für die Maststeuerung von Autobetonpumpen

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1 Mechydronic für die Maststeuerung von Autobetonpumpen Zusammenwirken von Mechanik, Hydraulik und Elektronik Dr. Hartmut Benckert Putzmeister AG, Aichtal Betonpumpen mit Verteilermastsystemen sind der weltweite Standard für die wirtschaftliche Einbringung und Verteilung des Betons im Hoch- und Tiefbau. Die Maschinen unterscheiden sich im Hinblick auf stationäre oder mobile Anwendung. Ein beispielhafter Einsatz einer mobilen Großmast-Autobetonpumpe ist in Bild 1 dargestellt. Der auf der Baustelle benötigte Beton wird durch den Fahrmischer vom Betonwerk angeliefert. Dieser übergibt den Beton in den Aufnahmetrichter der Betonpumpe. Eine 2-Zylinder-Kolbenpumpe fördert den Beton über den Verteilermast zum Endschlauch zur Einbringung ins Bauwerk. Bild 1: Autobetonpumpe BSF H in Düsseldorf 1 Komponenten und Steuerung einer Autobetonpumpe Die Hauptkomponenten einer Autobetonpumpe sind in Bild 2 dargestellt, wobei das Kernelement die im Mastunterbau hydraulisch angetriebene Kolbenpumpe ist. Details über die Auslegungskriterien und Funktionsweise der Betonpumpe sind in [1] dargestellt. Der Maschinenbediener steuert im Normalfall über eine Funkfernsteuerung die gesamte Maschine. Hierzu gehört sowohl die Bewegung des Vielgelenkverteilermastes in Bild 1 mit 5 Armen sowie die zu pumpende Betonfördermenge. 1

2 Bild 2: Hauptkomponenten einer Autobetonpumpe Das Prinzip eines Stationärbetonverteilsystems ist in Bild 3 zu sehen. Hierfür ist ein stationärer Betonverteilermast im Gebäude installiert, vorzugsweise können die Geräte auch eine Selbstklettereinrichtung aufweisen, um so mit steigender Geschoßanzahl einfachst nach oben mitzuwachsen. Die Versorgung des Stationärmastes erfolgt über eine Stationärpumpe, die ortsfest am Boden der Hochhausbaustelle installiert wird. Vergleichbar der Mobilanwendung ist es die primäre Aufgabe des Maschinenbedieners den Vielgelenkverteilermast entsprechend den Anforderungen der Baustelle und der Geometrie der zu betonierenden Schalungen feinstfühlig zu steuern. Der Bediener ist auf Bild 3 markiert. Die Steuerung der Bewegungsabläufe muß gewährleisten, dass ein möglichst ruhiges, die Baustellenmitarbeiter nicht gefährdendes Fahren des Verteilermastes und Einbringen des Betons sichergestellt ist. Das Zusammenwirken von Mechanik, Hydraulik und Elektronik für größte Wirtschaftlichkeit der Maschinen wird bei Putzmeister mit dem geschützten Markennamen Mechydronic umschrieben. Bild 3: Stationärmast MXR 32 T in Frankfurt am Main 2

