Introducción al diseño robusto
Introducción al diseño robusto (Taguchi) El diseño robusto tiene su origen en las ideas del ingeniero japonés Genichi Taguchi, quien desarrollo su propia filosofía y métodos de ingeniería de la calidad desde la década de 1950. Los métodos de Taguchi y de otros autores Japoneses se introducen en Estados Unidos a partir de la década de los años 80. Taguchi hace varias contribuciones a la calidad. Es precisamente en el diseño de experimentos donde hace sus aportaciones más importantes, con la introducción de lo que el llama diseño de parámetros, que se convirtió en lo que ahora se conoce en occidente como diseño robusto.
Filosofía de Taguchi Taguchi establece que la calidad de un producto es la perdida que ese producto causa a la sociedad mientras se utiliza para los fines que fue hecho. Plantea el Diseño de parámetro o diseño robusto, Como la determinación de los niveles de los parámetros o factores de proceso, de tal forma que cada característica del producto se desempeñe como variación mínima alrededor de su valor objetivo. Esto sabiendo que los parámetros son los factores o variables del proceso. La metodología Taguchi establece tres metas: 1. Diseños robustos (insensibles) ante el medio ambiente para productos y procesos. 2. Diseño y desarrollo de productos, de modo que sean robustos a la variación de componentes. 3. Minimización de las variaciones con respecto a un valor objetivo. Estas tres metas se concretan en tres etapas del desarrollo de un producto: 1. Diseño del sistema: el ingeniero utiliza principios científicos y de ingeniería para determinar la configuración básica. 2. Diseño de parámetros: se determinan los valores específicos para los parámetros del sistema, minimizando la variabilidad aportada por las variables de ruido. 3. Diseño de tolerancias: se determinan las mejores tolerancias para los parámetros. Un concepto y herramienta clave en el diseño de parámetros es la función de pérdida: que es la que cuantifica la pérdida social que un producto causa cuando sus características de calidad se desvían de su valor real. Esta función se traduce como:
Donde k es una constante que depende de tolerancias y de los costos de reparacion del producto.
Diseño de experimentos por computadora
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Robustez El diseño robusto esel experimento en el que se consideran factores de ruido, con los cualesse quiere lograr un proceso o producto robusto. La robustez es hacer un producto o proceso insensible o resistente a factores de ruido que no son controlables. Se trata de logar que el producto o procesotenga el desempeño deseado sin que le afecten las fuentes de variacion no controladas. El obejetivo fundamental es determinar la combinacion de niveles de los factores controlables, en donde los factores de ruido no afecten al proceso, aunque estos ultimos no se controlen.
Factores de control, de ruido y de señal Existen basicamente dos tipos de factores: Controlables y No controlables (de ruido). Dentro de los factores controlables se distinguen 4 tipos de factores a saber: 1. 2. 3. 4.
Afecta la media y la variabilidad. Afecta solo la vatriabilidad. Afecta solo la media. No afecta la media ni la variabiliadad.
A continuacion se presenta las clases de control de acuerdo a su efecto sobre la media (eje x) y o la variabilidad (eje y).
Factor señal Muchos productos están diseñados para trabajar en diferentes niveles de desempeño y de acuerdo a los deseos del usuario o consumidor. Se llama factor señal al dispositivo que permite cambiar el nivel de operación de acuerdo a los deseos del usuario. Ejemplo, Diseño de experimentos por computadora
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en una tostadora de pan el factor señal es el mecanismo que permite seleccionar el grado de tostado deseado. El factor señal permite cambiar el valor de la media de la característica de calidad, y es deseable que la variabilidad en cada nivel de operación sea mínima. Hay muchos productos que no cuentan con un dispositivo para que el usuario elija cierto nivel de desempeño, y en este caso no existe tal factor señal.
