Klaus BRÖ K EL
Institut für Konstruktionstechnik Universität Rostock, Germany
Jörg WILLERT
Fichtel & Sachs AG Schweinfurt, Germany
DIE VERBINDUNG VON CAD UND PRODUKTMODELLIERUNG IN DER KONSTRUKTIONSTECHNIK
Summary. The paper describs the connection between the problems of Computer Aided Design and Product Modelling based on product model data structures. Existing CAD-Systems work by using a closed data structure. Therefor it is not possible to communicate with the system on a di
rect way. All contacts between a user, who wants to connect own applications to the system, have to make by special or standardized programming or data interfaces. The paper presents the possi
bilities of realisation of user-designed and STEP-compatible datastructures for product modelling systems on the base of existing commercial CAD-Systems. New ways and methods for product modelling systems are discussed because of the difficulties by using closed systems.
I. Einleitung
Zur Unterstützung von Projektierungsingenieuren, Konstrukteuren und anderen, an der Entwick
lung und Modellierung von Produkten beteiligten Partnern, haben sich CAD-Systeme als Hilfs
mittel weitgehend in den Firmen durchgesetzt. Eine integrierte Produktmodellierung (Zusammen
hang der Begriffe Produktmodellierung, Produktmodell und Produktdatenmodell siehe Bild 1) stößt bei der Verwendung konventioneller CAD-Systeme sehr schnell an deren konzeptionelle Grenzer.. Die modellierbaren Inhalte sind gegenüber den erforderlichen Informationsmodellen für eine Produktmodellierung mit dem Anspruch einer vollständigen Produktbeschreibung als unge
nügend einzuschätzen. Semantisch wenig gehaltvolle Produktbeschreibungen und das fehlende kohärente Produktmodell ermöglichen es nicht, alle produktdefinierenden Daten in einer gemein
samen Datenbasis zu definieren. Hierdurch sind die Haltung und der Austausch von Produktmo
delldaten erschwert und können nur über konventionelle Schnittstellen mit den bekannten N ach
teilen einer Datentransformation erfolgen. Die Behinderung der Integration und der Erweiterung des modellierbaren Produktdatenspektrums sind die Folge. Eine Spezifizierung der Datenbasis in
nerhalb des CAD-Systems nach untemehmensspezifischen Erfordernissen mit dem Ergebnis eines gemeinsamen, alle Firmenbereiche integrierenden, Produktmodells kann mit den Hilfsmitteln der heutigen "nicht-offenen" CAD-Systeme, wie Sprach- und Datenschnittstellen nicht erfolgen. Von
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einer Standardisierung der inter
nen Datenstrukturen selbst sind die CAD-Systeme weit entfernt.
Zu dieser Problematik durchge
führte Untersuchungen und Expe
rimente [ 1] haben eindeutig ge
zeigt, daß eine Erweiterung von CAD-Systemen über Sprach- schnittstellen eine sehr einge
schränkte und wenig elegante Möglichkeit ist. Dies gilt auch bei Einbindung höherer Program
miersprachen, wie C oder C++ in die Sprachschnittstelle. Hiermit gelingt zwar die Erweiterung der Produktmodellierfunktionalität, jedoch nur durch die Definition eines parallel zum CAD-System ablaufenden Datengenerierungs
prozesses mit interner, erweiterter und frei definierbarer Menge von Entities und ihrer Struktur (Eine zweite Datenbasis für dynamische Daten!). Die Ergebnisse dieses Bild 1. Gesamtprozeß der Modellierung von Produkten Prozesses müssen nach der Da
tengenerierung in das Visualisie- rungs- und Datenverwaltungssy
stem des CAD-Systems über die Sprachschnittstelle eingebracht werden. Eine standardgerechte Repräsentation von Produktmodellen in CAD-Systemen durch die Entwicklung von Referenzmo
dellen ist erreichbar und kann die Verwaltung der Modellausprägungen durch die Anbindung ob
jektorientierter Datenbanken vereinheitlichen und vereinfachen. Analog den heutigen graphischen Standards im Bereich der Computer Graphics (z.B. GKS und PHIGS) könnten standardisierte Pro
duktmodellbausteine als verbindliche Basiskomponenten von produktmodellierenden CAD-Syste
men zur Anwendung kommen.