3 2 Anforderungen an Betonverteilermaste Betonverteilermaste werden für die unterschiedlichsten Bauaufgaben eingesetzt. Diese reichen vom einfachen Betonieren an einer Fundamentplatte über das Befüllen einer Gleitschalung im Hochbau bis zum Betonieren eines Hallenfußbodens bei einer limitierten Hallenhöhe von weniger als 5 Metern. Aufgrund der Begrenzung der Straßenverkehrszulassungsordunung wird extremer Leichtbau mit hoher Flexibilität von dem Ausleger erwartet. Die einzelnen Armen des Verteilermastes werden über kinematische Ketten, bestehend aus einem Umlenkhebel, einer Druckstange und einem Hydraulikzylinder bewegt. Die Betonförderleitung besteht aus Stahl, im Normalfall DN 125 und ist seitlich am Ausleger befestigt. Drehbare Kupplungen stellen die Gelenkigkeit sicher. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Flexibilität des Mastes besteht der Ausleger zumeist aus 4 oder 5 Armen und Gelenkkinematiken mit Schwenkbereichen von bis zu 270. Bild 4 zeigt die Kinematik des M 31- Fünflings. Die Zahl 31 steht für die maximal erreichbare Förderhöhe dieses mobilen Betonverteilermastes. Im Betoniereinsatz werden mobile Autobetonpumpen durch die Abstützung über die 4 Stützbeine sicher positioniert, so dass das aus dem Verteilermast resultierende Lastmoment bei voller Maststreckung und 360 -Drehung standsicher aufgenommen werden kann. Neben der Normalabstützung wird auch die sogenannte One Side Support Abstützung eingesetzt, wie in [2] dargestellt. Bild 4: Viergelenk-Kinematik des Verteilermastes M 31/5 Betonverteilermaste müssen aus diesem Grunde zur Erlangung großer Reichhöhen und Reichweiten ein geringes Eigengewicht und Lastmoment besitzen. Konstruktiver Leichtbau ist hier ein unbedingtes Erfordernis. Neben dem statischen Stabilitätsnachweis müssen Betonverteilermaste auch den Betriebsfestigkeitsnachweis erfüllen, der wiederum die Kenntnis der eingesetzten Lastkollektive voraussetzt. Die Vorgehensweise, die mit dem Schlagwort Rapid Prototyping für die Auslegung der Verteilermaste umschrieben wird ist in [3] erläutert. Das Hydrauliksystem der Maststeuerung ist vereinfacht in Bild 5 skizziert. Ausgehend von einer Load- Sensing-Axialkolbenpumpe, die bei der mobilen Anwendung vom LKW-Motor angetrieben wird, erfolgt 3

4 die Ölversorgung der Mastkomponenten und des Unterbaues über die sogenannte Modular Boom Control (MBC). Die MBC-Steuerung hat auf einer gemeinsamen Grundplatte standardisierte Proportionalventile, die je nach Betriebsart den Unterbau mit Abstützung oder während des Betonierens den Verteilermast versorgen. Bild 5: Hydrauliksystem der Maststeuerung Übliche Betonverteilermaststeuerungen nach dem Stand der Technik werden nach Vorgabe des Maschinenbedieners in Einzel-Achs-Ansteuerung gefahren. Der Maschinenbediener steuert hierbei jeden einzelnen Mastzylinder und das Drehwerk, vorzugsweise direkt proportional an, um die Bewegung des Endschlauches auf der Baustelle sicherzustellen. Die Aufgabenstellung bei Putzmeister war, im Rahmen einer intensiven Entwicklung intelligente, rechnerunterstützte Steuerungskonzepte baustellengerecht dem Kunden anzubieten. Die wichtigste Sensorik dieser Entwicklung ist ebenfalls in Bild 5 abgebildet. Es werden alle Druckwerte für den Verteilermast sowie die Winkellagen des Drehwerkes und der Arme erfaßt. Das Gesamtsysteme Mechanik, Hydraulik und Elektronik charakterisieren wir mit dem Begriff Mechydronic. Die rechnerunterstützte Betonverteilermaststeuerung Ergonic Boom Control (EBC) ist dabei ein Element dieser Entwicklungen. 3 Betonverteilermaststeuerung Ergonic Boom Control Die EBC-Betonverteilermaststeuerung ist eine Ergänzung der heute konventionellen Einzel-Achs- Ansteuerungen der Maste. Die EBC ermöglicht es, den Betonverteilermast mit nur einem Joystick der Funkfernsteuerung zu fahren (Bild 6). Im englischsprachigen Raum steht hierfür der Begriff One Touch Control. Der Maschinenbediener kann über die Funkfernsteuerung den Betriebsmodus vorwählen. Die herkömmliche proportionale Einzel-Achs-Steuerung ist in der Position 1 möglich. In der Position 2 erfolgt die EBC-Fahrweise über den rechten Joystick. Der Vorteil für den Maschinenbediener besteht hierbei in der einfachen Handhabung: Über die Funkfernsteuerung gibt er die Bewegung des Endschlauches an der Mastspitze des Betonverteilermastes mit vor oder zurück, rechts oder links, auf oder ab, vor. Ist zum Beispiel eine Bodenplatte zu betonieren, wird die Höhe des Endschlauches einmal eingestellt. Beim Verfahren der einzelnen Arme regelt die Steuerung selbständig 4

