激光加工技术以其广泛的材料适应性、高度的柔性、高效率高精度等优点,在航空航天、造船、模具等领域的关键性零部件加工中得到了广泛的应用。目前,激光加工数控技术正朝着开放化、多轴化、组合化、自动化、智能化等方向发展,激光束与材料之间的相互作用机理和激光加工过程监控技术已成为当今国际上激光加工领域研究的热点问题。我国的激光加工技术与国际先进水平(主要是美国、日本和欧洲)存在着较大的差距。西方发达国家在先进的高精度激光加工系统方面对我国实施了长期的技术封锁和战略禁运。利用当前流行的开放式运动控制技术和先进的软件技术,开发拥有自主知识产权的高性能激光加工数控系统,有助于推动我国的激光加工产业和装备制造业,进而推动我国航空航天、国防和民用工业的发展。基于以上原因,本文将开展激光切割数控系统、状态监测技术以及关键航空材料加工等方面的研究。本文首先给出了激光加工数控机床的组成和结构形式,在分析了基于PC的开放式数控系统的三种实现形式的基础上,确定了具有较好开放性和可靠性的“NC嵌入PC型”数控系统实现方案,利用工控机和可编程多轴运动控制器PMAC构成了上下位机式并行双CPU数控系统,由PMAC实施前台实时控制,由工控机实现后台管理和人机接口界面。然后,分析了基于组件对象模型(COM)实现开放式数控软件的可行性,将数控软件划分为设备层、功能层和应用层,研究了数控软件的组件模块划分,并实现了基于COM的层次式体系结构数控软件,保证了数控软件的开放性。最后,开发了激光器远程控制接口电路和激光器远程控制组件模块,实现了数控系统与激光器的协同控制。激光切割过程中的过程信号直接或间接地反映着过程稳定性和切割质量,通过对其进行监测和分析,可以在切割过程不稳定时采取相应措施,以避免切割质量的恶化。本文分析了激光切割过程中声音信号的产生机理,采用了小波分析和平滑伪Wigner-Ville时频分布对Nd:YAG脉冲激光切割过程中的脉冲作用声进行了消噪和分析,研究了脉冲作用声在时频平面上的能量密度分布随脉冲激光切割参数的变化规律;研究了脉冲作用声的统计特征与切缝底部毛刺形态之间的关系,发现脉冲作用声的标准偏差能够反映毛刺的高度信息;通过对完全切透和未切透两种状态下脉冲作用声的特征进行分析和比较,发现了两种状态下脉冲作用声在持续时间和标准偏差方面的差异,提出了基于声音信号的脉冲激光切割过程监测方法。针对某型航空发动机环形零件的叶形孔加工,本文进行了钛合金和高温合金薄板的Nd:YAG脉冲激光切割实验,深入分析了切割参数对钛合金热影响区、表面形貌和抗腐蚀性能的影响,研究了切割参数对高温合金重铸层的影响。最后,利用前文开发的激光加工数控系统,完成了多种型号环形零件的叶形孔加工,获得了很好的加工质量。复杂形状二维汉字字符轮廓和三维叶形孔的高质量加工,表明该激光加工数控系统工作稳定可靠,具有良好的性能。