La precisión superficial de un eje rotatorio de múltiples etapas es muy importante en la fabricación y el proceso de ensamblaje del husillo motorizado de alta velocidad de las máquinas herramienta CNC, lo cual está estrechamente relacionado con la variación dimensional mecanizada inducida por el proceso de torneado. Este artículo intenta mejorar la comprensión integral del impacto de diferentes fuentes de error de localización y trayectorias de la máquina herramienta en la variación dimensional mecanizada para piezas rotativas de múltiples etapas del husillo motorizado de alta velocidad en el proceso de torneado. Se introduce un método de modelado y una estrategia de compensación de la variación dimensional en este artículo, basados en la definición de la relación entre las fuentes de error y la superficie mecanizada utilizando el vector de movimiento diferencial y los métodos de flujo de variación. Se realizaron experimentos de validación para verificar el modelo propuesto. Además, se investigó la relación entre los errores de localización y la variación dimensional con estudios de caso variados, proporcionando una metodología teórica para la predicción y caracterización de las variaciones dimensionales esperadas de la superficie mecanizada bajo las condiciones dadas.