5 selbständig die Maschine so aus, dass sich der Endschlauch horizontal bewegt. Die Arbeit des Maschinisten wird somit bedeutend leichter und sicherer. Welche Elemente für die Funktionsweise der EBC relevant sind, soll im Folgenden erläutert werden. Bild 6: EBC-Funkfernsteuerung Bild 7 zeigt die wichtigsten mechydronischen Komponenten im Gelenkbereich eines Verteilermastes. Wie bereits in Bild 5 angedeutet, wird an jedem Mastdifferenzialzylinder sowohl boden- als stangenseitig der Druck gemessen. Ebenso erfolgt in jedem Gelenkbereich eine Absolutlagemessung über einen sogenannten Space Angle Sensor (SAS). Vergleichbar den Sensorsignalen aus den Gelenkbereichen werden am Drehwerk ebenso Druck- und Winkellage erfaßt. Bild 7: Mechydronic im Gelenkbereich Der gesamte EBC-Systemaufbau ist im Bild 8 skizziert. Die Kommunikation mit dem Zentralrechner erfolgt über 2 CAN-Bus Systeme. Ein CAN-Bus ist zuständig für die Sensorik, der zweite CAN-Bus für Steuer- und Kontrollsignale. Die Ausgabe des Signale für die Standard MBC-Steuerung ist puls- 5

6 breiten-moduliert. Das EBC-System braucht keine speziellen Servohydraulikventile; eingesetzt werden Standard-Proportionalventile mit direkter NOT-Hand-Betätigung. Bild 8: EBC-Systemaufbau Die Auslegung des EBC-Systems stellt sicher, dass vom CAN-Bus alle relevanten Daten sowohl für eine Datenübertragung (z. B. zum Teleservice-Modem) oder zu lokalen Servicetools sichergestellt sind. Insbesondere die Installation des Teleservice-Moduls erlaubt vielfältigste Servicevorteile. Teleservice ist heute weitgehend Standard in der stationären Investitionsgüterindustrie, um die Servicekosten zu reduzieren [4]. Für mobile Baumaschinen wird Teleservice heute noch selten eingesetzt. Wichtig ist hier, dass bereits bei der Auslegung des gesamten Informationssystem auf der Maschine an die Anforderungen des Teleservice gedacht wird. Kosten-/Nutzenbeispiele für den Einsatz von Teleservice für Autobetonpumpen sind in [5] dargelegt. Ein Kernelement für das EBC-System stellt der eingesetzte Space Angle Sensor dar. In Verbindung mit der eingesetzten Software und den weiteren Sensoren sind die SAS-Geber ein Beispiel für Mechatronik in der Mobilhydraulik, von der höchste Integration vieler Funktionen in wenigen Elementen gefordert wird [6]. Gegenüber herkömmlichen Absolutwinkelaufnehmern in Gelenken weisen die völlig gekapselten SAS-Geber große Vorteile auf. Zeigt das Bild 7 den einfachen Anbau dieser Absolutneigungsgeber, so ist ihre Funktionsweise im Bild 9 skizziert. Die Aufnehmer messen die Lage des Einzelarmes im Raum. Die Software stellt sicher, dass hieraus Lagevorgaben für die CCU erfolgen. Die Aufnehmer sind voll gekapselt (IP 67) und werden mit nur 4 Schrauben direkt am Auslegerarm befestigt. Die bisher aufwendige Mechanik im Bereich des Gelenkes entfällt. 6

