本发明公开了一种基于非线性双闭环控制的曲面轮廓恒力跟踪方法，该方法根据曲面轮廓跟踪运动模型，对工具末端与工件的接触力模型进行受力分析，通过受力分析以及运动坐标转换方程，得到实际运动倾角与法向接触力误差之间的关系及双闭环力控制方法，再根据双闭环力控制方法得到非线性PID力控制器的控制流程及非线性PID控制方程，通过运动控制器控制三个坐标方向上运动机构的运动，从而实现工具末端以恒定的法向接触力跟踪未知曲面轮廓运动。本发明还提供了实现该方法的应用装置，包括PC主机、嵌入式运动控制器、端子板、信号放大器、三维力传感器、伺服驱动器和三坐标驱动及传动机构，以及工作台架上安装的x、y、z轴方向运动机构、传感器装夹架、加工工具和装夹曲面工件的工件夹具。