Maschinensteuerungssysteme für Erdarbeiten: Vergleich zwischen 2D- und 3D-Nivellierung

Erdarbeiten stehen und fallen mit einer Sache: dem Erreichen der richtigen Höhe. Maschinensteuerungssysteme sind die Technologie, die eine Planneigung in Echtzeit vor den Augen des Fahrers darstellt, sodass Aushub und Aufschüttung dem Plan entsprechen und nicht der Abstecklinie und dem Bauchgefühl. Die Frage, vor der die meisten Bauunternehmer stehen, ist nicht, ob sie ein Lenksystem einsetzen sollen, sondern in welche Ausbaustufe sie investieren sollen. Die entscheidende Weggabelung ist die Wahl zwischen 2D- und 3D-Nivellierung. Dieser Leitfaden erklärt, wie die einzelnen Systeme funktionieren, wo sie zum Einsatz kommen und wie man die richtige Wahl für Bagger, Planierraupen und Grader trifft.

Was ein Maschinensteuerungssystem leistet

Ein Maschinensteuerungssystem für Erdarbeiten verbindet drei Elemente miteinander: den Projektplan, die Position der Schneidkante der Maschine und ein Display, anhand dessen der Fahrer Maßnahmen ergreifen kann. Sensoren erfassen die Position des Schildes oder der Schaufel, das System vergleicht diese Position mit der Sollneigung und teilt dem Fahrer mit, ob er die Maschine anheben, absenken oder in der aktuellen Position halten soll. Bei leistungsfähigeren Systemen steuert das System die Hydraulik direkt an und hält die Neigung automatisch aufrecht.
 

Dieser grundlegende Regelkreis ist bei 2D- und 3D-Systemen identisch. Der Unterschied liegt in der Referenz: Wie erkennt das System, wo sich „die richtige Höhe“ tatsächlich befindet? Dieser eine Unterschied bestimmt die Kosten, die Genauigkeit, die Art der Arbeiten, für die das jeweilige System geeignet ist, sowie den Umfang der vermessungstechnischen Unterstützung, die ein Projekt benötigt.

2D-Höhenkontrolle: Eine feste Referenz

Ein 2D-Maschinensteuerungssystem regelt Höhe und Querneigung anhand einer festen Referenz statt anhand eines vollständigen Baustellenmodells. Als Referenz dienen in der Regel eine rotierende Laserebene, ein Schallmarker, der einer Schnur oder einem Bordstein folgt, oder die maschineninternen Neigungssensoren. Der Bediener legt eine Zieltiefe und eine Querneigung fest, und das System hält das Schild oder die Schaufel während des Arbeitsvorgangs auf dieser Ebene.
 

Die Stärken von 2D liegen in der Einfachheit und der Wirtschaftlichkeit. Es eignet sich hervorragend für Arbeiten mit gleichbleibendem Höhenverlauf und gleichbleibender Neigung über einen gesamten Bereich: Parkplätze, Baugrundflächen, Grabenböden, Unterbauvorbereitung sowie ebene oder einseitig geneigte Flächen. Die Einrichtung erfolgt schnell, die Hardwarekosten sind geringer, und ein Bediener kann rasch produktiv arbeiten. Die Einschränkung liegt bereits im Namen. Ein 2D-System kann jeweils nur eine Ebene halten. Wenn der Entwurf unterschiedliche Neigungen, Überhöhungen, Übergänge oder gekrümmte Flächen aufweist, muss der Bediener die Referenz immer wieder neu einstellen, und komplexe Formen lassen sich nur langsam und fehleranfällig bearbeiten.

