Вертикальные токарные (в русском варианте обычно добавляют слово «карусельные») станки, аналогично классическим токарным станкам, предназначены для обработки металлических изделий методом резания за счет их силового вращения вокруг вертикальной оси с одновременным нажимом на обрабатываемую поверхность одним или двумя твердосплавными резцами. Нижняя плоскость детали крепится на рабочем столе станка, поэтому у токарных карусельных станков обрабатываемыми поверхностями являются верхняя и боковые стороны заготовки.

Необходимость смены оси вращения у токарных карусельных станков с горизонтальной на вертикальную продиктована с одной стороны большим весом изделий, а с другой – их большим диаметром в сравнении с длиной (L/D ≤1 для средних станков и ≤0,5 для тяжёлых). Вращение вокруг вертикальной оси токарного карусельного станка позволяет более рационально распределить нагрузку с рабочего стола на основание и фундамент токарного карусельного станка, снизить перекосы, более эффективно противостоять биениям, возникающим при вращении массивных заготовок.

У такого «перевернутого» токарного карусельного станка план-шайба выполняет роль горизонтального рабочего стола (см. рис. справа). Кроме традиционного зажима деталей в кулачках появляется возможность использования Т-пазов, большая часть из которых располагается радиально, однако есть и пазы, параллельно смещенные от центра, – по ним перемещаются кулачки. Двигатель главного привода располагается в задней части токарного карусельного станка. Для пуска, переключения скоростей и останова планшайбы применяются электромагнитные муфты.

В зависимости от количества вертикальных стоек (колонн) вертикальные токарные карусельные станки делятся на 1-колонные (консольные) и 2-колонные (портальные). Портальная схема обеспечивает большую жесткость токарного карусельного станка и применяется для обработки деталей больших диаметров. По вертикальной/вертикальным стойкам токарного карусельного станка перемещается горизонтальная балка - траверса, вдоль которой ходит основной (вертикальный) суппорт с установленным на нём инструментом, предназначенным в основном для обработки верхней поверхности изделия и -отчасти- боковых поверхностей. Для обточки участков, расположенных в нижней боковой части детали, используется дополнительный суппорт, называемый боковым. В подавляющем большинстве случаев вспомогательный боковой суппорт имеет только ручное управление, это справедливо и для токарно-карусельных станков с ЧПУ. Панель управления токарного карусельного станка может монтироваться либо на переносном ящике, либо подвешиваться на специальной поворотной консоли.

Токарно-карусельные станки предназначаются для выполнения черновой и финишной обработки чёрных и цветных металлов, сталей, различных сплавов, а также для обработки поддающихся резанию неметаллических материалов. На токарных карусельных станках выполняются операции точения внешних и внутренних цилиндрических поверхностей, конусных и контурных поверхностей, проточка канавок и пазов, отрезание, а при наличии приводных инструментов (C-ось) – сверление и развертывание отверстий, нарезание внутренней резьбы, фрезерование, зенкерование и ряд других операций, свойственных токарным станкам с С-осью и обрабатывающим центрам.

Помимо общих для всех станков параметров (габариты, вес, мощность), токарно-карусельные станки имеют следующие характеристики: максимальные вес, диаметр и высота обрабатываемой детали, диаметр, крутящий момент и скорость вращения рабочего стола (планшайбы), пределы и скорости перемещения траверсы и суппортов, углы наклона суппортов, максимальные усилия резания, сечение и количество инструментов в сменщике токарного карусельного станка и т.д.

1-колонные вертикальные токарные карусельные станки имеют принципиальную конструкцию, показанную на рисунке справа. Как правило, диаметр обрабатываемых деталей для токарных карусельных станков данного типа составляет 0,8-3 метра при высоте детали 0,8-2 метра. Для вращения рабочего стола (план-шайбы) используется один электродвигатель.

У многих моделей токарных карусельных станков для расширения их возможностей мехобработки вертикальный ползун может наклоняться, подобно маятнику, в две стороны, давая возможность инструменту проникать дальше в обрабатываемые полости. С этой же целью одностоечные токарно-карусельные станки в дополнение к основному (верхнему) суппорту могут быть доукомплектованы боковым суппортом. Наклонение основного суппорта позволяет без применения системы ЧПУ создавать и обрабатывать конусные поверхности. Однако при этом углы конуса обрабатываемой детали лимитированы пределами наклонения суппорта токарного карусельного станка.

На суппортах токарных карусельных станков могут устанавливаться механические поворотные сменщики на 3, 4 или 5 инструментальных позиций (на рисунке справа приведён пример 5-позиционного сменщика).

В качестве управляющего блока в токарных карусельных станках используется стандартный NC контроллер с устройством цифровой индикации положения инструмента (УЦИ), либо без него.

Это наиболее простой и экономичный вид токарно-карусельных станков. Достоинством моделей данного класса является невысокая стоимость станков при достаточно широком разнообразии возможностей мехобработки изделий.

Для обработки деталей особо больших диаметров конструкция вертикального токарного карусельного станка претерпевает необходимое усовершенствование: вместо одной стойки теперь используются две, объединённые в единую жёсткую конструкцию - портал. Такая портальная конструкция имеет ряд преимуществ по сравнению с консольной:

• две стойки обеспечивают большую жесткость и равномернее распределяют нагрузку на фундамент токарного карусельного станка
• перемещение горизонтальной траверсы контролируется на обоих концах, следовательно точность ее позиционирования увеличивается
• появляется возможность использования сразу двух вертикальных суппортов, при одновременном задействовании обоих резцов часть нагрузки взаимно гасится, что обеспечивает на портальных токарных карусельных станках более низкий уровень биений и высокую точность обработки.