Vergleichbar mit den Referenzmodell-Projekten der Hierarchiestufen "CIM" und "CAD" (siehe hierzu [2] bzw. [3]) laufen auch für das Produktmodell Projekte zur Entwicklung eines Produkt
modell-Referenzmodells. Das hier favorisierte Referenzkonzept liefert der ISO-Standard STEP [4], Dieses Referenzmodell wird für den Datenaustausch zwischen CA-Systemen mit unterschied
licher Datenstruktur entwickelt. Die Vorteile des STEP-Konzeptes machen eine Verwendung für den Entwurf von Datenstrukturen von produktmodellierenden Systemen mit einer dem Defini- tionsbereich von STEP vergleichbaren Funktionalität sinnvoll. Konzepte und Beispiele hierzu sind Inhalt des Beitrages.
2. Erweiterung von CAD-Systemen durch Produktmodellierfunktionalität 2.1. Erweiterung des Funktionsmodelles durch die Nutzung von Sprachinterfaces
Die Erweiterung von CAD-Systemen durch nutzerspezifische Applikationen ist über Schnittstel
len möglich. Einige übliche sind im Bild 2 dargestellt. Der Versuch, die Funktionalität eines Sy- Produktmodellierung
(S ystem nutzer)
1. A b strak i-te A bstrak n-te A b strak
tionsstufe tionsstufe tionsstufe
(z.B.: F u n k — -► (z.B .: G eom e — -*i (z.B . D etail
tionsm odel trische M o lierung)
lierung) dellierung)
1
P ro d u k tm o d e ll 1
1. A b strak i-te A bstrak n-te A b strak
tionsstufe tionsstufe tionsstufe
(z.B.: infor- — -* (z.B.: A bbil — -» (z.B. physi-
m ationsm o- dung a u f ein sehe M odel
dellierung) D atenm odell) lierung)
Produktdatenmodellierung
(S ystem entw ickler)
D efinition und E inbin
d u n g des Produktda- tenm odclls
1
Proprietäres M a
kro sp rach en in terface:
E inbindung von:
- FO R TR A N - C /C + + u.a.
E inb in d u n g von G raphikbiblio- theken über M a
krosprachen:
- SG I - G L - PH IG S u.a.
Produktmo
dellierer
M akrosprache zur N utzung der M odellierfunk
tionalität
Geometrischer Modellierer
Proprietäre Datenstruktur (geschlossen)
P roprietäre und standardisierte D ateninterfaces:
- IG E S - S T E P u.a.
Graphiksy Datenverwal
stem tung
D atenbank- Interfaces:
- S Q L - S T E P-SD A I
Bild 2. Erweitertes CAD-System mit Produktmodellierfunktionalität auf Schnittstellenebene und zugehörige CAD-Systeminterfaces
stems zu vergrößern, bedeutet die Program
mierung von Modulen in einer systemspezi
fischen Sprache. Die
se ist oft historisch bedingt, durch die Sprache, in der das System ursprünglich geschrieben wurde.
Bei älteren Systemen ist die Sprachbasis oft FORTRAN-ähnlich.
Neuere Systeme wei
sen C-Ähnlichkeiten auf. In diesen Spra
chen sind wichtige CAD-Funktionen als Makros verfügbar.
Durch die Einbindung von C oder C++ ste
hen jedoch zusätzlich mächtige Sprachkon- strukte zur Abbildung von Datenstrukturen zur Verfügung. Dies ermöglicht die Anbindung von STEP-kompatiblen Datenstrukturen mit den durch EXPRESS vorgegebenen Eigenschaften wie Vererbung von Eigenschaften und Klassenbildungen. Diese Datenstrukturen sind die Vorausset
zung für das programmtechnische Bearbeiten von Produktdatenmodellen mit STEP-Kompatibili- tät. Prinzipiell bedeutet diese Vorgehensweise immer die Definition eines eigenständigen Soft
wareproduktes parallel zum eigentlichen CAD-System. Hiermit verbunden ist der Aufbau einer ei
genständigen Datenstruktur mit der zugehörigen Datenverwaltung. Sie ist ebenfalls unabhängig und selbständig von der Struktur der dynamischen Daten des CAD-Systems. Hieraus ergibt sich, daß eine derartige Lösung ein Notbehelf ist, der nicht auf elegantem Wege zum Ziel eines inte
grierten Produktmodellierers führt. Er ist zur Zeit aber der einzige Weg, wenn kommerzielle Soft
ware - Produkte verwendet werden. Hinzu kommen die Nachteile von Datentransformationen, die unweigerlich zu Informationsverlusten führen. Beispiele für Lösungen auf der Basis kommerziel
ler Systeme werden im Kapitel 3 genauer dargestellt.
