六缸曲轴是柴油机的重要组成部分，在柴油机工作过程中曲轴受力情况复杂，所以在生产加工时，通常对其加工质量有着较高的要求。这使得六缸曲轴加工工艺繁复，工序间的工件移动和装卸次数频繁，且曲轴工件质量接近200Kg，生产线的自动化改造迫切需求曲轴装卸重载机械臂。因此，本文针对曲轴生产中选定的三个工位（铣端面钻中心孔、质量定心机、车外径），设计一种重载机械臂，可实现曲轴工件在这三个工位的自动装卸，且进行其轨迹优化控制研究。在分析生产现场的基础上，确定了机械臂的设计指标；对比研究国内外现有机械臂构型特点后，选定5自由度闭链式关节型重载机械臂构型；基于可操作度指标，优化设计了机械臂的各臂杆长度；经过电机与减速机构等多次权衡，设计了安川交流伺服电机与RV减速器的腰部、肩部、腕部结构；采用连杆杠杆式机构与V型钳口组合的方案进行了末端夹持器设计；工作空间分析表明机械臂可满足生产现场的运动空间需求；在肩关节设计了弹簧式平衡缸以平衡机械臂自重对控制特性的影响，并基于简化动力学模型进行了平衡系统参数的优化，优化后的平衡系统将肩关节驱动力矩峰值由9679.5N·m降低到2498.0N·m。为优化机械臂的动态特性，分别建立了机械臂刚体动力学模型和考虑关节柔性的刚柔耦合动力学模型，并通过ADAMS仿真验证了模型的正确性，基于验证的动力学模型，分析了机械臂系统的动力学参数及性能，并以其相应的动态性能指标和机体轻量化作为优化目标函数，优化设计机械臂各个杆件的尺寸参数，优化得到的最优杆件参数使机体体质量减小约30%，并在一定程度上提高了机体的动态性能；进一步建立了优化后机械臂关键臂杆的有限元模型，并进行了静力分析与模态分析，分析结果表明优化后的机械臂杆件符合性能要求。在机械臂的轨迹规划算法及优化方面，比较两种常用的轨迹规划算法后，选定空间多点样条插值规划算法为基础算法。结合机械臂动力学模型，以时间和能耗最优为优化目标，对轨迹规划算法进行了优化设计，优化结果表明该算法在缩短运行时间的同时可降低系统能耗，具有一定的优越性。基于六缸曲轴生产线中三个特定工位的上下料作业需求，利用SolidWorks、MATLAB和ADAMS进行轨迹规划的联合仿真实验，结果表明机械臂可在三台生产设备间快速、平稳地运送工件，满足曲轴加工的现场需求。