DISEÑO ROBUSTO

Diseño de experimentos

En Japón, durante las décadas de 1950 y 1960, el doctor Genichi Taguchi desarrolló técnicas para aplicar el DOE en mejorar la calidad de productos y procesos de manufactura.Taguchi recibe crédito por promover varias ideas clave de diseño experimental para el desarrollo de productos y procesos robustos.

El DOE no es sustituto del conocimiento técnico del sistema bajo investigación. En realidad, el equipo debe usar su conocimiento del producto y forma de operación para escoger los parámetros correctos para investigar por experimento.

El método de diseño robusto está basado en un método llamado diseño de experimentos (DOE). En este método, el equipo identifica los parámetros que se pueden controlar y los factores de ruido que desea investigar.

Por ejemplo, los ingenieros de Ford tienen modelos matemáticos básicos del desempeño de cinturones de seguridad como una función de las dimensiones de un pasajero y tipos de colisión. Estos modelos permiten a la Ford dar dimensiones a elementos mecánicos y determinar la geometría del aditamento del cinturón.

¿Qué es el diseño robusto?

Definimos un producto robusto como aquel que funciona como se desea aun bajo condiciones no ideales como son variaciones del proceso de manufactura o una variedad de situaciones de operación.

el término ruido se lo usa para describir variaciones no controladas que pueden afectar al funcionamiento

Un diseño robusto es la actividad de desarrollo de un producto para mejorar el desempeño deseado del producto al mismo tiempo que se minimizan los efectos de ruido

En diseño robusto empleamos experimentos y análisis de datos para identificar puntos de referencia robustos para los parámetro de diseño que podemos controlar.

Un punto de referencia robusto es
una combinación de valores de parámetro de diseño para los cuales el desempeño del producto es como se desea bajo una amplia variedad de condiciones de operación y variaciones de manufactura

Conceptualmente, el diseño robusto es fácil de entender. Para un objetivo determinado de
desempeño

restringir con seguridad el movimiento de pasajeros de asientos traseros

.

El proceso de diseño robusto

Formular una función objetivo.

Desarrollar el plan experimental.

Identificar factores de control, factores de ruido y métricas de desempeño.

Realizar el análisis.

Para desarrollar un producto robusto por medio del diseño de experimentos (DOE), sugerimos
este proceso de siete pasos:

El proceso de diseño robusto usa un método experimental para hallar puntos de referencia robustos

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Seleccionar y confirmar puntos de referencia de factor.

El proceso de diseño robusto se puede usar en varias etapas del proceso de desarrollo de
un producto

Meditar y repetir.

Ejemplo cinturones de seguridad.

Paso 1: Identificar factores de control, factores de ruido y métricas de desempeño

Factores de control: Son las variables de diseño bajo control durante el experimento, se usan para explorar el desempeño del producto bajo las numerosas combinaciones de puntos de referencia de parámetro.

Factores de ruido: Son variables que no se pueden controlar de manera explícita durante la manufactura y operación del producto.

Métricas de desempeño: Son las especificaciones de interés del producto en el experimento. Por lo general, el experimento se analiza con una o dos especificaciones clave del producto, como métricas de desempeño, para hallar puntos de referencia de factor de control y optimizar este desempeño.

Paso 2: Formular una función objetivo

Minimización: Este tipo de función se usa en dimensiones de desempeño donde valores más pequeños son mejores, por ejemplo el ángulo de la espalda en desaceleración máxima.

Valor objetivo: Este tipo de función se usa para dimensiones de desempeño donde valores
más cercanos a un punto de referencia deseado u objetivo son mejores, como es la cantidad de aflojamiento del cinturón antes de la sujeción.

Maximización: Este tipo de función se emplea en dimensiones de desempeño donde valores mayores son mejores, como lo es una máxima desaceleración antes del desliz del
cinturón de seguridad.

Relación señal a ruido: Este tipo de función se usa particularmente para medir robustez. Taguchi formula esta métrica como una razón con la respuesta deseada en el numerador y la varianza en la respuesta como el denominador.

Paso 3: Desarrollar el plan experimental

Factorial fraccional: Este diseño utiliza sólo una pequeña fracción de las combinaciones
empleadas líneas antes. A cambio de su eficiencia se sacrifica capacidad para calcular las
magnitudes de todos los efectos de interacción

Matriz ortogonal: Este diseño es el plan factorial fraccional más pequeño que todavía
permite al equipo identificar los efectos principales de cada factor, aun cuando estos efec￾tos principales se confunden con muchos otros efectos de interacción

Diseños experimentales
Una inquietud crítica en el diseño de experimentos es el costo de preparar y ejecutar los intentos experimentales

Un factor a la vez: Éste es un plan experimental desbalanceado porque cada uno de los
intentos se realiza con todos los factores, excepto uno, a niveles nominales (y el primer
intento con todos los factores al nivel nominal).