2.2. Erweiterung des Funktionsmodells durch Definiton einer offenen CAD-Datenbasis Die Nachteile der diskutierten Nutzung von Sprachschnittstellen lassen sich umgehen, wenn die Datenbasis des CAD-Systems dem jeweiligen Produktmodell entsprechend gestaltet ist. Da Pro
duktmodelle firmen- und branchenabhängig sind, läßt sich mit einem derartigen Modell für jede Firma ein spezielles Produktmodell im Sinne eines Partialmodelles definieren. Wobei dieses Mo
dell kompatibel zu einem Standard, z.B. STEP, sein kann und sein sollte. Die Nutzung von Sprachinterfaces ist nicht erforderlich. Erweiterung und Modellanpassung erfolgen auf der Ebene der Datenstruktur und damit des Quelltextes. Für das Gesamtsystem CAD + Produktmodellierung wird eine Datenstruktur definiert und auf eine höhere Programmiersprache abgebildet. Die not
wendigen Eigenschaften der Sprache werden bei Berücksichtigung von STEP durch die Erforder
nisse von EXPRESS vorgegeben. Interne Schnittstellen zwischen einzelnen Programmodulen können den Partialmodellen von STEP entsprechend gestaltet werden. Einige kommerzielle Mo- dule, besonders geometrische Modellierer, weisen bereits weitgehend STEP-kompatible Schnitt-
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Proprietäres M a
krosprachenin
terface:
Einbindung von:
- FO R TR A N - C /C + + u.a.
Einbindung von G raphikbiblio
theken über M a
krosprachen - SG I - GL - PH IG S u.a.
D efinition und E inbindung von P ro d u k td aten m odellen
M akrosprachen zur N utzung der M odellierfunk
tionalität
Produktmo Geometrischer dellierer Modellierer
Standardgerechte Daten
struktur (offen)
Graphiksy Datenverwal
stem tung
Proprietäre und standardisierte D ateninterfaces:
-IG E S - S T EP
D aten b an k -In terfaces:
-S Q L - ST EP-SD A I u.a.
Bild 3. Erweitertes CAD-System mit Produktmodellierfunktionalität auf Datenstrukturebene und zugehörige Systeminterfaces
stellen auf, sodaß ih
re Verwendung in ei
nem integrierten Pro
duktmodellierer keine prinzipiellen Proble
me bereitet. Den Auf
bau eines datenstruk
turbasierten Modellie
rers zeigt Bild 3. Für den Entwurf der Da
tenstruktur bietet sich ein Stufenkonzept an.
Bild 4 verdeutlicht in Anlehnung an das 3- Stufen-Konzept von ANSI/SPARC [5] die Vorgehensweise.
Ausgehend von einer externen Anwender
sicht wird für einen speziellen Diskursbe
reich die Datenstruk-
A n a ly s e m e th o d e n ( z .B . S A D T 1
-
S e m a n t is c h e s D a te n m o d e ll
( z .B . E R M ) -
L o g is c h e s D a te n m o d e ll ( z .B . r e la tio n a l)
►
P h y s is c h e s D a te n m o d e ll ( z .B . L is te n )
-
A n a ly s e D is k u r s b e r e ic h
r
e x te r n e
S ic h t
K o n z e p t u e ll- s e m a n t is c h e D a t e n m o d e llie r u n g
I n f o r m a t io n s m o d e ll
r..