Factores de ruido Los factores de ruido que actúan sobre el producto o proceso se clasifican como: de ruido externo, interno y de deterioro. 1. Ruido externo: Ambiente en el cual el proceso o producto se desempeña, y carga de trabajo a que se somete. 2. Ruido interno: Variación generada por el proceso de unidad a unidad debido a su tecnología y a la diversidad de sus componentes. 3. Deterioro: Efectos que aparecen poco a poco con el tiempo por la degradación del proceso, y puede llagar a causar fallas.
Tipos de estudios de robustez Los estudios de robustez se clasifican utilizando como criterios al tipo de variable de respuesta y la existencia o ausencia de factores de señal. Una variable de respuesta puede ser de tres tipos: 1. Entre más pequeña mejor: Son variables de calidad cuya única exigencia es que no excedan cierto valor máximo tolerado o especificación superior (ES). 2. Entre más grande mejor: Son variables de calidad a las que se les exige que sean mayores que un valor mínimo o que cierta especificación inferior (EI). 3. Valor nominal es el mejor: Variables que tienen que tener un valor especifico que por lo tanto, no debe ser menores que una especificación inferior (EI), pero tampoco mayores que una superior(ES).
Arreglos ortogonales Son matrices de diseños factoriales completas, fraccionadas o mixtas que tienen la propiedad de ortogonalidad, dicha propiedad indica que una matriz de diseño es ortogonal si sus columnas son linealmente independientes, cual se tiene si la multiplicación de dos columnas cualesquiera es igual a cero. En la medida que se estudian más factores, se tiene menos grados de libertad para estudiar interacciones; sin embargo Taguchi no hace énfasis en el estudio de las interacciones, prefiere saturar lo más posible los arreglos y analizar solo los efectos principales de cada factor. A continuación se muestran seis de los arreglos ortogonales de uso más frecuente, que son: L4, L8, L12, L16, L9, y L18, y en la parte inferior de cada uno de ellos se lista la manera de asignar los factores a las columnas. Diseño de experimentos por computadora
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Diseño con arreglo interno y externo (diseño de parámetros) La condición fundamental para que un diseño experimental sea de tipo robusto es que exista al menos un factor de ruido para el cual se busca hacer que el proceso o producto sea insensible a su efecto, sin pretender controlar dicho factor de ruido.
Razón señal/ruido. Para el análisis con arreglo interno y externo Taguchi propone el cociente o razón señal/ruido, que es un estadístico que mide la robustez en cada combinación de los Diseño de experimentos por computadora
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factores de control. Siempre se busca maximizarlo. De acuerdo con el tipo de característica de calidad, este estadístico se define así:
Ventajas del diseño robusto con respecto del clásico. 1. La introducción de la idea de robustez. Con el diseño robusto es posible formular un producto o proceso que trabaje sobre el valor objetivo con la mínima variación, que sea insensible a los cambios de las condiciones ambientales y a la variación transmitida por sus componentes, con un menor costo de fabricación. En el diseño clásico no se considera la posibilidad de minimizar el efecto de un factor ruido. 2. Su énfasis en buscar siempre minimizar la varianza, y al mismo tiempo llevar la media a su valor nominal. El diseño robusto enfoca el análisis, minimizando la varianza y llevando luego a la media a su valor objetivo. El diseño clásico mejora el desempeño de la media muchas veces ignorando el comportamiento de la varianza. 3. El reconocer que es durante las etapas de diseño de un nuevo producto y en el diseño del proceso, cuando el diseño de experimentos puede tener mayor impacto. Es en esta etapa cuando se pueden atacar las tres principales fuentes de variación que afectan su desempeño futuro: Variables ambientales, variaciones de manufactura y deterioro del producto. El diseño clásico no enfatiza el hecho de que una vez diseñado el producto y su proceso, se reduce al el margen de maniobra para optimizarlo, puesto que solo queda por atacar la variación en manufactura. 4. El diseño con arreglo interno y externo. Este diseño de Taguchi es un mecanismo que permite introducir el efecto de los factores de ruido en cada combinación de los factores controlables
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