目前在以机器人等自动化装备代替手工劳动实现曲面研抛作业的柔顺控制中,通过在其末端执行器安装弹簧、阻尼等被动柔顺结构以实现柔顺控制的做法较为普遍。这种力/位混合控制方法是一种时变的强耦合性和高度非线性弱化的策略,实现位移-位姿-力的控制非常困难而且精度较低,控制不平稳,不能解决研抛加工时要求的产生任意力的高柔性和机器人本身在操作时的位置和结构的高刚度之间的矛盾。本文针对曲面研抛过程中对工具位姿以及法向压力的柔顺控制要求,设计了一种可以与机器人或者五轴数控机床有效集成的自由曲面形状自适应柔顺工具系统。在软件编程中对力/位混合空间解耦处理成两个独立的子空间后,分别对力与位置进行控制,即通过工具系统中设计的被动腕关节伺服机构配合机器人对加工轨迹的控制实现其对自由曲面表面形状的自适应,通过直线步进电机和弹簧系统对法向力进行主动控制。文中利用ADAMS建立了工具系统的虚拟样机,通过建立三种典型的自由曲面工件模型:正弦曲面、椭球曲面以及一种吸尘器上盖曲面进行仿真实验,研究了工具系统在进给过程中法线的变化与工件表面法线变化的拟合程度以考查工具系统对自由曲面工件形状的自适应性能;在MATLAB中建立了控制系统的传递函数模型,设计了常规PID控制器以及模糊PID控制器,并利用Simulink对系统性能进行了仿真实验;通过设计角度自适应PID控制器,对控制系统进行了优化。本文还搭建了工具系统进行自适应性与力控制研究的实验系统平台,利用LabVIEW编制了数据采集和法向力控制软件,通过选用具有代表性的自由曲面工件的不同形状轮廓:凸曲面、凹曲面和平面,进行模拟工具系统安装在机器人上的柔顺控制实验,验证了工具系统对自由曲面形状具有良好的自适应性以及对法向力具有较好的控制性能。理论研究和实验验证表明,本文中研制的工具系统在对自由曲面进行跟踪的同时能够实现力和位置的混合控制。