7 SAS 2 A2 SAS 3 A3 SAS 1 Messung der Winkellage des Armes im Raum gegenüber der Horizontalen SAS 4 A4 Bild 9: Funktionsprinzip der Space Angle Sensoren (SAS) Die Rechnereinheit der EBC-Steuerung ist in einem separaten Steuerschrank (Bild 10) installiert. Eingesetzt wird eine vielfach, in der Mobilanwendung bewährte Standardlösung, wobei die Software komplett von Putzmeister erstellt wurde. Das skizzierte Blockschaltbild zeigt vereinfacht die Einbindung der Sensorik und der Sollwert-Vorgaben in den Aufbau der EBC-Steuerung. Ausgehend von der Bewegungsvorgabe, die der Bediener über die Funkfernsteuerung vorgibt, erfolgt die Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit über die angesprochene CAN-Bus-Schnittstelle zum Eingangsinterpolator, der mit der geeigneten Koordinatentransformations-Software ausgestattet ist. Die gewünschten Sollwerte werden intern mit der IST-Situation des Verteilermastes verglichen, dessen Meßwerte über den Sensor-CAN-Bus vorliegen. Das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Proportionalventile auf der MBC-Steuerung wird direkt auf die Proportionalmagnete aufgeschaltet. Insbesondere die Regelalgorithmen für das System Hydraulik-Mechanik basieren auf den Erfahrungen des vor Jahren entwickelten Skywash -Flugzeug-Reinigungsmanipulators. Bild 10: Rechnereinheit der EBC-Steuerung 7

8 4 Vorteile der EBC-Maststeuerung Resultierend aus dem gesamten Funktionsumfang der EBC ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber einer konventionellen Betonverteilermast-Steuerung. Die aktive Mastschwingungsdämpfung der durch die 2-Zylinder-Kolbenpumpe induzierten Schwingungsimpulse ist hierbei ein gravierender Vorteil im Einsatz der Maschinen (Bild 11). Auch ohne aktive Bewegungsansteuerung des Verteilermastes stellt die aktive Dämpfung aller Mastzylinder sicher, dass weitgehend unabhängig von der eingestellten Fördermenge, d. h. der Pumpfrequenz der 2- Zylinder-Kolbenpumpe, eine Minimierung der Vertikalbewegung des Endschlauches erreicht wird. Wir bezeichnen diese Vertikalbewegung als JoJo-Effekt. Ein wesentliches Gefährdungspotential für den Endschlauchführer wird damit ausgeschlossen und die Einbringung des Betons sicherer. Bild 11: Aktive Mastschwingungsdämpfung Die Einhandbedienung des Vielgelenkverteilermastes ist der Hauptvorteil der EBC-Maststeuerung. Die Ergonic Boom Control erlaubt eine bedienerfreundliche, d. h. ergonomische und sichere Steuerung der Betoneinbringung am Endschlauch. Bei konventionellem Einzel-Achs-Betrieb (Bild 12) muß der Bediener bis zu 6 Freiheitsgrade proportional ansteuern, um einen ruhigen Endschlauch sicherzustellen. Dass dieses äußerst schwierig ist, ist offensichtlich. Das Ergebnis der konventionellen Steuerung ist der sogenannte Sägezahneffekt, da die Endschlauchbewegungen die Überlagerung vieler Einzelbewegungen ist. Die EBC-Ansteuerung mit einem Joystick ermöglicht eine feinfühlige Betonverteilung bei hoher Fördermenge durch ruckfreie und präzise Bewegung des Endschlauches. Dies ergibt eine Steigerung der Sicherheit beim Fahren der Verteilermaste. Der Bediener kann sich voll auf die Bewegung des Endschlauches konzentrieren und muß sich nicht mehr um die Bewegung der Einzelarme kümmern. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige, horizontale Bewegung des Endschlauches über der zu betonierenden Fläche. 8

