Les travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse concernent essentiellement la conception en avant-projet de systèmes d'usinage dédiés à la production en grande série. Lors de cette phase de conception, l'objectif principal est de trouver, pour une pièce donnée, une configuration du système d'usinage qui satisfaisait, à coût minimal, les contraintes technologiques, techniques et économiques existantes. Plusieurs problèmes combinatoires posés par cet objectif sont étudiés dans la thèse. Plus concrètement, nous nous sommes intéressés aux problèmes d'optimisation de la configuration des trois types de systèmes d'usinage suivants : machines de transfert, machines à table mobile et machines à table circulaire pivotante. Pour chacun de ces systèmes, nous avons proposé, dans un premier temps, différents modèles mathématiques. Dans un deuxième temps, nous avons développé de nombreux outils d'optimisation dédiés à leur résolution, tels que des algorithmes de calcul des bornes inférieures, des procédures de pré-traitement, des algorithmes de résolution exacte et approchée, et des approches mixtes utilisant plusieurs de ces algorithmes. Ces travaux ont permis de concevoir un prototype de logiciel destiné à supporter les différentes étapes de conception en avant projet d'un système d'usinage. Ce logiciel a été testé avec succès sur plusieurs cas industriels.