Factorial completo: Este diseño comprende la exploración sistemática de toda combinación de niveles de cada factor

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Paso 6: Seleccionar y confirmar puntos
de referencia de factor

El análisis de medias y las gráficas de efectos de factor ayudan al equipo a determinar qué factores tienen un fuerte efecto sobre el desempeño medio y varianza, y por lo tanto cómo lograr un desempeño robusto.

Estas gráficas ayudan a identificar qué factores son mejores para reducir la varianza del) y cuáles factores se pueden usar para mejorar el desempeño.

Paso 7: Reflexionar y repetir


Ayuda a identificar en forma apropiada los puntos de referencia robustos, y esto a veces conviene realizar más optimización del desempeño del producto, y puede requerir varias rondas adicionales de experimentación.

Pruebas que el equipo puede seleccionar

Explorar interacciones entre algunos de los factores para mejorar más el desempeño.

Afinar los puntos de referencia de parámetro usando valores entre los niveles probados o fuera de este intervalo.

Reconsiderar los puntos de referencia escogidos para factores que muestren un acuerdo de desempeño contra robustez.

Investigar otros factores de ruido y/o control que no se incluyeron en el experimento inicial.

Advertencias

Al interpretar un análisis de medias es que los efectos del factor son independientes, sin las interacciones en los factores, y casi todos los sistemas reales exhiben muchas interacciones, pero éstas suelen ser más pequeñas que los efectos principales.

La verificación de esta suposición es otro motivo para ejecutar experimentos de confirmación en los puntos de referencia seleccionados.

Los textos que se refieren al DOE por lo general dan varias formas para explorar interacciones en los factores, incluyendo lo siguiente.

Ejecutar un diseño factorial fraccional más grande.

Usar un plan experimental adaptable de uno a la vez

Asignar interacciones específicas a explorar en ciertas columnas de la matriz ortogonal (en lugar de usar la columna para un factor de control).

El análisis de varianza (ANOVA) tiene una forma de evaluar la significación de los resultados de efectos del factor en vista del error experimental observado en los datos. ANOVA toma en cuenta el número de observaciones hechas en cada uno de los grados de libertad del experimento y la escala de los resultados para determinar si cada efecto es importante desde el punto de vista estadístico.

Paso 5: Ejecutar el análisis

Paso 4: Ejecutar el experimento

.
Prueba de factores de ruido
Se emplean varios métodos para explorar los efectos de
factores de ruido en experimentos.

Si los factores de ruido no se pueden controlar durante el experimento, permitimos que el ruido varíe de modo natural y simplemente evaluamos el rendimiento del producto en presencia de ruido. Algunas formas comunes para probar factores de ruido son:

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Usar una matriz externa para los factores de ruido.

Ejecutar réplicas de cada fila, permitiendo que el ruido varíe de un modo natural y no controlado en todo el experimento, resultando en varianza medible en desempeño para cada fila.

Asignar columnas adicionales en la matriz ortogonal o esquema factorial fraccional a los factores de ruido, tratando esencialmente el ruido como otra variable.

Ejecutar réplicas de cada fila con ruido compuesto.

Para ejecutar el experimento, el producto se prueba bajo las diversas condiciones de tratamiento descritas por cada una de las filas del plan experimental.

Hacer aleatoria la secuencia de las ejecuciones experimentales garantiza que cualquier tendencia sistemática durante la realización del experimento no está correlacionada con los cambios sistemáticos en los niveles de los factores.

Hay muchas formas de analizar los datos experimentales. Para todos, excepto el análisis más elemental, el equipo se beneficia de consultar a un experto en diseño de experimentos (DOE) o por consultar un buen libro de análisis estadístico y diseño experimental. El método analítico básico se resume aquí.

Cálculo de la función objetivo

El equipo tendrá un objetivo relacionado con el desempeño medio y la varianza en desempeño. A veces media y varianza se combinarán y expresarán como un solo objetivo en la forma de una relación señal a ruido. Los valores de la función objetivo se pueden calcular para cada fila del experimento.

Cálculo de efectos del factor por análisis de medias

El análisis de medias comprende simplemente promediar todas las funciones objetivo calculado para cada nivel de factor.