9 Bild 12: Vorteile der EBC-Fahrweise gegenüber der konventionellen Einzel-Achs-Ansteuerung Durch Einteachen oberer und unterer Begrenzungsebenen kann der Arbeits- bzw. Bewegungsbereich des Verteilermastes begrenzt werden, Betriebsmodus 4 (Bild 6). Dies ist insbesondere bei Betonierung in Hallen von großem Vorteil (Bild 4). Die Kinematik des Mastes bewegt sich nur noch im Zwischenbereich. Zur Betonierung in engen Schalungen revolutioniert die EBC-Steuerung die Vertikalführung des Endschlauches. Durch Drehung des Joysticks erfolgt eine präzise vertikale Bewegung und damit keine Gefährdung durch seitliche Störbewegungen, wie sie bei konventionellen Mastansteuerungen bedienerbedingt oft auftreten. Zur Minimierung der Rüstzeiten auf der Baustelle verfügt die EBC-Maststeuerung über ein Makro zum teilautomatischen Ein- und Ausfalten des Armpaketes. Durch Wahl des Betriebsmodus 3 (Bild 6) wird diese Funktion nach Freigabe des Bedieners (proportionale Geschwindigkeit) ausgeführt. Diese Betriebsart spart Rüstzeiten und minimiert Bedienfehler. Im Baubetrieb hat sich gezeigt, dass für spezifische Betonieraufgaben Vorzugs-Verteilermast- Stellungen empfehlenswert sind. Mit der EBC-Maststeuerung ist es möglich, Mast-Vorzugsstellungen einzuteachen (Bild 13). Die Vorzugstellungen beziehen sich hierbei auf den ersten und letzten Arm des Mastes. Die Software stellt sicher, dass sich die Bewegungsabläufe des Armpaketes innerhalb dieser vorgegebenen Randbedingungen bewegen. 9

10 Bild 13: Fahren des Betonverteilermastes mit Vorzugsstellungen Den kompletten, teilautomatischen Manipulator-Betrieb des Betonverteilermastes zeigt Bild 14. Hierbei wird mit der Betriebsart Follow Me direkt durch den Mitarbeiter am Endschlauch die Bewegung des Verteilermastes vorgegeben. Bei der Betriebsart Follow Me folgt der Verteilermast der Richtungsvorgabe am Endschlauch. Dieser ist mit geeigneter Sensorik ausgestattet, dass sowohl die Bewegung in der Ebene als auch Höhenvorgaben erfaßt werden können. In dieser Betriebsart können bei Richtungsänderungen die Bahnpunkte durch die Software abgespeichert werden und sind damit für einen Manipulator-Betrieb abrufbar. Der Manipulator-Modus bietet sich insbesondere für wiederholende Betonieraufgaben an, wie sie zum Beispiel im Hochhaus-Schalungsbau auftreten. Hier ist der Stationärmast (Bild 3) immer in gleicher Position zu den Schalungen unabhängig von der zu betonierenden Geschoßdecke bzw. Schalungsebene. In vergleichbarer Form kann auch der Manipulator- Betrieb für die Betoneinbringung in Großbaustellen, z. B. großen Fundamentplatten, die Arbeitsabläufe und die Betonierzeiten minimieren. Im Manipulator-Betrieb liegt die Verantwortung für die Maschine beim Bediener, da er über den Joystick die proportionale Mastgeschwindigkeit von Null bis Max. vorgibt. 10

