本发明公开了一种非结构自由曲面打磨装置，通过设置压缩浮动机构、六维力传感器、主动控制机构和六自由度机械手，能够通过六维力传感器实时测量打磨头多个维度的受力情况；控制器能够根据打磨过程中受力情况的变化采用不同的主被动柔顺控制方式，提高对打磨过程中对打磨力变化的响应速度，能够保证打磨过程中打磨头与被磨削表面的接触力始终保持在一定的合理范围内，同时使得打磨力的方向始终在被磨削曲面的垂直方向上；通过控制六自由度机械手的运行轨迹，调节打磨头的打磨轨迹，对待加工零件的非结构自由曲面进行打磨，并进行打磨力控制，有效提高打磨效率和表面光洁度，有利于降低劳动强度，同时提高零件打磨质量。