.---:—tur für ein erweitertes Konstruktionssystem als Abbildung einer Untermenge von STEP definiert und implementiert. Durch die Verwendung eines Informationsmodells, welches dem neutralen Da
tenaustauschformat entspricht, ergeben sich weitere Vorteile. Basiskonzepte, wie eine formale Be
schreibungssprache, die graphische Notation, Compiler für syntaktische Richtigkeit, Abbildungs
konzepte und Datenbanksprachen werden ohne Einschränkungen für den Datenbasisentwurf ver
wendet, ohne daß eine Neuentwicklung erforder
lich ist. Durch diese Vorge
hensweise wird die Pro
duktmodellierfunktionalität in das CAD-System einge
bunden. Die Generierung und logische Verknüpfung der nichtgeometrischen Da
ten des Produktmodellie
rers mit den geometrischen Daten des Geometrischen Modellierers ist durch das integrierte Datenmodell au
tomatisch garantiert. W ich
tige Eigenschaften wie Konsistenz, W iderspruchs
freiheit und Redundanzfrei
heit im Sinne des definier
ten Datenmodells können bereits bei der Generie
rung gesichert werden.
Bild 4. Stufenkonzept zur Produktdatenmodellierung [1]
K o n z e p tu e H - lo g is c h e D a te n m o d e llie r u n g
L o g is c h e D a t e n s t r u k t u r
, ,:V
P h y s is c h e D a te n m o d e llie r u n g
CAD-Format
#1
CAD-Format
#2
n e u tra le r C A D - D a te n a u sta u sch
internes internes intemeá
Schema Schema Schema
*1 #2 #N
CAD-Teilsicht CAD-Teilsicht CAD-Tei!sicht
*1 #2 #N
3. Beispiel fü r die E rw eiterung eines CAD-Systems ü b e r ein S prachinterface
Zur Testung der entwickelten Methode wurde das CAD-System ICEM DDN der Firma Control Data GmbH verwendet. Die vorhandene Sprachschnittstelle GPL ist FORTRAN-ähnlich aufge
baut und ermöglicht die Einbindung von FORTRAN- und C-Programmen. sowie den Zugriff auf zahlreiche CAD-Funktio- nen. Das System arbeitet generell im 3D-Raum. Als Grundlage für einen inte
grierten Produktmodellie
rer wurde ein einfacher geometrischer B-rep-Mo- dellierer (GETOM) [6 ] parallel zum System ICEM DDN verwendet. Dies war notwendig, um zu der pro
prietären, geschlossenen Datenstruktur eine offene, STEP-kompatible Daten
struktur zur Verfügung zu haben. Nichtgeometrische Informationen konnten so direkt mit geometrischen Informationen in Beziehung gebracht werden.
Das Schema des neu
tralen Produktmo
dells dient als Grund
lage für das neutrale Datenaustauschfor
mat und auch für die Definition der offe
nen CAD-Datenbasis (Bild 5). Ausgehend vom allgemeinen Konzept für die Pro
duktmodellierung (siehe Bild 4) wurde die Methode für die Ableitung der STEP- kompatiblen CAD- Datenstruktur ent
wickelt. Die Arbeits
phasen mit ihren M e
thoden und Ergebnis
sen werden in Bild 6 dargestellt.
Das STEP-IPIM stellt auf der Metho- Bild 5. Zusammenhang von Datenaustauschformat, Datenbasis und
Produktmodellschema
M ittel M e th o d e W e r k z e u g Fragebögen Checklisten
E n tw ic k lu n g s p h a s e E rg e b n is
EXPRESS-
Eflittan...
A n a ly s e D is k u rs b e re ic h ) a) Identifizierung aller Produktsichten b) Analyse jeder Produktsicht bezüglich
Daten und Datenbeziehungen
Datenumfang Datenfluß Datentypen
S T E P -IP IM
Spezifizierung konzeptuell-semantisches Schema
EXPRESS- Compiler
anwendungsspezifische Subsetbildung für _______relevante IPIM-Partialm odelle_______
j anwendungs
spezifisches Gesamtmodell
relationen- oder objektonentierte Programmier-
sprache
Spezifizierung konzeptuell-logisches Schema
Abbildung auf Sprach software ________ (DDL / HLPL)_________
J STEP-kompa
tible logische Datenstruktur
Prinzip der zeigerverketteterJ
linearen Instanzenlisten
f Spezifizierung
physisches Schema J
STEP-kompa
tible physische Datenstruktur Definition von Listenstrukturen zur Haltung
von STEP-kompatiblen Produktdateninstanzen-
' • . Y. ..
