Modulares System zur Automatisierung hochgenauer geometrischer Positionierung und Bahnführung im Bauwesen

Abstract

Die Planung größerer Bauvorhaben ist ohne eine Unterstützung durch CAD (Computer Aided Design) nicht mehr vorstellbar. Gleiches gilt auch für die industrielle Fertigung. Dort aber haben sich in den letzten Jahren die Produktionsprozesse dahingehend weiterentwickelt, dass der CAD gestützten Planung eine CAM (Computer Aided Manufacturing) gestützte Produktion folgt. Dies bedeutet, dass der Produktionsprozess auf Basis der digitalen Planungsdaten computergestützt und somit weitestgehend automatisiert abläuft. So kann eine hohe Qualität bei sinkenden Kosten erzielt werden. In der Bauindustrie kommt die Einführung von CAM gestützten Produktionsprozessen hingegen nur langsam voran. Dies liegt sicherlich u.a. besonders an der Individualität jeder einzelnen Baustelle. Abgesehen von einigen Beispielen im Tunnelbau und im japanischen Hochbau beschränkt sich der Einsatz von CAM-Techniken auf die Fertigung langgestreckter Geometrien im Verkehrswegebau oder flächenhafter Bodenbearbeitungen. In dieser Arbeit wird ein modulares system vorgestellt, dass neben der geometrischen Führung von Baumaschinen auch automatisierte Verfahren für Absteck-, Ausricht- und Positionierungsaufgaben von Bauteilen und Maschinen ermöglicht. Da die Anwendungen sehr individuell sind, besteht das System in erster Linie aus einem Basis-System und einer Toolbox mit Soft- und Hardwarekomponenten. Aufgrund definierter Schnittstellen lassen sich mit Hilfe der Toolbox sehr schnell und komfortabel verschiedene Automatisierungssysteme realisieren, um für die jeweilige Anwendung einsetzbar zu sein. Im Folgenden werden Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen (Standardabweichung < 1cm) betrachtet, die einer Integration von Robot-Tachymetern als Positionssensoren in das Automatisierungssystem bedürfen. Dies hat aufgrund der relativ geringen Abtastrate und der vorhandenen Totzeit von Robot-Tachymetern Auswirkungen auf den Entwurf der Regelkreise eines automatischen Führungs-Systems. Dieser Aspekt wird in dieser Arbeit besonders betrachtet, da er eine Kernfunktionalität des Automatisierungssystems darstellt. Die erarbeiteten genauigkeitsbegrenzenden Faktoren beim Einsatz von Robot-Tachymetern im Bauprozess sind dabei genauso von entscheidender Bedeutung wie die Entwicklung einer vollautomatischen Stationierung des Tachymeters. So kann dieser komplexe Sensor optimal in den Baubetrieb integriert werden. Dies trägt zusammen mit dem breiten Anwendungsspektrum des modularen Positionierungs- und Führungssystems entscheidend dazu bei, dass die Akzeptanz dieser Automatisierungslösung auf der Baustelle erhöht wird. Zur Steigerung der Maschinenführungsqualität werden in dieser Arbeit Verfahren und Methoden erarbeitet, die der Zusammenführung von Fachwissen aus den Disziplinen der Systemtheorie, der Regelungstechnik und der geodätischen Messtechnik bedürfen. Das modulare Führungssystem wird prototypisch mit LabView® realisiert und im Experiment mit einem Modell-Lkw (Maßstab 1:14) erfolgreich getestet.

Planning of larger building projects is not conceivable today without assistance of CAD (Computer Aided Design), which is also valid for industrial manufacturing. Production processes, however, have continuously developed during the last years so that CAD assisted planning is followed by CAM (Computer Aided Manufacturing) assisted production. This means that the production process is based on digital planning data and runs computer-aided and mostly automatically, thus resulting in high quality at low costs. In construction industry introduction of CAM assisted production processes are getting on slowly, surely and mainly due to the individuality of different construction sites. Besides some examples in tunneling and in Japanese building construction use of CAM-techniques is limited to manufacturing of extensive geometries in road construction and areal soil working. This thesis presents a modular system for guidance and control applications allowing besides geometric guidance of construction machines also automatic procedures for staking out, aligning, and positioning tasks of structural elements or machines. Due to the very individual applications the system mainly consists of a basic system and a toolbox with soft- und hardware components. Due to defined interfaces various automation systems can be realised quickly and comfortably from the toolbox, usable to any other application. In the following applications with high accuracy requirements (standard deviation < 1cm) are considered which need an integration of robot-tachymeters as positioning sensors into the automation system. Due to the relatively low sampling rate and the existing time delay of robot-tachymeters influences arise onto the design of control loops in automatic guidance systems. This aspect shall be especially considered as it represents an important functionality of the automation system. The elaborated accuracy limiting factors in using robot-tachymeters in construction processes are of decisive importance as well as the development of fully-automatic tachymeter stationing. So this complex sensor can be optimally integrated into the construction process. This fact, together with the wide application spectrum of the modular positioning and guiding system, considerably contributes to the acceptance of this automation solution on construction sides. For improving machine guiding quality in this thesis procedures and methods are elaborated urgently needing a conflation of special knowledge of the disciplines system theory, control technology and geodetic measuring techniques. The modular guiding system is prototypically realised by LabView® and most successfully tested in an experiment with a model truck (scale 1:14).