11 P1 P2 P3 P4 P5 P17 P6 P7 P8 P9 P11 P12 P10 P13 P14 P15 P16 Bild 14: Follow Me - Fahren mit geteachten Bewegungsabläufen 5 Ausblick Stand in der Vergangenheit bei den Betreibern unserer Maschinen eine gewisse Distanz zur Elektronik im Vordergrund, zeigt die Akzeptanz der EBC-Maststeuerung und deren weltweiter Einsatz, dass heute robuste und baustellengerechte, rechnerunterstützte Systeme auch in mobilen Baumaschinen akzeptiert werden. Ein Schwerpunkt unserer zukünftigen Aktivitäten wird darauf liegen, die Verfügbarkeit des Gesamtsystems zu steigern, da bekanntlich weniger die zentrale Rechnereinheit bei mobilen Rechneranwendungen kritisch ist, sondern die Sensorik und Verkabelung. Unsere positiven Erfahrungen mit dem CAN-Bus und den berührungslosen Absolut-Raumwinkel-Meßsensoren sind sicherlich auf andere Anwendungen übertragbar. Die Komponenten der Steuerungstechnik werden zukünftig modularer aufgebaut um unter dem Blickwinkel Life-Cycle-Cost wirtschaftliche Lösungen für zukünftige Tauschteile oder Optimierungen von Einzelbaugruppen zu ermöglichen. Die Verfeinerung und Optimierung bereits installierter Software auf den Maschinen muß kostengünstig durchführbar sein. Aus Gründen der Produkthaftung ist jedoch eine eindeutige Release-Dokumentation maschinenbezogen notwendig. Unter dem Fokus Life-Cycle- Cost sind auch die Erstinvestitionen an der Maschine für die Lebensdauer der Teile zu sehen, um hier die richtige Relation zwischen Betriebskosten, Standzeit und Tauschkosten zu erhalten. Die Weiterentwicklung mechydronischer Systeme ist damit eine Kernkompetenz von Putzmeister. Neue Telekommunikationsmöglichkeiten, z. B. UMTS, werden vielfältigste Online-Aktivitäten mit mobilen Baumaschinen ermöglichen. Neben direkten Serviceaufgaben sehen wir hier die vorbeugende Wartung, die Übermittlung von Lebensdauerdaten, die Aktualisierung der Software und das direkte Bedienertraining als Chancen für die wirtschaftliche Nutzung solcher Systeme. Die Themen Ergonomie (Ergonic ) und die Verknüpfung von Ökologie und Ökonomie werden sich in den Anforderungen an mechydronischen Systeme widerspiegeln. Wir verstehen unter Mechydronic 11

12 eine ständig steigende, intelligente Verknüpfung von Mechanik, Hydraulik und Elektronik zum wirtschaftlichen Betrieb unserer Maschinen. Der wertmäßige Anteil dieser Systeme an den Herstellkosten unserer Produkte wird steigen, vor allem der Anteil in der Entwicklung der Software. Dies insbesondere mit der Zielsetzung, die Sicherheit, die einfache Bedienung und den Service des Kunden für die Nutzung unserer Produkte zu erhöhen. Quellen [1] Benckert, H., Renz. H., Aufgaben und Lösungen für Betonpumpen. Ölhydraulik und Pneumatik, 46 (2002) Nr. 6, S [2] Wolfram, M., Raumsparende Abstützungen von Großmast-Autobetonpumpen. Beton, 46 (1996) H. 6, S [3] Gelies, S., Vom Solid Model zur Autobetonpumpe durch Rapid Prototyping. Hebezeuge und Fördermittel, Spezial (1996), S [4] Hänle, L., Grieser, C., Reduzierung der Servicekosten anhand Teleservice in der Investitionsgüterindustrie. Service Today, Nr. 6/2002, S [5] Benckert, H., Teleservice für Autobetonpumpen. WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2002) [6] Lang, T., Mechatronik in der Mobilhydraulik. Landtechnik, Nr. 3/2002, S Autor Dr. Hartmut Benckert Putzmeister AG (Post) Postfach 2152, Aichtal (Besucher) Max-Eyth-Str. 10, D Aichtal Tel.: +49 (0) 7127/599-0 Fax: +49 (0) 7127/ Internet: 12