptsächlich auf unseren kleineren Baustellen“, sagt Tom Gardocki, Miteigentümer von New Era Excavation in New Hampshire, der auch für seinen YouTube-Kanal „Dirt Ninja“ bekannt ist, auf dem er verschiedene von ihm verwendete Geräte vorführt . „Wir sind bereits Trimble-Benutzer, wir betreiben viele ihrer anderen Systeme, einschließlich der 3D-Neigungskontrolle, auf unseren Baggern und Bulldozern, und dann haben wir auch mehrere Basis- und Rover-Setups für 3D. Dies ist also ein weiteres Werkzeug in unserem Kit für bestimmte Aufgaben.“

Gardocki sagt, dass New Era Siteworks Machine Guidance hauptsächlich bei kleineren Entwässerungs- und Planierprojekten einsetzt, bei denen der Auftrag nicht die Zeit erfordert, ein vollständiges 3D-Modell der Baustelle zu erstellen. Stattdessen geht er einfach zur Baustelle, nimmt die Vermessungspunkte auf, speichert sie im Basislayout und ruft sie auf dem Siteworks Machine Guidance-Tablet auf, um die Anleitung für den Aushub zu erhalten. „Das ist der große Vorteil, man hat quasi beide Systeme in einem“, sagt Gardocki. „Sie verfügen nicht über die volle Leistungsfähigkeit, die Sie hätten, wenn Sie in das vollständige 3D-System investieren würden, aber es ist definitiv eine großartige Möglichkeit, in die 3D-Maschinensteuerung einzusteigen.“

Gardocki sagt, dass es nur fünf Minuten dauern kann, die Punkte zu definieren, die Maschine einzurichten und mit der Führung in der Kabine präzise zu graben.

Wie Moog und Built hat auch Trimble einen eifrigen Markt von Auftragnehmern gefunden, die bereit sind, seine Technologie in Solarprojekten für Versorgungsunternehmen einzusetzen.

Als Trimble Anfang des Jahres ein 1,7-MW-Solarfeld zur Stromerzeugung für seinen Hauptsitz in Westminster, Colorado, hinzufügte, nutzte der Auftragnehmer Trimble Groundworks, um Löcher für die Pfähle zur Unterstützung der Solaranlage zu identifizieren und zu graben.

Mithilfe von GPS-Koordinaten findet das Trimble Groundworks-System den genauen Standort eines Pfahls und gewährleistet eine genaue Lotung und Ausrichtung sowie die richtige Tiefe. Die herkömmliche Methode, bei der zum Ausrichten der Pfosten Bindfäden verwendet werden, birgt das Risiko von Fehlern und erfordert längere Rüstzeiten, ganz zu schweigen von der Stolpergefahr für die Arbeiter, die die Messung durchführen. Die Tiefe einer Ausgrabung kann anhand des von der IMU gemessenen Winkels und der Tiefe des Löffels verfolgt werden. Mithilfe von GPS-Koordinaten werden die Bauunternehmer bei ihrem Erscheinen darauf hingewiesen, dass die Baustelle beispielsweise nicht eben ist oder nicht auf den richtigen Höhen markiert ist.

Der Auftragnehmer von Trimble „zögerte ehrlich gesagt sehr, in die Technologie einzusteigen, und wir als Kunde zwangen ihn gewissermaßen, Groundworks zu verwenden“, sagt DiBenedetto und fügt hinzu, dass das Unternehmen kurz nach Abschluss des Projekts „einen Auftrag dafür erteilte“. vier Systeme.“ Er fügt hinzu, dass die Technologie „[dem Auftragnehmer] wirklich dabei hilft, die Arbeit zu erledigen. Das gleiche Wertversprechen ist da – schneller, genauer, und es werden weniger qualifizierte [Arbeiter] benötigt, um die Pfähle an der richtigen Stelle zu platzieren.“

„Dirt Ninja“ Tom Gardocki nutzt Siteworks Machine Guidance bei kleinen Arbeiten, um Kontrollpunkte einzurichten und die Genauigkeit des Grabens zu messen, wo eine vollständige 3D-Modellierung nicht kosteneffektiv wäre. Die Lösung von Trimble verwendet eine GPS-Antenne, einen IMU-Sensor und ein Tablet in der Kabine, das über Bluetooth eine Verbindung zur Antenne und zum Sensor herstellt. Fotos mit freundlicher Genehmigung von Trimble, Inc.

