三维激光切割技术的发展使其在航空航天、汽车制造等工业领域得到广泛应用。我国的激光工业基础较薄弱使得三维激光切割机床在制造水平、软件水平等方面与国际先进设备存在一定差距,目前国内的三维激光切割机也多购入国外专用系统或在通用的数控系统基础上进行二次开发,成本很高,因而研发具有自主知识产权的三维激光切割数控系统,对满足国内主要行业对三维激光切割设备需求,提高我国装备制造业国际竞争力具有重要意义。所以本文采用PC+I/O的开放式数控系统结构并基于Windows系统平台,对三维激光切割数控系统的双控制器硬件体系与软件架构进行构建,并对其关键功能实现进行了研究。首先为体现三维激光切割数控系统的特点,分析了三维激光切割数控系统双控制器硬件体系及数控软件功能需求,对数控软件功能按执行位置及实时性进行了划分。将系统划分为两个主要模块来明确表述数控系统层次结构、功能组成及模块间的数据流走向,完成了系统软件架构的建立。进而利用用户管理模块多任务调度结构模型及数控内核模块“双线程-中断响应”任务调度结构模型描述系统对多任务的调度机制,满足系统多任务协调控制需求。在系统软件架构的基础上进行数控系统功能模块的设计与开发。为实现数控系统基本功能开发界面计算机及内核计算机的通用功能模块。针对进行激光切割控制的关键功能模块进行研究。为实现对数控系统I/O状态点及系统运行状态的统一管理并实现部分用户逻辑控制功能,研究软PLC模块的数据结构定义和运行机制。通过研究网络通信模块的运行机制并确定通信指令及通信参数,实现数控系统网络通信功能。基于数据采样插补结构研究微步距插补功能模块,开发硬件DDA插补算法及伺服驱动算法使系统满足激光切割高速高精度运动控制需求。为提高激光切割速度并保证切割过程稳定、切缝光滑,研究轨迹插补及速度预测与平滑功能,提出连续切割轨迹段的运动参数约束条件及平滑规则,并实现速度平滑算法。最后设计加工控制模拟实验并分析运行结果,验证数控系统软件架构、多任务调度模型的可行性及各功能模块开发的有效性。分析微步距插补仿真波形并设计匀速段运动实验,根据实际控制脉冲波形验证微步距插补模块功能的正确性。设计三维轨迹加工算例并利用MATLAB模拟轨迹插补及速度预测与平滑算法,分析数值仿真生成的平滑后运动段速度及加速度曲线,验证轨迹插补及速度预测与平滑功能的正确性。