本发明公开了一种大型自由曲面机器人打磨系统，其包括气动打磨头、工业机器人、机器人控制柜、移动式龙门架、视觉系统、气动控制柜和系统控制柜。打磨系统工作时，先通过基准精准标定技术快速准确地标定零件基准，再通过移动式龙门架带动工业机器人到达目标曲面，并由工业机器人带动气动打磨头按规划路径对目标曲面进行打磨，打磨过程采用气动柔顺力控制技术和法向打磨力控制技术，有效地保证打磨精度和打磨质量一致性；打磨完一个目标曲面后，由移动式龙门架带动工业机器人到达下个目标曲面，工业机器人再次带动气动打磨头按规划路径进行打磨，如此按顺序逐步完成所有自由曲面的打磨。本发明结构简单，工作范围广，适用于大型自由曲面打磨。