_________________
S t a n d a r d g e r e c h t e r D a te n b a s is k e m a ín a s in t e g r ie r t e n P r o d u k t m o d e llle r u n g s a y s t e m s
Bild 6 . STEP-bezogener Produktdaten-Modellierungsprozeß
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denseite die Grundlage für die Definition des Informationsmodells dar. Durch Subsetbildung mit anschließender Abbildung auf eine höhere Programmiersprache (HLPL) oder eine Datenbankspra
che (DDL) werden verkettete Listenstrukturen oder Datenbankschemata als Datenbasis des erwei
terten CAD-Systems aufgebaut.
SHAPE REP. INTERF. .SURFACE CONDITIONS. IISCELLANEOU! PRESENTATIOI .DATA TRANSFER
TOLERANCING MATERIALS) (DRAFTING
SHAPE ELECTRICAL
OPOLOGY FORM FEATURE PSC M ) (ANALYSIS'
GEOMETRY .Produktfunktion,
PRESENTATION
s£) ( i r e i p p i i ^ (MATERIALS )
I
(DF <tFTlNG '.NALYSIS
Produktfunktion;
lakrogeu netr erectinungen (FEM,
Drehschwingung) Visualisierung
.Technische;
-ormolemonte.
lisatorisch. Technische Zeichnung
ichematischer Entwurf
( S ^ u n d a r . - ) ( staX r d L e n ) ( IPIM v Partialmodell )
Bild 7. Gesamtmodellbildung für das Anwendermodell "Mechanical Design"
p r o d u k t a t r u k t u r m o d e l l l e r e r T E T O M
« Menoôsteuorungsfunkôonen
P ro d u k ts tru k tu r K o n s is te n z B e a r b e ite n p rü fu n g
# Generierungsfunktionen • lokale Konsistenz
• Ändenjngsfunköonen
• Löechfunköonen funktionen
• Hitfsfunktionen für Dialog,
• globale Konsistenz
funktionen Datenem- und Datenaus
gabe
► Datenverwaltungsfunktionen/Listenfunktionen
* Konstruktoren/Destruktoren
P S C M - k o m p a t i b l e D a t e n s t r u k t u r
K l a s s e n (Produkt- management-
daten)
K l a s s e n (Produkt- definitions- daten)
K l a s s e n (P rodukt- struktur- daten)
G e n e r i e r e n S T E P - F l l e
• File-Generierungs- lunktionen
• Formatfun ktionen
L e s e n S T E P - F i l e
• File-Leee funkt tonen
• Formatfunköonen
Die anwendungsbezogene Reduzierung des IPIM bedeutet eine Subsetbiidung für die verwendeten Partialmodelle. Hierbei gelten die Bedingungen konsistent, redundanz- und widerspruchsfrei. Die
se Bedingungen sind auch bei der folgenden Bildung des anwendungsspezifischen Gesamtmodells einzuhalten. Für den Bereich der maschinenbaulichen Konstruktion (Mechanical Design) wird in [1] ein Gesamtmodell vorgestellt.
In diesem Modell werden geometrische und nichtgeometrische STEP-Pioduktbeschreibungen zu
sammengestellt. Das Problem wurde beispielhaft durch die Berücksichtigung primärer Partialmo
delle mit jeweils einem repräsentativen Subset bearbeitet. Einen groben Über
blick über die verwendeten Partialmo
delle und Subsets gibt Bild 7. Eine Darstellung des vollständigen Aufbaus ist in diesem Rahmen nicht möglich.