Для повышения мощности в токарных карусельных станках портального типа нередко используется два главных двигателя.

Аналогично консольным станкам, для обработки нижних боковых участков у портальных токарных карусельных станков могут быть использованы один или два дополнительных  боковых суппорта. Панель управления токарных карусельных станков опционально оснащается устройством цифровой индикации положения инструмента (УЦИ), размещена панель управления может быть как в отдельной стойке, так и на навесном кронштейне.

1-колонные вертикальные токарно-карусельные станки с ЧПУ по своим механическим характеристикам практически полностью аналогичны своим собратьям без ЧПУ.

Пульт управления с числовым программным управлением через систему сервоприводов (высокоточных моторов с датчиком положения исполнительного механизма) контролирует перемещение инструмента(ов) по осям и позволяет хранить в памяти станка десятки/сотни программ, которые - после их отладки - выполняются без вмешательства оператора, позволяя существенно увеличить производительность токарного карусельного станка за счет оптимизации значительной части этапов обработки.

На многие из токарных карусельных станков могут опционально устанавливаться 4-позиционные сменщики инструмента с электроприводом и управлением от блока ЧПУ. Более дорогие модели имеют в своем составе штатные сменщики на большее количество позиций. Такие модели оснащаются ограждением рабочей зоны и в целом по компоновке напоминают обрабатывающие центры.

Применение системы ЧПУ у 2-колонных токарных карусельных станков позволяет более точно синхронизировать перемещение левого и правого концов горизонтальной траверсы, улучшить точность ее позиционирования.

Кроме того, управление работой двух диаметрально расположенных резцов координируется с высокой точностью, что снижает биения и увеличивает качество обработки деталей на токарно карусельном станке с ЧПУ.

Если в случае использования стандартного цифрового контроллера оператору доступны лишь базовые параметры движения резца, включая его координаты, - то с применением ЧПУ перечень контролируемых параметров существенно увеличивается, вырастает удобство управления токарно карусельным станком с ЧПУ, его точность и производительность. Точность работы токарно-карусельного станка с ЧПУ также увеличивается за счёт применения сервоприводов - механизмов перемещения элементов станка вдоль его осей во взаимодействии с датчиками обратной связи (серво-датчиками), в результате конечное положение перемещаемого элемента не только вычисляется цифровым процессором, а ещё и дополнительно измеряется во время этого перемещения, на основании чего ЧПУ вносит поправку, повышающую точность позиционирования.

Применение ЧПУ в токарных карусельных станках особенно оправдано для крупносерийного производства. В этом случае более высокая стоимость станка по сравнению с аналогичным портальным токарным карусельным станком без ЧПУ окупается через повышение его производительности. Ещё одним фактором, влияющим на выбор токарно-карусельного станка с ЧПУ, является сложность обработки изделий и необходимость использования в их производстве CAD/CAM систем.

Вертикальные токарно-карусельные станки с приводным инструментом имеют две отличительные функции: индексация поворота рабочего стола и «активный» приводной инструмент. Обе эти функции используются совместно и в отдельности друг от друга не имеют смысла.

Под индексацией поворота рабочего стола (планшайбы) понимается тонкое управление углом поворота обрабатываемой детали: на угловые секунды и их доли. ЧПУ токарно карусельного станка контролирует этот угол как дополнительную C-ось. Практическая реализация С-оси в токарно карусельном станке достигается за счёт привода стола от двух моторов: маршевого, который служит для токарной обработки на нормальных скоростях, и «медленного» сервоприводного двигателя, включающегося во время обработки неподвижной либо медленно - со скоростью несколько оборотов в минуту - вращающейся заготовки. Когда поворот рабочего стола с закреплённой на нём деталью осуществляется сервоприводным двигателем, обработка детали ведётся не резцом, а при помощи «активных», т.е. вращающихся, инструментов: фрез, свёрел и т.п. (на фото справа приведён пример шпинделя для вращающихся инструментов). Сервоприводной двигатель – это наиболее дорогая часть станка, его ротор оснащен электромагнитными сенсорами, которые передают электронному управляющему модулю точные угловые координаты положения ротора, в отличие от него маршевый двигатель позволяет управлять только скоростью своего вращения. 

Токарно-карусельные станки с С-осью могут иметь как 1-колонную, так и 2-колонную конструкцию. 1-колонные (консольные), как правило, укомплектовываются сменщиком на 10-20 позиций, где «активные» фрезы и сверла соседствуют с их «пассивными» собратьями - резцами различных конфигураций. У 2-колонных портальных токарных карусельных станков с С-осью суппорты получили специализацию: один из них предназначается для силовой обработки (точения), второй – для фрезерной обработки приводным вращающимся инструментом. В связи с тем, что портальные токарные карусельные станки служат для работы с особо крупными деталями, где интервал между сменой инструмента достаточно высок из-за его большого веса и существенных габаритов самого станка, поэтому на портальные токарно-карусельные станки автоматический сменщик инструмента устанавливается очень редко.

По сути, станки этого типа можно классифицировать как токарно-карусельные обрабатывающие центры. Эти станки совмещают в себе две принципиально разные функции, характерные для двух разных категорий станков: токарных и фрезерных. Поэтому однозначное отнесение этого вида станков либо к токарным, либо к фрезерным будет одинаково неточным. По-видимому, будущее металлообработки тесно связано с развитием гибридных токарно-фрезерных обрабатывающих центров.