3D-Maschinensteuerung: Eine Position zum Konstruktionsmodell

Ein 3D-Maschinensteuerungssystem ersetzt die feste Ebene durch das vollständige Projektmodell. Es positioniert die Maschine dreidimensional – in der Regel mithilfe eines an der Maschine angebrachten GNSS-Empfängers – und vergleicht die Schneidkante an genau dieser Stelle mit der Konstruktionsfläche. Da das System weiß, wo sich die Maschine auf der Baustelle befindet, kann es an jeder Stelle die richtige Zielneigung abrufen – auch bei wechselnden Hangneigungen, Kronen, Entwässerungsgefällen und gekrümmten Trassenverläufen –, ohne dass Absteckpfähle versetzt oder ein Laser neu justiert werden müssen.
 

Dieser GNSS-Ansatz ist der Grund, warum die Technologie oft als GPS-Maschinensteuerung bezeichnet wird. Der Empfänger ortet die Maschine anhand der Baustellenkoordinaten, Echtzeitkorrekturen sorgen für eine Genauigkeit im Zentimeterbereich, und das Entwurfsmodell liefert an jedem Punkt den Sollwert. Der Vorteil liegt in der Bandbreite der damit abgedeckten Arbeiten: komplexe Erdarbeiten, Straßen- und Autobahnbau, Entwässerung sowie große Baustellen, auf denen sonst Vermessungspfähle das Arbeitstempo bestimmen würden. Der Nachteil sind höhere Investitionen in die Hardware sowie die Notwendigkeit eines geeigneten 3D-Entwurfsmodells und einer Korrekturquelle vor Ort, sei es eine Basisstation oder ein Netzwerk.
 

Bei Arbeiten in der Tiefe oder in Signalschatten, wie beispielsweise bei umschlossenen Aushubstellen, kombinieren manche Baustellen GNSS mit einer Totalstation oder setzen ein robotergesteuertes Instrument ein, um die Maschine dort zu verfolgen, wo die Sicht zum Himmel versperrt ist. Das Entwurfsmodell bleibt dabei unverändert; lediglich die Art und Weise, wie die Maschine positioniert wird, ändert sich.

2D- vs. 3D-Höhenkontrolle im direkten Vergleich

Die beiden sind weniger Konkurrenten als vielmehr Etappen auf einem Weg. Viele Auftragnehmer nutzen 2D auf Maschinen für sich wiederholende Flachbearbeitungen und 3D auf den Maschinen, die das Design formen, und manche Systeme ermöglichen es einem Auftragnehmer, mit 2D zu beginnen und dieselbe Maschine auf 3D aufzurüsten, sobald die Arbeit dies erfordert.

Maschinensteuerung nach Maschinentyp

Das richtige Maß an Steuerung hängt auch von der Maschine und ihrer Aufgabe im Rahmen der Erdarbeiten ab.

Bagger

Bagger profitieren von einer Führung bei Grabenaushub, Böschungsarbeiten, Fundamentaushub und Endbearbeitung. Ein 3D-Führungssystem zeigt die Schaufelposition im Vergleich zum Plan an, sodass der Maschinenführer die gewünschte Tiefe und Neigung erreichen kann, ohne dass ein Höhenmesser im Graben erforderlich ist. Unser 3D-Steuerungssystem TX73 für Bagger erfüllt diese Aufgabe, und für kleinere Projekte bietet das EasyNAV EMG100 einen Einstieg in die Baggerführung. Einen tieferen Einblick in die Optionen für Bagger erhalten Sie in unserem Leitfaden zur GPS-Maschinensteuerung für Bagger.

Planierraupen

Planierraupen übernehmen die groben Erdarbeiten und die Endplanierung – und genau hier spielt die automatische Steuerung ihre Stärken aus. Ein automatisches 3D-System hält das Schild auf der Sollfläche und passt die Hydraulik in Echtzeit an, wodurch Nacharbeiten sowohl bei langen Schiebevorgängen als auch bei der Feinplanierung vermieden werden. Unser automatisches Steuerungssystem TD63 Pro für Planierraupen ist speziell für diese Aufgabe konzipiert.