Das Aufladen elektrischer Geräte ist nach wie vor ein Problem für Auftragnehmer, die sowohl in abgelegenen Gebieten arbeiten als auch einfach keine Ladestationen in der Nähe haben. Selbst wenn Strom leicht verfügbar ist, gibt es immer noch Konkurrenz um begrenzte Ladestationen. Ab sofort kann der Bobcat T7X über Nacht über Standard-EV-Anschlüsse vollständig aufgeladen werden, aber das Moog-Team geht davon aus, dass sie mit ihren proprietären Ladegeräten die volle Ladung in vier Stunden erreichen können.

„Wir haben ein Schnellladegerät, mit dem Sie Ihre [Ausrüstung] viel schneller aufladen können als die meisten anderen Elektromaschinen. Das Aufladen dauert etwa vier bis zehn Stunden“, sagt Berg von Moog. „Die Laufzeit beträgt etwa einen halben Tag, aber aufgrund der Schnelligkeit des Aufladens haben wir ein Konzept des opportunistischen Ladens, bei dem wir empfehlen können, die Geräte nach einer sicheren Morgenschicht für 10 bis 15 Minuten anzuschließen und dann loszulegen.“ Mittagessen. Wir werden es wieder so weit bringen, dass wir den Rest des Tages während des Mittagessens ausklingen lassen können. Es ist nicht so schmerzhaft und unannehmlich, wie wenn man es acht Stunden lang irgendwo hinschleppen muss, um es aufzuladen.“

Wie Trimble verfolgt auch Moog Lösungen, die bestehende Geräte nutzen und ihnen durch eine Aftermarket-Installation neue Funktionen verleihen können. Moog hat einen elektrischen Batteriekasten entwickelt, der mit vier Schrauben, zwei Anschlüssen an den Seiten und einem Kabelbaum an jeden kleinen bis mittelgroßen Bagger angeschraubt werden kann und jeden OEM-Bagger in einen vollelektrischen Bagger verwandeln kann. Berg sagt, dass das Unternehmen die Maschinen, die den großen Moog-Akku nutzen, auch teleoperierbar machen kann, weil der Kabelbaum mit den Joysticks in der Kabine verbunden ist.

Gerätehersteller, die mit Moog, Trimble und Built zusammenarbeiten, konkurrieren um das Auftragnehmergeschäft, aber große Player wie Komatsu, Caterpillar und John Deere sind alle bestrebt, die Produktion hin zu elektrischen Maschinen zu verlagern, sodass sie auch einen Anreiz haben, mit Middleware-Anbietern zusammenzuarbeiten ihre Kunden auf dieser Reise mit.

Gardocki von New Era sagt, dass der Großteil des Marktes – kleine bis mittlere Auftragnehmer wie sein Unternehmen – während eines noch in den Kinderschuhen steckenden Übergangs weiterhin Lösungen von ihren Maschinen benötigen werden, die dem Auftragnehmer entgegenkommen und sich wiederholende Aufgaben vereinfachen .

„Ich denke einfach, dass wir noch sehr, sehr weit von autonomen Maschinen entfernt sind“, sagt Gardocki. „Bestimmte Aufgaben sind natürlich einfacher als andere, aber Sie sprechen vom Bau, wo sich die Dinge ständig ändern und Sie auf Probleme stoßen und auf einen unterirdischen Felsvorsprung stoßen und auf andere vergrabene Dinge stoßen. Ich denke, dass es einige Zeit dauern wird, bis ein Roboter intelligent genug dafür ist.

Er fügt hinzu: „Zumindest in den nächsten 10 Jahren werden diese Systeme, die Aufgaben vereinfachen, so dass weniger Leute erforderlich sind, aber dennoch einem Bediener die Verantwortung überlassen, das sein, wonach jeder sucht.“