Ausgehend von den Partialmodeilen des IPIM wird in primäre und sekundä
re Partialmodelle unterschieden. Über eine Subsetbildung, die jeweils mehre
re primäre Partialmodelle zusammen
faßt, wird das Gesamtmodell mit dem in STEP nicht vorkommenden Namen
"Mechanical Design" definiert. Als Er
gänzung zum bisherigen Stand von STEP wurde in [1] ein Partialmodell ''Produktfunktion" inhaltlich entwor
fen. Dieses Modell ist für den schema
tischen Entwurf im Konstruktionspro
zeß (Finden der Funktionsstruktur) notwendig. Das Gesamtmodell wurde für einige ausgewählte Beispiele als Module eines produktmodellierenden CAD-Systems implementiert. Hierzu zählen das Programm GETOM (Geome- trisch-T opologischer Modellierer) und das Programm TETOM (T echnische-T opolo- gie - Modellierer, Bild 8). GETOM der Generie- Manipulation Visualisierung von geometrisch-to
pologischen Objek
ten. Auf dieses Pro
gramm soll nicht nä
her eingegangen wer
den. Der TETOM- Komplex "Produkt-
o STEP-Subsets von TEGETOM
S T E P - F i l e (Produkt struktur)
Bild 8. Struktur und Funktionalität von TETOM
Geometry
Positionierung
\
Shape. Representation.Shape.Interface
1
Product. Structure_
À
Representation
1 1
Management
Topology
GETOM-
Informationsumfang TEGETOM-Infomtationsuniang
TETOM- Informabonsumfang
dient rung, und
85
Struktur - Bearbeiten" umfaßt Tätigkeiten wie Generieren, Ändern und Löschen von Instanzen ei
ner Produktstruktur. Parallel zur Bearbeitung von Instanzen wird eine ständige Konsistenzprüfung durchgeführt. Die Datenbasis von TETOM wird gefüllt, indem der Nutzer im aJn - Dialog die At
tribute der, einen spezifischen Entity-Typ repräsentierenden, C++ - Klassen eingibt. Konstrukto
ren sind hierbei Klassenmethoden, die die Aufgabe haben, Speicherplatz für neue Instanzen zu re
servieren.
Der Produktstruktur-Modellierer TETOM wurde durch Kombination mit dem Produktgestalt-Mo
dellierer GETOM zu einem, unabhängig von einem kommerziellen CAD-System arbeitenden, Produktmodellierer TEGETOM weiterentwickelt. Auch dieser Modellierer wurde in C++ auf ei
ner Silicon Graphics - Workstation implementiert. Die für die Datenstruktur verwendeten STEP- Subsets sind in Bild 9 dargestellt. Die Kopplung von Produktstruktur und Produktgestalt ist aus konstruktionstechnischer Sicht ein komplexer und iterativer Prozeß. Für die Testung der Methode wurden daher auf das Notwendigste orientiert. Besonders der Bereich der Datenverwaltung wurde lediglich angearbeitet. Besonders in diesem Bereich wird zur Zeit am Einsatz einer erweiterten re
lationalen Datenbank gearbeitet. Auch in den Bereichen der geometrisch-topologischen Modellie
rung und der Visualisierung wird gegenwärtig am Einsatz von fremdentwickelter Software gear
beitet.
4. Zusam m enfassung
Die Analyse des Konstruktionsprozesses bezüglich der produktbeschreibenden Informationen und ihrer Strukturen zeigt deutliche Defizite herkömmlicher CAD-Systeme bezüglich der Funktionali
tät für eine moderne Produktmodellierung. Es werden zwei Möglichkeiten gezeigt, wie auf der Basis des Standards STEP CAD-Systeme erweitert bzw. neu entwickelt werden können. Die Er
weiterung durch Nutzung von Sprachinterfaces ergibt nur bedingt verwendbare Ergebnisse, da ei
ne zweite, zum CAD-System parallele Datenbasis definiert, gefüllt und verwaltet werden muß.
Die volle, dem integrierten Produktmodellansatz von STEP entsprechende, Produktmodellierfunk
tionalität läßt sich durch die Neuentwicklung unter Nutzung kommerzieller Geometriemodellierer und Datenbanken erreichen.
5. L iteraturverzeichnis
[1] Willert, J.: Gestaltung standardgerechter Produktmodelle in der maschinenbaulichen Kon
struktion. Diss. Universität Rostock, 1993.
[2] ESPRIT Consortium AMICE: Open Systems Architecture for CIM. Project 688, Springer- Verlag, 1989.
[3] Referenzmodell für CAD-Systeme. Gesellschaft für Informatik, 1990.
[4] Standard for the Exchange of Product Model Data, ISO 10303.
[5] ANSL/X3/SPARC: Study Group on Data Base Management Systems. Bulletin of ACM- SIGMOD Vol.7, 1975, No. 2 .
[6] Brökel, K.: Technische Modellierung von Stirnradgetrieben auf der Basis von Produktmo
delldaten. Diss. B. Universität Rostock 1990.
Revised by: Ryszard Knosala