Planiergeräte

Motorgrader sorgen für eine präzise Endbearbeitung der Oberfläche, bei der sich bereits kleinste Abweichungen in der Höhenlage und im Quergefälle im fertigen Planum bemerkbar machen. Ein 3D-Planierkontrollsystem hält das Planierschild über Kuppen, Überhöhungen und Entwässerungsgefälle hinweg genau am Modell. Unser 3D-Planierkontrollsystem TG63 für Motorgrader ist speziell auf diese Aufgabe der Endbearbeitung ausgelegt.

So entscheiden Sie sich zwischen 2D und 3D

Ein paar kurze Fragen reichen in der Regel aus, um Klarheit zu schaffen:
 

• Wie komplex ist das Gefälle? Gleichmäßige, ebene oder einseitig geneigte Flächen deuten auf 2D hin. Wechselnde Gefälle, Kronen, Übergänge und gekrümmte Trassen deuten auf 3D hin.
   
• Gibt es ein 3D-Entwurfsmodell? Die 3D-Maschinensteuerung benötigt eine digitale Oberfläche als Arbeitsgrundlage. Ist das Projekt modelliert, entfaltet 3D seinen vollen Nutzen. Ist dies nicht der Fall, entspricht 2D möglicherweise den verfügbaren Informationen.
   
• Wie viel kostet Sie die Absteckung? Auf großen oder schnell voranschreitenden Baustellen überwiegen der Zeit- und Nacharbeitsaufwand, den 3D einspart, oft die höheren Hardwarekosten.
   
• Welche Maschinen und in welcher Phase? Großflächige und grobe Arbeiten können in 2D ausgeführt werden, während die Maschinen, die die endgültige Oberflächenform gestalten, am meisten von 3D profitieren.
   

Beim Vergleich von Angeboten ist es außerdem hilfreich, über eine einzelne Maschine hinauszublicken. Ein Anbieter von 3D-Maschinensteuerungen, mit dem sich eine Zusammenarbeit lohnt, sollte einen gemischten Maschinenpark unterstützen, ein einziges Konstruktionsmodell für Bagger, Planierraupen und Grader gemeinsam nutzen und einen klaren Upgrade-Pfad bieten, anstatt für jede Maschine ein anderes System anzubieten.

CHCNAV-Maschinensteuerungssysteme

CHC Navigation entwickelt 2D- und 3D-Maschinensteuerungssysteme für den gesamten Erdbau-Maschinenpark – von der Baggerführung bis zur automatischen Schwertsteuerung bei Planierraupen und Grader –, die alle auf einem gemeinsamen Konstruktionsmodell und der GNSS-Positionsbestimmung basieren. Die Produktpalette und die dazugehörigen Arbeitsabläufe sind in unserem Hub für Maschinensteuerungslösungen integriert, der Hardware, Korrekturdaten und Konstruktionsdaten zusammenführt, sodass ein Bauunternehmer den Grad der Steuerung an jede Maschine und jede Phase des Bauvorhabens anpassen kann.
 

Für Teams, die diesen Schritt in Betracht ziehen, besteht der praktische Weg darin, zunächst die Arbeiten zu erfassen: zu ermitteln, welche Flächen einfach genug für 2D sind, welche ein 3D-Modell erfordern und welche Maschinen die Endplanierung ausführen, und dann den Führungsgrad maschinenspezifisch festzulegen, anstatt alles auf einmal zu regeln.

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Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Lösungen für Kartografie, Navigation und Ortung, die darauf ausgelegt sind, Produktivität und Effizienz zu steigern. CHCNAV bedient Branchen wie Geodaten, Landwirtschaft, Maschinensteuerung und Autonomie und liefert innovative Technologien, die Fachleute unterstützen und den Fortschritt der Branche vorantreiben. Mit einer globalen Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.200 Fachkräften gilt CHC Navigation als führendes Unternehmen in der Geodatenbranche und darüber hinaus. Weitere Informationen zu CHC Navigation [Huace:300627.SZ] finden Sie unter: https://machine-control.chcnav.com/about/overview.